Potenciál vznětového dvoupalivového motoru z hlediska snižování emisí skleníkových plynů

Abstract

Předmětem práce je analýza přístupů, které mohou snížit produkci oxidu uhličitého emitovaného při provozu vznětového motoru osobního vozidla. Na problém je nazíráno ze dvou pohledů. První pohled zahrnuje požadavky legislativy, které zohledňují pouze CO2 detekované vevýfuku, zatímco druhý pohled se snaží vzít v úvahu také reálnou uhlíkovou stopu z hlediska tzv. „well to wheel“ emisí CO2. Práce jako hlavní nástroj analýzy využívá zázemí pro experimentální vědeckou činnost zahrnující výzkumný vznětový jednoválec a nástroje pro simulaci jízdy vozidla, kterými disponuje Centrum vozidel udržitelné mobility a Ústav 12120 FS ČVUT. Jako nejperspektivnější se s ohledem na součásný stav poznání jeví dvoupalivový koncept vznětového motoru zapalující pilotní dávkou kapalného paliva chudou homogenní směs vodíku a vzduchu. Tento koncept má předpoklady splnit současné i budoucí požadavky legislativy z hlediska emisí CO2 osobních vozidel. Z pohledu snížení celkové uhlíkové stopy je třeba dbát na vhodnou technologii výroby tohoto paliva. To může částečně řešit zájem energetických společností používat vodík jako akumulátor energie z nestabilních obnovitelných zdrojů. Koncept také pomáhá překlenout problémy s neexistující vodíkovou infrastrukturou. Vznětový motor konceptu nafta – vodík totiž umožňuje v dvoupalivovém režimu nahradit vodík zemním plynem nebo motor alternativně provozovat pouze na kapalné palivo a zajistit tím nouzový dojezd k vodíkové plnicí stanici. Další zlepšení parametrů tohoto konceptu umožní náhrada motorové nafty hydrogenovaným rostlinným olejem. Toto palivo označované jako HVO přináší benefity jak v dvoupalivovém, tak čistě vznětovém provozu agregátu a navíc dále snižuje uhlíkovou stopu konceptu díky výrobě pomocí obnovitelných technologií.

The presented work deals with the reduction of carbon dioxide, which is attainable with a dual fuel compression ignition engine of size of passenger car. There are two points of view. The first view, as a representation of regulation requirements, takes into account only the concentration of CO2 in exhaust gases. The second one takes into account the “Well to Wheel” emissions of CO2, as a representation of the real effect to global warming. This work has been done in laboratories with equipment including a research single cylinder engine and tools for the simulation of vehicle driving, which are available in Centre of Vehicles for Sustainable Mobility and department 12120 of Faculty of Mechanical Engineering at CTU in Prague. The dual fuel – hydrogen compression ignition engine is dedicated as the most perspective concept. This concept uses the combustion of the lean homogenous mixture of air and hydrogen, which is ignited by pilot injection of diesel fuel. This dual fuel diesel – hydrogen concept seems to fulfil contemporary and future requirements for the level of CO2 emissions required of passenger cars. “Well to Wheel” balance of the concept depends on origin of hydrogen. Low „Well to Wheel“ emissions of combustion of hydrogen can be allowed by the intention of energy companies, which is to use hydrogen as an energy carrier for storage of the excess of electricity from unstable renewable sources. This concept also can help with development of hydrogen infrastructure because it can be used while the infrastructure of hydrogen is being developed. The reason is the possibility to operate with CNG instead of hydrogen or as a pure diesel engine, when the hydrogen filling station is not available. The substitution of standard diesel fuel by hydrotreated vegetable oil (HVO) leads to further benefits of dual fuel combustion in both a compression ignition engine and in pure diesel combustion. In addition, HVO further improves the carbon footprint because the HVO is produced by renewable technologies.