Analiza możliwości wykorzystania heksanu w mieszaninie z olejem rzepakowym do zasilania silnika o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 LONGWIC Rafał 1 LOTKO Wincenty 2 KOWALCZYK Jacek 3 SANDER Przemysław 4 Analiza możliwości wykorzystania heksanu w mieszaninie z olejem rzepakowym do zasilania silnika o zapłonie samoczynnym WSTĘP Historia produkcji biopaliwa otrzymywanego z roślin oleistych sięga początku ubiegłego wieku. Oleje roślinne zastosował po raz pierwszy jako paliwo w skonstruowanym przez siebie silniku Rudolf Diesel. Dopiero później po nieudanych próbach z olejem roślinnym do zasilania silnika zastosowano paliwo otrzymywane z ropy naftowej. Według dostępnych obserwacji od połowy lat 60 zużycie energii podwoiło się, natomiast wydobycie ropy naftowej nie wzrasta. Konflikty polityczne, kryzys paliwowy lat 70 ubiegłego wieku oraz coraz częstsze doniesienia o zmniejszających się światowych zasobach energetycznych powodują zintensyfikowanie badań nad paliwami alternatywnymi i ich zastosowaniem w silnikach spalinowych. W odniesieniu do silników o zapłonie samoczynnym prace te prowadzone są głównie w zakresie pozyskiwania paliw nie pochodzących z rafinacji ropy naftowej, które można by stosować samodzielnie lub jako mieszaniny objętościowe z olejem napędowym. Na szczególną uwagę zasługują paliwa pochodzące z roślin oleistych a w warunkach polskich najatrakcyjniejszym surowcem jest olej rzepakowy [1, 2, 3, 4, 5, 10]. Dotychczasowe wykorzystanie oleju rzepakowego jako paliwa Ddotychczasowe badania wskazują, że olej rzepakowy jest jednym z najbardziej kalorycznych produktów roślinnych, a wytwarzany z niego olej ma wartość opałową zbliżoną do powszechnie stosowanych paliw węglowodorowych. W niektórych krajach np. w Niemczech planuje się, aby w ciągu najbliższych kilku lat uzyskać ok. 10% obecnego zużycia paliwa do silników wysokoprężnych w postaci oleju rzepakowego[3]. Najczęstszą formą wykorzystania oleju rzepakowego do napędu silników samochodowych są jego mieszaniny z olejem napędowym. Olej rzepakowy można również poddawać procesowi estryfikacji i otrzymywać paliwo o własnościach fizykochemicznych zbliżonych do oleju napędowego tzw. FAME. Prace w tym zakresie w wielu krajach prowadzone są już na skalę przemysłową. Uzyskiwany na drodze estryfikacji ester metylowy wyższych kwasów tłuszczowych ma własności zbliżone do oleju napędowego. Mmankamentem tego typu rozwiązania jest to, że proces transestryfikacji jest procesem wysoce energochłonnym, a jego ubocznym efektem jest wytwarzanie znacznych ilości gliceryny. Pponadto należy zabezpieczyć stałe dostawy roślin oleistych do produkcji (jest to trudne z uwagi na cykl wegetacyjny roślin). Aktualnie w Polsce paliwo FAME jest dodawane do olejów napędowych w ilości 5% (objętościowo) i traktowane jako standardowe paliwo przeznaczone do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Uważa się że FAME ma korzystny wpływ na poprawę własności smarnych takich mieszanin oraz ograniczenie emisji cząstek stałych PM oraz dwutlenku węgla. [2,3,4,5] Problemy związane ze stosowaniem oleju rzepakowego jako paliwa Zasilanie silnika o ZS czystym olejem rzepakowym jest mocno utrudnione z uwagi na znaczne różnice właściwości fizykochemicznych tego paliwa w odniesieniu do oleju napędowego. Największe trudności dotyczą lepkości. Podstawowe własności fizykochemiczne oleju rzepakowego i oleju napędowego uzyskane na podstawie badań własnych przedstawiono w tabeli 1. Badanym olejem 1 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych,. r.longwic@pollub.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki 3 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych, doktorant Wydziału Mechanicznego Politechniki Lubelskiej 4 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych, p.sander@pollub.pl 3789

2 napędowym był olej ekodiesel plus w odmianie letniej. Olej rzepakowy to spożywczy olej rafinowany ogólnodostępny w handlu detalicznym. Tab. 1. Podstawowe parametry fizykochemiczne oleju rzepakowego i oleju napędowego [2] Rodzaj paliwa Gęstość w temp. 20 C [g/cm 3 ] Lepkość w temp. 40 C [mm 2 /s] Wartość opałowa [MJ/kg] Olej napędowy - 0,84 3,04 43,84 ON Olej rzepakowy - OR 0,90 19,85 37,10 Jednym z głównych parametrów fizykochemicznych paliwa oddziałujących na proces wtrysku, a zatem i pośrednio na proces spalania jest jego lepkość. Zastosowanie paliwa o większej lepkości będzie się wiązać ze zwiększeniem oporów ruchu (tarcia) poruszających się wzajemnie elementów aparatury wtryskowej (tłoczek pompy wtryskowej, zawór odciążający, iglica rozpylacza). Skutkuje to pogorszeniem procesu przygotowania mieszaniny palnej a w rezultacie wpływa na inny niż w przypadku oleju napędowego przebieg procesu spalania. Zaburzenia przebiegu procesu spalania powodują wzrost emisji składników toksycznych spalin głównie tlenków azotu NOx. W związku z powyższymi ograniczeniami czysty olej rzepakowy nie jest stosowany do napędu silników samochodowych w powszechnej eksploatacji pojazdów. Zaobserwowanymi problemami stosowania oleju rzepakowego do zasilania silników są przecieki w sekcji pompy wtryskowej, niepowtarzalność parametrów wtrysku, utrudniona filtracja paliw roślinnych i mieszanin z ON jak również problemy rozruchu silnika (ze względu na inną, wyższą lepkość niż ON) [3]. Względna różnica gęstości paliwa ON w stosunku do OR wynosząca około 7% nie powinna w sposób znaczący wpływać na proces tworzenia mieszaniny palnej, gęstość paliwa decyduje o wielu parametrach strugi rozpylonego paliwa [10]. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że przy tych samych dawkach objętościowych paliw o różnej gęstości, i tej samej wartości opałowej, dawka energetyczna będzie większa dla paliwa o większej gęstości. Zależność ta będzie wprost proporcjonalna od gęstości. Istotnym parametrem paliwa warunkującym jego wtrysk jest moduł sprężystości paliwa. Zmiana modułu sprężystości paliwa o 20% zmienia maksymalne ciśnienie wtrysku o 15%. Większa gęstość OR w stosunku do ON może zatem oddziaływać na nieznaczne zwiększenie maksymalnych ciśnień wtrysku a więc i zwiększenie dawki objętościowej. 1. MIESZANINY OBJETOSCIOWE OLEJU RZEPAKOWEGO Z HEKSANEM Olej rzepakowy jako paliwo silnikowe powinien posiadać właściwości fizykochemiczne zbliżone do normatywnych parametrów oleju napędowego. Do tych parametrów można zaliczyć m.in., napięcie powierzchniowe, gęstość i lepkość W związku z tym podjęto próbę zmiany własności fizykochemicznych oleju rzepakowego poprzez dodatek n-heksanu, co poprawiłoby parametry oleju rzepakowego przy stosunkowo małej ilości objętościowej dodatku [2]. Napięcie powierzchniowe, gęstość i lepkość n-heksanu są znacznie niższe od oleju napędowego. Heksan (C 6 H 14 ) to organiczny związek chemiczny z grupy alkanów. Izomery heksanu są bardzo niereaktywne oraz są często stosowane jako rozpuszczalniki w reakcjach organicznych, ponieważ są wysoce niepolarne. Wchodzą również w skład benzyn. Heksan jest produkowany w wyniku rafinacji ropy naftowej. Wyjściowa mieszanina frakcji silnie zależy od źródła surowca i wymuszenia rafinacji. Przemysłowy produkt (zwykle około 50% wagowych n-heksanu) jest frakcją wrzącą w temperaturze C0. [2,6] Tab. 2. Podstawowe parametry fizykochemiczne n-heksanu [8] Wskaźnik lepkości dynamicznej: ( w temp C): Stan skupienia: ciecz 0,326 mpa s Wskaźnik lepkość kinematycznej: (w temp C): Kolor: bezbarwny 0,50 mm 2 /s 3790

3 Zapach: charakterystyczny Ciśnienie par: 160 mbar ( w temp C) ph: brak danych Gęstość: 0,66 g/ml ( w temp C) Temperatura topnienia: C Ciężar nasypowy: nie dotyczy Rozpuszczalność: w wodzie: 0,00095 g/dm 3 (w temp C); w rozpuszczalnikach organicznych: Temperatura wrzenia: 68 0 C węglowodory ciekłe. Temperatura samozapłonu: C Temperatura zapłonu; C Granice wybuchowości: dolna 1,0% obj.; górna: 8,1 % obj. Została podjęta próba dostosowania własności fizykochemicznych oleju rzepakowego do normatywnych własności oleju napędowego (ON). W wyniku podjętych prób do oleju rzepakowego dodano objętościowo 5%, 10% i 20% dodatku n-heksanu. Badaniom poddano następujące paliwa: olej napędowy - ON; olej rzepakowy - OR; olej rzepakowy z dodatkiem 5% n-heksanu OR5; olej rzepakowy z dodatkiem 10% n-heksanu OR10; olej rzepakowy z dodatkiem 20% n-heksanu - OR20. Jak zaobserwowano to dodanie do oleju rzepakowego 10% (objętościowo) heksanu powodowało uzyskanie własności fizykochemicznych (gęstość, lepkość) zbliżonych do parametrów oleju napędowego ON. Parametry te były stabilne w temperaturze około -20 C. Przygotowanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem zasilano silnik AD Ocenie poddano osiągi silnika (moc efektywną, moment obrotowy) jak również skład spalin (NOx, CO, HC) oraz poziom zadymienia spalin. 2. BADANIA EMPIRYCZNE 2.1. Obiekt badań Obiektem badań był trzycylindrowy silnik AD3.152 o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim. Tego rodzaju silniki są nadal wykorzystywane w pojazdach, a szczególnie w ciągnikach rolniczych oraz maszynach budowlanych i agregatach. Podstawowe dane techniczne silnika badawczego przedstawiono w tabeli 3. Do zasilania badanego silnika użyto oleju napędowego ekodiesel w odmianie letniej ON (EDL), czystego oleju rzepakowego OR oraz oleju rzepakowego z dodatkami heksanu. Badania prowadzono dla nominalnej wartości kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa i nominalnego statycznego ciśnienia otwarcia wtryskiwaczy. Tab. 3 Podstawowe dane techniczne silnika badawczego [1] Maksymalna moc 28 kw przy 2200 obr/min Maksymalny moment obrotowy 139,6 Nm przy 1300 obr/min Prędkość obrotowa biegu jałowego 750 obr/min Objętość skokowa 2,502 dm3 Liczba cylindrów 3 Stopień sprężania 16,5 Średnica cylindrów 0,0914 m Jednostkowe zużycie paliwa przy mocy maksymalnej 228 g/(kwh) pompa rotacyjna DPA, Układ zasilania końcówki wtryskiwacza typ DSL150A

4 Nominalny kąt dynamicznego początku tłoczenia paliwa Ciśnienie robocze otwarcia wtryskiwaczy System wtrysku 17 oowk przed GMP 17,5 MPa wtrysk bezpośredni 2.2. Stanowisko badawcze Badania realizowano na stanowisku badawczym, którego schemat funkcjonalny przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Schemat stanowiska badawczego: 1 silnik badawczy, 2 wał napędowy, 3 hamulec wodny elektrowirowy, 4 szafa kontrolno-sterująca, 5 komputer PC wraz z kartą pomiarową, 6 generator podstawy czasu, 7 kaseta pomiarowa z zespołem wzmacniaczy, 8 nadajnik kąta obrotu wału korbowego INTROL (rozdzielczość pomiaru 1,4 oowk), 9 czujnik ciśnienia w komorze spalania, 10 wtryskiwacze silnika badawczego, 11 czujnik wzniosu iglicy wtryskiwacza, 12 czujnik ciśnienia paliwa przed wtryskiwaczem, 13 pompa wtryskowa silnika badawczego [1, 9] 2.3. Metodyka badań Badania polegały na wykonaniu dla każdego z badanych paliw (ON, OR, OR5, OR10, OR20) serii pomiarów, które pozwoliły na opracowanie danych niezbędnych do wykreślenia charakterystyk zewnętrznych eksploatacyjnych (w zakresie prędkości obrotowych od 1000 obr/min do 2000 obr/min,). W badaniach wykorzystano dodatkowo analizator AVL DiCOM 4000 oraz dymomierz AVL DiGAS Wyniki badań Na rysunku 3 przedstawiono przebieg momentu obrotowego silnika zarejestrowany w warunkach charakterystyki zewnętrznej eksploatacyjnej. 3792

5 Rys. 2. Przebieg momentu obrotowego dla silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami Dla wszystkich z badanych paliw maksymalny moment obrotowy osiągnięto przy prędkości 1400 obr/min. Najmniejsze wartości maksymalnego momentu obrotowego uzyskano dla mieszaniny oleju rzepakowego z 10% i 20% dodatkiem heksanu. Moment ten wynosił około 134 Nm. Zbliżone wartości momentu obrotowego uzyskano dla czystego oleju rzepakowego i 5% mieszaniny oleju rzepakowego z heksanem. Moment ten wynosił około 136 Nm. Największe wartości momentu obrotowego uzyskiwano przy zasilaniu czystym olejem napędowym około 143 Nm. Różnica bezwzględna w stosunku do OR20 wynosiła około 9 Nm. W warunkach charakterystyki zewnętrznej badano również ilość składników toksycznych spalin. Na rysunku 3 pokazano zawartość tlenków azotu NOx, na rysunku 4 zawartość węglowodorów HC, na rysunku 5 zawartość tlenku węgla CO a na rysunku 6 zadymienie spalin. Charakterystyczne jest zmniejszenie emisji tlenków azotu względem oleju napędowego przy stosowaniu mieszanin oleju rzepakowego z heksanem. Emisja tlenków azotu jest w tym przypadku mniejsza również w stosunku do spalania czystego oleju rzepakowego. Emisja węglowodorów jest większa przy stosowaniu oleju rzepakowego i jego mieszanin z heksanem w stosunku do oleju napędowego. Największe wartości emisji węglowodorów uzyskiwano dla paliwa OR10. Emisja tlenku węgla jest większa dla oleju rzepakowego i jego mieszanin z heksanem w stosunku do oleju napędowego. Charakterystyczne jest to, że w zakresie prędkości obrotowych od 1200 obr/min do 2000 obr/min emisja tlenku węgla ma dla oleju napędowego przebieg wklęsły z lokalnym minimum (przy około 1600 obr/min) a dla oleju rzepakowego w mieszaninach z heksanem przebieg wypukły z lokalnym maksimum (przy około 1800 obr/min). 3793

6 Rys. 3. Zawartość NOx w spalinach silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami Rys. 4. Zawartość HC w spalinach silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami 3794

7 Rys. 5. Zawartość CO w spalinach silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami Rys. 6. Poziom zadymienia spalin silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami Stosowanie oleju rzepakowego powodowało wzrost zadymienia spalin w stosunku do oleju napędowego. Dodatek heksanu potęgował to zjawisko, przy czym największe wartości zadymienia uzyskiwano dla paliwa OR

8 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na rysunkach od 7 do 11 pokazano procentowe względne zmiany wartości badanych parametrów dla rozpatrywanych paliw w stosunku do wartości uzyskiwanych przy zasilaniu olejem napędowym. Dla przykładu względną zmianę wartości momentu obrotowego dla oleju rzepakowego w stosunku do oleju napędowego obliczono z zależności (1). MOR MON M 100 (1) MON gdzie: M OR moment obrotowy uzyskiwany przy zasilaniu olejem rzepakowym, M ON moment obrotowy uzyskiwany pry zasilaniu olejem napędowym. Analizę zmian różnic względnych obserwowanych parametrów dokonano przy prędkości 1200 obr/min i 1800 obr/min/. Różnice względne w wartościach momentu obrotowego były mniejsze przy wyższej z prędkości obrotowej. Dla 1200 obr/min różnica względna w wartościach momentu obrotowego w stosunku do oleju napędowego była największa dla paliw OR5 i OR10 i wynosiła około -8,5%. Rys. 7. Różnica względna uzyskanego momentu obrotowego silnika AD3.152 zasilanego badanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem względem oleju napędowego, przy prędkościach obrotowych 1200 obr/min i 1800 obr/min 3796

9 Rys.8. Różnica względna zawartości NOx w spalinach dla silnika AD3.152 zasilanego badanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem względem oleju napędowego, przy prędkościach obrotowych 1200 obr/min i 1800 obr/min. Rys. 9. Różnica względna zawartości CO w spalinach dla silnika AD3.152 zasilanego badanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem względem oleju napędowego, przy prędkościach obrotowych 1200 obr/min i 1800 obr/min. 3797

10 Rys.10. Różnica względna zawartości HC w spalinach dla silnika AD3.152 zasilanego badanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem względem oleju napędowego, przy prędkościach obrotowych 1200 obr/min i 1800 obr/min. Rys.11. Różnica względna zadymienia spalin dla silnika AD3.152 zasilanego badanymi mieszaninami oleju rzepakowego z heksanem względem oleju napędowego, przy prędkościach obrotowych 1200 obr/min i 1800 obr/min 3798

11 Dla wszystkich z mieszanin oleju rzepakowego z heksanem uzyskiwano zmniejszenie emisji tlenków azotu. Dla paliw OR5 i OR10 uzyskiwano zmniejszenie tej emisji w stosunku do oleju napędowego aż o około -20%. Niestety znacząco wzrastała emisja tlenku węgla zwłaszcza dla większej z prędkości obrotowych. Różnica względna w stosunku do oleju napędowego wynosiła maksymalnie 200% dla paliwa OR5 przy 1800 obr/min. Większe były również wartości emisji węglowodorów. Dla paliwa OR10 i 1800 obr/min różnica względna w stosunku do ON wynosiła około 120%. Zadymienie spalin wzrastało przy zastosowaniu heksanu w stosunku do oelju napędowego średni o około 70%. Niestety stosowanie dodatku heksanu nie polepsza obserwowanych parametrów w stosunku do zasilania silnika olejem napędowym. Otrzymywane są gorsze wyniki niż przy stosowaniu czystego oleju rzepakowego. Wyjątek stanowi emisja NOx, która znacząco zmniejsza się, co oczywiście związane jest ze wzrostem emisji tlenku węgla. Heksan posiada dużą prężność i lotność par przy temperaturze zapłonu zbliżonej do oleju napędowego. Wydaje się, że przed zapłonem oleju napędowego zapalają się w komorze spalania pary heksanu. Zmniejsza to ilość tlenu, który może być wykorzystany w zasadniczym procesie spalania. Wynika stąd znaczący wzrost emisji tlenków węgla i wzrost zadymienia spalin. Mała ilość tlenu w komorze spalania sprzyja zmniejszeniu emisji tlenków węgla. WNIOSKI Zasilanie czystym olejem rzepakowym silników o zapłonie samoczynnym jest utrudnione ze względu na jego własności fizykochemiczne, a zwłaszcza jego lepkość. Problem jest tym większy im niższa jest temperatura otoczenia. Koncepcja proponowana przez autorów pracy oparta jest na zastosowaniu małej objętości rozpuszczalnika w mieszaninie z olejem rzepakowym [2]. Analiza ekonomiczna oraz analiza dostępności różnych rozpuszczalników wykazała, że optymalnym związkiem chemicznym może być heksan. Przy 10% dodatku heksanu do oleju napędowego uzyskiwano wskaźnik lepkości kinematycznej na poziomie wskaźnika dla oleju napędowego i stan ten utrzymywał się nawet do temperatur około -20 C. Niestety nie potwierdziła się robocza teza jaką autorzy postawili na wstępie prac, w której zakładano, że normalizacja lepkości, gęstości i napięcia powierzchniowego dla oleju rzepakowego do wartości jak dla oleju napędowego przyczyni się do poprawy procesu tworzenia mieszaniny palnej, a w rezultacie do poprawy procesu spalania. Wprawdzie uzyskiwano przy stosowaniu heksanu nieznaczne zmniejszenie momentu obrotowego ale znacząco wzrastała emisja tlenku węgla oraz zadymienie spalin. Z uwagi na fakt zmniejszenia emisji tlenków azotu oraz to, że olej rzepakowy jest paliwem odnawialnym (z teoretycznie zamkniętym obiegiem dwutlenku węgla w atmosferze) warto jednak prowadzić dalsze badania w proponowanym kierunku. W kolejnym etapie badań przeanalizowana zostanie możliwość oddziaływania na obserwowane parametry pracy silnika poprzez modyfikacje parametrów regulacyjnych układu wtryskowego. Streszczenie W artykule przedstawiono analizę możliwości wykorzystania heksanu w mieszaninie z olejem rzepakowym do zasilania silnika o zapłonie samoczynnym. Zastosowano dodatek heksanu w ilości 5%, 10% i 20% w mieszaninie objętościowej z olejem rzepakowym. Uzyskane wyniki porównano do wyników uzyskanych przy zasilaniu silnika o ZS czystym olejem rzepakowego oraz olejem napędowym. Wyznaczono moment obrotowy silnika w warunkach charakterystyki zewnętrznej eksploatacyjnej oraz określono wielkość emisji składników toksycznych spalin. Analysis of the possibility of the use of hexane in a mixture of rapeseed oil to power a Diesel engine Abstract The article presents an analysis of the possibilities of using hexane mixture with rapeseed oil to power a diesel engine. Rapeseed oil was used to add hexane to the 5%, 10% and 20% (by volume) were sown therein 3799

12 and diesel engine AD The results were compared to results obtained from the test engine power pure rapeseed oil and diesel fuel. The speed external characteristics developed test engine powered fuel investigated and determined the emissions of toxic fumes. BIBLIOGRAFIA 1. Longwic R., Charakterystyka działania silnika o zapłonie samoczynnym w warunkach swobodnego rozpędzania, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin Longwic R., Sander P., Górski K., Jańczuk B., Zdziennicka A., Szymczyk K.,. Nowa koncepcja wykorzystania oleju rzepakowego jako paliwa do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Technika Transportu Kolejowego 10/2013, Radom Lotko W., Zasilanie silników spalinowych paliwami alternatywnymi. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom Lotko W., Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi i roślinnymi. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Lotko W., Górski K., Zasilanie silnika wysokoprężnego mieszaninami ON i EETB. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Lotko M., Lechowski M, Variety areas of car engine faults as an indicator of their quality, TTS 10/ Lotko M., Lechowski M., Notifications about dangerous faults in vehicles as a result of imperfection in quality management system approach in automotive industry, TTS 10/ POCH Sp. z o.o., Karta Charakterystyki Substancji Preparatu. data aktualizacji r. 9. Różycki A., Pomiary ciśnień szybkozmiennych w silniku o zapłonie samoczynnym, Praca zamawiana, Politechnika Radomska, Qi, D.H., Bae, C., Feng, Y.M., Jia, C.C., Bian, Y.Z., Combustion and emission characteristics of a direct injection compression ignition engine using rapeseed oil based micro-emulsions. Fuel ,