prevÁdzkovÉ parametre vznetovÉho...
TRANSCRIPT
SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA
TECHNICKÁ FAKULTA
2120206
PREVÁDZKOVÉ PARAMETRE VZNETOVÉHO MOTORA
S VYBRANÝMI ALTERNATÍVNYMI PALIVAMI
2010 Ján POLERECKÝ, Bc.
SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA
TECHNICKÁ FAKULTA
PREVÁDZKOVÉ PARAMETRE VZNETOVÉHO MOTORA
S VYBRANÝMI ALTERNATÍVNYMI PALIVAMI
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Študijný program: Dopravné stroje a zariadenia
Pracovisko (katedra/ústav): Katedra vozidiel a tepelných zariadení
Vedúci diplomovej práce: Juraj JABLONICKÝ, Ing. ,PhD
Nitra 2010 Ján POLERECKÝ, Bc.
Čestné vyhlásenie
Podpísaný Ján Polerecký vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému „ Prevádzkové
parametre vznetového motora s vybranými alternatívnymi palivami“ vypracoval
samostatne s použitím uvedenej literatúry. Som si vedomý zákonných dôsledkov
v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé.
V Nitre 15. marca 2010
Ján Polerecký
Poďakovanie
Na tomto mieste chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce
Jurajovi JABLONICKÉMU, Ing., PhD za vedenie a pomoc pri vypracovaní tejto
diplomovej práce.
Ján Polerecký
4
Abstrakt v štátnom jazyku
Slovenská poľnohospodárska univerzita
Technická fakulta
Odbor: dopravné stroje a zariadenia
Autor: Ján Polerecký, Bc.
Diplomová práca: Prevádzkové parametre vznetového motora s vybranými
alternatívnymi palivami
Vedúci práce: Juraj Jablonický, Ing., PhD
Práca v prvej časti charakterizuje súčasne používané palivá, tvorbu emisií
u vznetových motorov a možnosti ich znižovania. V druhej časti porovnáva a hodnotí
vybrané druhy palív, ktorých vlastnosti boli skúšané v testovacích motoroch.
Kľúčové slová: biopalivo, motor, otáčková charakteristika, enviropal, metylester
Abstrakt v cudzom jazyku
Slovak University of Agriculture
Technical faculty
Major: Traffic Machines and Devices
Author: Ján Polerecký, Bc.
Graduation theses: Operation Parameters of Diesel Engine with Selected Alternative
Fuels
Supervisor: Juraj Jablonický, Ing. ,PhD
In the first part the graduation theses characterizes commonly used fuels, creation of
diesel engine emissions and possibilities of their lowering. In the second part it compares
and values selected fuels, whose properties were tested in experimental engines.
Keywords: biofuel, engine, engine-speed map, enviropal, methylester
5
Obsah
Obsah.............................................................................................................................................. 5 Zoznam skratiek a značiek ..................................................................................................... 6 Slovník termínov........................................................................................................................ 7 1. Úvod ......................................................................................................................................... 8 2. Palivá pre vznetové motory ............................................................................................. 9 2.1. Fosílne palivá............................................................................................................................... 9 2.1.1. Nafta .......................................................................................................................................................... 9
2.2 Alternatívne palivá ..................................................................................................................12 2.2.1. Bionafta ...................................................................................................................................................13
3. Tvorba emisií vo vznetovom motore ......................................................................... 17 3.1 Moderné trendy vstrekovacích systémov ........................................................................21 3.1.1. Systém vstrekovania paliva Common Rail...............................................................................23 3.1.2. Systém vstrekovania paliva združenou vstrekovacou jednotkou čerpadlo-‐tryska..................................................................................................................................................................................26
3.2 Spôsoby znižovania emisií ....................................................................................................28 3.2.1. Recirkulácia výfukových plynov .................................................................................................28 3.2.2. Filter pevných častíc.........................................................................................................................29
5 Metodika práce................................................................................................................... 34 6 Vlastná práca ........................................................................................................................ 36 6.1. Požiadavky na prístroje .........................................................................................................36 6.2. Meraný objekt............................................................................................................................41 6.3. Vstupné parametre vybraných druhov palív ..................................................................43 6.4. Meranie otáčkovej charakteristiky skušobného motora Z-8002 Turbo ...............47 6.4.1. Skúšané palivo motorová nafta (trieda B) ...............................................................................47
6.5. Meranie vonkajšej charakteristiky skušobného motora MD 8701.12...................54 6.5.1 Skúšané palivo motorová nafta ....................................................................................................54 6.5.2. Skúšané palivo metylester repkového oleja MERO .............................................................55 6.5.3. Skúšané palivo ENVIROPAL 22.....................................................................................................56
7 Záver ...................................................................................................................................... 59 8 Zoznam použitej literátury.............................................................................................. 60 9 Prílohy.................................................................................................................................... 62
6
Zoznam skratiek a značiek
Symbol Základná jednotka Význam
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
P kW výkon motora
D m-1 dymivosť motora
k m-1 súčiniteľ absorpcie svetla
mpe g/kW.h merná spotreba motora
Mk N.m-1 krútiaci moment motora
Mp l.h-1 hodinová spotreba paliva
λ - súčiniteľ prebytku vzduchu
CO oxid uhoľnatý
CO2 oxid uhličitý
DÚ dolná úvrať
HC uhľovodíky
H2 vodík (hydrogénium)
H2O voda (vodná para)
NO oxid dusnatý
N2 dusík (nitrogénium)
NOx oxidy dusíka
NO2 oxid dusičitý
O2 kyslík (oxigénium)
S síra (sulfur)
SOx oxidy síry
SO2 oxid siričitý
7
Slovník termínov
Cetánové číslo - paliva je rovné percentuálnemu objemovému podielu cetánu (C16H34)
v zmesi s alfametylnaftalínom (C11H10), ktorá má na skúšobnom zariadení rovnaký
prieťah vznietenia ako porovnávané palivo. Čistý cetán má cetánové číslo 100,
alfametylnaftalín má cetánové číslo 0.
Dymivosť - optický efekt sprevádzajúci emisiu pevných, kvapalných a plynných nečistôt
rozptýlených vo výfukových plynoch vznetového motora.
Opacita – fyzikálna vlastnosť charakterizujúca pohltivosť prostredia, vyjadrená hodnotou
súčiniteľa absorpcie svetla.
Dymomerom - meradlo, ktoré vyhodnocuje optické vlastnosti výfukového plynu meraním
opacity.
Teplomerom - meradlo na meranie teploty motora.
Otáčkomerom - meradlo na meranie otáčok motora.
Voľnobeh – rozumejú sa ním otáčky nezaťaženého motora, zahriateho na prevádzkovú
teplotu, pri uvoľnenom pedáli akcelerácie, bez zapnutých prídavných (vypínateľných)
spotrebičov a agregátov zaťažujúcich motor alebo palubnú elektrickú sieť odberom
výkonu, keď v činnosti nie sú, okrem systému voľnobehu, žiadne iné prídavné zariadenia
na obohatenie zmesi, alebo zariadenia pre štart. Prevodovka je v stave neutrál, spojka je
zapnutá.
Maximálne otácky - najvyššie otáčky nezaťaženého motora, dosiahnuté pri úplnom
stlačení pedálu akcelerácie.
Súčiniteľ absorpcie – jednotka opacity charakterizujúca optickú pohltivosť prostredia.
Korigovaný súčiniteľ absorpcie – používa sa na stanovenie maximálnej prípustnej
dymivosti. Je stanovený pri homologizačnej skúške podľa požiadaviek smernice EU
č. 72/306 (resp. predpisu EHK č. 24).
Rozptyl – rozdiel medzi maximálnou a minimálnou vyhodnocovanou hodnotou súčiniteľa
absorpcie.
8
1. Úvod
Ľudstvo za posledných sto rokov zaznamenalo dynamický rozvoj spoločnosti, ktorý
nabral závratné tempo. Okrem vedecko-technického rozvoja začalo ľudstvo zároveň
nepriaznivo zaťažovať aj životné prostredie. Ide najmä o emisie škodlivín, hlavne
“skleníkových” plynov, ktoré spôsobujú postupné nezvratné otepľovanie planéty a
narúšajú rovnováhu v prírode kyslými dažďami. Hovoríme tu predovšetkým o oxide
uhličitom (CO), oxidoch dusíka (NOX), metáne (CH4) a oxidoch síry (SOX).
Tieto plyny sa do ovzdušia dostávajú spaľovaním fosílnych palív (ropy, uhlia a
zemného plynu). Spolu s rastom spoločnosti rastie aj spotreba energií z dôvodu zvyšovania
počtu obyvateľov a takisto nezanedbateľným rastom životnej úrovne. Táto situácia vedie k
zvyšovaniu výroby energie, pričom využívanie tradičných palív smeruje k celkovému
vyčerpaniu zdrojov fosílnych palív, a to už v najbližších desaťročiach. To je dôvod, prečo
sa musí ľudstvo zaoberať otázkou znižovania spotreby energie získanej z klasických palív,
alebo hľadať iné formy energie.
Jedným z možných riešení je hladať nové alternatívne zdroje energie. Má to
opodstatnenie, ak zoberieme do úvahy vyčerpateľnosť fosílnych palív, na ktorých je
postavená prevažná časť celosvetovej energetiky. Alternatívne palivá by mali nielen
nahradiť klasické palivá, ale zaroveň musia byť šetrné ku životnému prostrediu. V
súčasnosti je najvýznamnejším palivom pre vznetové spaľovacie motory motorová nafta.
Keďže je aj táto vyčerpateľná, musí sa v blízkej budúcnosti aspoň čiastočne nahradiť
palivom na inom než ropnom základe.
.
9
2. Palivá pre vznetové motory
2.1. Fosílne palivá Energia, ktorú dnes využívame (teplo, elektrina, palivá pre motorové vozidlá), má svoj
pôvod prevažne vo fosílnych palivách. Uhlie, ropa alebo zemný plyn sú práve takýmito
palivami. Tieto palivá sa nachádzajú pod zemským povrchom, kde vznikali po milióny
rokov rozkladom pravekých rastlín a živočíchov. Hoci sa fosílne palivá pôsobením
prírodných síl (tepla a tlaku) stále vytvárajú, ich súčasná spotreba mnohonásobne
prevyšuje ich tvorbu. Skutočnosť, že nie sú doplňované tak rýchlo, ako ich
spotrebovávame, znamená, že pri tomto spôsobe spotreby ich v blízkej budúcnosti
vyčerpáme. Z toho dôvodu sa fosílne palivá považujú za neobnoviteľné. Obmedzenosť
zdrojov palív nie je však jediná hrozba, ktorej ľudstvo čelí. Spaľovanie fosílnych palív
vedie tiež k vážnemu poškodzovaniu životného prostredia.
Fosílne palivá môžeme rozdeliť na:
- rašelinu,
- uhlie,
- ropu.
Ďalšia časť tejto práce sa bude zaoberať hlavne palivami pochádzajúcimi z ropy,
preto budem pozornosť venovať hlavne fosílnym palivám ropného pôvodu. Ropné palivá
môžeme definovať ako palivá obsahujúce uhlík C a vodík H vo vzájomnej chemickej
väzbe. Hovoríme o tzv. uhľovodíkových palivách. Môžu takisto obsahovat aj iné chemické
prvky vrátane ich zlúčenín. V takom prípade ide o palivá neuhľovodíkové. Najviac
používaným palivom ropného pôvodu pre vznetové motory je nafta.
2.1.1. Nafta
Motorová nafta (alebo nafta, palivová nafta, plynový olej) je kvapalné palivo tvorené
zmesou ťažšie odpariteľných uhľovodíkov a ďalších prídavných látok. Obvyklý počet
atómov uhlíka v jednotlivých molekulách uhľovodíkov tvoriacich základ zmesi je 9 až 22.
Nafta sa používa ako palivo pre väčšinu vznetových motorov. Najčastejšie sa vyrába
hydrogenizáciou frakcií z destilácie ropy (obr.1).
10
Obr.1
Frakčná destilácia ropy
Základné vlastnosti nafty :
Frakčné zloženie
Frakčné zloženie vyjadruje destilačná krivka – závislosť odpareného podielu paliva od
teploty. Teplota začiatku destilácie (odparenie 10% paliva) má vplyv na bod vzplanutia
paliva. Pohybuje sa v rozmedzí 170 – 210 °C. Teplota stredu destilačnej krivky (odparenie
50% paliva) má vplyv na tekutosť nafty. Podľa neho sa nafta delí na:
- ľahkú – do 250 °C,
- strednú – od 250 do 300 °C,
- ťažkú – nad 300 °C.
Vznietivosť
Vznietivosť motorovej nafty je dôležitá vlastnosť pre jej praktické uplatneni vo vznetových
motoroch. Charakterizuje ju tzv. prieťah vznietenia. Je to čas, ktorý uplynie od okamihu
vstreknutia nafty do spaľovacieho priestoru po okamih, keď začne nafta horieť. Pretože
tento čas závisí od zloženia a destilačných vlastností nafty, ale aj od konštrukčných a
prevádzkových parametrov motora, na porovnávanie sa v praxi zaviedol iný parameter –
cetánové číslo. Cetánové číslo vyjadruje objemové percento cetánu v zmesi s
alfametylnaftalínom, ktoré má na skúšobnom zariadení rovnaký prieťah vznietenia ako
skúšané palivo.
11
Vyššie cetánové číslo paliva spôsobí:
- skrátenie prieťahu vznietenia,
- zníženie hluku spaľovania,
- zlepšenie spúšťacích vlastností motora,
- zníženie usadenín a kalov v spaľovacom priestore.
Príliš vysoké cetánové číslo však môže prispieť k zvýšenej tvorbe exhalátov.
Pre rýchlobežné motory sa odporúčajú palivá s cetánovým číslom 40 až 55.
Hustota
Hustota nafty meraná pri 20 °C v závislosti od jej zloženia kolíše v rozmedzí medzi 0,8 –
0,88 kg.dm-3. Nafta s väčšou hustotou má horšiu atomizáciu (rozprášenie na drobné
čiastočky), ale zároveň väčšiu prieraznosť lúča. Pri rovnakom vstreknutom objeme
poskytne ťažšia nafta vyšší výkon, vplyvom väčšieho množstva dodaného tepla.
Viskozita
Viskozita nafty meraná pri 20 °C sa pohybuje v rozsahu 2,5 – 5. 10-6 m2.s-1. Nízka
viskozita zhoršuje mazacie vlastnosti nafty, zvyšuje prienik nafty do skrine palivového
čerpadla s následným riedením mazacieho oleja. Napriek tomu sa menej viskózne palivo
lepšie rozprašuje. Palivá s vyššou viskozitou sa horšie vznecujú a majú sklon k
nedokonalému spaľovaniu. Viskozita určuje takisto spolu s povrchovým napätím veľkosť
kvapiek paliva rozprášeného do spaľovacieho priestoru vstrekovacou dýzou. Tie sa
premiešavajú so vzduchom. Menšie kvapky mají relatívne väčší povrch, a preto lepší styk
so vzduchom. Výsledkom je dokonalejšie prehorenie týchto menších kvapiek, a tým
menšia tvorba pevných častíc.
Teplota vylučovania parafínov
Táto teplota charakterizuje správanie nafty pri nízkych teplotách. Parafíny sa ako prvé
pri klesajúcej teplote stávajú tuhými látkami, čím zanášajú palivové potrubie, a môžu
spôsobiť až prerušenie dodávky paliva.
12
Obsah síry
Síra v palive a aj jej zlúčeniny po spálení spôsobujú koróziu častí motora. Preto sa v
súčasnosti prechádza na produkciu nízkosírnych palív.
Prísady
Do nafty sa pridávajú v malom množstve prídavné látky, tzv. aditíva, ktoré zlepšujú jej
vlastnosti pre zabezpečenie dobrej tekutosti. Tieto prísady sa pridávajú sezónne, podľa
čoho výrobcovia rozlišujú:
- letnú naftu,
- prechodnú naftu,
- zimnú naftu.
Do nafty sa ďalej pridávajú prísady na zvýšenie cetánového čísla a katalyzátory horenia.
(MOTEJL, 2001)
2.2 Alternatívne palivá Alternatívne palivá z hľadiska ich využitia možno rozdeliť do dvoch základných skupín:
a) palivá priamo nahradzajúce klasické motorové palivá:
- propán-bután (LPG – skvapalnený ropný plyn),
- zemný plyn v stlačenej forme (CNG) alebo v skvapalnenej forme (LNG),
- vodík.
Je samozrejmé, že pre používanie takýchto alternatívnych palív je nevyhnutné vykonať
pomerne zložitú prestavbu vozidla a úpravu motora, alebo je možné používať ich iba pri
takých vozidlách, ktoré boli vyrobené pre používanie konkrétneho alternatívneho paliva.
Používanie alternatívnych motorových palív nemôže byť v rozpore s doporučením od
výrobcu motora pre používanie motorového paliva.
b) palivá vyrobené aspoň čiastočne na inej než ropnej báze (uhlie, zemný plyn, rastlinné, a
teda obnoviteľné zdroje), ktoré sa používajú ako komponenty do klasických motorových
palív:
- metanol,
- etanol,
- étery, prevažne typu MTBE, ETBE, TAME, TAEE,
13
- estery (prevažne metylestery) mastných kyselín pripravené reesterifikáciou rastlinných,
prípadne aj živočíšnych olejov (FAME, VOME, MERO, EERO).
2.2.1. Bionafta
Bionafta sa vyznačuje výnimočne dobrými emisnými hodnotami. Pri spaľovaní vzniká
polovičný obsah sadzí, spaliny majú polovičnú dymivosť, nižší obsah oxidu uhličitého
a minimalne množstvo oxidov síry.
Nevýhody bionafty: - horšie štartovanie motora v zimnom období,
- vyšší obsah oxidu dusíka v splodinách,
- zvýšenie spotreby paliva,
- riedenie mazacieho oleja,
Hlavnou výhodou bionafty je jej biologická odbúrateľnosť, vysoká mazacia schopnosť
a nízky obsah emisií. Bionafta je mastnejšia ako motorová nafta a jej prídavok do
motorovej nafty znižuje opotrebenie motora. Čistá bionafta je netoxické ekologické palivo,
ktoré neobsahuje síru ani aromatické látky a je ľahko odbúrateľné.
Najväčšou nevýhodou je ekonomická náročnosť výrobného procesu. Ďalšou nevýhodou
je, že pri styku s vodou vznikajú z bionafty mastné kyseliny, ktoré podporujú koróziu
palivového systému. Z bionafty sa taktiež uvoľňujú organické usadeniny v palivovom
systéme, ktoré zanášajú palivový filter.
Bionafta horí pri spaľovaní lepšie ako klasická motorová nafta, čím dochádza
k zníženiu dymivosti motora. Má tiež pri spaľovaní nižšie emisie oxidu uhoľnatého, síry
a pevných častíc. Emisie NOX sú pri spaľovaní bionafty nepatrne vyššie ako pri klasickej
ropnej nafte. (POLERECKÝ, 2008)
14
Tab.1
Porovnanie vlastností bionafty s klasickou motorovou naftou
Ukazovateľ Jednotka Motorová nafta Metylester
Cetánové číslo - 45 55
Výhrevnosť MJ.kg-1 42,5 37 - 41
Merná hmotnosť g.cm-3 0,8-0,86 0,87-0,88
Bod vzplanutia °C 55 130
Bod tuhnutia °C -12 -20
Dymivosť m-1 0,49 0,26
Filtrovateľnosť °C 5 -15
Viskozita pri 0°C
20°C
100°C
mm2.s-1 3 - 14
2 - 8
0,7 - 2
10
6 - 8
1,7
Destilačná skúška
začiatok
koniec
°C
180
350
300
380
2.2.1.1. Výroba bionafty
Čisté rastlinné oleje nie sú vhodné ako priame palivo pre spaľovacie motory, pretože ich
odpariteľnosť je nízka v dôsledku vysokej mólovej hmotnosti a vyššej viskozite.
Výroba bionafty je v podstate bezodpadová technológia, pretože všetky vedľajšie
produkty sa dajú ďalej využiť. Základnou surovinou pre výrobu sú olejnaté plodiny
(obnoviteľné zdroje).
Vo svetovom meradle pri výrobe prevláda sójový olej (USA), medzi ďalšie patria
repkový olej, palmový olej, slnečnicový olej atď. Pri výrobe sa v lisovni na závitovkových
15
lisoch lisuje vysušené semeno repky olejnej. Olej odteká do nádrže cez olejový filter.
Odpadom sú výlisky (šroty), ktoré sa ďalej využívajú na výrobu kŕmnych zmesí
a prírodných hnojív.
Na výrobu bionafty z týchto olejov je použitá chemická reakcia, ktorá sa nazýva
reesterifikácia. Je to chemická reakcia, ktorá glycerol mení na olej, aby bol nahradený
metanolom, použitím zásady ako katalyzátora. Jej výsledkom je metylester. Jedným
príkladom takejto reakcie je metylester repkového oleja (MERO).
Zvyšná forma spôsobená reesterifikáciou sa nazýva glycerín. Získaný glycerín je
neutralizovaný kyselinou fosforečnou a odstránená pevná zložka sa suší. Konečným
produktom je fosforečné hnojivo. Ďalším výťažkom glycerínu je technický olej, ktorý
možno použiť ako vykurovací olej. Čistý glycerín je surovinou farmaceutického priemyslu,
kde je potrebná 99,6% čistota. Využíva sa v kozmetike, pri výrobe liečiv a kozmetických
prípravkov.(POLERECKY, 2008)
16
Obr. 2 Schéma výroby metylesteru repkového oleja
17
3. Tvorba emisií vo vznetovom motore
Základným predpokladom správneho chodu spaľovacieho motora s vnutorným
spaľovaním je optimálne zloženie zmesi palivo – vzduch. V porovnaní so zážihovým
motorom, pri vznetovom motore je tvorenie zmesi omnoho zložitejšie. Zmes sa tu tvorí
priamo vo valci spaľovacieho motora vstreknutím paliva do kompresiou ohriateho
vzduchu. Ak by pri horení paliva v spaľovacom priestore dochádzalo k dokonalej reakcii
boli by produktom tohto spaľovania iba neškodné plyny dusík, kyslík, oxid uhličitý a voda.
V skutočnosti je však situácia úplne iná. K procesu dokonalého spaľovania sa môžeme
iba priblížiť. Do reakcie tu totiž vstupujú určité prvky, ktoré zabraňujú dokonalému
spaľovaniu. V prvom rade je to samotné palivo, ktoré okrem uhľovodíkov obsahuje aj iné
prísady na vylepšenie vlastností paliva, ktoré sa takisto zúčastňujú na procese horenia.
Vznetový motor pracuje s prebytkom vzduchu (λ = 1,3 až 2). Práve tento prebytok
vzduchu v spaľovacom priestore nie je rovnomerný a v každom okamihu spaľovania je iný
v rozmedzí od λ = 0 až ∞. Takisto k nedokonalému spaľovaniu prispieva aj teplota
spaľovaieho priestoru. Napríklad podiel nespálených uhľovodíkov HC ovplyvňuje veľkosť
priamo chladeného povrchu spaľovacieho priestoru. Počas spaľovania uhľovodíkového
paliva so vzduchom vzniká oxidáciou uhlíka a vodíka oxid uhličitý a voda. Pri nedokonalej
oxidácii týchto prvkov je vo výfukových plynoch prítomný aj oxid uhoľnatý a vodík.
Kyslík sa vyskytuje vo výfukových plynoch, iba ak sa celý jeho obsah nespotrebuje na
oxidáciu paliva. Ďalšie plyny, nachádzajúce sa vo výfukových plynoch, sú oxidy dusíka.
Pri vysokých teplotách spaľovania oxidáciou dusíka obsiahnutého vo vzduchu vznikajú
oxid dusnatý a oxid dusičitý. Podobne je to so sírou, ktorá so vzduchom oxiduje
predovšetkým na oxid síričitý.
Pre ľudský ogranizmus sú azda najnebezpečnejšie exhaláty sadze. Tieto vznikajú pri
úplnom zamedzení prístupu vzduchu (napr. vo vnútri kvapôčky paliva) pri vysokej teplote.
Nastáva dekompozícia molekúl uhľovodíkov, ktorá spôsobuje nezreagovanie uhlíka a
vznik pevného uhlíka (sadzí) vo výfukových plynoch. Výfukovými plynmi z motora
odchádzajú ešte ďalšie pevné častice, ktoré sú produktami degradácie mazacieho oleja,
prach a iné častice, ktoré nezachytil vzduchový filter. Všetky tieto častice (sadze) tvoria
emisie vznetového motora, ktoré sú sledované a vyhodnocované ako dymivosť vznetového
motora.
Tab.2
18
Zloženie výfukových plynov automobilových vznetových motorov
Zložka Značka Jednotka Max.
koncentrácia
Toxicita
+ áno
- nie
Oxidy dusíka NOX ppm 800-1900 +
Oxid uhoľnatý CO ppm 800-1800 +
Sadze C g.m-3 0,2-0,5 +
Nespálené uhľovodíky
Alifatické
Polycyklické (benzpyrén)
CHX
B-P
ppm
g.m-3
400-800
0,5-3,0
+
+
Aldehydy
formaldehyd
akrolein
R-CHO
H-CHO
CH2.CH.CHO
ppm
ppm
40-80
4-8
+
+
Oxid siričitý SO2 ppm 100-200 +
Oxid uhličitý CO2 % 10-12 -
Vodík H2 ppm cca 300 -
Vodná para H2O % cca 6,0 -
Dusík N2 % cca 80 -
Kyslík O2 % cca 8,0 -
Pevné častice, CO, HC a aldehydy sú výsledkom nedokonalého spaľovania aj vtedy,
ked spaľovací motor pracuje s prebytkom vzduchu. Ich prítomnosť je sprevádzaná
zvýšenou spotrebou paliva. Množstvo jednotlivých zložiek zastúpených vo výfukových
plynoch závisí od priebehu chemických reakcií. Rozhodujúcim faktorom pri porovnávaní
so zážihovým motorom, ktorého výfukové plyny sú takmer bez pevných nečistôt, je obsah
pevných častíc, ktorý je určený stupňom ich začiernenia. Príčinou emisie pevných častíc je
nehomogenita zmesi v spaľovacom priestore. Emisia pevných častíc je teda závislá na
kvalite rozprášenia paliva pri jeho vstreku do valca. Z uvedeného vyplýva, že emisia
19
pevných častíc sa znižuje s rastúcim množstvom vzduchu privádzaným do spaľovacieho
priestoru.
Na pevné častice uhlíka sa naväzujú aj rôzne nespálené uhľovodíky. Tvorba sadzí je
typická práve pri vznetových motoroch, pretože sa zápalná zmes tvorí priamo vo valci a
nie je čas na jej homogenizáciu. Uhlík nie je pre ľudský organizmus toxický, ale dalšie
častice, ktoré sa naň naväzujú, môžu byť vysoko toxické. Častice sa usádzajú v pľúcach, a
umožňujú tak dlhodobé pôsobenie karcinogénov. Pevné častice sú takisto príčinou
zimného smogu, typického pre teplotnú inverziu.
Plynné škodliviny
Oxid uhoľnatý je prudko jedovatý plyn, ktorý napáda krvinky. Na hemoglobin sa viaže
oveľa rýchlejsie ako kyslík, a bráni tak okysličovaniu krvi. Krv nadobúda tmavočevenú
farbu a hrozí nebezpečenstvo zadusenia. Krátkodobá koncentrácia 0,01%, ktorá sa bežne
vyskutuje v čase dopravných špičiek, môže znamenať vážne ohrozenie zdravia účastníkov
cestnej dopravy. Koncentrácia 0,03% pôsobiaca počas 3 hodín má smrteľný účinok,
rovnako ako koncentrácia 0,16% počas jednej hodiny. Jeho percentuálne zastúpenie v
emisiách vznetového motora ja pomerne malé. Vzniká v procese horenia, keď sa jeden
atóm uhlíka spojí s jedným atómom kyslíka z nasatého vzduchu. Jeho tvorbu ovplyvňuje
hlavne spôsob, regulácia a nastavenie dávkovania paliva.
Nespálené uhľovodíky
Uhľovodíky sú zložité organické zlúčeniny, ktoré vznikajú spojením atómov uhlíka a
vodíka. Automobilové palivá sú zmesou uhľovodíkov s rozdielnymi vlastnosťami. Ich
prítomnosť vo výfukových plynoch možno zdôvodniť tým, že teplota v spaľovacom
priestore nie je v každom mieste rovnaká, ďalej môžu vznikať vynechaním spaľovacieho
taktu, nedokonalým spaľovaním či odparovaním sa paliva z vozidla. Ich množstvo rastie
priamoúmerne s klesajúcim prebytkom vzduchu. Všeobecne sa dá povedať, že na
množstvo nespálených uhľovodíkov vplýva okrem zloženia zmesi aj celkový technický
stav motora.
20
Aldehydy
Patria medzi kyslíkaté deriváty organických zlúčenín. Sú to čiastočne zoxidované
uhľovodíky, ktoré sa tvoria najmä pri nízkej teplote motora, hlavne pri spúšťaní studeného
motora, keď sa častice paliva spaľujú v tesnej blízkosti chladných stien spaľovacieho
priestoru. Vo vznetovom motore vznikajú pri tzv. studenom plameni (nízke zaťaženie
a prebytok vzduchu).
Pôsobia dráždivo na sliznice a oči a už pri nízkej koncentrácii a krátkych dobách, hlavne
nenasýtené aldehydy (akrolein) a vyššie aldehydy všeobecne. Polycyklické aromatické
uhľovodíky (PAH) sú zo všetkých aldehydov najnebezpečnejšie. Majú karcinogénny
účinok na ľudský organizmus.
Oxidy dusíka
Vznikajú oxidáciou vzdušného dusíka, ktorý prichádza do valca zo vzduchu spoločne
s kyslíkom potrebným pre oxidáciu paliva. Oxidácia dusíka je endotermická reakcia
(reakcia absorbujúca teplo), nastáva teda ako súčasť mechanizmu, ktorým prírodné sily
vzdorujú proti zvýšeniu teplôt.
V emisiách naftových motorov sa nachádzajú všetky oxidy dusíka, ale vo veľmi
rozdielnych koncentráciách. Najmenej škodlivý je oxid dusný (NO), ktorý v atmosfére
zotrváva asi 5 dní, lebo sa ľahko mení na oxid dusičný (NO2). Oxid dusičitý NO2 je oveľa
toxickejší než ostatné oxidy dusíka. Pôsobí dráždivo na oči, horné dýchacie cesty a
v pľúcach reaguje s vodou na stenách sliznice a vznikajú zmesi kyseliny dusičnej HNO3
a dusitej HNO2, ktoré narúšajú ich normálnu funkciu. NO2 znižuje obranné schopnosti
ľudského organizmu, hlavne pľúc, lebo pri vdychovaní reaguje ako na začínajúce horenie
a automaticky uzatvára prístup vzduchu do pľúc. Dôsledkom je pocit dusenia a nútenie do
kašľa. Vytvára pevné adičné zlúčeniny s hemoglobínom, ktorý má k NO2 podstatne vyššiu
afinitu ako ku kyslíku. Najnebezpečnejšími produktami dusičnanov sú nitrosaminy, ktorým
sa pripisujú karcinogénne účinky.
Oxid siričitý SO2
Je produktom horenia palív obsahujúcich síru. Je to prenikavo zapáchajúci bezfarebný
plyn dráždiaci sliznicu, ktorý znižuje odolnosť organizmu voči infekciám. V ovzduší
21
reaguje s vodnou parou za vzniku agresívnych kyselín a na zem sa vracia v podobe kyslých
dažďov.
V motore spôsobuje chemickú koróziu, čím skracuje životnosť motora. Takisto
spôsobuje negatívne reakcie na aktívnych plochách katalyzátorov (predovšetkým typu
DeNOx a SCR), čím ich znehodnocuje a bráni ich ďalšiemu používaniu (TAKÁSZ, 1997;
S-EKA, 2002;S-EKA, 2006).
3.1 Moderné trendy vstrekovacích systémov Palivová sústava vznetového motora má za úlohu dopravovať a vstrekovať palivo do
valca motora v presne stanovený okamih a v presne stanovenom množstve. Tieto
požiadavky na presnosť mechanické systémy už nedokázali splniť, preto vývoj v tejto
oblasti napredoval, a v súčasnosti sú vstrekovacie sústavy vznetových motorov plne
elektronicky riadené, a tak spĺňajú prísne požiadavky na presné vstrekovanie paliva, a tak
výrazne ovplyvňujú tvorbu emisií a výkonové parametre motora.
Vznetový motor je v súčasnosti najúčinnejší spaľovací motor s vnútorným spaľovaním.
Z energie obsiahnutej v palive dokáže premeniť na mechanickú prácu 35 až 45%. Na
tomto sa z veľkej časti podieľa palivová sústava, pretože, ako je uvedené v kap. 2, palivo
najlepšie prehorí, keď je rozprášené na čo najmenšie čiastočky. Tvorba emisií klesá, výkon
a efektívnosť motora stúpa. V súčasnosti používané vstrekovacie systémy pracujú z
vysokým pracovným tlakom, ktorý dosahuje hodnoty až 250 MPa.
Pri vznetových motoroch sa používa výhradne kvantitatívny spôsob tvorby zmesi, tzn.
že pomer výslednej zmesi vo valci je určovaný zmenou vstrekovaného množstva paliva.
Pri tomto spôsobe nie je v sacom potrubí zaradený žiadny akčný člen, ktorý by nastavoval
množstvo nasávaného vzduchu do valca.
Vo všebecnosti sa dá system vstrekovania paliva rozdeliť do dvoch základných skupín:
- motory s priamym vstrekovaní paliva, označované aj DI (direct injection),
- motory s nepriamym vstrekovaním paliva.
Výhody a nevýhody motorov s priamym vstrekovaním:
Medzi výhody radíme nižšiu mernú spotrebu paliva, jednoduchšie spúšťanie motora v
zimnom období a jednoduchšia konštrukcia hlavy valcov. Prvé dve výhody sú výsledkom
menších tepelných a hydraulických strát. K nevýhodám patrí nižší stredný efektívny tlak,
väčšie maximálne tlaky vo valci, a tým zvýšené namáhanie súčastí, vyššie nároky na
vstrekovací system, vyššie požiadavky na kvalitu paliva.
22
a) Obr. 3 b) Rez spaľovacieho priestoru nepriameho vstrekovania
a – Guľovitý spaľovací priestor vznetového motora s priamym vstrekom paliva. b – Prstencovitý spaľovací priestor vznetového motora s priamym vstrekom paliva
(Vlk, 2003).
Výhody a nevýhody motorov s nepriamym vstrekovaním:
Výhody tohto usporiadania sú vyšší stredný efektívny tlak vo valci, nižšie maximálne
tlaky, mäkší chod motora, menšie nároky na vstrekovacie zariadenie a kvalitu paliva. Azda
najväčšou výhodou je intenzívnejšie vírenie zmesi, a tým účinnejšie spaľovanie.
„Nevýhodami sú väčšia merná spotreba paliva, horšie spúšťanie motora v zimnom období,
potreba žhaviacej sústavy a zložitejšie a drahšie konštrukcie hlavy valcov s komôrkou.“
(MOTEJL, 2001)
a) Obr. 4 b) Rez spaľovacieho priestoru nepriameho vstrekovania
a – Spaľovací priestor vznetového motora s nepriamym vstrekom paliva a tlakovou komôrkou.
b – Spaľovací priestor vznetového motora s nepriamym vstrekom paliva a vírivou komôrkou (Vlk, 2003).
23
3.1.1. Systém vstrekovania paliva Common Rail
Vstrekovacia sústava tohto druhu sa od ostatných líši tým, že vstrekovací tlak sa
otáčkami palivového čerpadla nemení. Vysokotlakové čerpadlo nevytvára tlak paliva,
ktorý by bol závislý od polohy vačkového hriadeľa. Preto musí byť tento systém vybavený
aj dodatočným podávacím čerpadlom, ktoré musí podávať vysokotlakovému čerpadlu
rovnomerný tlak paliva. Toto nízkotlakové čerpadlo je poháňané elektromotorom a vo
väčšine prípadov býva umiestnené priamo v palivovej nádrži. Je vybavené regulátorom
tlaku, ktorý zabezpečuje konštantnú úroveň tlaku. Palivo je čerpané z nádrže cez palivový
filter a ohrievač paliva. Predohrievaním paliva sa predchádza vzniku parafínových
kryštálikov pri nízkych teplotách. Medzi nízkotlakovým a vysokotlakovým čerpadlom je
zaradený odpojovací ventil, ktorý sa otvára po dosiahnutí nastaveného tlaku.
Vysokotlakové čerpadlo sa používa spravidla s radiálnymi piestami. Toto prevedenie je
rozmerovo aj cenovo najvýhodnejšie.
Obr.5
Systém vysokotlakového okruhu common rail
24
Aby bol objem dopravovaného paliva čo najrovnomernejší, používa sa nepárny počet
piestov. Tlak paliva je udržovaný regulátorom výstupného tlaku vstrekovacieho čerpadla.
Regulátor je ovládaný elektromagnetickým ventilom ovládaným riadiacou jednotkou. Pri
zopnutí ventilu je prebytočné palivo odvádzané späť do nádrže alebo k vstupu
vstrekovacieho čerpadla. Najčastejšie býva umiestnený buď priamo na zásobníku paliva,
alebo vo vysokotlakovom čerpadle. Samotné palivo je potom zo zásobníka s konštatným
tlakom dopravované už len veľmi krátkym potrubím k vstrekovacím dýzam, ktoré sú
ovládané elektronicky prostredníctvom riadiacej jednotky. Tieto môžeme rozdeliť do
dvoch skupín:
- elektromagneticky ovládané (1. a 2. gen.),
- piezoelektricky ovládané (3. a 4. gen.).
Obr.6
Elektromagnetický vstrekovač
Obr.7
Piezoelektrický vstrekovač
25
Elektromagneticky ovládané vstrekovače boli vyvinuté o niečo skôr ako
piezoelektrické. V súčasnosti sa používajú piezoelektrické vstrekovače štvrtej generácie,
pretože disponujú až štyrikrát vyššou dobou spínania ako vstrekovače ovládané
elektromagneticky. Pracovný tlak týchto vstrekovačov je až 250 MPa. Priebeh vstreku
paliva sa tak môže veľmi dobre prispôsobiť požiadavkám motora. Objem vstrekovaného
paliva môže byť rozdelený až do siedmych čiastkových dávok. Celková dávka sa dá
rozdeliť na jeden až dva predvstreky malého množstva paliva, ktoré slúžia predovšetkým
na vytvorenie rovnomerne rozloženého tlaku, čo v konečnom dôsledku zníži hlučnosť
spaľovania. Rozdelením hlavnej dávky sa obmedzí mechanické namáhanie častí motora za
súčasného zníženia emisií. Po hlavnom vstreku môže nasledovať prvý dodatočný vstrek
paliva, ktorý spáli častice sadzí, a druhý dodatočný vstrek, ktorý prispieva k regenerácii
filtra pevných častíc. (FERENC,2006)
Obr.8
Palivový systém vstrekovacieho zariadenia Common Rail
1 - palivová nádrž, 2 - sací kôš so sitkom, 3 - elektrické dopravné palivové čerpadlo, 4 - jemný čistič paliva, 5 - nízkotlakové palivové potrubie, 6 - vysokotlakové palivové čerpadlo, 7 - spätné palivové potrubie, 8 - odpojovací ventil piestovej jednotky čerpadla, 9 - regulátor tlaku paliva, 10 - vysokotlakové palivové potrubie, 11 -
vysokotlakový zásobník paliva, 12 - snímač tlaku paliva v zásobníku, 13 - poistný ventil, 14 - obmedzovač prietoku, 15 - vstrekovač, 16 - riadiaca jednotka
(JABLONICKÝ a TKÁČ, 2007).
26
3.1.2. Systém vstrekovania paliva združenou vstrekovacou jednotkou čerpadlo-
tryska
Sústavy s otáčkovo závislým priebehom tlaku vstrekovaného paliva používajú na jeho
vytváranie vačky uložené na hriadeli, ktorý je poháňaný od vačkového, prípadne sú vačky
na pohon vstrekovacích jednotiek súčasťou vačkového hriadeľa. Amplitúda tlaku paliva aj
rýchlosť vstreku sa mení s otáčkami motora. S klesajúcimi otáčkami sa výstupná rýchlosť
paliva z trysky zmenšuje a dochádza k horšiemu rozprašovaniu. Dostatočne rýchlym
elektronickým riadením môže byť táto otáčková závislosť potlačená. Počiatok a koniec
vstreku sa riadi elektromagnetickým ventilom. Pokiaľ je ventil otvorený, odteká palivo
stláčané piestom čerpadla spätným potrubím do nádrže. Po uzavretí ventilu je tlakom
paliva nadvihnutá ihla vstrekovacej trysky a začne vstrekovanie paliva do valca.
Uskutočnenie takéhoto procesu zabezpečí združená vstrekovacia jednotka čerpadlo-tryska,
označovaná tiež ako UI alebo PD.
V takejto jednotke sú spojené obidve vysokotlakové časti vstrekovacej sústavy do
jedného konštrukčného celku, pričom počet týchto jednotiek na motore závisí od počtu
valcov motora. Jednotky sú umiestnené priamo v hlave valcov motora. Palivo je k nim
dopravované kanálikmi v hlave valcov. Vysoký tlak paliva je vyvodený mechanickým
účinkom vačky. Vačka potom tlačí na vahadlo, ktoré potom cez zdvihadlo pôsobí na piest
vstrekovacej jednotky.
Nábeh tlaku je pritom daný tvarom vačky a jeho strmosť požiadavkami príslušného
motora. Spätný pohyb piestu je zaistený protipružinou. Samotný proces vstrekovania je
riadený elektronicky prostredníctvom riadiacej jednotky, ktorá ovláda samostatne
elektromagnetické ventily všetkých združených vstrekovacích jednotiek. Elektronická
regulácia umožňuje ďalšie doplňujúce funkcie, akými sú teplotne závislé riadenie počiatku
vstreku, regulácia tichosti chodu motora, alebo tlmenie vibrácií motora.
Pretože pri tomto systéme odpadá vysokotlakové vstrekovacie potrubie, je tu možné
použiť veľmi vysoké vstrekovacie tlaky. S použitím týchto vysokých tlakov v kombinácii s
elektronickou reguláciou počiatku vstreku a veľkosti dávky paliva sa dosahujú výrazne
nižšie emisie a pokojnejší chod motora.
27
Priebeh pracovného cyklu združenej vstrekovacej jednotky
Pracovný cyklus sa začína fázou plnenia palivom. Pritom sa vačka natáča tak, že na
piest čerpadla pôsobí pružina a piest sa pohybuje nahor, pričom sa zväčšuje objem
vysokotlakového priestoru. Vinutie elektromagnetickeho ventilu je bez napätia, ihla je v
pokojovej polohe, takže je odkrytý kanálik pre plnenie vysokotlakového priestoru. Objem
čerpadla sa zapĺňa vplyvom tlaku, ktorý vytvára podávacie čerpadlo. Od svojej dolnej
úvrate (horná poloha) je piest čerpadla tlačený vačkou smerom dole. Palivo, ktoré
vysokotlakový priestor zaplnilo, je výtláčané jednak k vstrekovacej tryske a takisto k
odtoku paliva do nádrže. Počiatok vstreku nastane po privedení napätia na
elektromagnetický ventil, ktorý sa uzavrie. Ihla ventilu je zatlačená do sedla a uzavrie
odtok paliva späť do nádrže. Tlak začne narastať a pôsobiť proti sile pružiny. Hneď ako sa
tlak zvýši natoľko, že prekoná silu pružiny, ihla trysky sa nadvihne a začína predvstrek
(pilotný vstrek). Malá časť paliva z vysokotlakového priestoru zatlačí na uvoľňovací
piestik medzi týmto priestorom a pružinou trysky. Tým sa zvýši sila pružiny a tá zatlačí
ihlu trysky späť do sedla, čím sa vstrekovanie preruší.
Elektromagnetický ventil zostáva uzatvorený a piest počas ďalšieho otáčania vačky
pokračuje pohybom nadol. Tlak paliva sa zvyšuje, ale na pružinu trysky pôsobí už len tlak
drieku trysku, pretože uvoľňovací ventil je nadoraz, a tak bráni zvýšeniu uzatváracej sily
pružiny tlakom paliva. Ihla trysky sa znovu nadvihne a vstrekuje sa hlavná davka.
Pohybom piestu nadol tlak stúpa do vysokých hodnôt, pretože cez otvory trysky nemôže
pretiecť také množstvo paliva, aké je piestom z vysokotlakového priestoru vytláčané.
Koniec vstreku nastáva otvorením elektromagnetického ventilu tým, že riadiaca
jednotka odpojí napätie privádzané do vinutia jeho cievky. Ihla trysky je navrátená do
sedla silou pružiny a palivo vytláčané piestom môže odtekať do spätného potrubia.
Súčasne pružina posunie uvoľňovací piest do jeho základnej polohy.
28
Obr. 9
Združená vstrekovacia jednotka
3.2 Spôsoby znižovania emisií V tejto kapitole sa budeme podrobnejšie venovať spôsobom ako dodatočne znížiť emisie
vznetového motora potom, ako opustia spaľovací priestor. Tieto sa dajú dodatočne znížiť
buď úpravou výfukových plynov vo filtroch pevných častíc, alebo recirkuláciou
výfukových plynov.
3.2.1. Recirkulácia výfukových plynov
Recirkulácia výfukových plynov sa používa za účelom zníženia emisií oxidu dusíka.
Výfukové plyny spaľovacieho motora sú inertné, teda nehorľavé plyny. Primiešaním
inertného plynu do nasávaného vzduchu sa v tomto obmedzí obsah kyslíka a dôjde k
zníženiu spaľovacích teplôt vo valcoch. Tým pádom sa obmedzí tvorba oxidu dusíka.
Recirkuláciou výfukových plynov sa môžu znížiť emisie oxidu dusíka až o 60%.
Nevýhodou však je, že sa mierne zvýšia emisie oxidu uhoľnatého CO a nespálených
29
uhľovodíkov HC, ktoré pri zníženej teplote nezhoria úplne. Preto sa množstvo
recirkulovaných plynov reguluje v závislosti od prevádzkových podmienok motora. Deje
sa to buď prostredníctvom elektropneumatického meniča, ktorý využíva podtlak
vyvodzovaný vákuovým čerpadlom na ovládanie ventilu recirkulácie výfukových plynov,
alebo plne elektrickým ventilom, ktorý priamo využíva elektrické napätie na zmenu
regulovanej veličiny. Tieto ventily riadi riadiaca jednotka, ktorá vyhodnocuje prevádzkové
stavy motora a na ich základe ovláda celý proces recirkulácie výfukových plynov. Naviac
takýto systém umožňuje aj dodatočnú funkciu využívanú spravidla v zimnom období. Pri
studených štartoch motora je ventil recirkulácie naplno otvorený, aby mal motor
bezprostredne po naštartovaní ihneď teplý vzduch, ktorý je za iných okolností
produkovaný kompresiou motora. Takouto jednoduchou cestou je dosiahnutý vyrovnaný
chod motora hneď po naštartovaní.
Obr. 10
Schéma recirkulácie výfukových plynov
3.2.2. Filter pevných častíc
V tejto kapitole bude podrobne vysvetlený celý princíp priebehu a riadenia filtra
pevných častíc a jeho regenerácie. V súčasnosti sa používajú dva druhy filtrov pevných
častíc.
- filtre bez dodatočnej aditivácie paliva,
- filtre s dodatočnou aditiváciou paliva.
Regenerácia filtrov bez aditivácie sa dá ďalej rozdeliť na pasívnu a aktívnu. Princíp
pasívnej regenerácie spočíva v umiestnení filtra v bezprostrednej blízkosti motora.
Výfukové plyny vychádzajúce z motora majú dostatočnú teplotu (350 – 500°C), aby vo
filtri zhoreli. Keby bol umiestnený vo väčšej vzdialenosti, stihli by plyny ochladnúť, vo
30
filtri by sa teda zachytávali, ale regenerácia filtra by nenastala. Časom sa však ukázalo, že
napriek blízkosti filtra pri motore tento systém nerieši prípady prevádzky vozidla na krátke
mestské cykly. Zhorenie sadzí trvá nejaký čas, a keď sa práve na začiatku regenerácie
motor zastaví, regenerácia je neúčinná. Práve z tohto dôvodu sa vyvinul aktívny system
regenerácie, na ktorý dohliada riadiaca jednotka motora. Pri tomto systéme je filter
posunutý od motora o určitú vzdialenosť. Nevyžaduje sa tu totiž bezprostredná blízkosť
motora. Princíp je taký, že sa kontinuálne meria tlak výfukových plynov pred aj za filtrom
a zo zisteného rozdielu sa vypočíta okamžitá hodnota zanesenia filtra sadzami. Keď táto
hodnota dosiahne 45% celkovej kapacity, ktorú je filter schopný zachytiť, spustí sa proces
regenerácie. Začne sa tým, že riadiaca jednotka odstaví recirkuláciu výfukových plynov a
zvýši vstrekovaciu dávku o malé množstvo paliva, ktoré sa vstrekne po hlavnej dávke.
Tieto opatrenia pomôžu zodvihnúť teplotu spalín až na hodnotu 600°C, pri ktorej začína
regenerácia filtra pevných častíc. Ani tento system však nie je dokonalý a takisto nie je
imúnny proti zastaveniu motora z vôle vodiča. Regenerácia sa preruší a opätovne sa spustí,
keď vozidlo nadobudne rýchlosť vyššiu ako 60 km.h-1. Ak sa znova proces preruší,
riadiaca jednotka vykoná ďalšie dva pokusy o spustenie regenerácie. Ak sa to nepodarí,
proces sa preruší a filter sa začne plniť ďalšími sadzami. Keď hodnota naplnenia filtru
dosiahne hodnotu 50%, spúšťa sa nový cyklus regenerácie. Plyny o teplote 600 – 650°C
vstupujú do filtra a regenerujú ho. V prípade opakovaného prerušenia regenerácie
uprostred jej cyklu sa na prístrojovom paneli rozvieti varovné svetlo. Ak by sa proces
regenerácie neuskutočnil ani po tejto výzve, hrozí znehodnotenie filtra pevných častíc,
ktoré je nezvratné. (Recirkulácia výfukových plynov [online], 2010)
Obr.11
Filter pevných častíc
31
Systém aditivácie paliva
Druhým používaným spôsobom regenerácie filtra pevných častíc je aditivácia paliva.
Tento systém používa najmä francúzska skupina PSA, ktorá vyrába automobily
Peugeot/Citroën.
Aby bola zaistená správna a funkčná regenerácia filtra pevných častíc, pridáva sa do
paliva aditívum, ktoré znižuje teplotu spaľovania pevných častíc približne o 100°C.
Používané aditívum je zmes na báze cerínu. Táto zmes napustí pevné častice počas ich
vytvárania v spaľovacom priestore, pretože je už obsiahnutá v palive. Následne podporuje
zhorenie častíc vo filtri už pri teplote 450°C namiesto 550°C.
Doba regenerácie je päť minút pre zhorenie 30g sadzí pri teplote 450°C. Pre porovnanie
uvádzame, že bez dodatočnej aditivácie je doba regenerácie 30g sadzí tridsať minút pri
teplote 550°C. Pri horení sadzí bez dodatočného aditivovania paliva sa musí najprv kyslík
dostať medzi pevné častice. Nevýhodou je, že k dosiahnutiu reakcie kyslíka s uhlíkom je
potrebná vyššia teplota. V prípade aditivovaného paliva je kyslík už prítomný vo vnútri
sadzí, čo spôsobí, že je pri prebiehaní reakcie dostatok kyslíka, a tým pádom klesá
potrebná teplota a takisto čas zhorenia. Aditívum je vo vozidle uchovávané v samostatnej
nádrži umiestnenej v blízkosti hlavnej palivovej nádrže.
Samotná aditivácia paliva prebieha po každom tankovaní paliva. Merač výšky hladiny
paliva poskytne informáciu riadiacej jednotke, ktorá si vypočíta objem pridaného paliva.
Na základe tejto informácie prostredníctvom čerpadla vstrekne presne stanovené množstvo
aditíva do palivovej nádrže. Výrobca udáva, že jeden liter aditíva vystačí na úpravu až
2800 litrov paliva. (AUTOEXPERT, 2009)
32
Obr.12
Systém aditivácie paliva
1 - filter pevných častíc, 2 - tlakové sensory, 3 - riadiaca jednotka, 4 - vstrekovacie
čerpadlo aditív, 5 - vysokotlakový okruh.
33
4 Cieľ práce
Cieľom tejto diplomovej práce je zistiť technické a ekologické parametre vznetových
motorov MD 8701.12 a Z – 8002 Turbo pri použití vybraných druhov palív. Výsledky
merania zistíme krátkodobým meraním na brzde v laboratórnych podmienkach Katedry
vozidiel a tepelných zariadení Technickej fakulty SPU v Nitre.
Parametre budú posudzované na základe výsledkov experimentálnych meraní
výkonnostných parametrov traktorových motorov brzdením motora MD 8701.12 cez
vývodový hriadeľ traktora a motora Z – 8002 Turbo na brzdnom stanovišti pri použití
rôznych palív.
34
5 Metodika práce
Pre dosiahnutie stanoveného cieľa sme si zvolili nasledovné čiastkové úlohy:
• Štúdiom dostupnej literatúry, časopisov, noriem a firemných prospektov spracovať
teoretický prehľad literatúry a východiská pre meranie. Zamerali sme sa hlavne na
výrobu, použitie, vlastnosti palív, systém prípravy zmesi, spôsoby dodatočného
znižovania emisií.
• Príprava skúšobného stanovišťa a meraného objektu na meranie.
• Meranie otáčkových charakteristík motorov
- Z 8002 Turbo,
- MD 8701.12.
• Spracovanie výsledkov merania do príslušnej formy (tabuliek a grafov),
vyhodnotenie nameraných parametrov motora podľa príslušných tabuliek a grafov.
• Zhodnotenie významu merania pre prax a tendencie využívania biopalív v blízkej
budúcnosti.
Podmienky skúšok motorov v laboratórnych podmienkach
V našich podmienkach sú predpisy pre vykonávanie laboratórnych skúšok spaľovacích
motorov používaných v traktoroch zahrnuté nasledovných normách:
• ISO 2288 Skúšky motora na skúšobnom zariadení.
• STN ISO 789 – 1 (30 0441) Poľnohospodárske traktory. Skúška výkonu na
vývodovom hriadeli.
• STN 09 0014 Definícia výkonov.
• STN 30 0413 Motory traktorov a kombajnov.
• STN 30 0415 Poľnohospodárske a lesnícke traktory. Metódy skúšania.
• STN 09 0014 Definície výkonov.
• STN 09 0722 Piestové spaľovacie motory.
• STN 30 2008 Motory automobilové. Skúšky na brzdnom stanovišti.
Podľa ISO 2288, STN 30 0415 a STN ISO 789 – 1 (30 0411) sú podmienky pre skúšanie
traktorových motorov v laboratórnych podmienkach nasledovné:
35
1. Skúška sa musí vykonávať s plným výkonom vstrekovacieho motora čerpadla pre
vznetové motory.
2. Skúška sa vykonáva na motore po zábehu, v súlade s odporučením výrobcu, za
podmienok stabilnej funkcie motora.
3. V rámci prípravy motora na skúšky musí byť vykonané nastavenie, ktoré sa
v priebehu skúšok nesmie meniť.
4. Motory dodávané ku skúškam musia byť vybavené kompletne podľa priloženej
technickej dokumentácie výrobcu, s dokladmi o preberaní technickou kontrolou
výrobného podniku a protokolom o zábehu.
5. Všetky zásady a nedostatky o oprave sa musia v priebehu skúšok zaznamenať.
6. Atmosferické podmienky skúšky sa majú blížiť čo najviac referenčným, aby sa
znížila hodnota korekčného činiteľa. To predstavuje atmosferický tlak 96,6 kPa
a teplotu 23 ± 7°C.
7. Teplota vzduchu vstupujúceho do motora musí byť meraná v maximálnej
vzdialenosti 0,15m od vstupu. Snímač teploty má byť chránený pred sálavým
teplom a umiestnený vo vzdušnom prúde.
8. Odpočítavanie sa môže uskutočniť až vtedy, keď točivý moment otáčky a teploty
sú približne konštantné po dobu minimálne jednej minúty.
9. Hodnota otáčok po ich nastavení sa nesmie zmeniť ± 1% alebo 10 min-1, pričom sa
počíta s väčšou hodnotou.
10. Zaznamenáva sa priemerná hodnota dvoch stabilných meraní (líšiacich sa
maximálne o 2%) zaťaženia, spotreby a teploty nasávaného vzduchu.
11. Pre meranie teploty a otáčok je stanovená minimálna doba merania 30s pri
automatickom meraní a 50s pri ručnom meraní.
12. Ak nie je stanovené výrobcom inak, teplota chladiacej kvapaliny na výstupe má byť
80 ± 5°C a teplota oleja musí byť v rozmedzí 80 – 100°C, pre motory chladené
vzduchom musí byť udržiavaná teplota v presne špecifikovanom mieste podľa
údaja výrobcu s toleranciou ± 20°C.
13. Teploty paliva na vstupe do vstrekovacieho čerpadla a kľukovej skrine (prípadne na
výstupe z chladiča oleja), musí byť v hraniciach ± 5°C teploty stanovenej
výrobcom motora s minimálnou hodnotou 30°C.
14. Výstupná teplota výfukových plynov musí byť meraná na prírube výfuku a má byť
v stanovenom rozsahu.
36
15. Systém odvodu výfukových plynov v skúšobni nesmie vytvárať počas chodu
motora tlak rozdielny od atmosferického tlaku s toleranciou ± 740 Pa (merané
v mieste napojenia)
16. Chladič, ventilátor, vodné čerpadlo a termostat musia byť počas skúšky umiestnené
tak, ako sú namontované na vozidle.
17. Sú stanovené pomocné zariadenia, ktoré musia byť do skúšky zahrnuté, ostatné
musia byť počas skúšky vylúčené.
18. Skúšky motora majú byť vykonané bez prerušenia. Keď je potrebné motor
v priebehu skúšok odstaviť, je nutné zabezpečiť jeho zahriatie na predpísané,
ustálené hodnoty. (7, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35).
6 Vlastná práca
6.1. Požiadavky na prístroje V tejto časti budú podrobne rozobrané prístroje používané priamo pri meraní
charakteristík, alebo sa akýmkoľvek spôsobom zúčastňovali na meraní.
Teplomer
Na meranie teploty sa najčastejsie používa teplomer, ktorého sonda je ponorená do
mazacieho oleja v mieste zasunutia mierky hladiny oleja v motore. Hĺbku zasunutia treba
vždy starostlivo premerať, aby nedošlo buď k neponoreniu snímača do oleja, alebo aby
nedošlo ku kontaktu snímača a rotačných častí motora.
Otáčkomer
Pre zisťovanie úplnej otáčkovej charakteristiky je neodmysliteľnou súčasťou merania
zariadenie na snímanie otáčok. Otáčkomery môžu pracovať na základe vyhodnocovania
signálov pochádzajúcich z rôznych zdrojov. Sú to v podstate prevodníky prevádzajúce
rôzne vstupné veličiny na elektrické napätie o frekvencii zodpovedajúcej otáčkam motora.
Najpožívanejšie typy otáčkomerov sú:
- otáčkomer s prstencovým snímačom,
- otáčkomer s optickým snímačom,
- otáčkomer so snímaním elektrického signálu palubnej siete,
- otáčkomer s vibračným a akustickým snímačom.
Dymomer
37
Princíp činnosti zisťovania dymivosti je založený na meraní úbytku intenzity svetla
prechádzajúceho prostredím, ktoré je naplnené výfukovým plynom. Základnou jednotkou
dymivosti je m-1 a vyjadruje hodnotu útlmu svetla prechádzajúceho stĺpcom
vyhodnocovaného plynu. Pritom sa využíva odber vzorky plynov z vyústenia vyfukového
systému, ktoré sú prostredníctvom odberovej sondy a spojovacej hadice dopravené
vlastnou kinetickou energiou do meracej kyvety dymomera (v niektorých prípadoch môžu
byť nasávané pomocou čerpadla).
Konštrukcia dymomera
Prístroj sa obyčajne skladá z dvoch častí. Vyhodnocovacia jednotka, ktorá spracováva a
zobrazuje namerané veličiny prostredníctvom monitora alebo grafických displayov. Často
býva vybavená záznamovým zariadením – tlačiarňou nameraných hodnôt. Druhou časťou
je meracia komora, ktorá je prepojená s vyhodnocovacou jednotkou cez napájacie a dátové
vedenie. Meracia komora je s vozidlom spojená jedina odberovou sondou. Výfukové
plyny sú privádzané do stredu meracej komory, ktorá je presvecovaná bielym svetlom
vychádzajúcim zo zdroja na jednej strane. Oproti zdroju svetla na druhej strane je
umiestnený snímač snímajúci úbytok svetla, ktorý zodpovedá dymivosti motora. Zdroj a
snímač svetla sú pred znečistením sadzami chránené vzduchovou medzerou, ktorú
vytvárajú ventilátory.
Meracia komora je v podstate sklenený valec s dĺžkou zvyčajne 430 mm. Aby sa
zabránilo roseniu vnútorného priestoru a aby boli vytvorené podmienky pre požadovanú
opakovateľnosť meraní je táto komora kontinuálne vyhrievaná na teplotu okolo 100°C .
Na meranie dymivosti nášho experimetnálneho merania bola použitá meracia zostava
MAHA vybavená opacimetrom MAHA MDO 2 LON so softvérovým vybavením V1.
10/0.00.GB vyhovujúca požiadavkám na meracie zariadenia podľa predpisu EHK č. 24,
vibračno-akustický snímač otáčok AVL DiSpeed 492. Použitý opacimeter vyhodnocuje
dymivosť pri čiastočnom odbere vzorky výfukových plynov. Opacimeter MAHA MDO
disponuje dvomi meracími módmi.
- mód A (frekvencia vzorkovania = 0,2s) slúži pre učely homologácie,
- mód B (frekvencia vzorkovania = 1s) mód pre meranie emisií vznetových motorov.
Pri meraní dymivosti sme postupovali v súlade s Metodickým pokynom MDPaT SR pre
výkon emisnej kontroly vznetového motora. Hodnota dymivosti D [m-1] sa vypočíta ako aritmetický priemer hodnôt súčiniteľov
38
absorpcie „k“ zistených pri posledných troch voľných akceleráciách.
kde: D - vypočítaná hodnota dymivosti [m-1]; k - nameraná hodnota súcinitela absorpcie [m-1]; N - poradové číslo merania; Rozptyl r je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hodnotou nameraného súčinitela absorpcie k posledných troch voľných akcelerácii N. Rozptyl r posledných troch zaznamenaných hodnôt nesmie byť väčší ako 0,5 m-1. r = max (A, B, C) ak: A = abs (k(N -2) – k(N-1)) B = abs (k(N-2) –kN) C = abs (k(N-1) –kN) Ak vypočítaná hodnota dymivosti z posledných troch akcelerácií je väčšia ako maximálna prípustná hodnota dymivosti nesmú byť namerané hodnoty súčinitela absorpcie v klesajúcom rade. Rad hodnôt je klesajúci, ak každá nasledujúca hodnota je menšia ako jej predchádzajúca. kN-2 > kN-1 > kN
Obr.13 Schematické znázornenie meracej komory dymomera
39
Obr.14
Zostava opacimetra pre meranie emisii MAHA MDO 2 LON
Dynamometer VD 110/6
Dynamometer (výkonová brzda) slúži pre skúšky spaľovacích motorov do výkonu 110kW.
Pozostáva z dvoch základných častí, a to z vlastného dynamometra s váhovým mechanizmom
a ovládacieho pultu s regulátorom.
Dynamometer pre svoju funkciu využíva účinky vírivých prúdov. Rotor v tvare ozubeného
kolesa sa otáča v statore. Na vnútornej strane statora je prstenec, ktorý má zaručenú
magnetickú vodivosť. Magnetický tok sa budí cievkou uloženou v statore, ktorá je napájaná
a riadená prostredníctvom usmerňovača regulátora. Pri otáčaní rotora v nabudenom statore
vznikajú v ňom pulzácie magnetického toku, ktoré na povrchu prstenca indukujú vírivé prúdy.
Ich veľkosť je závislá na veľkosti budiaceho magnetického poľa a veľkosti otáčok rotora.
Vzájomným pôsobením magnetického poľa z vírivých prúdov a magnetického poľa
indukovaného budiacou cievkou vzniká medzi statorom a rotorom krútiaci moment
unášajúci stator, ktorý sa prenáša cez pákový mechanizmus na ukazovateľ
dynamometrickej váhy.
Vírivé prúdy vytvárajú v statore teplo, ktoré je potrebné odviesť, a to buď priamo
prívodom chladiacej vody do priestoru zubového rotora, alebo nepriamo prietokom vody
chladiacimi kanálmi v statore. Pre možnosť väčšieho prúdového zaťaženia budiaceho
vinutia je vodou chladená aj budiaca cievka.
40
Stator uložený vo valivých ložiskách stojanov dynamometra je vybavený dvoma
ramenami, z ktorých kratšie je spojené s hydraulickým tlmičom, dlhšie s dynamometrickou
váhou. Výkyv ramien je obmedzený nastaviteľnou aretáciou. Rotor je tiež uložený vo
valivých ložiskách umiestnených v štítoch statora, ložiská sú mazané olejovou hmlou
z vlastného vyvíjača. Vyvíjač tvorí spolu s redukčným ventilom tlaku vzduchu a čističom
jeden celok. Vzduch dodávaný kompresorom na vytvorenie olejovej hmly má minimálny
tlak 0,1MPa. Pre snímanie a reguláciu otáčok slúži tachogenerátor umiestnený v štíte
dynamometra.
Ovládací pult s polovodičovým regulátorom R 079 slúži pre napájanie dynamometra
VD 110/6. V ňom sú sústredené všetky potrebné ovládacie prvky, polovodičový regulátor,
elektrický otáčkomer a budič pre tachogenerátor. Jednotlivé diely ovládacieho pultu sú
rozdelené na: ovládanie dynamometra, výkonový člen, relaxačný člen, relaxačný oscilátor,
zdroj zrovnávacieho napätia, usmerňovač tachometrického napätia, ochrana maximálnych
otáčok, merač otáčok, obmedzovač a budič pre tachogenerátor.
Na paneli ovládacieho pultu sú tlačidlá ŠTART, STOP, ISTENIE PRIETOKU VODY,
FUNKČNÝ PREPÍNAČ, OBMEDZOVAČ MAX. OT. a PREPÍNAČ ISTENIA,
s kontrolkami pre poruchu a brzdenie.
Technické údaje dynamometra VD 110/6
Výrobca: MEZ Vsetín
Maximálny brzdový výkon: 110 kW
Rozsah otáčok: 300 – 6000 min-1
Krútiaci moment: 48,7 kpm pri 2200 min-1
Potrebné množstvo vzduchu: 1,5 m3.s-1
Spotreba chladiacej vody: 30 1.min-1
Celková hmotnosť: 860 kg.
41
Obr.15
Dynamometer VD 110/6
6.2. Meraný objekt Skúšky boli vykonané na dvoch vznetových motoroch
Motor č.1 : Z – 8002, ktorého technické údaje sú nasledovné:
Typ motora: Z – 8002 turbo
Typ traktora: Z – 10011, Z – 10045
Výrobca: ZŤS a.s. Martin
Poloha a usporiadanie valcov: stojatý, radový
Pracovný cyklus: štvortaktný, jednočinný, preplňovaný
Druh vstreku: priamy
Druh spaľovacieho priestoru: toroidný v pieste
Počet valcov: 4
Objem valcov: 4562 cm3
Vŕtanie/zdvih: 110mm/120mm
Výkon pri menovitých otáčkach: 70,5 ± 5% kW
42
Max. krútiaci moment pri otáčkach 1650 min-1: 343 Nm
Menovité otáčky: 2200 min-1
Max. prebehové otáčky: 2450 min-1
Vstrekovacie čerpadlo: PP 4M85K1d 2480
Turbodúchadlo: HOLSET 3LD – 12
Motor č.2: MD – 8701.12, ktorého technické údaje sú nasledovné:
Typ motora: MD – 8701.12
Výkon motora/menovité otáčky: 85 kW / 2200 min-1
Počet valcov: 6
Objem valcov: 6840 cm3
Merná spotreba paliva: 245 g.kWh-1
Regulátor otáčok motora: RV 3M 300/1100
Vstrekovacie čerpadlo: PP 6 B 85 K le – 3139
Vstrekovacie ventily: VP 81 S 453 e 2583
Uhol predvstreku paliva: 24° pred HÚ
43
6.3. Vstupné parametre vybraných druhov palív
Tab.3
Vstupné parametre motorovej nafty
44
Tab.4
Vstupné parametre MERO
45
Tab.5
Vstupné parametre novej vzorky metylesteru
46
Tab.6
Vstupné parametre paliva ENVIROPAL 22
47
6.4. Meranie otáčkovej charakteristiky skušobného motora Z-8002 Turbo
6.4.1. Skúšané palivo motorová nafta (trieda B)
Prvým skúšaným palivom bola klasická motorová nafta triedy B. Výsledky ostatných
meraní budú porovnávané právé s tymto meraním, kedže sa nafta berie ako prioritné palivo
pre vznetové motory.
Namerané hodnoty Dosiahnuté výsledky z merania sú prezentované v číselnej forme v tab. 7.
Tab.7 Namerané hodnoty pre motor Z-8002 s palivom motorová nafta
Č.m. n,
min-1 Mk, Nm
Pe, kW
mpe, g.kW-1.h-1
1. 2450 0,00 0,00 - 2. 2320 186,78 45,36 377,00 3. 2240 269,80 63,26 256,00 4. 2200 307,03 70,70 250,00 5. 2150 320,80 72,19 240,80 6. 2030 330,40 70,20 235,00 7. 1800 341,60 64,36 238,00 8. 1600 343,00 58,50 247,57 9. 1400 330,21 48,39 269,89
Tab.8
Hodnoty dymivosti motora Z – 8002 pri meraní metódou voľnej akcelerácie
Č. merania Otáčky voľnobehu, min-1 Maximálne otáčky, min-1 Dymivosť, m-1
1 810 2450 3,09 2 820 2450 2,85 3 800 2450 2,92
Priemerná hodnota dymivosti 2,95 Rozptyl hodnôt dymivosti 0,24
48
Obr.16
Grafické vyjadrenie dymivosti a otáčok motora Z – 8002 v závislosti od času
Akceleračná skúška – Motorová nafta
Tab.9 Akceleračná skúška uskutočnená na traktore Z122 45 – motorová nafta MN 4
Číslo merania
Dráha, m
Čas, s
Zrýchlenie m.s-2
1. 45,70 12,5 0,58 2. 44,50 12,0 0,61 3. 43,45 10,0 0,87 4, 43,20 10,2 0,83 5. 42,95 10,0 0,86
49
Obr. 17
Vonkajšia otáčková charakteristika motora Z – 8002 s palivom motorová nafta
6.4.2. Skúšané palivo nová vzorka metylesteru
Namerané hodnoty
Tab.10 Namerané hodnoty pre motor Z-8002 s novou vzorkou metylesteru
Č.m. n,
min-1 Mk, Nm
Pe, kW
mpe, g.kW-1.h-1
1. 2450 0.00 0.00 - 2. 2320 156.90 37.77 416.57 3. 2240 226.80 53.41 304.80 4. 2200 257.88 59.38 288.98 5. 2150 269.40 60.62 283.78 6. 2030 277.50 58.96 283.28 7. 1800 286.90 54.05 290.61 8. 1600 289.70 48.52 299.29 9. 1400 277.40 40.65 323.65
50
Tab.11 Hodnoty dymivosti motora Z – 8002 pri meraní metódou voľnej akcelerácie
Č. merania Otáčky voľnobehu, min-1 Maximálne otáčky, min-1 Dymivosť, m-1
1 810 2450 2,39 2 820 2450 2,89 3 800 2450 2,87
Priemerná hodnota dymivosti 2,72 Rozptyl hodnôt dymivosti 0,5
Obr.18
Grafické vyjadrenie dymivosti a otáčok motora Z – 8002 v závislosti od času
Akceleračná skúška – nová vzorka metylesteru
Tab.12 Akceleračná skúška uskutočnená na traktore Z122 45
Číslo merania
Dráha, m
Čas, s
Zrýchlenie m.s-2
1. 43,17 10,5 0,78 2. 42,40 9,8 0,88 3. 42,20 9,2 0,99 4, 42,00 10,0 0,84 5. 43,00 10,2 0,83
51
Obr. 19
Vonkajšia otáčková charakteristika motora Z – 8002 s novou vzorkou metylesteru
Zhodnotenie merania
Pri zhodnocovaní výsledkov merania prevádzkových vlastností vznetového
motora je nutné navzájom porovnať dosiahnuté výsledky pri palive metylester
s výsledkami dosiahnutými pri chode motora na motorovú naftu. Číselne ukazovatele sú
uvedené v tabuľkách 7 a 10. Pre znázornenie výsledkov merania sú tieto číselné
ukazovatele spracované do grafickej formy, ktorú predstavuje graf č.5. Na grafe č. 5 je
graficky znázornená vonkajšia otáčková charakteristika pre obidva druhy porovnávaných
palív, pričom sú v závislosti od otáčok motora graficky znázornené nasledovné
ukazovatele:
- krútiaci moment motora, Mk, [Nm],
- efektívny výkon motora Pe, [kW],
- merná spotreba paliva mpe, [g. kW-1.h-1].
52
Z prevádzkového hľadiska najdôležitejším ukazovateľom je efektívny výkon motora
Pe ( kW) a k nemu prislúchajúca merná spotreba paliva mpe [g. kW-1.h-1] ako rozhodujúci
ekonomický ukazovateľ pre prevádzku motora. Hodnoty týchto ukazovateľov sú obzvlášť
dôležité v oblasti menovitého režimu motora, ktorý reprezentujú menovité otáčky 2200
min-1.
Z výsledkov vyplýva, že pri použití motorovej nafty motor pri menovitých otáčkach
dosahuje výkon 70,7 kW, ktorému prislúcha merná spotreba paliva 250 g/kW.h. Pri tých
istých menovitých otáčkach dosiahol motor výkon 59,38 kW s palivom ŠIMON, čo
predstavuje 85% pôvodného výkonu dosiahnutého výkonu s motorovou naftou. To
znamená, že pri behu motora na novej testovanej vzorke metylestera ŠIMON výkon
motora klesol o 15%. Ďalšia zmena, ktorú môžeme pozorovať pri porovnaní, nastala pri
mernej spotrebe paliva. Tá sa zvýšila z pôvodných 250 g/kW.h pri nafte na 288.98 g/kW.h
pri metylesteri. V percentuálnom vyjadrení táto zmena predstavuje 15,6% nárast spotreby.
Tento rozdiel môžeme pripísať nižšej výhrevnosti metylesteru v porovnaní s motorovou
naftou. Podiel na tejto zmene má aj vyššia hustota metylesteru oproti nafte.
Z dosiahnutých výsledkov jednoznačne vyplýva, že pokles výkonu pri palive
metylester zodpovedá vzrastu mernej spotreby paliva, takže existuje vzájomná väzba
medzi znížením výkonu a zvýšením spotreby.
Pri meraní akcelerácie neboli zistené zásadné rozdiely medzi skúšaným palivom
a motorovou naftou. Zistené rozdiely sú zanedbateľné a možno teda konštatovať, že 15%
pokles výkonu pri metylesteri nemá vplyv na akceleračné vlastnosti nezaťaženého traktora.
Treba však upozorniť na skutočnosť, že pri zaťaženom traktore bude situácia iná, pretože
pri akcelerácií bez záťaže traktor disponuje veľkým prebytočným výkonom. So stúpajúcou
záťažou bude prebytočný výkon klesať a akcelerácia môže mať klesajúcu tendenciu.
Vyžaduje to ďalšie experimentálne merania.
53
Obr.20
Porovnanie motorovej nafty a novej vzorky metylesteru prostredníctvom otáčkovej
charakteristiky motora Z – 8002 Turbo
54
6.5. Meranie vonkajšej charakteristiky skušobného motora MD 8701.12
6.5.1 Skúšané palivo motorová nafta
Namerané hodnoty
Tab.13 Namerané hodnoty pre motor MD 8701.12 s palivom motorová nafta
Č.m. n,
min-1 Mk, Nm
Pe, kW
mpe, g.kW-1.h-1
1. 2300 211,79 51,00 284,75 2. 2250 333,54 78,58 238,60 3. 2200 383,49 88,32 225,71 4. 2150 391,83 88,20 227,53 5. 2000 407,36 85,30 229,50 6. 1800 426,51 80,34 235,95 7. 1600 446,51 74,79 243,82 8. 1400 447,36 65,58 245,54 9. 1200 378,72 47,57 221,71
Obr. 21
Vonkajšia otáčková charakteristika motora MD 8701.12 s palivom motorová nafta
55
6.5.2. Skúšané palivo metylester repkového oleja MERO
Namerané hodnoty
Tab.14 Namerané hodnoty pre motor MD 8701.12 s palivom MERO
Č.m. n,
min-1 Mk, Nm
Pe, kW
mpe, g.kW-1.h-1
1. 2300 211,79 51,00 310,87 2. 2250 333,54 78,58 262,39 3. 2200 380,62 87,66 248,26 4. 2150 390,70 87,95 246,60 5. 2000 405,98 85,01 247,41 6. 1800 422,17 79,58 252,88 7. 1600 443,85 74,35 255,52 8. 1400 448,68 65,78 257,70 9. 1200 407,65 51,20 212,58
Obr. 22
Vonkajšia otáčková charakteristika motora MD 8701.12 s palivom MERO
56
6.5.3. Skúšané palivo ENVIROPAL 22
Namerané hodnoty
Tab.15 Namerané hodnoty pre motor MD 8701.12 s palivom ENVIROPAL 22
Č.m. n,
min-1 Mk, Nm
Pe, kW
mpe, g.kW-1.h-1
1. 2300 207,89 50,06 296,75 2. 2250 322,33 75,94 243,38 3. 2200 369,13 85,01 231,24 4. 2150 377,64 85,01 238,04 5. 2000 392,12 82,11 232,78 6. 1800 411,34 77,54 237,62 7. 1600 430,52 72,11 247,71 8. 1400 432,76 63,44 245,35 9. 1200 352,42 44,27 226,99
Obr. 23
Vonkajšia otáčková charakteristika motora MD 8701.12 s palivom ENVIROPAL 22
57
Zhodnotenie merania
Z grafického spracovania otáčkových chrakteristík motora MD 8701.12 pri použití
vybraných druhov palív je vidieť, že použitie metylesteru MERO a zmesového paliva
ENVIROPAL 22 nemá zásadný vplyv na zníženie výkonu motora a zvýšenie mernej
spotreby paliva. Na tomto základe možno tieto alternatívne palivá odporučiť ako
adekvátnu náhradu motorovej nafty.
Bude však potrebné vykonať dlhodobé skúšky účinkov týchto palív na palivovú sústavu
traktora, spoľahlivosť prevádzky a nezanedbateľná je aj životnosť motora a vstrekovacieho
systému. Je tu totiž predpoklad rýchlejšieho opotrebenia vstrekovacieho čerpadla
a samotných vstrekovačov, kvôli vyššej viskozite alternatívnych palív. S viskozitou súvisí
aj kratší interval výmeny palivového filtra, ktorého mikrónové otvory sa rýchlejšie upchajú
biopalivom ako klasickou naftou.
58
Obr.24
Porovnanie motorovej nafty, metylesteru MERO a zmesového paliva
ENVIROPAL 22 prostredníctvom otáčkovej charakteristiky motora MD 8701.12
59
7 Záver
V súčasnej dobe, kedy ja naše prostredie nadmerne zaťažované emisiami všetkých
druhov, myšlienka používania palív s minimálnym dopadom na životné prostredie
nadobúda veľký význam. Svedčí o tom aj výrok Rudolfa Diesela z roku 1912, ktorý
napísal „Hoci je použitie rastlinných olejov v súčasnosti bezvýznamné v budúcnosti budú
tieto oleje tak isto dôležité ako sú petrolej alebo uhlie“. Tieto slová sa však doteraz
nenaplnili, pretože benzín a nafta svojimi vlastnosťami predstihli rastlinné oleje a preto ich
z trhu motorových palív skoro vytlačili. Avšak po vypuknutí prvej ropnej krízy v roku
1973 sa problematika využitia rastlinných olejov na pohon motorov stala znovu aktuálna.
Význam bionafty je predovšetkým v tom, že takmer každý naftový motor
je v princípe schopný spaľovať bionaftu. Keď zoberieme do úvahy skutočnosť, že až 90 %
prepravy tovarov a osôb sa v súčasnosti vykonáva dopravnými prostriedkami spaľujúcimi
naftu (nákladné automobily, autobusy, lokomotívy, lode, traktory), predstavuje to obrovský
potenciál. Okrem toho existuje tiež veľký počet osobných motorových vozidiel
vybavených naftovými motormi, ktoré by tiež mohli na pohon využívať bionaftu. V
krajinách Európskej únie sa ich počet pohybuje v rozsahu 15 až 40 %.
Na základe dosiahnutých výsledkov pri merání, ich zhodnotenia ako aj ďalších
významných skutočností, ktoré boli zistené pri laboratórnych a prevádzkových
experimentálnych meraniach možno jednoznačne odporučiť palivo ENVIROPAL 22 ako
adekvátnu náhradu motorovej nafty. Pokles výkonu a vzrast mernej spotreby paliva
v oblasti menovitých otáčok sa oproti motorovej nafte ukázal ako minimálny, čo toto
palivo posúva dopredu v oblasti alternatívnych palív pre vznetové motory. Na záver ešte
treba podotknúť, že pri používaní tohto paliva v praxi, bude treba zamerať pozornosť aj na
sledovanie prietočnej schopnosti palivových filtrov pri rôznom stupni ich znečistenia
a v prípade potreby upresniť intervaly ich výmeny po zohľadnení súčasne platných zásad
technickej údržby.
60
8 Zoznam použitej literátury
HLAVŇA, Vladimír a i. 2000. Dopravný prostriedok a jeho motor. Žilina : Žilinská
univerzita, 2000. 439 s. ISBN 80-7100-665-3.
VLK, František. 2004. Alternativní pohony motorových vozidiel. 1.vyd. Brno.březen 2004.
233 s. ISBN 80-239-1602-5
JABLONICKÝ, Juraj – TKÁČ, Zdenko. 2007. Palivová sústava traktorových motorov
a princípy regulácie vstrekovacích čerpadiel (1 časť). In. Moderná mechanizácia, roč. X,
2007, č. 1, s. 16-18. ISSN 1335-6178
JABLONICKÝ, Juraj – TKÁČ, Zdenko. 2007. Palivová sústava traktorových motorov
a princípy regulácie vstrekovacích čerpadiel (2 časť). In. Moderná mechanizácia, roč. X,
2007, č. 2, s. 15-17. ISSN 1335-6178
Učebné texty pre základné školenie technikov emisnej kontroly, Emisné kontroly vozidiel
so vznetovými motormi, Nitra: S-EKA, 2002. 95 s.
S-EKA. 2006. Príručka technika emisnej kontroly na vykonávanie emisných kontrol
cestných motorových vozidiel so zážihovým motorom a s nezdokonaleným emisným
systémom, so zážihovým motorom a s zdokonaleným emisným systémom, so vznetovým
motorom. Nitra: S-EKA, 2006.
TAKÁTS, Michal. 1997. Měření emisí spalovacích motorů. Praha: ČVUT, 1997. ISBN 80-
01-01632-3
MOTEJL, Vladimír a kol. Vstřikovací zařizení vznětových motorú. České Budejovice.
2001. 179s. ISBN 80-7232-142-0
FERENC, Bohumil. 2006. Spalovací motory Karburátory a vstřikování paliva. Brno. 2006.
367 s. ISBN 80-251-0207-6
MALÝ, Oldřich . 2010. Systém filtru pevných částic (FAP). In AUTOEXPERT, roč. 15,
2010, č.3, s. 46-48.
STN 30 0415 Poľnohospodárske a lesnícke traktory. Metódy skúšania. Účinnosť: 1986,
zmena: 1991
STN ISO 789-1 Poľnohospodárske a lesnícke traktory. Skúšobné metódy.Skúšky výkonu
na vývodovom hriadeli. Vydané: 1995
STN EN 590 Motorové nafty. Vydaná: 1998
61
Recirkulácia výfukových plynov, 2010 [online], aktualizované 2010, Dostupné na: <
http://sk.wikipedia.org/wiki/Recirkulácia_výfukových_plynov>
62
9 Prílohy
CD médium – diplomová práca v elektronickej podobe,