Wpływ dodatku oleju rzepakowego do paliwa na charakterystykę pracy wtryskiwaczy elektromagnetycznych

Transkrypt

1 SZCZYPIŃSKI-SALA Wojciech 1 Wpływ dodatku oleju rzepakowego do paliwa na charakterystykę pracy wtryskiwaczy elektromagnetycznych WSTĘP Awarie techniczne związane z niekontrolowanymi wyciekami węglowodorów ropopochodnych prowadzą do skażenia gleby i wód gruntowych, a usuwanie tych substancji ze środowiska jest bardzo trudne. Niebezpieczeństwo wycieku występuje zarówno w fazie produkcji jak i na etapie transportu i składowania produktów naftowych. Dlatego też w związku z coraz wyższym poziomem industrializacji, rozwojem motoryzacji, które wpływają na wzrost zapotrzebowania na paliwa silnikowe i inne produkty przeróbki ropy naftowej, stały się one w Polsce jednym z głównych źródeł zanieczyszczenia wód gruntowych. Podkreślić należy, iż z uwagi na słabą biodegradowalność i słabą rozpuszczalność w wodzie zanieczyszczenia takie określane są jako długoterminowe. Jednocześnie możemy obserwować bardzo silne tendencje wprowadzania na rynki paliw alternatywnych w stosunku do paliw kopalnych. Stosuje się paliwa pochodząc z przeróbki surowców roślinnych, lub przynajmniej z dodatkami takich składników do paliw mineralnych. Paliwa tego typu ulęgają biodegradacji kilkakrotnie szybciej niż paliwa z przeróbki ropy naftowej. Paliwami, które mogą być zastosowane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym są miedzy innymi mieszaniny olejów roślinnych z olejem napędowym. Ocena przydatności każdego paliwa silnikowego wymaga jednak szerokiego zakresu badań, zarówno laboratoryjnych, pozwalających ocenić własności fizykochemiczne paliwa, jak i badań silnikowych na hamowni, oraz badań eksploatacyjnych. Wykorzystanie paliwa o zmienionych cechach wpływa na parametry energetyczne, jak i decyduje o emisji toksycznych składników zawartych w spalinach, co ograniczane jest przepisami prawnymi obowiązującymi w Unii Europejskiej. Nie bez znaczenia jest też wpływ paliwa na charakterystykę pracy i stopień zużycia poszczególnych elementów układu zasilania silnika [1,2,3]. Zmiana własności fizycznych paliwa w szczególności decyduje o pracy rozpylaczy paliwa i charakterystyce dawkowania. W pacy przedstawiono wyniki wykonanych analiz podstawowych parametrów fizycznych paliwa będącego mieszaniną surowego oleju rzepakowego i mineralnego oleju napędowego, a także wyniki oceny charakterystyki dawkowania paliwa przez wtryskiwacze elektromagnetyczne przy zmienionych własnościach paliwa. 1. OBIEKT BADAŃ I PRZEBIEG POMIARÓW Wtryskiwacze paliwa w zasobnikowych układach zasilania są bardzo istotnymi podzespołami układu podawania paliwa współczesnych silników samochodowych, a jednocześnie stanowią najbardziej wrażliwą i podatną na uszkodzenia część tego układu. Wynika to w głównej mierze z wyjątkowych warunków pracy, o których decydują takie czynniki jak: wysokie ciśnienia i temperatury, zjawiska balistyczne, czy turbulentne przepływy cieczy. Jednocześnie od działania wtryskiwaczy uzależnione jest właściwe dawkowanie paliwa, decydujące o prawidłowości przebiegu procesu spalania [5,6,8]. Dodatek biopaliw do oleju napędowego wpływa na proces spalania oraz eksploatację silnika z zapłonem samoczynnym [4,5,7]. Jedną z niedogodności związanych z wykorzystaniem paliwa o innych własnościach fizycznych (jakimi są oleje roślinne), jest zmiana dawkowania paliwa przy zachowaniu tych samych parametrów wysterowania wtryskiwaczy paliwa. 1 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel: , Fax: , ws@mech.pk.edu.pl 1521

2 Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu surowego oleju rzepakowego jako dodatku do mieszanin z olejem napędowym, na charakterystykę dawkowania rozpylaczy wtryskiwaczy elektromagnetycznych stosowanych we współczesnych układach zasilania silników o zapłonie samoczynnym. W badaniach porównawczych zastosowano trzy ciecze: olej probierczy Kalibrol-Lux, olej napędowy, oraz olej napędowy z domieszką 2% wagowo surowego oleju rzepakowego. Wyniki uzyskane dla oleju probierczego przejęto jako poziom odniesienia dla wyników ocenianych paliw silnikowych. W pierwszej fazie badań wykonano ocenę gęstości i lepkości dynamicznej porównywanych cieczy. Gęstość porównywanych paliw wyznaczona została metodą grawimetryczną w temperaturze 15 o C zgodnie z normą PN-EN ISO Drugim z podstawowych parametrów decydujących o możliwości zastosowania paliw do zasilania silników wysokoprężnych jest lepkość. Jest to parametr niezwykle istotny, ponieważ jest miarą oporu przepływu lub deformacji cieczy - zgodnie polską normą PN-EN ISO 34. Pomiary lepkości wykonano na wiskozymetrze kulkowym - wiskozymetr Höpplera. Pomiary dawkowania paliwa wykonano na stole probierczym do badań aparatury wtryskowej na wtryskiwaczach elektromagnetycznych stosowanych w silnikach AR Podczas pomiarów wysterowano czas otwarcia wtryskiwacza oraz zawór regulacji ciśnienia w zasobniku paliwa ustalając ciśnienie wtrysku. Wykorzystany podczas pomiarów układ starowania czasem otwarcia wtryskiwaczy i ciśnieniem zasilania pokazano na rysunku 1. Podczas testów wtryskiwacze rozpylały paliwo do menzurek, a wiec bez uwzględnienia przeciwciśnienia występującego w rzeczywistych warunkach pracy silnika w komorze spalania. Rys. 1. Wykorzystany podczas pomiarów układ starowania czasem otwarcia wtryskiwaczy i ciśnieniem zasilania 2. OMÓWIENIE WYNIKÓW POMIARÓW W ramach wykonanych pomiarów w pierwszej kolejności oceniono wpływ dodatku oleju rzepakowego do oleju napędowego na zmianę gęstości i lepkości takiego paliwa w porównaniu z czystym olejem napędowym. Wyznaczone laboratoryjnie gęstości oleju probierczego, oleju napędowego i mieszaniny oleju napędowego z olejem rzepakowym zestawiono dla porównania w tabeli 1. Przy stosunkowo małym dodatku oleju rzepakowego różnice gęstości nie są znaczące. Wzrost gęstości paliwa powstałego poprzez dodanie oleju rzepakowego będzie w konsekwencji wpływał na zmianę masowej dawki paliwa przy zachowaniu tych samych parametrów wysterowania wtryskiwaczy. Również w układach zasilania z pompami wtryskowymi, podczas pracy silnika z pełnym obciążeniem realizowana przez pompę wtryskową masowa dawka paliwa będzie inna niż przy zasilaniu czystym olejem napędowym. Innymi słowy charakterystyka zewnętrzna tak zasilanego silnika ulega zmianie, przy założeniu takiej samej wartości opałowej dla porównywanych paliw 1522

3 i takiej samej wartości sprawności cieplnej. Zatem większe różnice gęstości wymagają zmian regulacji pompy wtryskowej. Tab. 1. Charakterystyka podstawowych właściwości porównywanych paliw Właściwość Jednostka Kalibrol +rzep Gęstość kg/m Lepkość mpa s 2,49 4,51 7,18 Kolejnym z podstawowych parametrów decydujących o możliwości zastosowania paliw do zasilania silników wysokoprężnych jest lepkość. Jest to parametr istotny, ponieważ decyduje o oporach przepływu paliwa w przewodach zasilających i filtrach. W układzie zasilania silnika lepkość dynamiczna paliwa wpływa także na przebieg wtrysku, rozpylanie i zasięg strugi paliwa w komorze spalania silnika. Wpływa również na własności smarne, co jest szczególnie ważne, jeżeli zasilane silniki są wyposażone w rotacyjne pompy wtryskowe, lub jeszcze ważniejsze, w nowoczesne układy pompowtryskiwaczy bądź system common rail, ponieważ w tych układach elementy są smarowane olejem napędowym. Jak widać na podstawie wykonanych pomiarów lepkość oleju napędowego tylko nieznacznie odbiega od lepkości oleju probierczego, natomiast dodatek oleju rzepakowego już w znaczący sposób zmienia lepkość uzyskanej mieszanki jest to trzykrotny wzrost lepkości. Dodatkowo należy zaznaczyć, iż z uwagi na wysokie ciśnienia stosowane we współczesnych układach zasilania, oraz prędkości przepływu paliwa również te czynniki mogą wpływać na lepkość paliwa [MPa] 7 [MPa] 95 [MPa] ciśnienie 95 MPa ciśnienie 7 MPa ciśnienie 3 MPa 5,3,4,5,6,7,8,9 Rys.2. Charakterystyka dawkowania wykonana na oleju probierczym Kalibrol Przygotowane paliwa w dalszej części badań wykorzystano w testach dawkowania na wtryskiwaczach elektromagnetycznych. Uzyskane podczas prób przy zasilaniu olejem probierczym dawkowania paliwa przy różnych parametrach pracy wtryskiwaczy przestawiono na rysunku 2. Przedstawiona charakterystyka ukazuje zmianę wielkości dawki rozpylanego paliwa w zależności od założonego czasu otwarcia wtryskiwacza oraz ciśnienia w zasobniku zasilającym. Równolegle z pomiarem dawki roboczej mierzono dawki powrotne, kierowane z wtryskiwaczy na przelew, co zostało pokazane na rysunku 3. Przedstawiona charakterystyka dawkowania odpowiada typowej charakterystyce wtryskiwaczy elektromagnetycznych. Porównując charakterystyki widoczne jest dla 1523

4 dawka powrotna [mg] założonego ciśnienia wtrysku stabilizowanie się ilości paliwa przelewu przy wzroście dawki zasadniczej [MPa] 7 [MPa] 95 [MPa] ciśnienie 95 MPa ciśnienie 7 MPa ciśnienie 3 MPa 4 2,3,4,5,6,7,8,9 Rys.3. Charakterystyka dawek powrotnych wykonana na oleju probierczym Kalibrol 3,5 3 2,5 2 1,5 +rzep +rzep 1,5,3,4,5,6,7,8,9 Rys.4. Porównanie dawkowania dla różnych paliw przy ciśnieniu wtrysku 3 MPa Na rysunku 4 pokazano porównanie uzyskanych dawek paliwa dla badanych cieczy przy zachowaniu tych samych parametrów wtrysku. Przy krótkich czasach otwarcia wtryskiwacza, odpowiadających dawce pilotującej w rzeczywistych warunkach pracy wtryskiwaczy, różnice dawek są niezauważalne, jednak wraz z wydłużeniem czasu otwarcia wtryskiwacza różnice stają się wyraźne. Dla czasu otwarcia,8 ms różnica pomiędzy dawkami uzyskanymi dla mieszaniny oleju napędowego z olejem rzepakowym w stosunku do oleju probierczego wynosi już ponad 16% i jest to dwukrotnie większa różnica niż występująca w przypadku czystego oleju napędowego. Również po zwiększeniu ciśnienia w szynie paliwowej odnotowano różnice rzędu 15% do 23% w całym zakresie czasów otwarcia wtryskiwacza. Największe różnice dawkowania występowała przy najdłuższych czasach otwarcia i najwyższych ciśnieniach sięgając nawet do 28%, co jest znaczącą zmianą. Przebieg zmiany dawki dla ciśnienia zasilania 75 i 9 MPa pokazano odpowiednio na rysunkach 5 i

5 rzep +rzep 6 4 2,3,4,5,6,7,8,9 Rys. 5. Porównanie dawkowania dla różnych paliw przy ciśnieniu wtrysku 7 MPa rzep +rzep 5 Rys. 6. Porównanie dawkowania dla różnych paliw przy ciśnieniu wtrysku 95 MPa WNIOSKI,3,4,5,6,7,8,9 Wtryskiwacze paliwa w zasobnikowych układach zasilania muszą umożliwiać bardzo dokładne dawkowanie paliwa. Z uwagi na ciśnienia wtrysku sięgające 16 MPa i występujące podczas dawkowania turbulentne przepływy paliwa w kanałach zmiany gęstości i lepkości paliwa wpływają na zmiany objętości dawek przy zachowaniu tych samych parametrów wysterowania wtryskiwaczy. W oparciu o wyniki przeprowadzonych pomiarów w szczególności można stwierdzić, iż 2% dodatek oleju rzepakowego do oleju napędowego zmienia gęstość paliwa o niecałe 3% w porównaniu z olejem probierczym. Duża różnica lepkości czystego oleju rzepakowego i oleju napędowego powoduje, że mieszanina charakteryzuje się lepkością prawie dwukrotnie większą niż paliwa wyjściowego. Różnica w stosunku do oleju probierczego jest jeszcze większa, ponad trzykrotna, 7,18 mpa s dla mieszaniny z dodatkiem oleju rzepakowego w porównaniu z wartością 2,49 mpa s dla oleju probierczego. Skutkiem różnic lepkości są również zaobserwowane różnice wielkości dawek wtrysku uzyskiwanych przy tych samych wartościach ciśnienia i czasu otwarcia wtryskiwacza. Różnice te mogą sięgać 28% wysterowanej dawki wyjściowej. 1525

6 Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów przeprowadzonych dla oceny wpływu dodatku oleju rzepakowego do mineralnego oleju napędowego na pracę elektromagnetycznych wtryskiwaczy paliwa. Zgodnie z zaleceniami zawartymi w przepisach wprowadzane są bio-dodatki do paliw silnikowych. Rozwiązanie takie ma na celu ograniczenie wpływu wykorzystania paliw kopalnych na środowisko naturalne. Oleje roślinne znacznie szybciej ulęgają biodegradacji, co zmniejsza również ryzyko skażenia gleby i wód gruntowych w przypadku niekontrolowanych wycieków awaryjnych. Zastosowanie bio dodatków ma jednak wpływ na pracę układu zasilania i przebieg spalania paliwa w silniku. W artykule przestawiono porównanie własności fizycznych paliwa będącego mieszanką oleju rzepakowego i mineralnego oleju napędowego, w odniesieniu do oleju probierczego stosowanego przy sprawdzaniu i regulacji aparatury paliwowej silnika. Opisano wyniki pomiarów dawkowania paliwa przy zachowaniu parametrów wysterowania wtrysku paliwa i zastosowaniu cieczy o różnych własnościach. Omówiono wyniki prób stanowiskowych wykonanych dla zakresu ciśnień i czasów otwarcia wtryskiwaczy odpowiadających warunkom pracy silnika. Influence of rape oil addition to mineral diesel fuel on electromagnetic fuel injectors characteristic Abstract The paper presents the results of experiments carried out to investigate influence of rape oil addition to mineral diesel fuel on the work of electromagnetic fuel injectors. In accordance with requirements of EU regulations the bio fuel additives are introduced to the fuels used in combustion engines. Use of bio components is one solution to reduction influence of engine fuels on environment. Vegetable oils are biodegradable and its use reduce risk of contaminate soil and subsurface water in cause of uncontrolled leak. However, the addition of bio component to the diesel fuel influences the combustion process as well as the exploitation of a diesel engine. The physical parameters of mixture rape oil and diesel fuel have been compared with calibration fluid used in test stands. Comparative analysis of the changes in the injection fuel dose as a result of different fuel properties was carried out. The analysis of the test results has been performed in relation to the pressure of fuel outflow from the injector nozzle, and injection duration. BIBLIOGRAFIA 1. Wain K.S., Perez J.M., Chapman E., Boehman A.L. Alternative and low sulfur fuel options: boundary lubrication performance and potential problems, Tribology International 38, Wielligh A.J., Burger N., Wilcocks T.L. Diesel engine failures due to combustion disturbances, caused by fuel with insufficient lubricity. Industrial Lubrication and Tribology, Vol. 55 No 2, Qu J., Truhnan J. T., Blau P. J. Investigation of the scuffing characteristics of candidate material for heavy duty diesel fuel injectors, Tribology International 38, Szczypiński-Sala W. Niektóre własności mieszanin olejów roślinnych i paliw do silników o zapłonie samoczynnym. Czasopismo Techniczne Mechanika 3-M/ Cisek J., Mruk A., Szczypiński-Sala W. Wpływ biopaliw (FAME) na właściwości eksploatacyjne rozpylaczy paliwa silnika z zapłonem samoczynnym. Czasopismo Techniczne Mechanika 3- M/ Idzior M., Borowczyk T., Karpiuk W., Stobnicki P. Możliwości badania stanu technicznego nowoczesnych wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym. Logistyka nr 3, Lotko W., Ocena emisji składników spalin silnika wysokoprężnego zasilanego mieszaninami oleju napędowego z estrami metylowymi oleju rzepakowego. Archiwum motoryzacji 4/ Szlachta Z., Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKiŁ Warszawa