DIESEL ENGINES FED BY MIXTURE CONTAIN PLANT AND MINERAL HYDROCARBONS

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 23, vol. 1, 3-4 DIESEL ENGINES FED BY MIXTURE CONTAIN PLANT AND MINERAL HYDROCARBONS Mieczysław Struś Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych. ul. Czajkowskiego 19, Wrocław tel. 71/ , Abstract In this paper were presented optimization research of threeingredients BIOXDIESEL fuel which is composed by rape seed methyl ester, dehydrated ethanol and diesel oil. For optimal mixture of alternative fuel at non stationary states of engine s work are getting effective parameters as for engine feeding diesel oil. Efficiency were described by phase portrait with localization of cyclodyn s center of gravity. This fuel is characterized by much profitable lubricity properties, low-temperature properties and considerably lower emission of exhaust components in comparison with base fuel. SILNIK O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANY MIESZANINĄZŁOŻONĄ Z WĘGLOWODORÓW ROŚLINNYCH I MINERALNYCH Streszczenie W opracowaniu zaprezentowano wybrane wyniki badań silników o zapłonie samoczynnym zasilanych trójskładnikowym paliwem typu BIOXDIESEL stanowiącym mieszaninę złożoną z estrów metylowych oleju rzepakowego, odwodnionego etanolu i oleju napędowego. Dla optymalnego składu paliwa alternatywnego uzyskano parametry efektywne analogiczne jak dla oleju napędowego w stanach nieustalonych pracy silnika, określone za pomocą portretów fazowych charakterystyk dynamicznych oraz lokalizacji środków ciężkości cyklodynów,. Paliwo to cechuje się znacznie korzystniejszymi własnościami smarnymi, niskotemperaturowymi, a także znacznie niższą emisją składników toksycznych w porównaniu z olejem napędowym. Wstęp Uwarunkowania prawne Unii Europejskiej, a także prace polskiego parlamentu w zakresie obowiązku stosowania składników roślinnych zarówno do paliw używanych w silnikach o zapłonie iskrowym jak również w silnikach o zapłonie samoczynnym przewidują zastosowanie paliw roślinnych w ilości 5-1 % w najbliższych latach.. W Wyższej Szkole Oficerskiej Wojsk Lądowych prowadzone są od 1-ciu lat prace dotyczące zwiększenia zakresu wielopaliwowości silników wojskowych, a także ekologizacji silników spalinowych przez zastosowanie alternatywnych paliw odnawialnych. Dotychczasowe wyniki badań oraz wielokryterialna optymalizacja eksploatacyjna silników dowodzi, że dla polskiej strefy klimatycznej optymalnym paliwem do silników o ZS jest mieszanina zawierająca obok oleju napędowego 3% udział biokomponentów złożonych z i odwodnionego etanolu, którą nazwano BIOXDIESEL. W drugiej połowie 22 r. wybrane autobusy komunikacji miejskiej pracujące w ramach naturalnej eksploatacji zasilane były z wydzielonego dystrybutora zawierającego BIOXDIESEL. W ramach nadzorowanej eksploatacji paliwem tym zasilane są silniki m.in. samochodu Lublin II, Peugeot 46 oraz Citroen Xsara.

2 Parametry efektywne silnika. Celem badań było określenie wartości i charakteru zmian podstawowych parametrów efektywnych pracy silnika o ZS zasilanego paliwem typu BIOXDIESEL (M1, M2, M3, M4 ), a także porównanie uzyskanych rezultatów przy zasilaniu olejem napędowym. Efektywność pracy silnika określono na podstawie pomiarów jego charakterystyk dynamicznych, które przedstawiają przebieg momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik przy zmianie prędkości obrotowej wału korbowego, spowodowanej szybkim dostarczeniem do wnętrza cylindrów paliwa prawie w całości przeznaczonego na pokonanie oporów bezwładności silnika (odbiornik energii odłączony). Zmianę momentu obrotowego wytwarzanego opisuje równanie: M o dω = J = J ε dt gdzie: ε - chwilowe przyśpieszenie wału korbowego silnika, J biegunowy moment bezwładności obrotowych mas silnika, sprowadzony do osi wału korbowego. Badaniom poddano silnik napędowy UTD-2 bojowego wozu piechoty zasilany kolejno olejem napędowym i paliwem BIOXDIESEL z wykorzystaniem Komputerowego Zestawu Diagnostycznego Silników o ZS opracowanego w WAT przy współpracy z WSOWL. Pomiary przeprowadzono w trzech seriach wykonywanych kolejno dla każdego typu paliwa BIOXDIESEL i dla czystego oleju napędowego. Każda seria składa się 12 cykli rozpędzanie - dobieg, wykonywanych przy zachowaniu takich samych warunków początkowych pomiaru: prędkości obrotowej (zbliżonej do prędkości biegu jałowego) oraz stałej temperatury silnika ( ciecz chłodząca i olej 9 ± 1 C). Na rys. 1 przedstawiono portret fazowy (dynamiczną charakterystykę prędkościową) silnika UTD-2 przy zasilaniu olejem napędowym i przy zasilaniu paliwem BIOXDIESEL Rys. 1. Portret fazowy silnika UTD-2 przy zasilaniu ON i paliwem BIOXDIESEL Fig 1. Phase portrait of UTD-2 engine feeding by diesel oil and by BIOXDIESEL fuel Obliczone wartości parametrów statystycznych cyklodynów stanowiących dodatnią część portretu fazowego dla poszczególnych paliw przy dbałości o quasi stały stan cieplny silnika i parametry otoczenia przedstawia tabela 1. Natomiast graficzne zobrazowanie usytuowania środków ciężkości przedstawiono na rys.2 Analiza charakteru przebiegu krzywych charakterystyk dynamicznych przy zasilaniu olejem napędowym i paliwem BIOXDIESEL pozwala na sformułowanie następujących wniosków: charakter zmian przebiegu krzywych dla wszystkich paliw jest zgodny z charakterystyką wzorcową dla ON,

3 różnice wartości mocy maksymalnych uzyskanych przez silnik UTD-2 zasilany paliwem BIOXDIESEL i ON zawierają się w granicach od 2,1% do 7,2% zależnie od proporcji bioetanolu i w 3 % udziale biokomponentów. Tab.1. Parametry rozkładów statystycznych dla badanych paliw Tab. 1. Parameters of statistical decomposition for selected fuels Lp. Oznaczenie serii pomiarowej Paliwo n M δ n δ m 1. B2 171,1 376,5 6,8 3,7 Olej napędowy 2. B3 171,2 371,6 4,4 1, ,8 35,6 7, 3, ,8 355, 6,1 4, , ,1 2, ,2 35, 6,5 3, ,5 355,9 6,4 3, ,3 354,2 6,2 2, ,9 387,9 5,8 3,4 ON ,5 38,4 6,7 2, ,6 355,3 8,1 5, ,4 364,9 4,6 2,8 BIOXDIESEL M [Nm] B-2 B n N [obr/min] Rys.2. Zbiór środków ciężkości cyklodynów dla silnika zasilanego różnymi paliwami Fig. 2. Collection of centers of gravity for engine feeding by various fuels Własności niskotemperaturowe paliwa BIOXDIESEL Badaniom poddano cztery mieszaniny złożone w różnych proporcjach z, odwodnionego etanolu i oleju napędowego (M1, M2, M3, M4) oraz do celów porównawczych czysty ON, a także czysty. Najlepsze właściwości niskotemperaturowe przejawia mieszanina M1 ze względu na

4 największą zawartość procentową etanolu o niskiej temperaturze krzepnięcia. Dodatek etanolu umożliwia stosowanie paliw typu BIOXDIESEL w warunkach zimowych bez zastosowania dodatków depresujących. M1 M2 M3 M4 ON C Rys. 3. Temperatura zablokowania zimnego filtra Fig. 3. Temperature of cold filter blocking Własności smarne paliwa BIOXDIESEL Badania własności smarnych wykonano wg dwóch metod badawczych: CEC F-6-A-96 (HFRR) i ASTM D (SL BOCLE). d [1-6 m] M1 M2 M3 M4 ON Rys. 4. Smarność paliw określona metodą HFRR Fig. 4. Lubricity of fuels describing by HFRR method G [1-3 kg] M1 M2 M3 M4 ON Rys. 5. Smarność paliw określona metodą SL BOCLE Fig. 5. Lubricity of fuels describing by SL BOCLE method.

5 Wyniki badań pozwalają sformułować następujące wnioski: paliwo typu BIOXDIESEL cechuje się lepszymi właściwościami smarnymi niż ON, mierzonymi zarówno metodą HFRR jak i SL BOCLE. paliwo typu BIOXDIESEL oraz czysty spełniają normy smarnościowe określone w zaleceniach amerykańskich oraz normie EN59:1999. Określenie trwałości aparatury wtryskowej zasilanej paliwem BIOXDIESEL Celem przeprowadzonych badań było określenie wielkości zużycia podstawowych elementów 12 sekcyjnej, rzędowej pompy wtryskowej, ze szczególnym uwzględnieniem par precyzyjnych elementów tłoczących, zaworów tłoczących, zasilanej paliwem BIOXDIESEL. Pompa współpracowała z kompletem wtryskiwaczy z 8 otworkowymi rozpylaczami, o średnicy otworków,3 mm i ciśnieniu otwarcia p otw = 21 MPa. Długotrwałą próbę funkcjonalną aparatury wtryskowej przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym i wykonanym w WSOWL stanowisku badawczym. Program prowadzonych badań obejmował: Wykonanie pomiarów geometrycznych elementów par precyzyjnych i ich mechanizmów napędzających stanowiących bazę do dalszych analiz. Pracę aparatury wtryskowej na stanowisku badawczym przy zasilaniu paliwem BIOXDIESEL w obiegu zamkniętym, wg założonego cyklu pracy dla pompy wtryskowej. Określenie parametrów efektywnych oraz zużycia podstawowych elementów pompy wtryskowej po zakończeniu założonej próby trwałościowej. Sprawdzenie parametrów funkcjonalnych i wykonanie pomiarów mikrometrycznych wybranych elementów pompy wtryskowej i wtryskiwaczy przeprowadzono w specjalistycznym Laboratorium Aparatury Paliwowej. 3 Q [mm 3 /1 wtrysków] ZO Z n [obr/min] Rys. 6. Charakterystyka dawkowania pompy wtryskowej NK-12M; (ZO bazowa, Z5 po 5 godzinnej pracy na stanowisku badawczym przy zasilaniu paliwem BIOXDIESEL) Fig. 6. The NK-12M injection pomp dosage characteristic (ZO base, Z5 after 5 hours work in research post fed by BIOXDIESEL fuel) Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów można wyciągnąć następujące wnioski: pompa wtryskowa, zasilana paliwem typu BIOXDIESEL, po teście trwałościowym, spełnia parametry regulacyjne w zakresie charakterystyk zewnętrznych dawkowania. wielkość zużycia poszczególnych elementów funkcjonalnych pompy wtryskowej mieszczą się w granicach przyjętych przez producenta i są zbliżone do wartości uzyskiwanych przy

6 zasilaniu olejem napędowym szczelność [s] Z Z nr elementu tłoczącego Rys. 7. Szczelność elementów tłoczących - pompa , (Z - bazowa, Z5 - po 5 h ) Fig. 7. Pressing element tightness pomp, (Z base, Z5 after 5 h) Określenie emisji składników gazów spalinowych przy zasilaniu paliwem BIOXDIESEL Celem badań była analiza składu gazów spalinowych silnika zasilanego paliwem typu BIOXDIESEL, ON oraz. Do badań zastosowano silnik badawczy SB 3.1. Dla każdego punktu charakterystyk obciążeniowych przeprowadzono analizę toksycznych składników i zadymienia spalin. Obejmowała ona pomiary stężenia w spalinach tlenku węgla CO, tlenków azotu NO x i sumy niespalonych węglowodorów THC. Ponadto mierzono zadymienie spalin. Do pomiaru gazowych składników spalin (CO, THC, NO x ), stosowano aparaturę pomiarową firmy AVL typu CEB II. Na rysunkach 8, 9 i 1 przedstawiono wybrane wyniki badań emisji składników gazów spalinowych. 8 6 BIOXDIESEL I BIOXDIESEL II BIOXDIESEL III BIOXDIESEL IV ON CO [ppm] Mo [Nm] Rys. 8. Stężenie tlenku węgla CO w splinach w funkcji obciążenia silnika (n=16 obr/min). Fig. 8. Concentration of CO in exhaust in engine load function (n = 16 tr/min.) Na rysunku 11 przedstawiono zadymienie spalin silnika zasilanego paliwami typu BIOXDIESEL, ON i.

7 Wnioski końcowe Dotychczasowe badania umożliwiają sformułowanie następujących wniosków: THC [ppm] BIOXDIESEL I BIOXDIESEL II BIOXDIESEL III BIOXDIESEL IV ON Mo [Nm] Rys. 9. Stężenie niespalonych węglowodorów w funkcji obciążenia silnika (n=16 obr/min) Fig. 9. Concentration of THC in exhaust in engine load function (n = 16 tr/min.) 24 2 NOx [ppm] BIOXDIESEL I BIOXDIESEL II BIOXDIESEL III BIOXDIESEL IV ON Mo [Nm] Rys. 1. Stężenie tlenków azotu w spalinach w funkcji obciążenia silnika Fig. 1. Concentration of in nitrogen monoxide exhaust in engine load function mieszanina węglowodorów roślinnych i mineralnych (BIOXDIESEL) umożliwia uzyskanie parametrów energetycznych, analogicznych do ON przy znacznym zmniejszeniu emisji składników toksycznych. opracowany skład paliwa umożliwia uzyskanie znacznie korzystniejszych własności niskotemperaturowych niż dla ON i ; paliwo BIOXDIESEL cechuje się lepszymi właściwościami smarnymi niż olej napędowy, co korzystnie wpływa na trwałość aparatury paliwowej.

8 D [B] BIOXDIESEL I BIOXDIESEL II BIOXDIESEL III BIOXDIESEL IV ON Mo [Nm] Rys. 11. Zadymienie spalin w funkcji obciążenia silnika (n=16 obr/min) Fig. 11. Smoke of exhaust in engine load function (n = 16 tr/min.) Literatura [1] Lotko W., Longwic R.: Nieustalone stany pracy silnika zasilanego paliwem rzepakowym. Politechnika Radomska. Radom [2] Murayama T., Oh. Y., Miyamoto N., Chikahisa T., Takagi N., Itow K.: Low Carbon Flower Buildup, Low Smoke, and Efficient Diesel Operation with Vegatable Oils by Conversion to Mono-Esters and Blending with Diesel Oil or Alcohols. SAE Transactions, 1984, nr [3] Piętak.: Dynamiczne diagnozowanie silników o ZS. Metoda i jej zastosowanie. KONSSPAL 98, WSO im. T. Kościuszki. Wrocław [4] Struś M., i in. Efektywność pojazdów wojskowych i agregatów prądotwórczych w aspekcie stosowania paliwa Oxydiesel i katalizatorów spalin oraz zmian konstrukcyjnych, WSO im. T. Kościuszki, Wrocław 2. [5] Struś M., Feeding of multicapacity diesel engines by plant origin fuels. II International Scientifically Technical Conference Explo Diesel & Gas Turbine 21 Gdańsk Międzyzdroje Kopenhaga, 21. [6] Struś M., Charakterystyki silnika spalinowego o ZS zasilanego paliwami alternatywnymi w procesach przejściowych.. Journal of The 5 th International Scientific Conference on Combustion Engines KONSSPAL 22, TKMA Wrocław 22. [7] Struś M., Kowalski K., Galant K., Ornatowski D: Mieszanina węglowodorów pochodzenia mineralnego i roślinnego optymalnym paliwem do silników o ZS. Journal of The 5 th International Scientific Conference on Combustion Engines KONSSPAL 22, TKMA Wrocław 22. [8] Szlachta Z.: Cold Stratability of the Diesel Engine Fuelled with Rape Fuels. Polish Academy of Sciences Cracow Branch. Edit. Commission of Motorization, Cracow 1998, Volume 13, Monograph, pp