Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego z eterem etylo-tert-butylowym

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 4, pp (2009) Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego z eterem etylo-tert-butylowym WINCENTY LOTKO 1, KRZYSZTOF GÓRSKI 1, MARCIN PRZEDLACKI 2 1 Politechnika Radomska 2 Politechnika Warszawska, Szkoła Nauk Technicznych i Społecznych w Płocku W artykule zaprezentowano wyniki bada z zakresu oceny smarnoci mieszanin oleju napdowego (ON) z eterem etylo-tert-butylowym (EETB). Badaniu poddano mieszaniny, w których objtociowa zawarto EETB w ON wynosiła od 5 do 40%. Wykazano, e stosowanie 5% dodatku EETB do oleju napdowego nie miało negatywnego wpływu na zmian smarnoci takiej mieszaniny. W przypadku pozostałych, badanych paliw obserwowano jednak pogorszenie ich smarnoci w zakresie 10-20%. 1. Wprowadzenie W ostatnich latach obserwuje si intensyfikacj bada nad zastosowaniem paliw alternatywnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Ich rezultatem s liczne publikacje naukowe, których przykładem mog by: [1, 2, 4, 6 10, 12, 14] oraz praktyczne zastosowania opisane np. w: [3, 5, 13]. Warto zauway, e efektem wieloletnich bada nad zastosowaniem estrów nienasyconych kwasów tłuszczowych (FAME) do zasilania silników o zapłonie samoczynnym jest wprowadzenie tego rodzaju paliwa do powszechnego uycia. Aktualnie sprzedawane na stacjach paliw oleje napdowe mog zawiera do 5% objtociowo dodatku FAME. Takie mieszaniny traktowane s jak standardowy olej napdowy, który odpowiada wymaganiom normy PN-EN 590:2006. Paliwa typu FAME s najpopularniejszym komponentem stosowanym w celu uzyskania mieszaniny z olejem napdowym. W tym celu mona take wykorzysta inne dodatki tlenowe jak np. alkohole i etery. Ich zastosowanie dla potrzeb zasilania silników o zapłonie samoczynnym nie jest jeszcze w pełni rozpoznane. Warto zauway, e próba zastosowania niektórych paliw alternatywnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym musi uwzgldnia wykonanie odpowiednich bada w zakresie oceny tribologicznej. Wynika to z tego, e w systemie zasilania silników o zapłonie samoczynnym dla elementów sekcji pompy wtryskowej i wtryskiwacza paliwo jest tak-

2 328 W. Lotko, K. Górski, M. Przedlacki e rodkiem smarowym. Oznacza to, e dobór komponentów mieszaniny paliwowej powinien ogranicza procesy zuycia wzłów tarcia aparatury wtryskowej. 2. Charakterystyka zrealizowanych bada Uznajc znaczenie funkcji smarnociowej paliwa stosowanego do zasilania silnika o zapłonie samoczynnym postanowiono podda włanie takiej ocenie mieszaniny eteru etylo-tert-butylowego (EETB) i oleju napdowego (ON) Badane paliwa W badaniach zastosowano olej napdowy Ekodiesel Ultra B4.8, którego własnoci były zgodne z zapisami normy PN-EN 590:2006. Weryfikacj jakociow tego paliwa wykonano w certyfikowanych przez Polskie Centrum Akredytacyjne laboratoriach analiz chemicznych. Uzyskane wyniki jednoznacznie potwierdziły, e zastosowany w badaniach olej napdowy spełnia wymagania ww. normy. Na potrzeby prowadzonych bada pozyskano eter etylo-tert-butylowy. W Polsce jego głównym producentem jest PKN Orlen S.A. Koncern produkuje EETB, wykorzystujc do tego celu etanol oraz alkohol izobutylenowy. Wybrane własnoci fizykochemiczne badanych paliw przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wybrane własnoci fizykochemiczne badanych paliw. Table 1. Selected physic-chemical properties of tested fuels. Nazwa parametru Warto parametru ON EETB Gsto w temp. 20 C [kg/m 3 ] Gsto w temp. 15 C [kg/m 3 ] Lepko kinematyczna w temp. 40 C [mm/s 2 ] 2,79 - Lepko kinematyczna w temp. 20 C [mm/s 2 ] 1,5 Smarno [µm] Napicie powierzchniowe [mn/m] 25,9 20,6 Temp. zapłonu [ C] Skład elementarny: kg C/kg paliwa kg H/kg paliwa kg O/kg paliwa 0,86 0,14-0,705 0,138 0,157 Wykorzystujc wymienione paliwa bazowe przygotowano próbki, które zawierały: 5, 10, 20, 30 i 40 % (v/v) dodatku EETB w mieszaninie z olejem napdowym. Odpowiednie badania wykonano take dla oleju napdowego, do którego nie wprowadzano dodatków.

3 Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego Ocena smarnoci paliw za pomoc aparatu HFRR W celu oceny smarnoci mieszanin ON i EETB wykorzystano aparat HFRR (rys. 1), który wyprodukowała firma PCS Instruments. Jest on zgodny z wymaganiami normy PN-EN ISO :2006, wg której wykonuje si ocen smarnoci paliw. Rys. 1. Widok aparatu HFRR (z ang. High Frequency Reciprocating Rig). Fig. 1. View of the HFRR apparatus. Warunki prowadzenia testów tribologicznych przedstawione s w tabeli 2. W stosunku do wymaga ww. normy róni si one jedynie temperatur próbki paliwowej zawierajcej eter. Ze wzgldu na jego lotno i długotrwały okres badania zdecydowano si obniy t temperatur z wartoci 60ºC do 25ºC. Ponadto zastosowano specjaln przystawk pomiarow, która izolowała próbk od rodowiska zewntrznego. Dziki tym działaniom ograniczono wpływ parowania eteru na zmian smarnoci badanej próbki paliwowej. Tabela 2. Warunki prowadzenia bada tribologicznych Table 2. Conditions of tribological tests Parametr Jednostka Warto Objto próbki ml 2 ± 0,20 Czstotliwo Hz 50 ± 1 Obcienie g 200 ± 1 Czas testu min 75 ± 0,1 Temperatura prowadzenia badania o C 25 ± 2 Skok głowicy pomiarowej mm 1 ± 0,02 Materiał kulki - Stal, AISI-E 52100, 800 VPN Twardo kulki HRC rednica kulki mm 6 Chropowato kulki/płytki m Ra <0,05/< 0,02 m Materiał płytki - Stal, AISI-E 52100, 800 VPN Twardo płytki HV

4 330 W. Lotko, K. Górski, M. Przedlacki Metoda HFRR wykorzystuje wzeł tarcia umieszczony w zbiorniczku wypełnionym badanym paliwem o okrelonej temperaturze. Elementem tego wzła jest nieruchoma, stalowa kulka, która jest docinita do stalowej płytki z okrelon sił. W trakcie prowadzonego badania rejestrowane s zmiany wartoci współczynnika tarcia wystpujcego pomidzy kulk i płytk. Ponadto, w oparciu o pomiar oporu elektrycznego pomidzy tymi elementami, moliwe jest wyznaczenie gruboci filmu olejowego. Uzyskane rezultaty bada sredni arytmetyczn ocenianych parametrów, których wartoci rejestrowano w czasie trwania testu. Po jego zakoczeniu przeprowadzano pomiar rednicy ladu zuycia, który był widoczny na testowanej kulce. W tym celu korzystano z metalograficznego mikroskopu odbiciowego. Pomiar rednicy ladu zuycia i jego korygowanie do wartoci odpowiadajcej warunkom normalnego cinienia pary wodnej, tj. 1,4 kpa (WS1,4) przeprowadzano zgodnie z norm PN-EN ISO :2006. Dokonujc korekty wyznaczonej wielkoci ladu zuycia widocznego na testowanej kulce otrzymuje si ostateczny wynik w postaci skorygowanej rednicy ladu zu- ycia, który jest miar smarnoci badanego paliwa [15, 16]. Zgodnie z norm PN-EN ISO 590 warto rednicy ladu zuycia, która jest skorygowana do warunków normalnego cinienia pary wodnej nie powinna by wiksza ni 460µm. W przypadku prowadzenia bada w temperaturze 25 o C, przyjmuje si, e warto ta nie powinna przekracza 380 m [17]. Do obliczenia skorygowanej rednicy zuycia (WS1,4) testowanej kulki wykorzystuje si wzór: WS1,4 = MWSD + HCF(1,4 AVP) (1) gdzie: HCF - wynosi 60 dla testowanych próbek paliwa, AVP - rednie bezwzgldne cinienie pary podczas testu, MWSD - obliczona rednia rednica ladu zuycia wg wzoru: x + y MWSD = 2 (2) gdzie: x - liniowy wymiar ladu zuycia kulki zmierzony prostopadle do kierunku oscylacji (wyraony mikrometrach), y - liniowy wymiar ladu zuycia kulki zmierzony równolegle do kierunku oscylacji (wyraony w mikrometrach) Badania dodatkowe w zakresie oceny własnoci przeciwzatarciowych paliw Wykonano take dodatkowe badanie tribologiczne w zakresie oceny własnoci przeciwzatarciowych testowanych paliw. W tym celu wykorzystano aparat czterokulowy T-02 oraz procedur badawcz J_PB/LBT/02, któr opracowano w Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu. Naley jednak zauway, e wymieniona procedura ma zastosowanie przede wszystkim w zakresie oceny własnoci tribologicznych olejów silnikowych i smarów. Elementy aparatury wtryskowej paliwa nie s

5 Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego naraone na zatarcie przy zapewnieniu wymaganego smarowania. W zwizku z tym, zaprezentowane wyniki naley traktowa jedynie jako rezultat bada dodatkowych w zakresie oceny wpływu EETB w mieszaninie z ON na zmiany parametrów tribologicznych wzła tarcia. Własnoci przeciwzatarciowe mona opisa za pomoc trzech parametrów, tj.: obcienia zacierajcego P t, granicznego obcienia zatarcia P oz oraz granicznego nacisku zatarcia p oz. Parametr P t odpowiada krytycznemu obcieniu wzła tarcia, które zapocztkowuje proces jego zacierania. W takich warunkach dochodzi do przerwania filmu olejowego, któremu towarzyszy gwałtowny wzrost momentu tarcia (rys. 2). Parametr P t mona traktowa jako miar trwałoci warstwy smarowej. Rys. 2. Przykładowe przebiegi czasowe zmian wartoci momentu tarcia i obcienia zacierajcego uzyskane dla paliwa EETB30: P t obcienie zacierajce, P oz graniczne obcienie zatarcia. Fig. 2. Exemplary graphs presenting the changes of friction force momentus and seizure load obtained for EETB30 fuel: P t seizure load, P oz limiting seizure load. Graniczne obcienie zatarcia P oz charakteryzuje zachowanie rodka smarujcego w warunkach zacierania wzła tarcia. Wikszej wartoci tego parametru odpowiada skuteczniejsze działanie rodka smarowego po przerwaniu filmu olejowego w w le tarcia. Znajc wartoci P oz oraz rednirednic dladu zuycia stalowej kulki moliwe jest obliczenie wartoci granicznego nacisku zatarcia p oz. W tym celu wykorzystuje si nastpujc zaleno: Poz poz = 0,52 2 (3) d gdzie: P oz - graniczne obcienie zatarcia [N], d - rednia rednica ladu zuycia wyznaczona dla trzech nieruchomych kulek badanego wzła tarcia [mm].

6 332 W. Lotko, K. Górski, M. Przedlacki 3. Wyniki bada Podstawowym parametrem, który poddano ocenie w ramach realizowanych bada była smarno mieszanin EETB z olejem napdowym. Miar smarnoci jest skorygowana rednica ladu zuycia na powierzchni kulki testowej, WS1,4. Wyznaczone wartoci tego parametru przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wpływ udziału EETB w mieszaninie z ON na uzyskane smarnoci. Fig. 3. Influence of ETBE concentration in diesel fuel on lubricity. Rysunek 3 pokazuje, e smarno paliwa EETB5 była porównywalna z t, która charakteryzuje olej napdowy. W przypadku wikszych udziałów EETB w mieszaninie z ON obserwuje si pogorszenie własnoci smarnych. Towarzyszy temu adekwatny wzrost oporów tarcia, co zostało pokazane na rysunku 4. Rys. 4. Wpływ zawartoci EETB w mieszaninie z ON na uzyskane rednie wartoci współczynnika tarcia. Fig. 4. Influence of ETBE concentration in diesel fuel on average friction coefficient.

7 Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego Wzrost wartoci współczynnika tarcia moe wynika z mniejszej gruboci filmu smarowego utworzonego pomidzy trcymi elementami. Grubo tego filmu oceniano na podstawie pomiaru zmian oporu elektrycznego pomidzy płytk i kulk aparatu HFRR. Uzyskane w ten sposób rezultaty pokazano na rysunku 5. Rys. 5. Wpływ zawartoci EETB w mieszaninie z ON na rednie wartoci filmu smarowego. Fig. 5. Influence of ETBE concentration in diesel fuel on average thickness of lubricating film. W ramach prowadzonych bada nad warunkami pracy wzła tarcia smarowanego mieszaninami EETB i ON zdecydowano si przeprowadzi dodatkowe pomiary. Obejmowały one wyznaczenie wartoci obcienia zacierajcego oraz granicznego obcienia zatarcia. Otrzymane wyniki przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Rys. 6. Wpływ zawartoci EETB w mieszaninie z ON na warto obcienia zacierajcego. Fig. 6. Influence of ETBE concentration in diesel fuel on seizure load.

8 334 W. Lotko, K. Górski, M. Przedlacki Rys. 7. Wpływ zawartoci EETB w mieszaninie z ON na warto granicznego nacisku zatarcia. Fig. 7. Influence of ETBE concentration in diesel fuel on limiting seizure pressure. 4. Podsumowanie i wnioski Paliwa, które s stosowane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym musz charakteryzowa si odpowiednimi własnociami smarnymi. Sprzyja to ograniczeniu procesów zuycia zachodzcych w wzłach tarcia elementów aparatury wtryskowej paliwa. Wprowadzanie do oleju napdowego rónych dodatków moe mie zarówno pozytywny jak i negatywny wpływ na zmian smarnoci uzyskanej mieszaniny. Przykładem tego s estry nienasyconych kwasów tłuszczowych, których ju niewielki dodatek do oleju napdowego wyra nie poprawia jego smarno [11]. Niniejszy artykuł opisuje wyniki bada czstkowych, realizowanych w zakresie projektu, który dotyczy oceny przydatnoci EETB w mieszaninie z ON do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Elementem tych bada jest ocena smarnoci. Na jej potrzeby przygotowano sze próbek paliwowych. Jedn z nich był olej napdowy, a pozostałe zawierały dodatek EETB w iloci od 5 do 40 % (v/v). Ocen smarnoci tych paliw wykonano za pomoc aparatu HFRR. Uzyskane wyniki wskazuj, e wprowadzanie EETB do oleju napdowego najczciej oddziałuje w kierunku wyra - nego pogorszenia smarnoci takich mieszanin. Jednak zauwaono, e w przypadku mieszaniny EETB5 uzyskana smarno była porównywalna z t, która charakteryzuje olej napdowy. Pozostałe mieszaniny charakteryzowały si smarnoci w zakresie 10 20% nisz w stosunku do badanego ON. W podobnym zakresie obserwowano wzrost wartoci współczynnika tarcia, który nasila si wraz z udziałem EETB w mieszaninie z ON. Dodatkowe badanie, które zdecydowano si przeprowadzi dotyczyło oceny odpornoci na zacieranie mieszanin EETB i ON. Naley jednak podkreli, e aparatura wtryskowa paliwa nie pracuje w warunkach zacierania, a przeprowadzone testy miały na celu jedynie pozyska dodatkowe informacje o wpływie stosowania EETB na warunki pracy wzła tarcia. W takim zakresie oceny stwierdzono, e w wikszoci przypadków stosowanie EETB nie miało negatywnego wpływu na zmian wartoci obci-

9 Parametry smarnoci i odpornoci na zacieranie mieszanin oleju napdowego enia zatarcia. Jedynie w przypadku próbki EETB40 stwierdzono znaczcy spadek tego obcienia. Podsumowujc otrzymane rezultaty bada naley stwierdzi, e wprowadzanie EETB do ON ma ogólnie negatywny wpływ na zmian smarnoci takich mieszanin. Jednak uzyskane wyniki nie s wskazaniem, aby w przypadku badanych paliw konieczne było stosowanie dodatków poprawiajcych ich własnoci smarne. Warto dalej kontynuowa badania w zakresie oceny wpływu stosowania mieszanin oleju napdowego i EETB na intensyfikacj procesów zuycia aparatury wtryskowej paliwa. Literatura [1] AJAV E.A., AKINGBEHIN O.A.: A Study of some Fuel Properties of Local Ethanol Blended With Diesel Fuel. Agircultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. IV. March [2] BHATTACHARYA T.K., Mishra T.N.: Studies on Feasibility of using Lower Proof Ethanoldiesel Blends as Fuel for Compression Ignition Engines, Journal of The Institution of Engineers (India), Vol 84, December [3] Ekologiczne autobusy Scania Omnilink Pionierski projekt w Słupsku. Magazyn Scania w Polsce. Nr 3/2006 [4] KOWALEWICZ A.: Eco-diesel engine fuelled with rapeseed oil methyl ester and ethanol. Part 1: efficiency and emission, Proc. ImechE, Vol 219/2005. [5] LIQUID FUELS MANAGEMENT GROUP LTD: Technical Improvements in Ethanol Fuel Blend Mixtures, The Energy Research and Development Corporation, Australia [6] LOTKO W., SMIGINS R., GÓRSKI K: The effect of diesel/ethanol blends on variations of selected combustion parameter, Journal of Kones, Vol. 16/2009. [7] LOTKO W., GÓRSKI K.: Ocena wybranych parametrów procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym mieszaninami oleju napdowego z etanolem lub eterem metylo-tert-butylowym. Czasopismo Techniczne Mechanika, z. 7-M/2008. [8] LOTKO W.: Zasilanie silników wysokoprnych mieszaninami paliwa rzepakowego z olejem napdowym, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom [9] LOTKO W.: Studium zastosowa paliw alternatywnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom [10] LUFT S.: Dual-Fuel Compression Ignition Engine Fuelled with additional methanol or LPG. PTNSS Kongres The development of combustion engines. Szczyrk [11] OLEKSIAK S., STPIE Z.: Zagadnienia smarnoci ciekłych paliw silnikowych. Czasopismo Techniczne Mechanika, z. 7-M/2008. [12] SZLACHTA Z., DUDEK S.: Zasilanie biopaliwami silników pojazdów rolniczych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków. [13] TRANS ENERGY CONSULTING LTD: Alcohols/Ethers as Oxygantes in Diesel Fuel: Properties of Blended and Evaluation of Practical Experiences, Report TEC 3/2005. [14] SMIGINS R., GÓRSKI K.: The Effect of Injection Timing on Emissions and Performance of Biodiesel Fueled Engine, 13 th International Conference Technical and Technological Progress in Agriculture. ISSN Institute of Agricultural Engineering LUA. Raudondvaris, September 2008.

10 336 W. Lotko, K. Górski, M. Przedlacki [15] POLSKA NORMA Przetwory naftowe. Oleje napdowe. Ocena smarnoci przy zastosowania aparatu o ruchu posuwisto zwrotnym wysokiej czstotliwoci (HFRR). Warto graniczna. PN-ISO Polski Komitet Normalizacyjny 1998, IDT. [16] POLSKA NORMA Przetwory naftowe. Oleje napdowe. Ocena smarnoci przy zastosowania aparatu o ruchu posuwisto zwrotnym wysokiej czstotliwoci (HFRR). Metoda badania. PN-ISO Polski Komitet Normalizacyjny 1997/AC1, 1998, IDT. [17] LACEY P.I., MASON R.L.: Fuel lubricity: Statistical analysis of literature data. SAE Technical Paper Ser. 2000, Lubricity and seizure resistance of mixtures of diesel fuel and ethyl tert-butyl ether Su mmary In this paper, the results of lubricity evaluation of diesel fuel and ethyl tert-butyl ether (ETBE) mixtures are presented. Mixtures in which the concentration of ETBE in diesel fuel varied between 5 and 40% (V/V) were tested. It was demonstrated that the addition of 5% (V/V) of ETBE into diesel fuel did not have negative influence on the lubricity of such mixture. However, in the case of other tested fuel compositions, the reduction of their lubricity in the range of % was observed.