03_Paliva pro PSM - Katedra vozidel a motorů

KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Paliva pro PSM
#3/14
Karel Páv
2 / 10
Obecné požadavky na paliva PSM
Vysoká výh evnost na jednotku hmotnosti, resp. objemu (v etn obalu)
Nízká cena
Hustota energie vztažená na 1 litr objemu paliva
Co nejnižší zdravotní závadnost
BA
100%
Chemická asová stálost
NM
Nekorozivnost (jak paliva, tak i spalin: síra, vanad)
Etanol
Schopnost tvo it sm s
Metanol
Schopnost úplného sho ení
LPG
Minimální tvorba škodlivých produkt spalování
LNG
(oxidy síry, olovo, polycyklické uhlovodíky)
LH2
CNG
CH2
Rozd lení paliv pro PSM:
Fosilní (z ropy, zemního plynu, uhlí)
Obnovitelná (z vody, zem
Uhlovodíková
paliva
Kapalná
0%
20%
60%
80%
100%
120%
lských plodin)
žko odpa itelná (nafta, metylestery, rostlinné oleje)
(pro vzn tové motory - VM)
Lehce odpa itelná (benzin)
Plynná
Vodík
40%
(pro zážehové motory - ZM)
Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol)
Jsou možné kombinace r zných paliv (a to nejen sm sí)
3 / 10
Stavba uhlovodíkových paliv
Nasycené uhlovodíky (s max. možným po tem H):
n-alkany:
(n-parafiny)
metan CH4, etan C2H6, propan C3H8, …, oktan C8H18
H
ímá vazba, vysoká výh evnost
CnH2n+2
H C H
H 3C
H
izoalkany: izobutan C4H10, …, izooktan C8H18 (2,2,4-trimetylpentan)
tvená vazba, nevzn tlivé, vhodné pro ZM
(izoparafiny)
CnH2n+2
cykloalkany:
(cykloparafiny,
nafteny)
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H CH3
H
H
H
C
C
C
C
C
H CH3
CH3
H
H
metylová skupina
H
H
eten (etylen) C2H4, propen C3H6, …, okten C8H16
ímá vazba s výskytem dvojné vazby H H
H
CnH2n
C
C
H
izoalkeny: izobuten C4H8, izopenten C5H10
tvená vazba s výskytem dvojné vazby
CnH2n
H
etin (acetylen) C2H2
výskyt trojné vazby
CnH2n-2
H
C
- nestabilní v palivu (polymerují) vlivem dvojné
nebo trojné vazby mezi C
alkiny:
C
H
H CH3
cyklopropan C3H6, cyklobutan C4H8, cyklohexan C6H12
kruhová p ímá vazba, celkem stabilní H H
CnH2n
Nenasycené uhlovodíky:
n-alkeny:
(olefiny)
H
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H CH3
CH3
H 2C
H
cykloalkeny: kruhová vazba s výskytem dvojné vazby
C
H
O
CH3
C
4 / 10
Stavba uhlovodíkových paliv
Aromatické uhlovodíky:
benzen C6H6, metylbenzen (toluen) C7H8
kruhová vazba 6-ti C se st ídající se dvojnou a jednoduchou vazbou
velmi stabilní, vhodné pro ZM, karcinogenní
CnH2n-6
H
C
H
H
H
C
C
C
C
C
Monoaromáty
(metylbenzen C7H8)
Diaromáty
(1-metylnaftalen C11H10)
H
Polyaromáty
(antracen C14H10)
CH3
CH3
H
H
Étery:
s kyslíkovou vazbou
metyl-terc-butyléter (MTBE) (CH3)3COCH3, ETBE (CH3)3COC2H5
- vzniká katalytickou reakcí izobutenu a matanolu, resp. etanolu
C
400
300
200
100
0
-100
CH3
H 3C
500
Teplota varu [°C]
Alkoholy:
metanol (metylalkohol) CH3OH, etanol (etylalkohol) C2H5OH
náhradou atomu H skupinou OH
nižší výh evnost
H
vyšší výparné teplo
H C OH
CnH2n+1OH
O
CH3
-200
0
CH3
5
10
15
20
Po et atom C v molekule
25
5 / 10
Kapalná paliva pro VM
Lehká paliva (rychlob žné vozidlové motory):
Motorová nafta (NM)
Sm sná NM (Bionafta s min. 30%
ídavkem metylester )
ME O / FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
Dimetyléter (DME)
St ední paliva (stacionární, dráhové a lodní motory):
Rostlinný olej (Pure Plant Oil)
Hydrogenované živo išné tuky
žká paliva (topné oleje pro námo ní motory)
MN se vyrábí mísením petroleje a dalších frak ních destilát ropy
Dimetyléter lze vyrobit syntézou z fosilní suroviny (plynu) nebo z biologicky odbouratelných
surovin (d evo, sláma, odpady - biomasy)
ísady (aditiva):
ležité parametry motorové nafty (NM):
Hustota paliva 820÷845 kg/m3
i 15°C (ovliv uje bohatost sm si)
Zvyšova e C
Mazivostní p ísady
Detergentní ( istící) p ísady
Protikorozní p ísady
Protip nivostní p ísady
ísady pro zlepšení
nízkoteplotních vlastností
Obsah síry do 10 mg/kg
Filtrovatelnost (odolnost proti vylu ování krystalk parafínu)
Typ B (do 0°C), typ D (do -10°C), typ F (do -20°C), typ A2 - arktická MN (do -32°C)
Viskozita (kinematická) 2÷4,5 mm2s-1
i 40°C
(protich dn ovliv uje velikost kapek vst ikovaného paliva a schopnost mazání erpadla)
6 / 10
Kapalná paliva pro VM
ležité parametry NM:
Destila ní k ivka SN EN ISO 3405
400
i 95% max.360°C
350
Po átek destilace: dáno bezpe ností proti požáru
1. p le: kou ivost studeného motoru
2. p le: kou ivost teplého motoru, úsady, ed ní oleje
300
Uhlovodíky v NM: C10 ÷ C22
150
8
6
100
E350
200
E250
Zastoupení [%]
10
150÷180°C
t [°C]
12
95%
250
4
50
2
Ekvivalentní složení NM: C15H28
max.65%
0
0
<9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21
22 >23
0
10
20
30
min.85%
40
Po et atom C
Cetanové íslo
50
60
70
80
90
100
Obj. %
SN EN ISO 5165, cetanový index – schopnost samovznícení paliva
- Stanovení na zkušebním jednoválci: n=900 min-1, =6÷28 srovnáním s referen ním palivem
- m ní se kompresní pom r tak, aby byla zachována doba pr tahu vznícení 13°KH (2,407ms)
C16 H 34 [% obj.]
C11 H10 [% obj.]
=100
krátký pr tah vznícení
- Laboratorní empirické stanovení pomocí hustoty a destila ní k ivky – nejsou
zohledn na aditiva
CI<C , více aditiv
CI<<C
žné hodnoty pro MN: C =48÷55
Nízké C :
Horší startovatelnost
Delší pr tah vznícení
delší as na p ípravu ho lavé sm si
tší podíl
kinetického ho ení
vyšší tvrdost chodu a emise NOx
tší kou ivost
Nižší indikovaná ú innost (ho ení se p esouvá do pozd jší expanze)
Kompresní pom r
Pom r mezi cetanem C16H34 (C =100) a 1-metylnaftalenem C11H10 (C =0), resp. izocetanem C16H34 (C =15) s p epo tem.
1
2
7 / 10
Kapalná paliva pro ZM
Automobilový benzín
Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol)
ísady (aditiva):
Sm si – Flexi Fuel
Zvyšova e O
Mazivostní p ísady
Detergentní ( istící) p ísady
Protikorozní p ísady
Protip nivostní p ísady
Benzín motory starší konstrukce:
- V roce 2001 zrušení olovnatých benzín (tetraetyl olova Pb(C2H5)4)
- Do roku 2010 benzín s obsahem draslíku
- Nyní je možná pouze dodate ná individuální aditivace
ležité parametry automobilového benzínu (BA):
i 15°C (ovliv uje bohatost sm si)
Obsah síry do 10 mg/kg
250
Minimální obsah aromatických uhlovodík a alken
Konec destilace (min.98%) max.210°C
200
Minimální obsah t žkých frakcí
Odpa itelnost – Destila ní k ivka SN EN ISO 3405
Tlak par DVPE (Dry Vapour Pressure Equivalent)
- Schopnost tvorby sm si p i studeném startu motoru
- Letní benzín: 45÷60 kPa
- Zimní benzín: 60÷90 kPa
- Pro jeho zvýšení se p idává butan
t [°C]
Po átek destilace: ztráty p i manipulaci s palivem
E70: startovatelnost studeného motoru
E100: akcelera ní schopnosti motoru
E180: ú innost vyho ení paliva, ed ní oleje
Konec destilace, destila ní zbytek <2%
150
30÷45°C
i 37,8°C
E100
50
20÷50%
0
0
10
20
30
E150
100
E70
Hustota paliva 720÷775 kg/m3
40
46÷71%
50
60
min.75%
70
80
90
100
Obj. %
Uhlovodíky v BA: C4 ÷ C11
Ekvivalentní složení BA: C7,76H14,67O0,12
8 / 10
ležité parametry BA:
Oktanové íslo - antidetona ní odolnost paliva (odolnost proti klepání)
- Stanovení na zkušebním jednoválci s =5÷15 srovnáním s referen ním palivem:
(lineární interpolace mezi dv ma vzorky paliva)
a) Výzkumná metoda (VM): n=600 min-1, tvzd=52°C,
b) Motorová metoda (MM): n=900 min-1, tsm s=149°C,
Intenzita klepání
Kapalná paliva pro ZM
1
z=13°,
dle klepání
z=19÷26°
SN EN ISO 5164
p i =7÷5 SN EN ISO 5163
Pom r mezi izooktanem (O =100) a n-heptanem (O =0)
C8 H 18 [% obj.]
C7 H16 [% obj.]
=100
vysoká antidetona ní odolnost
-VM > O -MM
- Rozdíl ukazuje na citlivost paliva
na zm nu provozních podmínek
(nejvyšší rozdíly vykazují aromaty).
Sm sné oktanové íslo: Jednotlivá paliva ve sm si neovliv ují výsledné O
jejich množství a vlastních O .
- Laboratorní stanovení O pomocí složení paliva a empirických vztah
(ke složení paliva se využívá IR spektrometrie)
Antidetonanty: - Ukon ují n které v tve et zových reakcí
- Tetraetyl olova nahrazen MTBE nebo ETBE
- Etanol, metanol, voda
sm si p esn podle
2
9 / 10
Plynná paliva
- LPG (zkapaln ný propan/butan, složení podle období – letní/zimní)
- CNG (zemní plyn: metan (98%), etan (1%), propan (0,5%), CO2, H2O)
- LNG (zkapaln ný zemní plyn p i -162°C)
- Bioplyny (sm si r zných plyn , hlavním palivem je metan, vysoký obsah CO2, N2)
- CH2 (stla ený vodík)
- LH2 (zkapaln ný vodík p i -253°C)
1600
1400
Snadná tvorba sm si (H2 má nejvyšší difuzivitu)
Široké meze zápalnosti
Vysoká antidetona ní odolnost
Nízké emise pevných ástic
Nižší emise polycyklických aromatických uhlovodík
(zvlášt po startu)
ležité parametry plynných paliv:
Tlak nasycených par pro LPG Rauolt
Wobbeho index
Wu
Metanové íslo
Tlak par [kPa]
Výhody plynných paliv:
1200
1000
800
600
400
H u [ MJ/m ]
( p, T )
svzd ( p, T )
v + Dalton v zákon:
xiliq pi
i 1
x
-20
-10
0
10
20
Teplota paliva [°C]
psm
liq
i
0
-30
N
3
patm
200
… molární podíly
v kapalin
Pom r mezi metanem (M =100) a vodíkem (M =0)
CH 4 [% obj.]
H 2 [% obj.]
- Antidetona ní odolnost roste s podílem CO2 a N2
30
40
50
10 / 10
Meze zápalnosti paliv
Meze zápalnosti homogenních palivových sm sí:
Požár vozu po 3 min.
H2
BA
BA
NM
Alkoholy
LPG
CNG
H2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
[-]
Požár vozu po 1 hod.
Energie jiskry nutná pro zážeh palivové sm si:
H2
0,02 mJ
NM
Metanol
Etanol
BA
Zvyšující se
požadavek na
množství energie
Propan
Butan
CNG
0,35 mJ
H2
BA