Dvoupalivový spalovací motor může snížit emise CO₂

Vliv člověka na globální klima je dlouhodobě aktuální téma. Veřejná diskuze se často zaměřuje na vliv CO₂ pocházející z osobní dopravy. Přitom provoz osobních vozidel zaujímá pouze 5,5 % produkce CO₂ pocházející z lidské činnosti, což odpovídá cca 0,2 % celkové světové produkce CO₂.

Posuzovat emise CO₂ generované provozem vozidel lze více způsoby. Z hlediska vlivu na globální oteplování je zjišťování množství CO₂ ve výfukových plynech přinejmenším diskutabilní. Tento přístup nicméně používá aktuální evropská legislativa k nátlaku na automobilky z hlediska snížení emisí CO₂. Stanovené limity nejsou pro spalovací motory reálně splnitelné, zatímco elektromobily dosahují formálně nulových emisí CO₂. Díky tomu je z hlediska legislativy preferován těžký elektromobil kategorie SUV oproti městskému vozidlu litrové kategorie s hmotností kolem jedné tuny. Legislativa totiž neuvažuje produkci emisí CO₂ při výrobě elektrické energie. Je-li cílem reálné snížení emisí přispívajících ke globálnímu oteplování, je třeba uvažovat úroveň daných emisí v celém řetězci výroby a distribuce paliva. Pro tento přístup se vžil termín „Well to Wheel“ (WTW), tedy „od zdroje na kola“. Hodnoceno tímto přístupem je za současného energetického mixu vyspělých zemí uhlíková stopa osobního automobilu se vznětovým spalovacím motorem porovnatelná s elektrickou trakcí i při použití fosilních paliv. Ještě zodpovědnější přístup pak zohledňuje veškeré kvantum daných emisí generovaných v souvislosti s existencí daného vozidla po jeho celý životní cyklus a nazývá se „Cradle to grave“, od „kolébky do hrobu“. Takové přístupy je však daleko složitější zakotvit legislativně. Proto je vážným úkolem inženýrů a především vědců uvažovat v tomto komplexním rámci a hledat řešení, které splňuje požadavky dané legislativou a zároveň minimalizuje reálné negativní dopady osobní dopravy.

Je naprosto žádoucí dále se zabývat spalovacími motory vozidel, především pro větší dopravní vzdálenosti, kde se jako nenahraditelný stále jeví vznětový spalovací motor. Navíc, i díky důsledkům aféry zvané „Dieselgate“, máme v současnosti dostupné technologie k velmi úspěšné likvidaci toxických složek výfukových plynů. Z hlediska WTW emisí CO₂ se jeví velmi vhodnými palivy bio-metan, coby obnovitelná alternativa zemního plynu, a vodík. Vodík navíc umožňuje radikální snížení koncentrací CO₂ ve výfukových plynech. V obou případech je ale nutné zvolit vhodnou obnovitelnou technologii výroby daného paliva tak, aby z pohledu WTW emisí CO₂ skutečně docházelo k jejich redukci a dále zajistit kvalitní přestavbu vznětového motoru na dvoupalivový.

Disertační práce Ing. Ivana Bortela z Ústavu automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel Fakulty strojní ČVUT v Praze, se zabývá vznětovým spalovacím motorem z hlediska možného snížení koncentrace CO₂ ve výfukových plynech. Klade si za cíl prošetřit a stanovit potenciál motoru osobního vozidla s ohledem na požadavky současné i příští evropské legislativní limity na emise CO₂ za použití alternativním paliv. Neztrácí přitom ze zřetele reálný celkový dopad na globální oteplování, tedy „Well to Wheel“ emise CO₂. Jako nástroj pro splnění cílů si zvolil experimenty na výzkumném dvoupalivovém vznětovém jednoválcovém motoru. Na podkladě těchto experimentů se jeví z hlediska WTW emisí CO₂ a tím i reálného dopadu jako velmi vhodné palivo hydrogenovaný rostlinný olej (HVO). Bohužel však nedokáže vyhovět požadavkům legislativy na emise CO₂ lokálně generované vozidlem. Proto byly dále prověřovány možnosti konverze na dvoupalivový vznětový motor využívající jako druhé sekundární palivo zemní plyn a především vodík. Na základě těchto experimentů byly sestaveny potřebné charakteristiky dvoupalivové motoru nafta-vodík a nafta-zemní plyn. Reálný potenciál vybraných konceptů z hlediska snížení emise CO₂ byl dále vyšetřován pomocí simulace jízdního homologačního cyklu WLTC v prostředí GT-Suite.

Hlavním přínosem práce „Potenciál vznětového dvoupalivového motoru z hlediska snižování emisí skleníkových plynů“ je představení konceptu a funkčního vzorku dvoupalivového vznětového motoru pracující s motorovou naftou a vodíkem. Většina experimentů se zabývala vlivem změny paliva na parametry spalování a emise. Jako zdroj experimentálních dat si autor zvolil příslušně upravený výzkumný vznětový jednoválec AVL 5402.088, který svými parametry odpovídá válcové jednotce běžného osobního automobilu. Zvolený koncept umožňuje využívat primárně energii pocházející z vodíku a kapalné palivo používat jen k zapálení chudé směsi vodíku a vzduchu, jejíž spalování vede k nulovým výfukovým emisím CO₂. Intenzivní přeplňování pak umožňuje použití dostatečně chudé směsi a tím dosažení přiměřeného výkonu bez výskytu klepání. Tím se prezentovanému konceptu podařilo kompenzovat jeden z velkých nedostatků použití vodíku v motorech s vnitřním spalováním. Důležité také je, že koncept pohonu nafta-vodík nepředstavuje nový problém z hlediska systémů dodatečné úpravy spalin a lze na něj aplikovat současnou technologii. Dokonce vykazuje významné snížení počtu emitovaných částic a koncentrací oxidu uhelnatého v surových spalinách a nespálený vodík zlepšuje činnost katalytických systému sloužících k redukci NO_x.

Režim spalování chudé homogenní směsi vodíku má však svá omezení v nízkém zatížení, kde motor musí pracovat jako čistě vznětový. Přesto koncept dvoupalivového motoru nafta-vodík vykazuje potenciál ke splnění požadavků Evropské komise z hlediska emisí CO₂ platných od roku 2030 dále, kdy bude platný limit 59,4 g CO₂/km. Při simulaci jízdy vozidla v testovacím cyklu WLTC  bylo totiž dosaženo vynikající hodnoty 44,1 g CO₂/km. K tomu, aby byla snížená i reálná, tzv. „Well to Wheel“ uhlíková stopa, je nutno vodík produkovat pomocí vhodných technologií. Do karet vodíku v tomto ohledu hraje jeho favorizovaná pozice mezi kandidáty na vhodné médium pro ukládání přebytků energie z nestabilních obnovitelných zdrojů. Výhodou tohoto konceptu proti vodíkovým palivovým článkům jsou výrazně nižší požadavky na čistotu vodíku.

Koncept dvoupalivového vznětového motoru nafta-vodík navíc pomáhá vystoupit z kruhu, kdy nedostatek plnicích stanic na vodík implikuje nezájem kupujících o vodíková vozidla, jejichž malé množství zase nemotivuje k výstavbě plnicích stanic. Koncept totiž stále umožňuje i čistě vznětový režim či náhradu vodíku zemním plynem (CNG), či lépe biometanem, a tak umožnit nouzový dojezd k vodíkové plničce. Určitým problémem jsou v tomto případě emise nespáleného metanu a k jejichž snížení by bylo nutné optimalizovat tvar spalovacího prostoru a snížit objem zhášecích prostor a případně využít pokročilých spalovacích metod, například RCCI. Tím tento koncept může pomoci rozvinout vodíkovou infrastrukturu a pomoci tak i k rozšíření konkurenčního konceptu vodíkových palivových článků a přispět tím k žádoucí diverzifikaci konceptů pohonu vozidel. Možnost dalšího snížení množství CO₂ ve výfukových plynech i celkové bilance této látky přináší náhrada motorové nafty obnovitelným palivem HVO. Experimenty prokázaly že HVO prakticky nemá negativní efekty a snižuje emise většiny škodlivých látek. Při využívání paliv nafta a vodík pokles emisí CO₂ přibližně odpovídá stupni energetické náhrady, což například v jízdním cyklu WLTC přináší úsporu ve výši 70 % oproti vznětovému motoru.

Výzkumy potenciálu vznětového dvoupalivového motoru vzbuzují naději, že spalovací motory mohou zvládnout i nejpřísnější normy a určitě má smysl pokračovat v jejich vývoji. Ivan Bortel  v závěru práce předkládá několik námětů pro další výzkum. „Provedené zkoušky a simulace zatím posloužily jen k určení základního odhadu potenciálu a nejedná se tedy o zcela optimalizované varianty. K dalšímu rozvoji konceptu a zlepšení jeho parametrů by přispěla například optimalizace spalovacího prostoru, použití současných technologií variabilních rozvodových mechanismů, či aplikace recirkulace spalin ve vhodných režimech. Dále je žádoucí úprava vstřikovacího systému a sacího potrubí tak, aby vodík nebyl vefukován jen do jednoho sacího kanálu ze tří, což by omezilo riziko vzplanutí směsi v sání motoru a umožnilo navýšení výkonu a udržení vyšší úrovně energetické náhrady vodíkem i při zatížení ve vyšších otáčkách. Tématem důležitým pro případnou reálnou aplikaci je výzkum možností aplikace daného konceptu po startu a při ohřevu motoru. Z hlediska přeplňování je vhodné vyšetřit reálnost požadavků a zjistit, kde lze z nároků na přeplňovací soustavu slevit. Představený koncept tak ukazuje nový směr, jakým je možné se v budoucnu ubírat.“

Zpracováno podle disertační práce:

Potenciál vznětového dvoupalivového motoru z hlediska snižování emisí skleníkových plynů

• Ing. Ivan Bortel - Doktorský studijní program: Strojní inženýrství
• Fakulta strojní - ústav automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel, Fakulty strojní ČVUT v Praze
• Studijní obor: Dopravní stroje a zařízení    
• Školitel: Prof. Ing. Michal Takáts, CSc.

Celá disertační práce je ke stažení zde: https://dspace.cvut.cz/handle/10467/99210