Tribotechnické listy

 

 

Paliva pro moderní motory

Paliva pro současné motory a motory v nejbližší budoucnosti bude ovlivňovat velmi významně současná a budoucí legislativa stanovující program úspor CO2 z produkce a použití paliv pro dopravní účely. Cílem programu pro úsporu CO2 je zabudovat větší podíl biopaliv. Současně platí omezení, která definují technické normy pro přímý přídavek biopaliv.

 

Do současné doby se používají převážně biopaliva první generace, zejména přídavek ethanolu do benzinu a přídavek metylesterů mastných kyselin do motorové nafty. Na evropské úrovni se stále projednává změna evropské legislativy, která má změnit přístup k úsporám skleníkových plynů. V návrzích je omezení používání biopaliv první generace a zdůraznění nutnosti používat vyspělá biopaliva s vyšší úsporou CO2 a také alternativní pohony jako jsou hybridní a elektrické pohony. Zatím byla předložena celá řada návrhů, ale žádný z nich nezískal potřebnou podporu.

Pravděpodobně dojde k tomu, že podíl biopaliv první generace bude omezen cca na úrovni 7 % a podíl vyspělých biopaliv budou jednotlivé státy stanovovat jako indikativní cíl. Pro ČR se předpokládá množství pravděpodobně do 1% v roce 2020. Vyspělá biopaliva se zatím v ČR prakticky nepoužívají a pro jejich použití není přizpůsobena ani současná legislativa. Pro nejbližší období bude třeba tento stav změnit.
U automobilových benzinů se předpokládá postupné zavedení benzinu s vyšším obsahem kyslíku (3,7 % hm.) s označením E10. Pro automobilový benzin je možné využít přídavek biopaliv formou éterů pro benzin E10 (až 22 % obj.) Další alternativou je využití přímého přídavku ethanolu až do výše 10 % obj. V současné době se v praxi využívá i palivo E85 v kombinaci s automobilovým benzinem, protože to spotřebitelům přináší významnou finanční úsporu.
Pro pohon vznětových motorů je možné využít až 7 % objemový podíl přídavku FAME do motorové nafty. Další úsporu je možné docílit přídavkem HVO do motorové nafty. Zejména při vytvoření stejných podmínek pro tento produkt, jako má FAME, je možné předpokládat jeho rozšíření. V rámci finančních úspor používá i směsná motorová nafta (SMN 30) a FAME ve 100 % podobě. Používání těchto paliv, pokud nejsou schváleny jednotlivými výrobci, umožňuje i zastaralý vozový park v ČR, jehož průměrné stáří je cca 14 let.

V současné době se zvyšuje podíl vozidel používajících LPG a zemní plyn. U zemního plynu je používaná kvalita velmi dobrá a požadavky na jeho kvalitu, definované v normě ČSN 656517, jsou plněny s rezervou. U zkapalněných ropných plynů LPG se v letošním roce objevují kvalitativní nedostatky, zejména vysoký obsah síry a také nevyhovující oktanové číslo, vypočtené na základě chemického složení směsi obsahující převážně propan a butan.


Na co tedy budou jezdit současné a budoucí moderní motory?

Paliva pro zážehové motory
Pro zážehové motory se používá automobilový benzin, vesměs ve dvou oktanových hladinách 95 a 98. Na trhu ČR se používá benzin s obsahem kyslíku do 2,7 % hm.,označovaný E5, ale s rostoucími požadavky na úsporu emisí CO2 bude pravděpodobně nutné zavést benzin s vyšším podílem kyslíku až do 3,7 % hm. (E10). Tento typ benzinu může obsahovat až 10 % obj. ethanolu nebo je možné použít místo ethanolu i étery, jako biopalivo je možné použít ETBE v množství  až 22 %obj. Přestože mohou benziny s vyšším obsahem kyslíkatých látek používat prakticky vozidla s rokem výroby kolem roku 2000 a jsou k dispozici přehledy vozidel jednotlivých značek, k jeho zavádění do praxe dochází postupně. V zahraničí se stále více využívá přídavek ETBE samostatně nebo v kombinaci s přímým přídavkem ethanolu.  

Protože výrobci vznětových motorů odmítají zvýšení obsah FAME v motorové naftě nad současných 7 %obj., vedou se úvahy o zavedení paliva E10+, s objemem ethanolu v benzinu až do 25 % obj. Pro zavedení tohoto typu benzinu by byl nutný komplexní výzkum týkající se jak formulace paliva, tak úpravy vozidel, palivového systému a motoru. Doba potřebná pro zavedení nových vozidel a nových paliv včetně potřebné legislativy se předpokládá cca 7 let. Výzkum by se musel týkat jednak kvalitativních požadavků na palivo a současně vývoje nových typů vozidel. Důvodem je zejména úprava vozidel s ohledem na využití vysoké oktanové úrovně paliva E10+. Uvedené palivo má oktanové číslo nad 101 a proto je třeba upravit současné typy motorů, předpokládá se zvýšení kompresního poměru až na úroveň 13-14. Pro vyšší obsah ethanolu bude třeba zajistit materiálovou kompatibilitu, zejména je nutné ověřit vliv na těsnění, eleastomery, vložky nádrží a slitiny používané v palivovém systému. Větší vodivost paliva vlivem obsahu ethanolu může způsobovat korozi, a proto musí být kladen větší důraz na přítomnost protikorozních přísad. Větší obsah ethanolu zhoršuje mazivost paliva, proto bude nezbytně nutné přidávat mazivostní přísady, které jsou však doporučovány již v současné době. Bude třeba ověřit použitelnost současných kvalitativních ukazatelů a zkušebních metod.
Kromě benzinu oktanové hladiny 95 se používá v omezené míře i benzin oktanové hladiny 98. Tento benzin obsahuje kyslíkaté látky pouze ve formě éterů, převážně se jedná o ETBE. Spotřeba tohoto benzinu dosahuje cca 3 % celkové spotřeby benzinu. Tento benzin pravděpodobně zůstane i nadále jako benzin E5 s nižším obsahem kyslíku.

Jaké důsledky bude mít předpokládané použití benzinu s vyšším obsahem kyslíku?
Automobilový benzin E10 s přímým přídavkem ethanolu znamená některé změny v kvalitativních ukazatelích. Přímý přídavek ethanolu znamená výrazný vliv na těkavost, zvyšuje tlak par a mění průběh destilační křivky. Navíc vysoký obsah ethanolu váže vodu přítomnou v distribučním systému. Negativně se to může projevit zejména v zimním období, kdy dochází při poklesu teploty nejprve k zákalu a následně může dojít k vypadnutí lihovodné vrstvy. Pro omezení tohoto rizika se přidávají vyšší alkoholy jako kosolventy a je nutné přidávat i protikorozní přísady do paliva.
Přídavek kyslíku ve formě etherů žádný negativní vliv na tlak par nemá a neovlivňuje ani průběh destilační křivky.
Dalším druhem paliva pro zážehové motory je palivo E-85. Palivo je určeno pouze pro tzv. „flexi fuel" vozidla. Tato vozidla jsou upravena tak, aby byla schopna spalovat efektivně palivo až s 85 % V/V ethanolu, případně je možno použít dodatečnou řídící jednotku při použití tohoto paliva ve standardních benzinových vozidlech. Při použití směsi paliva E-85 s benzinem ve standardních motorech nemá ani při použití dodatečné řídící jednotky v ČR žádná omezení, ale např. v USA musí upravené vozidlo projít schvalováním a ověřením množství emisí. Řídící jednotka a spalování je upraveno tak, aby vozidlo bylo schopno využít vyšší oktanové číslo tohoto paliva (cca  101 až 104) a kompenzovat nižší energetický obsah tohoto paliva. Spotřeba však dosahuje cca o 20 % vyšší úroveň ve srovnání s benzinem typu E5. Vliv tohoto paliva při spalování ve standardních motorech znamená sice snížení emisí HC, ale současně to znamená zvýšení emisí aldehydů, např. acetaldehydu, který patří do nespecifikovaných emisí.  
Pro pohon zážehových motorů lze použít i zkapalněné palivo LPG. V současné době se dodávají vozidla s pohonem na LPG již z výroby, nebo je možné na toto palivo vozilo přestavět. Toto palivo je podobně jako automobilový benzin charakterizováno oktanovým číslem.
Oktanové číslo u LPG není měřeno na zkušebních motorech, jako je tomu u kapalných paliv, ale je vypočítáváno ze složení uhlovodíků, tedy na základě jejich poměrného zastoupení a jejich „příspěvku" k oktanovému číslu (tzv. oktanový faktor). Jak „oktanově bohaté" jsou jednotlivé uhlovodíky, shrnuje tabulka 1.
Protože požadavek normy na výsledné oktanové číslo je minimálně 89,0 jednotky, je z tabulky velmi dobře patrné, které uhlovodíky oktanové číslo  zvyšují (propan, isobutan), které jsou oktanově „neutrální" (butan) a které jsou ve větším zastoupení nežádoucí (propen a zejména buteny). Ještě názorněji situaci popisuje obrázek 1 znázorňující laboratorní výsledky obsahu propanu a butenů ve vztahu k vypočtenému oktanovému číslu na reálných vzorcích z českého trhu. Jak je vidět, LPG obsahující méně než 40 % m/m propanu nebo více než 35 % m/m butenů bude mít již pravděpodobně problémy požadované limity OČMM plnit. Vše však samozřejmě záleží na zastoupení ostatních uhlovodíků.
Při splnění ostatních kvalitativních parametrů je oktanové číslo tím parametrem, kterým se většinou kvalitní dodavatelé liší od ostatních, neboť jejich palivo často přesahuje hodnotu 92 jednotek. Je to právě vyšším zastoupením propanu, který jako příjemný bonus při spalování přináší nižší emise nespálených uhlovodíků a CO. Na druhém konci pomyslného spektra, při zjištění vysokého podílu butenů, zde vyvstává otázka, co je jejich zdrojem. Může to být totiž důsledkem (úmyslného) přídavku např. topných plynů, které mohou obsahovat tyto nenasycené uhlovodíky ve značné míře. Nehledě k nevyhovujícím technickým parametrům, topné plyny disponují daňovými úlevami, a proto pro pohon automobilů nesmějí být použity!


V případě, že  palivo LPG oktanovému číslu nevyhoví, důsledky pro motor jsou analogické těm u automobilových benzínů. Nízké oktanové číslo způsobuje nežádoucí formu spalování detonací, které je příčinou všeobecně známého „klepání" motoru. Moderní motory jsou nedostatečné oktanové číslo schopny v zájmu své ochrany kompenzovat snížením předstihu za cenu nižší účinnosti a poklesu výkonu. Starší modely však tuto schopnost nemají a tankováním nekvalitního LPG jim můžeme způsobit vážná mechanická poškození na pístech, ojnicích,  klikové hřídeli a ventilovém rozvodu, a to zejména v situacích silného zatížení. Kromě toho dochází spalováním paliva s vysokým obsahem butenů s tvorbě úsad v palivovém systému, negativně se ovlivněno i složení emisí.
V kvalitativních požadavcích na automobilové benziny se nepředpokládají do roku 2020 žádné radikální změny. S ohledem na rostoucí požadavky na snížení emisí by mohlo dojít ke zpřísnění požadavků na obsah olefínů a případně aromátů a benzenu. Dále může v případě vyššího obsahu kyslíkatých látek v automobilových benzinech ke změnám v průběhu destilační křivky a požadavcích na těkavost z důvodu vlivu na emise uhlovodíků. Lze předpokládat rostoucí podíl vysokooktanového benzinu a aditivovaných paliv na celkovém prodeji benzinů a současně růst požadavků a zavedení zkušebních metod na hodnocení vlivu paliva na čistotu spalovacího prostoru motoru.

Paliva pro vznětové motory

Pro vznětové motory se používá jako palivo motorová nafta. V současné době se používá motorová nafta s přídavkem až 7 % V/V biopaliva, což je v současné době FAME (metylestery mastných kyselin). V novele normy ČSN EN 590, která je platná od letošního roku, nedochází k zásadním změnám v požadavcích na kvalitu, pouze je z důvodu ochrany systémů pro úpravu emisí výfukových plynů zavedena kontrola obsahu manganu.
Zdrojem olejů pro výrobu metylesterů jsou rostlinné oleje (v Evropě převážně řepkový olej, v jiných oblastech i sojový, slunečnicový a palmový olej), nebo živočišně tuky a odpadní kuchyňské oleje. Předpokládá se zvýhodnění surovin z nepotravinářských zdrojů, pozornost je zaměřena na využití odpadních surovin, např. živočišných tuků, upotřebených kuchyňských olejů, nepotravinářských olejů. Např. zdrojem pro hydrogenované rostlinné oleje vyráběné firmou Neste oil se kromě palmového oleje používají kafilerní odpady a od roku 2015 se předpokládá i využití oleje z řas. Mikrořasy pěstované pro získávání oleje mají ve srovnání s ostatními plodinami výrazně vyšší výtěžnost biomasy, porovnání je uvedeno v tabulce 2.


Hydrogenovaný rostlinný, resp. živočišný olej je možné použít samostatně jako uhlovodíkové bezsirné, nearomatické palivo s vysokým cetanovým číslem, výbornými nízkoteplotními vlastnostmi, s vysokou oxidační stabilitou. Druhou možností je jeho přídavek do motorové nafty.
Podle vlastností motorové nafty je možné přidat až 30 % HVO do motorové nafty, ale jedná se o dražší surovinu, takže pro rychlejší rozšíření by bylo vhodné, alespoň pro určité období, zvýhodnění podobně jako je u směsné motorové nafty. Porovnání vybraných vlastností paliv pro vznětové motory je uvedeno v tabulce 3.

 


Palivo HVO má kromě zlepšení uvedených vlastností příznivý vliv na emise, které se při použití tohoto paliva redukují, pevné částice o 33 %, Nox o 9 %, kysličník uhelnatý o 24 % a nespálené uhlovodíky o 30 %.
Další palivem používaným pro vznětové motory je směsná motorová nafta s obsahem FAME Pro palivo typu směsné motorové nafty se evropská norma teprve tvoří, předpokládá se použití ve dvou koncentracích, do 20 % obj. a do 30 % obj. FAME. V roce 2013 byla novelizována ČSN 656508. Tato norma požadavky shodné jako navrhovaná evropská norma včetně oxidační stability, která je shodná, jako je požadavek pro motorovou naftu tj. min. indukční periodu 20 hodin. V souvislosti s rostoucími požadavky na složení emisí se kromě uvedených změn ve složení dají předpokládat i změny v požadavcích na kvalitu motorové nafty. Zejména se to týká zvýšení požadavků na cetanový index a cetanové číslo, úprava průběhu destilační křivky (snížení teploty 95 % předestilovaného objemu), další redukce obsahu polyaromátů a zavedení limitu pro obsah aromátů podobně jako u automobilových benzinů, ale i zpřísnění požadavků na mazivost paliv a čistotu paliv pro vznětové motory. Vzhledem k problémům s tvorbou úsad na vstřikovačích se připravuje zavedení motorové zkoušky pro toto stanovení.


Další typy paliv
Kromě uvedených typů paliv pro zážehové a vznětové motory se využívá i LPG, rozšiřuje se využití zemního plynu. Předpokládá se používání stlačeného zemního plynu v kvalitě podle normy ČSN 656517, připravuje se evropská norma. Kvalita je pro podmínky ČR definovaná zejména obsahem methanu, energetickou hodnotou paliva a limity pro obsah vody a obsah síry.
Přes všechny probíhající i připravované změny a rostoucí využití alternativních paliv se předpokládá i po roce 2020 využití převážně kapalných ropných paliv pro pohony motorů. Jejich kvalitu a složení budou výrazně ovlivňovat požadavky na snižování emisí a úsporu skleníkových plynů.

 


Text: Ing.Vladimír Třebický,CSc.,
SGS Czech Republic, s. r. o., divize paliv a maziv

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
9 + 3 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd