Badanie zużycia stali 100Cr6 w środowisku paliw alternatywnych

Transkrypt

1 WALCZAK Mariusz 1 CABAN Jacek 2 JAWORSKI Krzysztof 3 Badanie zużycia stali 100Cr6 w środowisku paliw alternatywnych WPROWADZENIE Wzrost emisji zanieczyszczeń do środowiska naturalnego pochodzących z transportu drogowego, wyczerpywanie się zasobów naturalnych oraz względy ekonomiczne są głównymi przyczynami rozwoju paliw alternatywnych do zasilania stosownych silników spalinowych [3]. W ostatnich latach obserwuje się coraz częstsze próby zastąpienia oleju napędowego przez ekologiczne paliwa wyprodukowane z paliw alternatywnych [2, 8, 10, 11, 12]. Paliwa te, m. in. estry metylowe olejów roślinnych, w przypadku silników spalinowych o zapłonie samoczynnym mogą być wykorzystywane w czystej postaci lub jako dodatek do paliw. Wpływ biopaliw na obciążenia mechaniczne i cieplne silnika oraz jego trwałość, budzi wiele wątpliwości wśród naukowców [4-7]. Znane są wyniki badań [4, 5, 7] sygnalizujące, że paliwa te mogą powodować zmiany właściwości czynnika smarnego. Ponadto istnieją przesłanki, że zastosowanie takiego paliwa, zwłaszcza w postaci niezestryfikowanej może spowodować wzrost obciążeń cieplnych i pogorszenie warunków współpracy elementów trących w elementach aparatury paliwowej. Największe zmiany w trwałości węzłów tarcia, smarowanych nowymi rodzajami paliw, obserwuje się w obrębie części pracujących w podwyższonych temperaturach m.in. wtryskiwaczy. Wielu autorów prac [5, 6, 9] wskazuje na kłopoty eksploatacyjne przy zasilaniu paliwami z dodatkiem estrów roślinnych, związane z występowaniem osadów w postaci kleistej mazi lub laków i tlenków. Osady mogą być potencjalnym źródłem zanieczyszczeń intensyfikujących procesy zużycia. Określenie wpływu zastosowanego paliwa na ewentualne obniżenie trwałości konkretnych węzłów trących w silniku umożliwia dokonanie odpowiednich zmian konstrukcyjnych lub materiałowych, bądź przeprowadzenie odpowiednich modyfikacji właściwości paliwa w celu przeciwdziałania temu zjawisku. Celem pracy była charakterystyka zużycia stali 100Cr6 (wykorzystywanej do produkcji elementów aparatury paliwowej) w środowisku paliw alternatywnych. 1. METODYKA BADAŃ Do badań użyto próbek ze stali łożyskowej 100Cr6 w kształcie krążków o średnicy Ø 30 mm i grubości 3 mm. Próbki zostały zahartowane w temperaturze 850 ºC (piec LH 15/13 LAC) w czasie 15 minut i chłodzone w wodzie. Następnie próbki poddano niskiemu odpuszczaniu w temperaturze 160 ºC (piec PP20/65 LAC) w czasie 1 godziny i chłodzono na powietrzu. Po obróbce cieplej próbki charakteryzowały się twardością na poziomie 63HRC. Próbki podano szlifowaniu na wodnych papierach ściernych o ziarnistości odpowiednio 220, 600 i Następnie próbki polerowano mechanicznie przy użyciu zawiesiny diamentowej 3 µm i zawiesiny tlenków 0,05 µm, a po zakończeniu polerowania przemywano je acetonem i suszono. Testy zużycia zrealizowano na tribotesterze typu ball-on-disc firmy CSM Instruments, w temperaturze pokojowej w warunkach tarcia środowiskowego. Ośrodkami paliwowymi podczas badań były: estry metylowe oleju lnianki siewnej, estry metylowe oleju rzepakowego, olej napędowy (ON Verva produkcji PKN Orlen) oraz etylowy alkohol 96%. Jako przeciwpróbki (ball) użyto kulek o średnicy 6 mm wykonanych ze stali 100Cr6 (CSM Instruments). Badania realizowano pod obciążeniem 10N z prędkością liniową 5 cm/s na promieniu 5 mm. Całkowita droga testu wynosiła 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, Tel: , m.walczak@pollub.pl 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Transportowych, ul. Głęboka 28, Lublin 3 Inergy Automotive Systems Poland Sp. z o. o., ul. Budowlana 28, Lublin 4898

2 500 m, podczas której rejestrowano zmianę współczynnika tarcia. Miarą zużycia był ubytek objętościowy próbki powstały jako ślad wytarcia w wyniku współpracy próbki i przeciwpróbki. W tym celu za pomocą profilometru stykowego Dektak 150 firmy Veeco Instruments, po obwodzie próbki (w 15 miejscach) mierzono pole profilu wytarcia próbki. Promień zaokrąglenia igły pomiarowej wynosił 2 µm. Zużycie objętościowe wyznaczono, jako iloczyn średniej wartości pola wytarcia próbki i obwodu koła śladu wytarcia powstałego w teście ball-on-disc. Następnie wyznaczono tzw. współczynnik zużycia K, który obok zużycia objętościowego uwzględniał obciążenie oraz przebieg dystansu stosowany podczas testu: (1) Powierzchnię torów zużycia badanych materiałów po przeprowadzonych testach tribologicznych oceniano przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego Phenom G2 pro (Phenom Word). 2. REZULTATY BADAŃ Wartości zarejestrowanych współczynników tarcia zamieszczono w tabeli 1, a interpretację graficzną w funkcji drogi przedstawiono na rysunku 1. Tab. 1. Zestawienie wyznaczonych wartości współczynników tarcia stali 100Cr6 w różnych środowiskach paliw Środowisko Średni współczynnik tarcia Odchylenie standardowe Lnianka 0,107 0,007 Rzepak 0,106 0,005 Etanol 0,173 0,029 ON 0,102 0,006 Analiza porównawcza współczynników tarcia wykazała, że najniższy współczynnik tarcia odnotowano dla prób w środowisku oleju napędowego. Natomiast najwyższy dla alkoholu etylowego. Przy czym różnica w współczynniku tarcia pomiędzy olejem napędowym a estrami metylowymi olejów roślinnych jest niewielka. Początkowe wyższe wartości współczynników tarcia wynikają, z faktu iż najpierw ulegają ścinaniu wierzchołki profilu chropowatości, a dopiero później zwiększa się pole kontaktu pomiędzy współpracującymi powierzchniami i następuje stabilizowanie się współczynnika tarcia. Czasami produkty zużycia dostają się na tor bezpośredniej współpracy próbki z przeciwpróbką i wówczas obserwuję się chwilowy wzrost współczynnika tarcia. 4899

3 Rys. 1. Wykresy zmian współczynnika tarcia rejestrowane na stanowisku ball-on-disc na odcinku 500m w środowisku: a) estrów metylowych lnianki siewnej, b) estrów metylowych oleju rzepakowego, c) etylowego alkoholu 96% i d) oleju napędowego. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki współczynnika zużycia stali łożyskowej w środowisku paliw alternatywnych. Zaobserwowano największą odporność na zużycie stali 100Cr6 w środowisku oleju napędowego. Zdecydowanie największe zużycie zarejestrowano w środowisku alkoholu etylowego. Natomiast porównując zużycie w środowisku biopaliw uzyskanych z roślinnych estrów metylowych warto zauważyć mniejsze zużycie w oleju rzepakowym w odniesieniu do oleju z lnianki siewnej. Rys. 2. Wykres wyznaczonych wartości współczynników zużycia K w środowisku różnych paliw alternatywnych Test nieparametryczny dla prób niezależnych wykonano programem STATISTICA. Analiza statystyczna testem Shapiro-Wilka pomiaru zużycia objętościowego wykazała, że otrzymane wyniki 4900

4 nie mają rozkładu normalnego p=<0,05. Natomiast test istotności Kruskala-Wallisa (dla α=0,05) wykazał, że różnice w zużyciu są istotne statystycznie (p<0,05) pomiędzy następującymi grupami badanych paliw: estrami metylowymi lnianki a estrami metylowymi rzepaku oraz estrami metylowymi lnianki a olejem napędowym, a także pomiędzy estrami metylowymi rzepaku a etylowym alkoholem 96% oraz olejem napędowym a etylowym alkoholem 96% (dla których p<0,05 patrz tabela 2). Natomiast nie odnotowano istotnej statycznie różnicy w współczynniku zużycia pomiędzy estrami metylowymi lnianki a etylowym alkoholem 96% oraz pomiędzy estrami metylowymi rzepaku a ON (p>0,05). Tab. 2. Wyniki analizy statystycznej testem istotności Kruskala-Wallisa (dla α=0,05) Lnianka Rzepak Etanol ON Lnianka - 0, , , Rzepak 0, , , Etanol 0, , , ON 0, , , Na rysunku 3 i 4 przedstawiono wyniki analizy na mikroskopie skaningowym śladów zużycia badanych materiałów. Rys. 3. Mikrostruktura SEM stopu śladu zużycia próbki 100Cr6 po testach tribologicznych w środowisku: a) estrów metylowych oleju lnianki siewnej, b) estrów metylowych oleju rzepakowego 4901

5 Rys. 4. Mikrostruktura SEM stopu śladu zużycia próbki 100Cr6 po testach tribologicznych w środowisku: a) etylowego alkoholu 96%, b) oleju napędowego We wszystkich analizowanych powierzchniach zaobserwowano zużycie o charakterze abrazyjnym. Intensyfikacja procesu zużycia była zdominowana przez mikro-skrawanie, wynikające z luźnego przetaczania się cząstek po torze zużycia. Wówczas przetaczana cząstka może powodować powstawanie zarysowań na powierzchni współpracującej próbki lub plastyczną deformację krawędzi toru zużycia. Takie zachowanie skutkuje zwiększeniem efektu abrazyjnego między współpracującymi powierzchniami próbki i przeciwpróbki. Autorzy prac [6, 9] potwierdzają, że dominującymi czynnikami wpływającymi na niszczenie warstwy wierzchniej aparatury wtryskowej jest zużycie abrazyjne. WNIOSKI Obecnie używane silniki tłokowe o zapłonie samoczynnym muszą być w stanie wygenerować tak małe szkodliwe skutki dla środowiska naturalnego, jak to tylko możliwe, co oznacza, że muszą wytwarzać niską emisję spalin i hałasu [1]. Poprawę własności ekologicznych silników można uzyskać poprzez stosowanie paliw alternatywnych. Zanim jednak paliwa te będą stosowane do zasilania silników spalinowych muszą spełnić stawiane im wymagania jakościowe. Analiza porównawcza współczynników tarcia wykazała, że najniższy współczynnik tarcia odnotowano dla prób w środowisku oleju napędowego. Natomiast najwyższy dla etylowego alkoholu 96%. Zaobserwowano największą odporność na zużycie stali 100Cr6 w oleju napędowym. Natomiast największe zużycie rejestrowano w środowisku etylowego alkoholu 96%. Porównując współczynnik zużycia stali łożyskowej w środowisku olejów uzyskanych z estrów roślinnych, zauważono istotnie statystycznie mniejsze zużycie w oleju z rzepaku w odniesieniu do oleju z lnianki. Ponadto we wszystkich badanych paliwach alternatywnych uzyskano gorszą odporność na zużycie stali 100Cr6 aniżeli w środowisku ON. Przy czym różnice we współczynniku zużycia w środowisku ON i estrów metylowych rzepaku nie były istotne statystycznie. Analiza SEM torów zużycia wykazała we wszystkich przypadkach, że dominującym zjawiskiem jest zużycie abrazyjne intensyfikowane przez procesy mikroskrawania. Streszczenie Artykuł dotyczy analizy charakterystyki zużycia tribologicznego ball-on-disc próbek ze stali 100Cr6 wykorzystywanej jako elementy aparatury wtryskowej we współczesnych systemach paliwowych. Testy 4902

6 tribologiczne prowadzono w środowiskach: estrów metylowych oleju lnianki siewnej, estrów metylowych oleju rzepakowego, w oleju napędowy (ON Verva produkcji PKN Orlen) oraz etylowym alkoholu 96%. Badano wpływ paliw alternatywnych na współczynnik zużycia i współczynnik tarcia próbki i przeciwpróbki wykonanej ze stali 100Cr6. Dodatkowo ślady zużycia poddano obserwacjom SEM. Ocenę istotności zmian współczynnika zużycia przeprowadzono testem Kruskala-Wallisa. Słowa kluczowe: paliwa alternatywne, biopaliwa, zużycie, test ball-on-disc The wear test of steel 100Cr6 in environment of alternative fuels Abstract The article concerns the analysis of the characteristics of tribological wear ball-on-disc 100Cr6 steel samples used as components in modern injection equipment fuel systems. Tribological tests carried out in environments methyl esters false flax seed oil, rapeseed oil methyl esters, diesel oil (ON Verva production of PKN Orlen) and ethyl alcohol 96%. The effect of alternative fuels wear rate and friction coefficient of the sample and countersample made of steel 100Cr6. In addition, signs of wear were subjected to SEM observation. The evaluation of significance of changes in the consumption ratio was determined by Kruskal-Wallis. Keywords: alternative fuels, biofuel, wear, ball-on-disc test BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P., Comparative Assessment of CI Engine Response. Transport and Communications 2014, Vol. 1. pp Boehman A.L., McCormick R.L., Biofuels for Transportation. Fuel Processing Technology 2007, no. 88, p Caban J., Gniecka A., Holeša L., Alternative fuels for diesel engines. Advances in Science and Technology, Research Journal 2013, Vo. 7, No. 20, pp Gardyński L., Założenia stanowiska do badań odporności materiałów elementów aparatury paliwowej na zużycie w warunkach smarowania. Journal of KONES Internal Combustion Engines 2004, no. 11, s Gardyński, L., Results of the tests on the lubricity of some biofuels. Combustion Engines 2013, no. 154(3), pp Gil L., Ignaciuk P., Niewczas A., Metoda badania przebiegu zużycia sekcji tłoczących pomp wtryskowych silników ZS. Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe 2010, nr Gil L., Pieniak D., Walczak M., Ignaciuk P., Sawa J., Impact of acid number of fuels on the wear process of apparatus for fuel injection in diesel engines. Advances in Science and Technology, Research Journal 2014, Vol. 8, No. 21, pp Ignaciuk P., Gil L., Komsta H., Porównanie osiągów silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego olejem napędowym i biopaliwami opartymi na estrach oleju rzepakowego i estrach oleju lnianki. Postępy Nauki i Techniki 2012, nr 12, s Ignaciuk P., Gil L., Walczak M., Identyfikacja mechanizmu powstawania uszkodzeń aparatury wtryskowej silników o zapłonie samoczynnym. Postępy Nauki i Techniki 2012, nr 12, s Merkisz J., Kozak M., Pielecha J., Andrzejewski M., The influence of application of different diesel fuel-rme blends on PM emissions from a diesel engine. Combustion Engines 2012, no. 148(1), pp Swat M., Madej K., The influence of biodepolymer fuel components on the exhaust emissions from diesel engines. Combustion Engines 2013, no. 152(1), pp Torres-Jimenez E., Dorado M.P., Kegl B., Experimental investigation on injection characteristics of bioethanol-diesel fuel and bioethanol-biodiesel blends. Fuel 2011, no. 90, pp