Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Ing. Jan Hromádko, Ph.D.

Speciální spalovací motory a alternativní pohony

Komplexní přehled problematiky pro všechny typy technických automobilních škol

TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE:

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400
jako svou 5002. publikaci
Odpovědná redaktorka ing. Šárka Němečková
Sazba Artedit, spol. s .r. o.
Počet stran 160
První vydání, Praha 2012
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

Recenzoval: Ing. Pavel Štěrba

© Grada Publishing, a.s., 2012
Cover Design © Grada Publishing, a.s.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-4455-1

ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE:

ISBN 978-80-247-7079-6 ve formátu PDF
ISBN 978-80-247-7080-2 ve formátu EPUB

     Předmluva

Knižní publikace je určena studentům vysokých, vyšších odborných a středních škol se zaměřením na automobilovou dopravu. Dále je publikace určena odborné veřejnosti a všem zájemcům o alternativní pohony motorových vozidel.

Publikace seznamuje čtenáře s motory speciální konstrukce jako je spalovací turbína, Stirlingův motor, Wankelův motor a parní motor. Kromě toho jsou uvedeny vozidla na elektrický pohon, hybridní vozidla a vozidla s palivovým článkem. Na tuto část navazuje kapitola zaměřená na problematiku využití plynných paliv ve vozidlech. V publikaci jsou také uvedeny alternativní paliva biologického původu a navazující problematika hodnocení jednotlivých alternativních pohonů. Závěrečná kapitola je zaměřena na budoucí možnosti získávání další energie ve vozidlech představovaná solární energií a energií odpadního tepla.

Autor by závěrem rád poděkoval svým spolupracovníkům z Katedry vozidel a pozemní dopravy a všem ostatním, kteří se nemalou měrou podíleli na vzniku této publikace.

V Praze 11. 5. 2012

Autor

1. Úvod

Automobilová doprava se stala fenoménem 20. a 21. století. Vynález automobilu a potažmo spalovacího motoru lze považovat za jeden z největších vynálezů, který ovlivnil vývoj moderní společnosti. S narůstajícím počtem automobilů však rychle rostou negativní aspekty spojené s provozem motorových vozidel, které vedou ke snaze nalézt alternativní možnosti pohonů motorových vozidel s menšími negativními aspekty. V současné době představuje největší problém produkce oxidu uhličitého a s tím spojená spotřeba fosilních paliv. Další významný problém je spojený s produkcí škodlivých emisí. Závažnost tohoto problému s rostoucím zdokonalováním konvenčních spalovacích motorů a zejména jejich systémů upravující výfukové plyny klesá. Dominantním důvodem proč tedy hledat alternativní možnosti provozu motorových vozidel zůstává produkce oxidu uhličitého a spotřeba fosilních paliv.

Mezi alternativní pohony vozidel lze zahrnout všechny koncepce pohonů lišící se od konvenčního způsobu pohonu. Z historického hlediska lze mezi první alternativní pohony zahrnout elektrovozidla, i když důvod jejich vyžívání byl odlišný. Vzhledem k jednoduché konstrukci elektrovozidel, lehké obsluze a nenáročného startování byly elektrovozidla na konci 19. století oblíbenější než vozidla s klasickým spalovacím motorem. V roce 1900 se v USA dokonce vyrobilo o třetinu více vozidel s elektrickým pohonem než vozidel se spalovacím motorem. Další směr v alternativních pohonech byl zaměřen spalovací motory speciální konstrukce. Mezi tyto motory je možné zahrnout spalovací turbínu, Stirlingův motor a Wankelův motor. V 90. letech minulého století se také objevuje snaha o renesanci parního motoru. Samostatnou kapitolu tvoří alternativní paliva v dnešní době představovaná převážně biopalivy. Tyto paliva jsou známá od začátku uvedení spalovacích motorů. Není tajemstvím, že první spalovací motory využívaly, jako zdroj energie, převážně plynná paliva. První použití biopaliv je spojeno s bioethanolem, který se ve 30. letech minulého století vyráběl téměř v každé větší vesnici. Vstupní zdroj biomasy tvořily přebytky z agrárního sektoru.

1.1 Problematika produkce oxidu uhličitého

Koncentrace oxidu uhličitého se z období před začátkem průmyslové revoluce (přibližně polovina 18. století) zvýšila z původních 280 ppm na dnešních 387 ppm. Tento nárůst je zapříčiněn převážně spalováním fosilních paliv, odlesňováním, kácením pralesů, změnou využívání půdy (přeměnou pastvin na ornou půdu) a další lidskou činností. Kromě oxidu uhličitého se na skleníkovém efektu podílí i řada dalších plynů. Jejich koncentrace je výrazně nižší, za to jejich faktor vyjadřující násobnost účinku oproti oxidu uhličitému je vysoký. Koncentrace metanu vzrostla z původních 700 na nynějších 1800 ppb (par per bilion, koncentrace vyjadřující podíl v částech z jedné miliardy), koncentrace oxidu dusného z 270 na 320 ppb a koncentrace troposférického ozonu z 25 na 34 ppb. Ekvivalent vyjádřený v násobcích účinku daného plynu oproti oxidu uhličitého dosahuje u metanu hodnotu 23, u oxidu dusného 296 a u troposférického ozónu více jak 2000 [1].

Následující obr. 1.1 znázorňuje podíl jednotlivých látek na skleníkovém efektu. Podíl jednotlivých látek je vyjádřen pomocí ekvivalentu vztaženého na oxid uhličitý. Obr. 1.2 znázorňuje podíl jednotlivých lidských činností na skleníkovém efektu.

Proti klasické teorii škodlivosti oxidu uhličitého a jeho vlivu na skleníkový efekt vystupuje řada skeptiků, které podporuje řada výzkumných projektů, jež shodně uvádějí, že největší podíl na skleníkovém efektu má vodní pára a její schopnost vytvářet radiační clonu [2].

Obr. 1.1 Podíl jednotlivých plynů na skleníkovém efektu

Obr. 1.2 Podíl lidské činnosti na skleníkovém efektu

European Environment Agency ve své zprávě z roku 2010 uvádí, že produkce oxidu uhličitého ve většině odvětví lidské činnosti mírně klesla nebo zaznamenala stagnaci. Na rozdíl od toho dopravní sektor zaznamenal vysoký nárůst. V letech 1990–2007 doprava zaznamenala nárůst v produkci oxidu uhličitého o 28 % ve všech členských státech European Environment Agency. Doprava tak do budoucna představuje jednu z nejproblematičtějších oblastí z pohledu produkce oxidu uhličitého [3].

Nejvýznamnější celosvětová snaha o snížení produkce oxidu uhličitého je představována Kjótským protokolem, který byl přijat v roce 1997 jako protokol k Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu. V Kjótském protokolu se průmyslově vyspělé státy zavázaly ke snížení skleníkových plynů o 5,2 % v kontrolním období 2008–2012 ve srovnání se stavem v roce 1990.

Úhrnné redukce emisí o 5,2 % mělo být dosaženo diferencovaným snížením, které je uvedeno v dodatku protokolu. Procentuální změna produkce skleníkových plynů pro jednotlivé státy úmluvy je uvedena v tab. 1.

Redukce skleníkových plynů se týkala šesti nejpodstatnějších, oxidu uhličitého (CO2), metanu (CH4), oxidu dusného (N2O), hydrogenovaných fluorovodíku (HFCs), polyfluorovodíku (PFCs) a fluoridu sírového (SF6), vyjádřených ve formě ekvivalentu CO2 (tzv. uhlíkový ekvivalent) antropogenních emisí.

Kromě emisí skleníkových plynů bere Protokol v úvahu i jejich propady, tj. absorpci vyvolanou změnami ve využívání krajiny (zalesňování, péče o lesní porosty, resp. odlesňování).

Součástí Protokolu jsou tzv. flexibilní mechanismy, které umožňují průmyslovým státům, aby snížily emise na území jiného státu nebo odkoupily od jiného státu právo vypouštět skleníkové plyny. Jsou jimi: obchodování s emisemi (Emission Trading, ET), společně zavaděná opatření (Joint Implementation, JI), mechanismus čistého rozvoje (Clean Development Mechanism, CDM).

Českou republikou byl Protokol podepsán 23. 11. 1998 na základě usnesení vlády č. 669/1998 a ratifikován 15. 11. 2001 (č. 81/2005 Sb. m. s.). Protokol má ke dni 6. 11. 2009 celkem 190 smluvních stran. Země přílohy I Úmluvy se na celkových emisích podílejí 63,7 % [4].

Tab. 1 Procentuální změna produkce skleníkových plynů pro jednotlivé státy úmluvy

Austrálie

108

Monako

92

Belgie

92

Německo

92

Bulharsko

92

Nizozemsko

92

Česká republika

92

Norsko

101

Dánsko

92

Nový Zéland

100

Estonsko

92

Polsko

94

Evropské společenství

92

Portugalsko

92

Finsko

92

Rakousko

92

Francie

92

Rumunsko

92

Chorvatsko

95

Ruská federace

100

Irsko

92

Řecko

92

Island

110

Slovensko

92

Itálie

92

Slovinsko

92

Japonsko

94

Spojené království Velké Británie a Severního Irska

92

Kanada

94

Lichtenštejnsko

92

Spojené státy americké

93

Litva

92

Španělsko

92

Lotyšsko

92

Švédsko

92

Lucembursko

92

Švýcarsko

92

Maďarsko

94

Ukrajina

100

Základní problém Kjótského protokolu byl spojený s odmítnutím ratifikace smlouvy Spojenými státy americkými. Kjótský protokol i přesto vyšel v platnost (podmínkou byla ratifikace alespoň 55 státy a tolika státy, aby jejich podíl na skleníkových plynech dosahoval alespoň 55 % produkce států Dodatku I) zejména po ratifikaci Ruskou federací. Kjótský protokol, přes odmítnutí některými státy nesplnil dosažení cíle snížení produkce skleníkových plynů o 5,2 % s rokem 1990, přesto jej lze považovat za úspěšný projekt.

V současné době vrcholí snahy na přípravě nástupce Kjótského protokolu. Zatím poslední jednání ohledně nového protokolu byla uskutečněna na klimatologickém kongresu v jihoafrickém Durbanu. Nový protokol by měl zahrnovat i produkci skleníkových plynů z rychle rostoucích ekonomik, jako jsou Čína a Indie. K připravovanému protokolu by se měly připojit i Spojené státy americké. Platnost nového protokolu je plánovaná na rok 2015.

1.2 Spotřeba fosilních paliv

Možnost brzkého vyčerpání zásob fosilních paliv představuje jeden z hlavních důvodů proč podporovat alternativní pohony. Mezi nejdůležitější fosilní paliva patří ropa, zemní plyn a uhlí. Tyto paliva tvoří největší zdroje pokrývající spotřebu energie. Podíl jednotlivých zdrojů energie je uveden na obr. 1.3.

Obr. 1.3 Podíl jednotlivých zdrojů energie na celosvětové spotřebě energie

Ropa

V současné době představuje ropa největší zdroj energie, který se využívá ve většině odvětví lidské společnosti. Ropa vznikla anaerobní fermentací odumřelých bakterií a řas přibližně v jurském období.

Mezi základní technologické charakteristiky ropy patří hustota stanovená při teplotě 20 °C a při normálním atmosférickém tlaku. V závislosti na obsahu rozpuštěných látek se pohybuje v rozmezí od 0,6–0,85 g/cm³ pro lehké ropy, 0,85–0,93 g/cm³ pro středně těžké až 0,93–1,05 a víc g/cm³ pro velmi těžké ropy. Pro měření objemu ropy se používá míry 1 barel = 42 amerických galonů = 35 britských galonů = 158,97 litrů. Jeden barel ropy tak v závislosti na druhu ropy váží od 96,972 kg do 166,92 kg. Množství ropy se také někdy udává v tunách, jedna tuna ropy tak odpovídá přibližně 6–10,32 barelům.

Přibližnou představu o složení ropy dávají následující hmotnostní podíly, uhlík 84–87 %, vodík 11–14 %, kyslík až 1 %, síra až 4 %, dusík až 1 %.

Bez ohledu na nové objevy je jasné, že fosilní paliva nejsou nevyčerpatelná a také, že zejména ropa se spotřebovává mnohem větší rychlostí, než s jakou se v přírodě vytváří. Poptávka po ropě neustále roste nehledě na její vyšší ceny. Zvýšená poptávka je způsobena zejména vzestupem ekonomiky v rozvojových zemích. Zvyšující se poptávka po ropě vede ke zmenšení její zásoby. Vyhlídky však nejsou tak chmurné, jak se může zdát. Někteří odborníci odhadli, že ověřené zásoby ropy reprezentují jen jednu třetinu skutečných zásob skrytých pod zemí. Pomocí nových technologií bude možné podstatně zvýšit odhad zásob, které lze ekonomicky těžit. Počátkem 90. let tohoto století američtí vědci vyvinuli techniku zvanou „chemické zaplavování“, která umožňuje získávat ropu z existujících nalezišť. Tato technika spočívá ve vyplavení ropy z hornin použitím chemikálie podobné saponátu. Používání této techniky bylo v minulosti omezeno pro vysokou cenu této chemikálie. Vědci ale nyní tvrdí, že nalezli levný proces, který využívá vedlejších produktů vznikajících při výrobě papíru. Vědci se domnívají, že díky této technice se mohou zvýšit potenciální zásoby USA téměř šestinásobně. Také podzemními výbuchy lze zvýšit hranici, která určuje množství ropy vyčerpatelné z vrtu. Podzemními výbuchy se totiž rozvolňuje hornina, jejíž dutinky jsou naplněny ropou, a ta může lépe téci k čerpacímu vrtu. Ostatní zdroje ropy zahrnují asfaltové písky, což jsou horniny nasycené lepkavou ropou. Získávání ropy z těchto písků je však velmi nákladné. Jiným zdrojem ropy je skupina hornin zvaná břidlice, které jsou bohaté na látku zvanou kerogen, z níž lze získávat volnou ropu. Odhad světové produkce ropy z různých nalezišť je uveden na obr. 1.4. Podle International Energy Agency lze ropná naleziště rozdělit na nekonvenční ropné zdroje; těžbu zkapalněného zemního plynu; těžbu z dosud neobjevených nalezišť; těžbu z nalezišť, která jsou v současnosti známá, ale nejsou roztěžena; těžba ze stávajících ropných polí.

Obr. 1.4 Odhad světové produkce ropy z různých nalezišť [5]

Uhlí

Uhlí je druhým nejvýznamnějším zdrojem energie. Jedná se o hořlavou horninu vzniklou v průběhu desítek až stovek miliónů let složitými anaerobními procesy. Většina světových zásob uhlí se začala tvořit v období karbonu, geologické epoše, která začala před 360 milióny let a skončila před 286 milióny let. Původce uhlí tvoří převážně stromové přesličky, plavuně, kapradiny, u hnědého uhlí pak také jehličnaté a listnaté stromy, které se pozvolným uhelnatěním v močálech přeměňovaly na uhelnatou horninu.

Uhlí lze rozdělit na:

Lignit – také označovaný jako hnědé uhlí, je to nejméně kvalitní druh uhlí. Užívá se výhradně pro výrobu elektřiny nebo výrobu technologického tepla. Leštěné bylo využíváno jako ozdobný kámen od doby železné. Je třetihorního původu.

Hnědé uhlí – používá se k vytápění domácností nebo k výrobě tepla a elektřiny

Hnědo-černé – jeho vlastnosti spadají mezi hnědé a černé uhlí. Využívá se pro výrobu elektřiny, tepla a chemickou výrobu

Černé uhlí – má vysokou hustotu, jeho barva je obvykle černá až hnědočerná. Uhlí je prvohorního a druhohorního původu. Vzniká rozkladem a prouhelňováním vyhynulých stromových plavuní, které se propadly do bažin (období perm).

Antracit – jde o nejkvalitnější uhlí, používá se na vytápění a k výrobě chemikálií.

Jak je uvedeno výše převážné využití uhlí je v současné době spojenu s výrobou elektrické energie, případně tepla. V období druhé světové války tvořilo uhlí základ výroby kapalných uhlovodíkových paliv jako je automobilový benzín a motorová nafta. Nejčastější technologický proces využívaný pro tuto výrobu je označován za Fischer-Tropschovu syntézu. Tato technologie se opět vrací do popředí zájmů odborné veřejnosti zejména z důvodů využití této technologie k výrobě biopaliv II. generace. Výroba kapalných paliv z uhlí je v současné době ekonomicky nevýhodná a její opětovné využití nelze očekávat.

Zemní plyn

Zemní plyn je nejméně zastoupeným zdrojem fosilních paliv. Jeho hlavní složkou je metan (obvykle přes 90 %) a etan (1–6 %). Nachází se v podzemí buď samostatně, společně s ropou nebo černým uhlím. Díky vysokému obsahu metanu vzniká při jeho spalování méně oxidu uhličitého než při spalování ropy nebo uhlí. O vzniku zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou nebo s uhlím, přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky. Druhá teorie předpokládá vznik zemního plynu řadou chemických reakcí z anorganických látek.

Zásoby zemního plynu se odhadují přibližně na 200 let. Z fosilních paliv tato zásoba představuje nejdelší dobu. U ropy se zásoby odhadují na 50–100 let u uhlí na 100–150 let. Prokázané zásoby zemního plynu podle jednotlivých kontinentů jsou uvedeny na obr. 1.5.

Obr. 1.5 Prokázané zásoby zemního plynu v jednotlivých světových regionech (v bilionech m3) [6]

1.3 Produkce škodlivých emisí

Produkce škodlivých emisí je dalším důvodem, který vede k hledání nových alternativních způsobů pohonu vozidel. Mezi základní škodliviny vypouštěné motorovými vozidly patří oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NOx a pevné částice PM. Základní charakteristika jednotlivých škodlivých emisí je uvedena níže.

Oxid uhelnatý (carbon monoxide)

Pro lidský organizmus je jedovatý. S krevním barvivem vytváří velmi pevný karboxyhemoglobin (200krát raději se váže na hemoglobin než kyslík) [7], který omezuje přenos kyslíku z plic do krevního oběhu. Tím jsou jednotlivé orgány poškozovány nedostatkem kyslíku, i když by tento byl obsažen ve vdechovaném vzduchu v dostatečném množství. Oxid uhelnatý se dále podílí na vzniku fotochemického (letního) smogu. Celková roční emise CO z antropogenních zdrojů je řádově srovnatelná s přírodními emisemi [7] a [8].

Oxidy dusíku (nitrogen oxide)

Přímá škodlivost oxidu dusnatého na živý organizmus je vcelku nízká. Při dalším pobytu v atmosféře dochází k jeho oxidaci na oxid dusičitý, jehož škodlivost je klasifikována jako závažnější. Při vdechování se na stěnách sliznice tvoří kyselina dusičná (HNO3). Dýchací soustava reaguje na vdechování HNO3 jako na začínající hoření a automaticky přivírá přístup vzduchu do plic. Důsledkem toho je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento nežádoucí jev nastává již při velmi nízkých koncentracích, resp. při krátkých expozičních dobách [9].

Oxidy dusíku se významně podílejí na tvorbě letního smogu. Spolupodílejí se též na tvorbě kyselých dešťů.

Nespálené uhlovodíky (hydrocarbon)

Nespálenými uhlovodíky jsou směsi různých skupin uhlovodíků, které vstupují jako palivo do oxidačního procesu nebo vznikají v průběhu spalování paliva ve válci motoru. Nejmenší škodlivost obvykle mají některé původní skupiny uhlovodíkového paliva, větší škodlivost (někdy až extrémní) vykazují potom ty druhy uhlovodíků, které vznikají jako meziprodukty oxidace původní uhlovodíkové molekuly, u kterých vlivem různých okolností proběhne cyklus oxidačních reakcí pouze z části (např. účinkem ochlazení v blízkosti stěn válce). Některé meziprodukty oxidačních reakcí patří do skupiny rakovinotvorných látek a jejich škodlivost je potom navíc mimořádná ve spojení s další výfukovou škodlivinou, pevnými částicemi (nespálené uhlovodíky se zachycují na povrchu částic a vdechováním se tak dostávají do lidského organizmu velmi nebezpečné látky) [10].

Z plynných škodlivin se z celé škály nespálených či částečně zoxidovaných uhlovodíků považují za nejnebezpečnější polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), jejichž škodlivost je zesílena zmíněnou vazbou na povrch emitovaných pevných částic. Nejznámější polycyklický aromatický uhlovodík je benzo[a]pyren, u něhož byly karcinogenní účinky prokázány nejdříve. Mezi polycyklické aromatické uhlovodíky emitované spalovacími motory patří také benz[a]anthracen, benzo[b]fluoranthen, benzo[j]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen a dibenzo[a,h]anthracen [11].

Škodlivost jednotlivých polycyklických aromatických uhlovodíků je různá. Pro porovnání souhrnné škodlivosti všech složek PAH se používá přepočet škodlivosti na nejznámější sloučeninu benzo[a]pyren [12]. S rostoucími znalostmi o škodlivosti polycyklických aromatických uhlovodíků lze očekávat, že se do budoucna stanou samostatnou položkou legislativně omezených škodlivin [11], [12] a [13].

Oxidy síry (sulphur oxide)

Jsou produkovány především vznětovými motory. Podíl emisí oxidů síry, plynoucích ze spalovacích motorů, je na celkovou produkci zanedbatelný. Protože obsah síry v motorové naftě neustále klesá, klesají i emise plynoucí ze spalovacích motorů.

Pevné částice (particulate matter)

Vznikají převážně u vznětových motorů. Obsahují primární uhlík, organický uhlík a malé množství sulfátu, dusíku, vody a další neidentifikovatelné složky. Obsah základního uhlíku se blíží k 75 %. Nicméně složení je závislé na typu motoru a na dodatečných zařízeních, např. filtru pevných částic. Jádro částic se skládá z pevného uhlíku a popele. Organické a sulfátové směsi a další prvky jsou sorbované na povrch jádra během koagulace, adsorpce a kondenzace částic.

Krátkodobá expozice může způsobit podráždění oka, jícnu, průdušek, neurofyziologické symptomy, např. nucení ke zvracení a dýchací potíže (dušnost). Chronická expozice může způsobit zánět a histopatologické změny v plicích. Odhad takzvané referenční koncentrace, která nezpůsobuje rakovinotvorný efekt po dlouhou dobu expozice, je 5 μg·m-3 [14].

Částice v ovzduší se nacházejí v různých velikostech. Velké částice jsou odstraněny například polykáním nebo jsou zachyceny v horních cestách dýchacích. Menší částice, zvláště pod 0,1 μm, mohou dosáhnout povrchu plic. Tyto částice mohou být odstraněny při čistění plicních sklípků, ale mohou být také unášeny do lymfatického systému a možná dále až do krve. Nejmenší částice o velikosti 1 nm mohou hrát důležitou roli v toxicitě okolních částic. Pevné částice jsou velmi malé částice co do velikosti, většina částic je menších než 1 μm a více než 90 % může být ultra malých < 0,1 μm. V některých případech se vyskytují částice menší než 50 nm. Částice mají velký povrch, který může adsorbovat různorodé směsi, které mohou být toxické, mutagenní a karcinogenní, např. benzo[a]pyren [15].

2. Spalovací motory speciální konstrukce

Vtéto kapitolu budou probrány čtyři nejznámější spalovací motory speciální konstrukce. První je spalovací turbína, následuje Stirlingův motor, pokračuje Wankelův motor aspeciální parní motor.

2.1 Spalovací turbína

Princip práce je patrný ze schématu naobr.2.1. Podosažení startovacích otáček, vokamžiku kdy již kompresor dodává dostatečné množství vzduchu, je soustavou trysek rozprášeno dospalovací komory palivo asoučasně zapnuty zapalovací svíčky, které směs paliva se vzduchem zažehnou. Hoření směsi paliva se vzduchem probíhá vespalovací komoře prakticky zakonstantního tlaku. Spaliny jsou vedeny dorozváděcího ústrojí turbíny, kde vdůsledku expanze dochází knárůstu rychlosti proudu plynů asoučasně je proud spalin vhodně usměrňován nalopatky rotoru turbíny. Tato turbína je spojena hřídelí skompresorem, který dodává dospalovací komory vzduch pod požadovaným tlakem. Tlak vyvinutý kompresorem zajistí průtok vzduchu aspalin spalovací komorou adále pak turbínou.

Pokud budeme odebírat výkon pro pohon vozidla zhřídele turbíny, bude docházet při nárůstu zatížení kpoklesu otáček rotoru, atedy iotáček kompresoru, což povede kesnížení tlaku amnožství vzduchu dodávaného dospalovací komory. Točivý moment vyvíjený turbínou poklesne (obr. 2.2). Ztohoto důvodu se uvozidlových turbín používá dvouhřídelové uspořádání (výstupní turbína se skládá ze dvou turbín), kde výkon potřebný pro pohon vozidla je odebírán zhřídele samostatné turbíny. Vtomto případě je první turbína dimenzována pouze pro pohon kompresoru aspaliny zjejího výstupu jsou vedeny navstup druhé turbíny.

Obr. 2.1 Princip práce spalovací turbíny [16]

Při nárůstu zatížení druhé turbíny dochází taktéž kpoklesu jejích otáček. Avšak otáčky první turbíny se nemění akompresor poháněný touto turbínou dodává dospalovací komory stále stejné množství vzduchu. Při stejném množství paliva dodávaného dospalovací komory je ienergie přiváděná nalopatky druhé turbíny stejná. Vdůsledku snížení otáček rotoru druhé turbíny se síla odproudu plynů působící nalopatky rotoru turbíny zvyšuje, atím roste itočivý moment vyvíjený druhou turbínou. Čím větší je pokles otáček, tím větší je inárůst točivého momentu (obr. 2.3).

Takovýto průběh točivého momentu je pro vozidlový motor velmi výhodný, protože při podstatně lepší akceleraci vozidla umožňuje snížení počtu převodových stupňů. Udvouhřídelových spalovacích turbín vzroste točivý moment, vporovnání smomentem při jmenovitém režimu, 2 až 3krát, kdežto unejlepšího přeplňovaného vznětového motoru pouze 1,5krát.

Obr. 2.2 Průběh točivého momentu jednohřídelové turbíny [17]

Obr. 2.3 Průběh točivého momentu dvouhřídelové turbíny [17]

Vedle nárůstu točivého momentu při poklesu otáček má spalovací turbína vporovnání sklasickým pístovým motorem idalší výhody:

menší vibrace určované pouze rotačním pohybem,

výkonová hmotnost nižší asi o15 %,

provoz bez chlazení zavšech klimatických podmínek,

snadné spouštění zanízkých teplot včetně nižších nároků nastartovací výkon,

menší spotřeba mazacího olej (0,07 až 0,14 [g·kWh-1]), která je vsoučasné době asi 5krát nižší než upístových spalovacích motorů,

menší obsah CO aHC vespalinách, který je určován vysokým přebytkem vzduchu, při němž probíhá hoření paliva.

Poznámka: Spalování vespalovací komoře turbíny probíhá při λ rovno přibližně 1. Avšak vzhledem ktomu, že žáropevné materiály nabázi kobaltu aniklu snesou dlouhodobě teplotu pouze 1100 až 1150 °C je teplota spalin snižována přívodem sekundárního vzduchu, takže celková λ se pohybuje vrozmezí 3,5 až 5.

Základní nevýhody spalovací turbíny jsou:

velká měrná efektivní spotřeba paliva, atedy imalá ekonomičnost provozu, zejména při částečných zatíženích,

velký zástavbový prostor, který je vyvolán požadavkem navelké průtočné průřezy přívodu vzduchu aodvodu spalin, jakož ipotřebou zástavby rozměrných výměníků tepla mezi spalinami anasávaným vzduchem, zabezpečujícími zlepšení ekonomičnosti provozu vozidlové turbíny,

používání žáropevných slitin nalopatky adisky turbínových agregátů,

zvýšené požadavky napřevody pro redukci otáček výstupního hřídele turbíny naotáčky vhodné pro převodovku vozidla,

nízká účinnost brzdění motorem, atedy zvýšené nároky nabrzdovou soustavu vozidla,

velká časová prodleva nazměnu zatížení.

Uvedené nevýhody spalovacích turbín vedou ktomu, že nejsou používány kpohonu automobilů (až navzácné výjimky vpodobě prototypů). Jejich uplatnění je zejména uletadel, lodí, vlaků ataké utanků.

2.1.1 P-V diagram atepelná účinnost spalovací turbíny

Tepelná účinnost, atím ispotřeba paliva celé spalovací turbíny, je závislá namaximální přípustné pracovní teplotě (teplota navýstupu ze spalovací komory). Použitím vysokoteplotních kobaltových aniklových legur se spotřeba paliva výrazně snižuje. Další výrazné snížení spotřeby paliva se předpokládá odpoužití keramických materiálů, které by umožnily výrazné zvýšení pracovní teploty.

Termodynamický proces spalovací turbíny je rovnotlaký (obr. 2.4). Skládá se zizoentropické komprese (1–2), izobarického přívodu tepla (2–3), izoentropické expanze (3–4) aizobarického odvodu tepla (4–1). Dobré termické účinnosti lze dosáhnout jen tehdy, uskutečňuje-li se přívod tepla při zvýšené teplotě zT2 naT2´ pomocí tepelného výměníku spojeným sodvodem tepla (4–4´). Takovýto termodynamický proces je znázorněn vT-s diagramu naobr. 2.5.

Obr. 2.4 P-V diagram spalovací turbíny [18]

Obr. 2.5 T-s diagram spalovací turbíny svýměníkem tepla [18]

Při dokonalé výměně tepla se redukuje hmotnostní jednotka přivedeného množství tepla na

(2.1)

aodvedeného tepla na

(2.2)

Maximální tepelná účinnost spalovací turbíny svýměníkem tepla bude

(2.3)

zavedením poměrných tlaků ze stavových rovnic (vztah 2.4) ateploty T4 (vztah 2.5)

(2.4)

(2.5)

je teplená účinnost

(2.6)

nebo pomocí tlaků

(2.7)

Dnes vyráběné spalovací turbíny dosahují tepelné účinnosti až 35 %. Pro zvýšení tepelné účinnosti se používají tři základní prvky, které budou probrány vnásledující kapitole.

2.1.2 Zvýšení účinnosti spalovací turbíny

Vsoučasné době se kezvýšení účinnosti spalovací turbíny používají tři prvky, které jsou:

regenerace,

mezichlazení stlačeného vzduchu,

dodatečné spalování.

Regenerace

Rekuperátor využívá odváděné teplo výfukem kezvýšení teploty vzduchu vstupujícího dospalovací komory. Schéma spalovací turbíny svýměnkem tepla je znázorněno naobr. 2.6. Použitím výměníku tepla se tepelná účinnost zvýší o5–6 %. Nevýhodou tohoto systému jsou vysoké pořizovací náklady tepelných výměníků, které musejí odolávat teplotě 1100 °C arelativně rozsáhlý zástavbový prostor rekuperátoru. Tento systém používá např. americký tank Abrams M1.

Obr. 2.6 Spalovací turbína srekuperátorem [16]

Mezichlazení stlačeného vzduchu

Další metodou vedoucí kezvýšení účinnosti spalovací turbíny je snížení odběru výkonu kompresorem. Kompresor je rozdělen nadva stupně, mezi které je zařazen chladič vzduchu. Nadva stupně je rozdělena taky turbína, která pohání kompresory. Chlazení stlačeného vzduchu může být provedeno např. náporem okolního vzduchu nebo nejčastěji vodou uvodních plavidel. Schéma spalovací turbíny využívající dvoustupňový kompresor smezichlazením stlačeného vzduchu je znázorněno naobr. 2.7.

Obr. 2.7 Spalovací turbína smezichlazením stlačeného vzduchu [16]

Dodatečné spalování

Poslední možností zvýšení účinnosti je zvýšení spalovací teploty naco nejvyšší teplotu. Expandováním spalin naturbíně dochází kpoklesu jejich teploty, pracuje-li spalovací turbína spřebytkem vzduchu, je možné dohřívat expandované plyny dodatečnou dávkou paliva. Kontinuální dohřívání se pro technickou náročnost nepoužívá. Vpraxi je turbína rozdělena nadvě části apři průchodu spalin zjedné části dodruhé jsou spaliny opět ohřívány vpřídavné spalovací komoře. Tímto způsobem je možné zvýšit účinnost spalovací turbíny o1–3 %. Schéma spalovací turbíny sdodatečným spalováním je znázorněno naobr. 2.8.

Obr. 2.8 Spalovací turbína sdodatečným spalováním [16]

2.1.3 Vozidla se spalovací turbínou

Vroce 1950 anglický konstruktér automobilky Rover F. R. Bell sestrojil první osobní automobil poháněný spalovací turbínou. Vozidlo bylo dvoumístné aspalovací turbína byla umístěna zasedačkami. Vzduch vstupoval postranách vozidla avýfuk byl vhorní části zádě vozidla. Maximální rychlosti byla 140 km·h-1 amaximální otáčky spalovací turbíny byly 50000 ot·min-1. Kpohonu turbíny bylo možné využít benzín, petrolej nebo naftu. Problém svysokou spotřebou paliva vedl ktomu, že vozidlo nebylo sériově vyráběno aprototyp skončil vlondýnském Science muzeum. Vozidlo Jet 1 je znázorněno naobr. 2.9.

Dalším výrobcem automobilu se spalovací turbínou byla firma Fiat, která naturínském autosalonu 1954 vystavila studii sportovního vozu poháněného spalovací turbínou nazvanou Turbina (obr. 2.10). Vývoj turbínového fiatu začal už vroce 1948 apoprvé byl vyzkoušen naoválu zkušební dráhy Lingotto vdubnu 1954. Motor měl dva turbínové kompresorové stupně ahnací turbínu sudávaným výkonem 221 kW (300 k) při 22000 otáčkách zaminutu. Výkon motoru se přiváděl přes redukční převodovku přímo nazadní kola. Díky skvělé aerodynamice byl vůz schopen dosáhnout rychlosti 250 km·h-1. Fiat Turbina měla trubkový rám anezávislé zavěšení kol, odvozené odsportovního Fiatu 8 V. Vdůsledku vysoké spotřeby atrvalých problémů spřehříváním byl projekt poměsíci zkoušek ukončen. Dnes je tento zajímavý experimentální prototyp vystaven vturínském automobilovém muzeu.

VUSA se navývoji vozidel se spalovací turbínou podílely firmy Generals Motors aChrysler. Vozidlo Generals Motors mělo název Firebird abyly vyvinuty tři vývojové řady FirebirdI, FirebirdII aFirebird III. Vozidlo automobilky Chrysler bylo jako první vozidlo vroce 1963 vybavené irekuperátorem kezvýšení účinnosti spalovací turbíny.

Vroce 2000 byl představen první motocykl se spalovací turbínou. Výkon spalovací turbínybyl 283 kW. Maximální testovací rychlost byla 365 km·h-1. Motocykl je zapsán vGuinnessově knize rekordů jako nejrychlejší motocykl ataké jako nejdražší motocykl, jeho cena je 185000 $.

Přes veškeré snahy konstruktérů se spalovací turbíny vevozidlech neosvědčily ajejich použití vautomobilech zůstává pouze historickou událostí.

Obr. 2.9 Vozidlo Jet 1

Obr. 2.10 Vozidlo Turbina [19]

2.2 Stirlingův motor

Stirlingův motor patří mezi motory tepelné. Vynalezl jej vroce 1816 skotský pastor Robert Stirling. Může být motorem spalovacím svnějším spalováním nebo využívat tepelný rozdíl získaný jiným způsobem (geotermální energie, odpadní teplo, sluneční energie aj.).

Pro pochopení základního principu je naobr. 2.11 uvedeno schéma staršího typu ležatého Stirlingova teplovzdušného motoru spřeháněčem aodděleným pracovním válcem.

Obr. 2.11 Ležatý Stirlingův motor [20]

2.2.1 Historický vývoj Stirlingova motoru

Zájem otento typ motoru znovu podnítil až vroce 1938 N. V. Philips zNizozemí, když začal svývojem malého Stirlingova motoru svýkonem 200 W. Philips, výrobce dobře známých stolních radiopřijímačů, používal tento motor jako kompaktní tichý zdroj energie, který narozdíl odzážehových motorů nepoužívá zapalovací svíčky, atudíž nevytváří interferenci radiových vln. Při hledání možností, jak zvýšit měrný výkon aúčinnost zjistil, že plyny snižší molekulovou hmotností, jako helium či vodík, jsou výhodnější než vzduch. Rychlý rozvoj technologie výroby materiálů, který nastal vpadesátých letech minulého století, otevřel nové perspektivy ipro Stirlingův motor.

Obr. 2.12 Stirlingův motor Philips 4-65 [21]

2.2.2 Princip funkce současného Stirlingova motoru

Obr. 2.13 Stirlingův motor V4X2 [21]

Obr. 2.14 Pracovní fáze Stirlingova motoru [21]

(2.8)

Obr. 2.15 P-V diagram Stirlingova motoru

2.2.3 Modifikace Stirlingova motoru

2.2.4 Aplikace Stirlingova motoru

výroba elektrické energie zenergie sluneční voblastech sminimálním ročním úhrnem 2000kWh·m–2·rok–1. Výroba elektrické energie spalovánímplynů snízkou výhřevností nebo plynů těžko spalitelných vběžných motorech svnitřním spalováním,

výroba elektrické energie spalováním pevných paliv zobnovitelných zdrojů (peletky atd.).

2.2.4.1 Příklad konkrétních aplikací

2.2.5 Stirlingův motor firmy Tedom

výkon motoru 11 kW při 1500 min-1,

elektrická účinnost min. 25 % při teplotách 650/60 °C (teplota žárové hlavy/vstupní teplota domotoru),

pracovní médium helium,

2.2.6 Výhody Stirlingova motoru

kvůli vnějšímu přívodu tepla lze přímo využít prakticky jakéhokoli palivo (plynná, kapalná apevná paliva),

lze využít iodpadního tepla ztechnologických procesů, geotermální energie, solární energie asrozumnou účinností toto teplo převést přímo velektřinu,

vyšší vnitřní tepelná účinnost,

výrazně nižší servisní náklady dané dlouhými servisními intervaly, které činí běžně 5000 až 10000 hodin; dlouhá životnost je dána hlavně skutečností, že olej není vpřímém kontaktu se spalinami ani horkými díly motoru anáplň motoru tvoří velmi čistý kmateriálům netečný plyn,

velmi nízká hlučnost vlivem pozvolné změny tlaku během cyklu aabsence cyklických zážehů či vznícení,

při správné konstrukci spalovacího systému má motor kvůli vnějšímu spalování nižší emise škodlivin.

vyšší cena zdůvodu malé sériovosti anáročné, čisté montáže vysoce kvalifikovanými pracovníky, nutnosti použití speciálních materiálů aněkterých technologií nevhodných pro sériovou výrobu,

pomalejší regulace výkonu – pro výrobu elektřiny atepla to nepředstavuje žádný problém,

vyšší měrná hmotnost najednotku výkonu, opět není problémem pro výrobu elektřiny atepla,

většinou mírně nižší účinnost, která je však umalých výkonů bohatě kompenzována podstatně nižšími servisními náklady.

2.3 Wankelův motor

klidnější chod, to je dáno tím, že tento motor je možno velmi dobře vyvážit protizávažími nahřídeli rotoru,

rovnoměrnost chodu jednorotorového Wankelova motoru odpovídá rovnoměrnosti chodu klasického čtyřdobého dvouválcového pístového motoru,

nízká životnost lišt těsnících spalovací prostor aobecně problémy sutěsněním spalovacích komor,

velké kluzné rychlosti radiálních těsnících lišt vedoucí komezení otáček hřídele motoru na5000 až 7000 otáček zaminutu,

tvar spalovacího prostoru vokamžiku zážehu aspálení hlavní části paliva má velký měrný povrch, což vede kvelkým ztrátám tepla aksnížení tepelné účinnosti oběhu,

dosažitelná hodnota kompresního poměru je malá, příčinou je tvar spalovacího prostoru ageometrie pohybu pístu veválci, vjehož důsledku dochází kzdlouhavému hoření aknebezpečí vzniku detonačního spalování,

velká měrná spotřeba paliva, jako důsledek malé tepelné účinnosti anízkého kompresního poměru,

velká spotřeba motorového oleje vyvolaná požadavky namazání těsnících lišt, která dosahuje dvojnásobku vporovnání sklasickým čtyřdobým motorem,

2.3.1 Historický vývoj Wankelova motoru

2.3.2 Rozbor problémů avýhod Wanklových motorů

2.3.3 Budoucnost Wankelova motoru

zlepšení spalovacího prostoru, méně chladných míst,

zvýšení objemu jedné komory na800 cm3, celkem 2 komory,

zavedení přímého vstřikování benzínu, které zvýší výkon, sníží spotřebu paliva aprodukci emisí,

2.4 Parní motor

2.4.1 Historie parního motoru

2.4.2 Vývoj parního motoru ZEE (Zero Emission Engine)

Speciální pórový hořák svysokou chemickou účinností, atudíž sminimem škodlivých emisí, který je prvním předpokladem hospodárného převodu tepelné energie namechanickou práci. Chemické reakce iveformě plamenné reakce probíhají uvnitř pórů, takže předané teplo udržuje vysokou teplotu hořáku anedovoluje rozšíření otevřené plamenné fronty. Teplota hořáku se kontroluje chlazením, aby se zamezilo tvorbě NOx.

Termodynamický proces, který vede kvysoké termické účinnosti. Prostřednictvím vícenásobné expanze smezipřehříváním páry, která se přibližuje izotermické expanzi, lze dosáhnout vyšší termické účinnosti parního motoru vůči Rankinovu oběhu parního stroje. Přívod tepla páře při expanzi není možný uparní turbíny, proto byl zvolen pístový motor soběhem dvoudobého spalovacího motoru.

Rozměr:

2.4.3 Dosažené výsledky projektu ZEE