Předkomůrka snižuje emise spalovacích motorů

Pístový spalovací motor stále zůstává těžko nahraditelným zdrojem energie pro pohon vozidel. Neustále se zpřísňující legislativa na něj však klade čím dál větší nároky. Nejen z pohledu emisí, ale v poslední době i spotřeby paliva ve formě omezení celkové produkce CO₂. Limitní hodnota tzv. flotilového průměru emisí CO₂ pro osobní automobily byla stanovena pro rok 2020 na hodnotu 95 g/km. V případě spalování nafty to znamená omezení spotřeby paliva na hodnotu 3.5 l/100km a 4.1 l/100km v případě benzínu. Další plánované omezení limitu CO₂  na 63 g/km pro rok 2030 znamená, že při použití konvenčních uhlovodíkových paliv nebude tento limit u větších vozidel reálně dosažitelný. Elektromobil je v současné době neoprávněně považován, i z pohledu legislativy, za „bezemisní“ vozidlo. Při korektním přístupu by měl být hodnocen celkový skutečný dopad na produkci CO₂ , především v závislosti na zdroji elektrické energie, výrobě, následné likvidaci baterií atd.

Masový přechod na elektromobily v blízké době je i přes jejich velmi rychlý vývoj nereálný, především kvůli chybějící infrastruktuře. Proto má spalovací motor stále zásadní význam, ale má-li být do budoucna konkurenceschopným, je třeba pracovat na jeho neustálém vývoji. Nevyhnutelné je hledání nových řešení pro navýšení jeho celkové účinnosti, případně přechod k alternativním palivům s nižším obsahem uhlíku. Další možností je použití „hybridních“ konceptů, kdy je spalovací motor zapojen v různém uspořádání s elektromotorem a může být tak provozován v režimech s vyšší účinností.

Výrazné snižování spotřeby paliv a emisí spalovacích motorů patří mezi hlavní výzkumné úkoly Centra vozidel udržitelné mobility Fakulty strojní ČVUT v Praze (CVUM). S tím souvisí také zkoumání možností efektivního spalování alternativních paliv. Disertační práce výzkumného pracovníka, Ing. Zbyňka Syrovátky „Efektivní spalování alternativních paliv v pístovém spalovacím motoru“, se zaměřuje na splnění daných cílů s využitím pístového spalovacího motoru, potenciálu alternativních paliv a pokročilého systému spalovaní pro dosažení co nejvyšší účinnosti a minimalizaci emisí.

 

Instalace zapalovací předkomůrky v hlavě válců - asymetrické uspořádání propojovacích otvorů s konstrukčním zajištěním polohy vzhledem k ventilům: 1- izolátor zapalovací svíčky,  2-těleso předkomůrky, 3-propojovací otvory, 4-přívod plynu, 5-hlava válců, 6-píst, 7-výfukový ventil, 8-sací ventil, 9-elektroda, 10-hlavní spalovací prostor.

Současný stav výzkumu paliv a zapalovacích systémů  

Jako velice vhodné palivo z hlediska vlastností a dostupnosti celkových zásob se jeví zemní plyn. Použitím zemního plynu, jehož obsahem je převážně metan (CH₄), lze dosáhnout snížení produkce CO₂ o cca 25%, v porovnání s konvenčními palivy při zachování stejného výkonu motoru. Jeho další výhodou je vysoká odolnost vůči detonačnímu spalování, což umožňuje zachovat, případně navýšit, kompresní poměr motoru a tím docílit zlepšení jeho účinnosti vedoucí k dalšímu snížení spotřeby paliva, respektive snížení produkce CO₂.

Za nejčistší palivo pak lze označit vodík (H₂), při jehož spalování vzniká v ideálních případech pouze voda. V reálném světě, při použití vzduchu jako okysličovadla, vznikají i oxidy dusíku, se kterými si však současná technika umí poradit. Vodík se také používá v palivových článcích, kde dochází k přímé přeměně chemické energie na elektrickou s mnohem vyšší účinností. Pro tyto účely je však potřeba vodík o vysoké čistotě, jehož výroba je energeticky velmi náročná, a tudíž by měla být také zahrnuta do hodnocení celkového dopadu. Při spalování vodíku ve spalovacím motoru nejsou na vodík kladeny zvláštní požadavky, co se týče jeho čistoty a lze tak s výhodou využít vodík, který vzniká jako vedlejší produkt při průmyslové výrobě, například při výrobě chlóru. Jeho hlavní výhodou je velmi rychlé hoření a široká mez zápalnosti, která se pozitivně projevuje i v jeho směsích s dalšími palivy.

Samotný proces spalování si zasluhuje detailnějšího zkoumání. Hlavním cílem práce ing. Syrovátky je podrobná analýza zapalovacího sytému s vyplachovanou předkomůrkou pro spalování chudé směsi v pístovém spalovacím motoru. Experimentální motor byl provozován za použití alternativních paliv, jako je zemní plyn, propan-butan, vodík a kombinaci těchto paliv. Na základě provedených experimentů a vytvořených simulačních modelů byl vytvořen detailní popis funkce tohoto zapalovacího sytému. Při řešení je využito 3D simulačních modelů CFD (Computational Fluid Dynamics), které se zaměřují na mechanismus tvorby směsi, kvality vyplachování a vývoje spalování jak uvnitř předkomůrky, tak v hlavním spalovacím prostoru. Pomocí citlivostních studií byl zkoumán vliv jednotlivých parametrů, a následně optimalizována geometrie předkomůrky. Vybrané varianty předkomůrek byly experimentálně testovány na nepřeplňovaném plynovém motoru pro ověření funkčnosti a životnosti. Data získaná z provedených experimentů a výsledků ze simulačních modelů byla využita pro další vývoj tohoto zapalovacího systému a ke kalibraci simulačních modelů. Na základě získaných poznatků byly formulovány zásady pro optimální návrh a strategii řízení tohoto zapalovacího systému.

Spalování chudé směsi

Stechiometrické spalování homogenní směsi je obecně známé a rozšířené v oblasti zážehových spalovacích motorů s funkčním třícestným katalyzátorem. Další možností je pak využití tzv. chudé koncepce. Spalováním chudé směsi dochází k poklesu maximální teploty a tím i snížení tepelných ztrát vysokotlaké části pracovního cyklu. Přebytečný vzduch v chudé směsi navíc zvyšuje poměr specifických tepelných kapacit a vede ke zvýšení tepelné účinnosti motoru. Chudá koncepce navíc umožňuje  omezit nutnost škrcení průtoku směsi při nízkém výkonu a tedy snížení pumpovních ztrát. Extrémní zředění směsi pak výrazně snižuje emise NOx a to vlivem poklesu maximální teploty v průběhu spalování, která je hlavním faktorem ovlivňujícím jejich tvorbu.

Podrobnějšími výzkumy se zabývala firma Toyota a řada excelentních vědců, (např. Yamaguchi, Ricardo, Gussak), přesto ještě není mnoho úkolů vyřešeno tak, aby nový typ motoru odpovídal stále se zpřísňujícím emisním normám. Spalování chudé směsi zatím přináší také určité nevýhody v podobě snížené rychlosti spalovaní, čímž se prodlužuje doba hoření. Dále se zvyšují nároky na potřebnou zapalovací energii pro dosažení stabilní iniciace zážehu a celkové prohoření směsi. V opačném případě dochází k výraznému nárůstu nespálených uhlovodíků a tím i poklesu celkové účinnosti díky nevyužitému palivu, které odchází do výfuku. Poměrně zásadní je také to, že chudá koncepce spalování není plně kompatibilní s třícestným katalyzátorem. Výrazné rozšíření limitu zápalnosti směsi umožňují systémy, které se dnes již běžně používají v oblasti velkých stacionárních motorů. Jedná se například o dvoupalivové plynové motory s tzv. mikro-pilotním vstřikem nafty, které umožňuje vysokoenergetické a vícebodové zapálení směsi, avšak při použití kapalného paliva dochází také ke vzniku pevných částic.

Slibný potenciál předkomůrky

Další poměrně známé zapalovací systémy jsou aplikace využívající tzv. předkomůrku. V principu se jedná o dva oddělené spalovací prostory, které jsou vzájemně propojeny pomocí jednoho či více otvorů. Předkomůrka může být dále dovybavena vlastním přívodem paliva, které umožňuje lokální obohacení směsi a vyplachování zbytkových plynů z předchozího pracovního cyklu. Lokální obohacení je jeden z klíčových faktorů umožňující výrazné rozšíření limitu zápalnosti chudé směsi v hlavním spalovacím prostoru. V průběhu kompresního zdvihu je směs uvnitř předkomůrky ředěna natékající směsí z hlavního spalovacího prostoru. Tato směs je následně zapálena pomocí zapalovací svíčky a vlivem narůstajícího tlaku v průběhu spalování dochází k vytlačování obsahu předkomůrky skrze propojovací otvory. Díky navýšení zapalovací energie a vícebodovému zapálení směsi lze s vyplachovanou předkomůrkou („Scavenged pre-chamber“) dosáhnout rozšíření limitu zápalnosti chudé směsi až k hodnotám převyšujícím součinitel přebytku vzduchu 2 a výrazného navýšení rychlosti spalování.

 

Doposud byly předkomůrkové zapalovací systémy používány převážně ve velkých stacionárních motorech, a to kvůli velkým prostorovým nárokům na jejich zástavbu. Sériovému použití v oblasti osobních automobilů bránilo také nepříliš zmapované chování při přechodových režimech (rychlé změny otáček a zatížení), nekompatibilita s třícestným katalyzátorem a další nežádoucí důsledky. V dnešní době se však intenzivně pracuje na jejich vývoji a použití i pro aplikace v automobilových motorech pro snížení spotřeby paliva a emisí, především NOx. Předkomůrkový zapalovací systém je použitelný pro spalování jak plynných paliv, tak lehko odpařitelných kapalných paliv (jako benzín, atp.). Slibný potenciál tohoto zapalovacího systému je proto důvodem pro snahu o jeho optimalizaci.

Nadějný zapalovací systém

V rámci disertační práce ing. Syrovátka navrhl a experimentálně otestoval několik funkčních vzorků předkomůrkového zapalovacího systému. Vznikl tak poměrně rozsáhlý soubor naměřených dat, který dokládá funkci tohoto zapalovacího systému a dále slouží pro kalibraci numerických modelů. Porovnání parametrů předkomůrkového motoru s klasickým zážehovým motorem ukazuje, že pomocí předkomůrky lze dosáhnout výrazného rozšíření provozního rozsahu motoru a navýšení rychlosti spalování. Při částečném zatížení motoru a extrémním zředění směsi lze docílit snížení emisí oxidů dusíku v surových spalinách pod hodnoty, které vyžaduje aktuální emisní legislativa a zároveň navýšit účinnost motoru.

Na základě experimentálních a simulačních výsledků vznikl nejen detailní popis funkce předkomůrkového systému, ale i řada doporučení pro jeho optimální návrh a strategii řízení pro dosažení co nejefektivnějšího provozu motoru. Zjištěná data a výsledky se týkaly provozu nepřeplňovaného jednoválcového plynového motoru a byla naměřena v laboratořích Fakulty strojní ČVUT v Praze. Předkomůrkový zapalovací systém se jeví jako velmi efektivní prostředek pro spalování plynných paliv a určitě se vyplatí pokračovat v jeho dalším zkoumání a vývoji. Pokud by došlo také k nasazení toho zapalovacího systému v kombinaci se spalováním paliv s příměsí vodíku, došlo by k dalšímu snížení celkové produkce oxidu uhličitého.

Experimenty s vodíkem

V Centru vozidel udržitelné mobility Fakulty strojní ČVUT zkoumají také možné úpravy vznětového motoru pro palivovou směs s velkým podílem vodíku. Spalovací motor na vodík vědci řeší již téměř sto let, ale spalování samotného vodíku v pístovém motoru má stále několik úskalí. Je to především malá objemová výhřevnost a tím velká objemová spotřeba vodíku. Další problémy vyvolává náročná výroba, „skladování“ vodíku a emise NOx. Přesto je vodík jedním z paliv budoucnosti. Kromě přímého spalování nebo využití v palivových článcích se uvažuje o palivové směsi s velkým podílem vodíku. Vhodné řešení hledá na mírně upraveném vznětovém motoru tým Ing. Jiřího Vávry, Ph.D. Experimenty na fakultě strojní ČVUT vykazují řádový pokles emitovaných částic a tím také nižší zatížení filtru pevných částic. Výhodou dvoupalivového uspořádání je také vliv vyšší teploty spalin a filtr by se proto měl častěji spontánně regenerovat. První výsledky měření dávají výzkumníkům velkou naději, že „přidávání“ vodíku může snižovat emise CO₂ a NOx. Tepelná účinnost a výkonová hustota experimentálního motoru je blízká vysoce účinnému vznětovému motoru. Tato technologie by mohla na přechodnou dobu umožnit provozování automobilů se starším naftovým agregátem. Výsledky výzkumu jsou o to cennější, že podobné výsledky se spalováním vodíku na světě nikdo zatím nepublikoval.