Charakterystyki silnika ZS z układem zasilania Common Rail zasilanego mieszaninami oleju napędowego z estrami FAME

Transkrypt

1 AMBROZIK Andrzej 1 AMBROZIK Tomasz 2 KURCZYŃSKI Dariusz 3 ŁAGOWSKI Piotr 4 Charakterystyki silnika ZS z układem zasilania Common Rail zasilanego mieszaninami oleju napędowego z estrami FAME WSTĘP Paliwa stanowią znaczący obszar badań w zakresie transportu, a w szczególności tłokowych silników spalinowych. Silniki spalinowe są podstawowym źródłem napędu stosowanym w transporcie. Rozwój gospodarczy to również rozwój transportu, a tym samym wzrost zapotrzebowania na paliwa oraz zwiększanie jego szkodliwego oddziaływania na środowisko. Aby temu przeciwdziałać niezbędne są nowe rozwiązania konstrukcyjne stosowane w silnikach ograniczające ich szkodliwy wpływ na środowisko. Obecnie nie ma możliwości zastąpienia w krótkim czasie silników spalinowych innym rodzajem napędu. Powoduje to rozwój i doskonalenie tłokowych silników spalinowych, które stanowią sprawdzone źródło napędu. Bardzo ważnym problemem w tym zakresie są paliwa stosowane do ich zasilania. Paliwom konwencjonalnym stawia się coraz większe wymagania mające na celu ograniczenie ich szkodliwości dla środowiska oraz poprawę właściwości eksploatacyjnych. Eliminowane są z paliw składniki powodujące toksyczność spalin i stanowiące zagrożenie dla środowiska i zdrowia człowieka. Zmienia się skład paliw tak, aby przebieg procesu spalania był całkowity i zupełny, a ilość powstających w wyniku tego procesu toksycznych składników spalin była ograniczona do minimum. Do paliw wprowadza się dodatki, które mają poprawić jego właściwości eksploatacyjne. Na przykład poprawić smarność w celu zapewnienia właściwych warunków pracy elementów układu zasilania smarowanych i chłodzonych paliwem, zwiększyć odporność paliwa na procesy ich starzenia oraz spowodować poprawę ich właściwości fizycznych i chemicznych, czy też poprawić proces tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej spalanie. Od wielu lat poszukuje się paliw alternatywnych do zasilania tłokowych silników spalinowych. Paliwa te, aby mogły znaleźć zastosowanie, muszą spełniać szereg różnych wymagań. Najlepiej, aby ich właściwości nie wymuszały wprowadzania istotnych zmian konstrukcyjnych w silnikach, a przede wszystkim w ich układach zasilania. Dlatego też powinny się one charakteryzować technicznymi i energetycznymi właściwościami determinującymi ich przydatność do zasilania silników samochodowych. Paliwa alternatywne powinny być lepsze w stosunku do paliw konwencjonalnych w aspekcie ich mniejszego negatywnego oddziaływania na środowisko. Ponadto powinny występować w dużych ilościach i być tańsze w produkcji i sprzedaży od obecnie stosowanych paliw. Pozwoli to na szybkie ich wprowadzenie do stosowania dzięki ograniczeniu kosztów. Ponadto nie powinny one negatywnie wpływać na właściwości eksploatacyjne silników, ograniczając na przykład czas ich eksploatacji, lub przyczyniać się do częstszych awarii wymuszających kosztowne naprawy. Istotnym problemem jest również bezpieczeństwo użytkowania samochodów zasilanych paliwami alternatywnymi. Zagadnienia te nie są łatwe do zrealizowania i spełnienia. Powoduje to, że w dalszym ciągu nie ma paliw alternatywnych, które mogłyby w krótkim czasie z powodzeniem zastąpić paliwa wytwarzane z ropy naftowej, czyli oleje napędowe i benzyny. Paliwem alternatywnym, którego właściwości fizykochemiczne są zbliżone do właściwości oleju 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel ; silspal@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel ; tambrozik@tu.kielce.pl 3 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel ; kdarek@tu.kielce.pl 4 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel ; piotrekl@tu.kielce.pl 1444

2 napędowego są estry olejów roślinnych FAME. Można je stosować do zasilania silników o zapłonie samoczynnym w czystej postaci lub w mieszaninach z olejem napędowym. Jednak producenci silników z układami zasilania Common Rail nie dają gwarancji na silniki zasilane estrami FAME. Obecnie w Polsce na rynku paliw są oleje napędowe zawierające nie więcej niż siedmioprocentowy dodatek estrów FAME. Być może w przyszłości, zgodnie z polityką Unii Europejskiej mającej na celu zwiększenie udziału paliw alternatywnych w wytwarzaniu energii w tym także w transporcie, ich udział wzrośnie. 1 OLEJ NAPĘDOWY I ESTRY METYLOWE KWASÓW TŁUSZCZOWYCH Olej napędowy jest konwencjonalnym powszechnie stosowanym paliwem przeznaczonym do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Źródłem jego otrzymywania jest ropa naftowa stanowiąca nieodnawialne źródło energii. Olej napędowy jest mieszaniną wielu różnych węglowodorów, zawierających atomów węgla w cząsteczce, których temperatura wrzenia wynosi od 150 C do 380 C [4]. Ostateczny jego skład zależy od surowca, z którego jest on wytwarzany oraz od procesów przetwórczych stosowanych w jego produkcji. Podstawowym procesem otrzymywania oleju napędowego jest destylacja ropy naftowej. Poza tym stosuje się różne procesy wtórnej przeróbki frakcji ciężkich (kraking katalityczny i termiczny, reformowanie katalityczne, hydrokraking), pozostałych po destylacji ropy naftowej. Właściwości fizykochemiczne węglowodorów wchodzących w skład olejów napędowych są różne i zależą od budowy ich cząsteczek. Ilości poszczególnych grup węglowodorowych w oleju napędowym, decyduje o jego właściwościach fizykochemicznych, warunkujących efektywność pracy silnika i toksyczność spalin. W skład olejów napędowych wchodzą przede wszystkim węglowodory parafinowe i naftenowe oraz węglowodory aromatyczne. Podstawową właściwością paliw do silników o zapłonie samoczynnym jest ich zdolność do samozapłonu. Właściwość ta oceniana jest wartością liczby cetanowej. Zgodnie z aktualną normą dotyczącą właściwości olejów napędowych, wartość liczby cetanowej oleju napędowego przeznaczonego do zasilania szybkoobrotowych silników spalinowych nie może być mniejsza niż 51 [13]. Zdolność paliwa do samozapłonu ma wpływ na okres opóźnienia samozapłonu, czyli czas liczony od zapoczątkowania wtrysku paliwa do chwili rozpoczęcia jego spalana objawiającego się na wykresie indykatorowym początkiem szybkiego wzrostu ciśnienia i temperatury czynnika roboczego [1]. Właściwości olejów napędowych modyfikowane są poprzez wprowadzanie do ich składu różnych dodatków poprawiających określone ich właściwości eksploatacyjne. Jakość oleju napędowego ocenianego różnymi właściwościami, których wymagane wartości podane są w normie, mają bardzo duże znaczenie dla poprawnej i długotrwałej pracy współczesnych układów zasilania. Na poprawne funkcjonowanie układu zasilania silnika o zapłonie samoczynnym i prawidłowe dawkowanie paliwa do cylindrów istotny wpływ mają między innymi takie właściwości fizykochemiczne paliwa jak: gęstość, lepkość, temperatura mętnienia, temperatura krzepnięcia, smarność, zawartość wody i zanieczyszczeń mechanicznych. Złej jakości paliwo jest najczęstszą przyczyną uszkodzeń elementów układu zasilania Common Rail. Estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME są jedynym paliwem, którego właściwości fizykochemiczne są zbliżone do właściwości oleju napędowego. Można je stosować do zasilania silników o zapłonie samoczynnym bez wprowadzania w nich zmian konstrukcyjnych. Należy jednak zapewnić wymagane normą właściwości estrów przeznaczonych do zasilania silników. Konieczne jest także ich właściwe magazynowanie i dystrybucja. Podstawową cechą estrów dającą możliwość ich stosowania do zasilania silników o zapłonie samoczynnym jest dobra ich zdolność do samozapłonu. Cecha ta pozwala na samozapłon odparowanych i wymieszanych z powietrzem, a następnie sprężonych estrów w cylindrze. Norma określająca wymagania stawiane estrom FAME jako paliwom do silników ZS określa wartość liczby cetanowej estrów na poziomie nie mniejszym niż 51 [14]. Estry kwasów tłuszczowych olejów roślinnych otrzymuje się w procesie transestryfikacji. Proces ten polega na reakcji alkoholu metylowego lub etylowego z trójglicerydami wyższych kwasów tłuszczowych w obecności katalizatora. Podczas reakcji chemicznych trójwartościowe cząsteczki 1445

3 gliceryny przekształcają się w jednowartościowe cząsteczki alkoholi, które z resztami kwasu tłuszczowego tworzą monoestry [7, 16]. W Polsce ze względu na uwarunkowania klimatyczne oraz koszty, do produkcji estrów najczęściej wykorzystuje się olej rzepakowy i alkohol metylowy. Otrzymuje się wówczas estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Obecne wymagania określają dopuszczalną zawartość estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME w handlowych olejach napędowych na poziomie nie większym niż 7 % objętościowo (V/V). Problematyka stosowania paliw pochodzenia roślinnego do zasilania tłokowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym była i jest przedmiotem licznych badań i publikacji [2, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 15, 18, 19]. 2 CHARAKTERYSTYKI PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Do opisu właściwości pracy tłokowych silników spalinowych wykorzystuje się ich charakterystyki i wskaźniki ich pracy. Wskaźniki pracy tłokowych silników spalinowych są wielkościami liczbowymi charakteryzującymi ich pracę, służącymi do ich oceny i porównywania. Są wielkościami, które w sposób czytelny dostarczają podstawowych informacji na temat własności silnika. Niektóre z nich są powszechnie wykorzystywane w przekazie informacji do szerokiego grona użytkowników pojazdów samochodowych. Najczęściej stosowanymi spośród nich są: moc, moment, zużycie paliwa. Pojedyncze wartości tych wskaźników nie są miarodajne w przypadku tłokowych silników spalinowych pracujących w warunkach zmiennych w czasie. Chcąc w pełni poznać i ocenić, czy też porównać pracę silników należy dysponować charakterystykami ich pracy. Charakterystyki pracy silnika to nic innego jak przebiegi wybranych jego wskaźników pracy w funkcji innych parametrów. Do najczęściej wykonywanych i wykorzystywanych charakterystyk pracy silnika zalicza się charakterystyki prędkościowe, obciążeniowe i regulacyjne. Charakterystyki prędkościowe przedstawiają przebieg zmiany wybranych wskaźników czy też parametrów pracy silnika (mocy, momentu, godzinowego zużycia paliwa, jednostkowego zużycia paliwa i innych) w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego. Charakterystyki obciążeniowe przedstawiają wskaźniki pracy silnika w funkcji jego obciążenia, którego miarą jest moc, moment obrotowy czy też średnie ciśnienie efektywne. Charakterystyki regulacyjne sporządzane są w funkcji parametrów podlegających regulacji w silniku, na przykład kąta wyprzedzenia zapłonu, kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa, współczynnika składu mieszanki palnej i innych. W zależności od potrzeb wykonywane są również inne charakterystyki pracy silników, na przykład charakterystyki uniwersalne, czy też charakterystyki specjalne. 3 STANOWISKO BADAWCZE I OBIEKT BADAŃ Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku hamownianym w skład którego wchodził silnik o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 MultiJet SDE 90KM, hamulec elektrowirowy typu EMX 100/ firmy ELEKTROMEX CENTRUM, szafa sterująca pracą silnika i hamulca z układem sterowania firmy AUTOMEX. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 1. Szafa sterownicza stanowiska składa się z panelu mocy hamulca AMX 202, modułu AMX 211 sterującego zespołem silnik-hamulec, modułu pomiarowego AMX212 PMO umożliwiającego pomiar najważniejszych wielkości zmiennych opisujących stan pracy silnika oraz panel pomiaru temperatur i ciśnień. Poza tym w szafie sterowniczej umieszczony był panel sterowania dawkomierzem paliwa 730 Dynamic Fuel Consumption AVL oraz panel z regulatorami temperatury LUMEL RE43. Dawkomierz 730 Dynamic Fuel Consumption firmy AVL realizuje pomiar zużycia paliwa metodą wagową. Za pomocą tego urządzenia możliwe są pomiary zużycia paliw płynnych stosowanych do zasilania tłokowych silników spalinowych w tym również paliw pochodzenia roślinnego. Wskazania zużycia paliwa odczytywane są w kilogramach na godzinę. Dawkomierz posiada wbudowany odważnik kalibracyjny pozwalający na kalibracje urządzenia w rzeczywistych warunkach pomiarowych z dokładnością zgodną z normą ISO W wykorzystanym do badań dawkomierzu pomiar zużycia paliwa dokonywany jest przez pomiar czasu zużycia określonej ilości paliwa znajdującego się w naczyniu pomiarowym. Za pomocą ramienia pomiarowego naczynie to połączone 1446

4 jest z pojemnościowym czujnikiem przemieszczeń, który zmienia swoją pojemność proporcjonalnie do przemieszczenia ramienia pomiarowego. System diagnostyczny FSA 740 z urządzeniem Bosch KTS 540 Przepływomierz powietrza Dawkomierz paliwa AVL 730 Dynamic Fuel Consumption Komputer PC Silnik ZS 1.3 MultiJet Hamulec elektrowirowy Elektromex EMX 100/10000 Układ sterowania Układ kontrolno - pomiarowy Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska badawczego Obiektem badań był czterocylindrowy, tłokowy silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 Multijet SDE 90 km. Podstawowe dane techniczne tego silnika przedstawiono w tabeli 1. Silnik Fiat 1.3 Multijet SDE 90 km to nowoczesna konstrukcja zaprojektowana zgodnie z kierunkiem rozwoju silników zwanym downsizingiem, czyli konstruowaniem silników o mniejszych wymiarach geometrycznych i mniejszej masie przy zachowaniu lub poprawie wskaźników ekonomicznoenergetycznych i ekologicznych. Silnik wyposażony jest w sterowany elektronicznie układ zasilania Common Rail, z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi dzielącymi wtryskiwaną dawkę paliwa maksymalnie na trzy części. Układ dolotowy powietrza wyposażono w turbosprężarkę o zmiennej geometrii łopatek oraz zastosowano chłodnicę powietrza doprowadzanego do cylindrów. Zastosowanie takiej turbosprężarki umożliwiło poprawę procesu napełniania cylindrów w całym zakresie prędkości obrotowej. W celu poprawy procesu wymiany czynnika roboczego silnik wyposażono w cztery zawory na cylinder sterowane dwoma wałkami rozrządu. Procesami zachodzącymi w silniku i jego układach steruje elektroniczny sterownik ECU. Tab. 1. Podstawowe dane techniczne silnika FIAT 1.3 Multijet SDE 90 KM Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów, c - 4 Rodzaj wtrysku - bezpośredni, wieloetapowy wtrysk paliwa (od 3 do 5) Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania, - 17,6 Średnica cylindra, D m 69, Skok tłoka, S m Pojemność skokowa silnika, V ss m 3 1, Moc nominalna silnika, N e kw 66 Prędkość obrotowa mocy nominalnej, n N obr/min 4000 Maksymalny moment obrotowy silnika, M e Nm 200 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n M obr/min 1750 Prędkość obrotowa biegu jałowego, n bj obr/min 850±

5 4 PALIWA WYBRANE DO BADAŃ Badania przeprowadzono przy zastosowaniu dwóch paliw podstawowych. Pierwszym z nich był handlowy olej napędowy nie zawierający dodatków estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME. Drugim paliwem były estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME otrzymane z rzepaku. Do badań wykorzystano estry FAME produkowane z oleju rzepakowego w Rafinerii Trzebinia S.A. Estry te otrzymywane są w procesie transestryfikacji triglicerydów oleju rzepakowego metanolem. Wybrane właściwości wykorzystanych do badań paliw, oleju napędowego oraz biodiesla czyli estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME, odczytane z świadectw jakości sporządzonych dla tych paliw, przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Podstawowe właściwości fizykochemiczne handlowego oleju napędowego oraz estrów metylowych oleju rzepakowego przestawione w świadectwach jakości dla tych paliw [12, 17] Parametr Jednostki Olej napędowy FAME Zawartość estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME - < 0,05 % (V/V) 97,9 % (m/m) Gęstość w temperaturze 15 C kg/m 3 833,4 883,1 Lepkość kinematyczna w temperaturze 40 C mm 2 /s 2,596 4,55 Liczba cetanowa - 51,0 51,3 Temperatura mętnienia C Temperatura zablokowania zimnego filtru C Temperatura zapłonu C 63,5 powyżej 111 Zawartość siarki S mg/kg 8,3 6,4 Zawartość wody mg/kg Zawartość zanieczyszczeń stałych mg/kg 7,3 18 Pozostałość po koksowaniu z 10%-owej pozostałości destylacyjnej %(m/m) 0,01 0,21 Badania działania korodującego na miedź (3 godziny w temperaturze 50 C ocena klasa 1 klasa 1 Silnik Fiat 1.3 Multijet podczas badań na hamowni zasilano handlowym olejem napędowym bez dodatków estrów metylowych oleju rzepakowego oraz dwoma paliwami przygotowanymi na bazie tego oleju napędowego oraz estrów metylowych oleju rzepakowego FAME. Do badań przygotowano dwie mieszaniny oleju napędowego i estrów o objętościowym udziale estrów wynoszącym 20% i 30%. Mieszaniny te oznaczono symbolami B20 i B30. Wybór do badań takich paliw podyktowany był tym, że paliwa pochodzenia roślinnego nie zastąpią obecnie stosowanych paliw otrzymywanych z ropy naftowej, ale w najbliższej przyszłości mogą być stosowane jako coraz większe dodatki do olejów napędowych. 5 CHARAKTERYSTYKI PRACY SILNIKA 1.3 MULTIJET ZASILANEGO MIESZNINAMI OLEJU NAPĘDOWEGO I ESTRÓW Wyniki badań przeprowadzonych na hamowni silnikowej pozwoliły na sporządzenie charakterystyk silnika Fiat 1.3 Multijet z układem zasilania Common Rail, zasilanego handlowym olejem napędowym ON bez dodatków estrów olejów roślinnych FAME, oraz mieszaninami tego oleju napędowego i estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów w mieszaninach wynoszącej 20% (B20) i 30% (B30). Na rysunku 2 przedstawiono zewnętrzną charakterystykę prędkościową silnika Fiat 1.3 Multijet zasilanego trzema wybranymi do badań paliwami: ON, B20 i B30. Na charakterystyce przedstawione są przebiegi mocy efektywnej silnika N e, momentu obrotowego M o, godzinowego zużycia paliwa G h i jednostkowego zużycia paliwa g e w funkcji zmiany prędkości obrotowej wału korbowego. Z charakterystyk tych widać, że w zakresie prędkości obrotowych wału korbowego wynoszących do 3500 obr/min uzyskano nieznacznie większe wartości godzinowego zużycia paliwa G h przy zasilaniu silnika paliwem B

6 G h [kg/h] g e [g/kwh] N e [kw] M o [Nm] i B30 w stosunku do zasilania go olejem napędowym ON nie zawierającym estrów FAME. Dla prędkości obrotowej wału korbowego powyżej 3500 obr/min godzinowe zużycie paliwa G h jest wyraźnie większe dla paliw B20 i B30 niż dla oleju napędowego ON. Pomimo większego zużycia paliwa w każdym punkcie pomiarowym otrzymano mniejsze wartości mocy efektywnej N e i momentu obrotowego M o. Jednostkowe zużycie paliwa g e jest wyraźnie większe dla paliwa B30 niż dla oleju napędowego oraz nieznacznie większe niż dla paliwa B20. Na rysunkach 3, 4, 5 i 6 przedstawiono charakterystyki obciążeniowe silnika Fiat 1.3 Multijet zasilanego olejem napędowym ON oraz przygotowanymi mieszaninami oleju napędowego i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME: B20 i B30, dla różnych prędkości obrotowych wału korbowego silnika, wynoszących n = 1200, 1750, 3000 i 4000 obr/min. Na charakterystykach przedstawiono przebiegi godzinowego zużycia paliwa G h i jednostkowego zużycia paliwa g e w funkcji obciążenia silnika wyrażonego mocą efektywną N e. Na każdej ze sporządzonych charakterystyk widać, że wartości godzinowego zużycia paliwa G h oraz jednostkowego zużycia paliwa g e są większe przy zasilaniu silnika mieszaninami oleju napędowego ON i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME. Równocześnie z charakterystyk tych wynika, że przy zasilaniu silnika paliwami B20 i B30 dla prędkości obrotowych wału korbowego, przy których wykonywano charakterystyki obciążeniowe, otrzymano mniejsze maksymalne wartości mocy efektywnej N e i momentu obrotowego M o niż dla silnika zasilanego olejem napędowym. W czasie badań silnika na hamowni nie pojawiły się żadne problemy eksploatacyjne z silnikiem zasilanym olejem napędowym zawierającym 20% (V/V) i 30% (V/V) estrów metylowych oleju rzepakowego FAME M o n [obr/min] Rys. 2. Zewnętrzna charakterystyka prędkościowa silnika Fiat 1.3 Multijet zasilanego handlowym olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30) G h g e ON B20 B30 N e

7 g e [g/kwh] G h [kg/h] g e [g/kwh] G h [kg/h] ON B20 B30 n = 1200 obr/min N e [kw] Rys. 3. Charakterystyka obciążeniowa silnika Fiat 1.3 Multijet dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 1200 obr/min, zasilanego handlowym olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30) ON B20 B30 n = 1750 obr/min N e [kw] Rys. 4. Charakterystyka obciążeniowa silnika Fiat 1.3 Multijet dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 1750 obr/min, zasilanego handlowym olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30) 1450

8 g e [g/kwh] G h [kg/h] g e [g/kwh] G h [kg/h] ON B20 B30 n = 3000 obr/min N e [kw] Rys. 5. Charakterystyka obciążeniowa silnika Fiat 1.3 Multijet dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 3000 obr/min, zasilanego handlowym olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30) ON B20 B30 n = 4000 obr/min N e [kw] Rys. 6. Charakterystyka obciążeniowa silnika Fiat 1.3 Multijet dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 4000 obr/min, zasilanego handlowym olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30) 1451

9 WNIOSKI Celem pracy było określenie wpływu dodatków estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME do oleju napędowego ON na podstawowe wskaźniki pracy: moc efektywną, moment obrotowy, godzinowe zużycie paliwa i jednostkowe zużycie paliwa nowoczesnego silnika o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 Multijet wyposażonego w układ zasilania Common Rail mającego duże wymagania co do jakości paliwa. Na podstawie sporządzonych charakterystyk obciążeniowych oraz zewnętrznej charakterystyki prędkościowej widać jednoznacznie, że przy zasilaniu silnika mieszaninami oleju napędowego i estrów metylowych oleju rzepakowego o objętościowej zawartości estrów 20 % (B20) i 30% (B30) otrzymano mniejsze wartości mocy efektywnej i momentu obrotowego niż przy zasilaniu silnika olejem napędowym. Zmniejszenie wartości mocy efektywnej i momentu obrotowego silnika otrzymano przy jednoczesnym wzroście godzinowego zużycia paliwa. Jest to spowodowane tym, że estry olejów roślinnych FAME mają mniejszą wartość opałową, wynikającą z tego, że w swoim składzie zawierają tlen. Podczas badań nie zanotowano żadnych problemów eksploatacyjnych z pracą badanego silnika o zapłonie samoczynnym z układem zasilania Common Rail zasilanego olejem napędowym zawierającym 20% (V/V) i 30% (V/V) estrów metylowych oleju rzepakowego FAME. Dla użytkowników pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym opłacalne będzie stosowanie mieszanin oleju napędowego i estrów olejów roślinnych FAME tylko wówczas jeśli ceny zakupu takich paliw będą mniejsze niż ceny zakupu oleju napędowego. Obecnie na rynku paliw można kupić oleje napędowe zawierające estry olejów roślinnych FAME w ilości nie większej niż 7%. Z warunku tego wynika, że mogą to być również oleje napędowe, które w ogóle nie zawierają estrów FAME, czyli wówczas paliwa te charakteryzują się nieznacznie większą wartością opałową niż oleje napędowe zawierające estry FAME. Streszczenie Jednym z kierunków prac rozwojowych w zakresie tłokowych silników spalinowych są badania silników mające na celu określenie zasadność stosowania różnych paliw alternatywnych. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym paliwem konwencjonalnym jest olej napędowy, a możliwą alternatywą są estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań silnika Fiat 1.3 Multijet zrealizowanych na hamowni przy zasilaniu go mieszaninami oleju napędowego i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME, o objętościowym udziale estrów 20% (B20) i 30% (B30). Badany silnik to nowoczesna konstrukcja wyposażona w układ zasilania paliwem typu Common Rail. Celem badań było określenie wpływu zwiększonego dodatku estrów FAME na wartości i przebieg podstawowych wskaźników pracy silnika: mocy efektywnej, efektywnego momentu obrotowego, godzinowego zużycia paliwa i jednostkowego zużycia paliwa. Wykazano istotny wpływ wielkości dodatku estrów FAME do oleju napędowego na wartości wskaźników pracy silnika. W ramach badań i analizy ich wyników sporządzono zewnętrzną charakterystykę prędkościową i charakterystyki obciążeniowe dla różnych prędkości obrotowych wału korbowego badanego silnika zasilanego wybranymi paliwami: ON, B20 i B30. Można stwierdzić, że dodatek estrów metylowych oleju rzepakowego FAME do oleju napędowego powoduje zmniejszenie mocy silnika i momentu obrotowego oraz wzrost zużycia paliwa w porównaniu z zasilaniem tego silnika olejem napędowym bez dodatku estrów FAME. Characteristics of CI engine with Common Rail fuel system running on diesel oil - FAME blends Abstract One of the research trends in internal combustion piston engines concerns engine tests aimed at determining the usability of various alternative fuels. As regards compression ignition engines, diesel oil is a conventional fuel, and fatty acid methyl esters (FAMEs) provide a possible alternative. The paper presents selected results of Fiat 1.3 Multijet engine tests. They were performed at the engine test stand when the engine was fuelled with blends of diesel oil and rapeseed oil FAMEs, with ester volume percentage 20% (B20) and 30% (B30). The engine of concern has a modern design with the Common Rail fuel system. The aim of the tests was to determine the effect of increased FAME content on the values and profile of basic indicators of the engine operation: brake effective power, effective torque, hour s fuel consumption and brake specific fuel 1452

10 consumption. The impact of the amount of FAME addition to diesel oil on the engine performance was demonstrated. On the basis of the tests and their results, full load and load characteristics were taken for different crankshaft velocities in the engine of concern fuelled with DO, B20 and B30. It can be stated that rapeseed oil FAME addition to diesel oil results in a decrease in engine power and torque and an increase in fuel consumption when compared with the engine running on diesel oil without FAME. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce Ambrozik A., Kurczyński D., Indicators of the work cycle in self-ignition engine fed on mineral fuel, plant fuel and their blends. Monografie Zespołu Systemów Eksploatacji, Problems of Maintenance of Sustainable Technological Systems, Tom II, Wydawca: Polskie Naukowo- Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, rok: 2010, s Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P., Comparative assessment of diesel engine fuelled by diesel oil, biodiesel and their blend. 7-th European Conference of Young Research and Science Workers TRANSCOM 2007, Żilina 2007, s Baczewski K., Kałdoński T., Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Ilkiliç C., The effect of sunflower oil methyl ester and diesel fuel blend on the performance of a diesel engine. Energy Sources, Part A, 30/2008, s Jothithirumal B., Jamesgunnasekaran E., Combined Impact of Biodiesel and Exhaust Gas Recirculation on NO x Emissions in Di Diesel Engines. Procedia Engineering 38/2012, s Klimiuk E., Pawłowska M., Pokój T., Biopaliwa Technologie dla zrównoważonego rozwoju. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Kruczyński S.W., Orliński P., Combustion of methyl esters of various origins in the agricultural engine. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, Vol. 20, December 2013, pp Kurczyński D., Wpływ paliw roślinnych i ich mieszanin z olejem napędowym na wskaźniki pracy silnika o zapłonie samoczynnym. Praca doktorska, Kielce Lebedevas S., Lebedeva G., Makareviciene V., Kazanceva I., Kazancev K., Analysis of the ecological parameters of the diesel engine powered with biodiesel fuel containing methyl esters from camelina sativa oil. TRANSPORT 25(1)/2010, s Megahed O. A., Abdallah R. I., Nabil D., Rapeseed oil esters as diesel engine fuel. Energy Sources 26/2004, s Orzeczenie laboratoryjne nr S/14541/0/01/2013 Olej napędowy. 13. PN-EN 590+A1:2011 Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe. Wymagania i metody badań 14. PN-EN A1:2011 Paliwa do pojazdów samochodowych. Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME) do silników o zapłonie samoczynnym (Diesla). Wymagania i metody badań. 15. Subbaiah1 G. V., Gopal K. R., An experimental investigation on the performance and emission characteristics of a diesel engine fuelled with rice bran biodiesel and ethanol blends. International Journal of Green Energy, 8/2011, s Szlachta Z., Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Świadectwo jakości nr wyrobu Biodiesel. 18. Tziourtzioumis D., Stamatelos A., Effects of a 70% biodiesel blend on the fuel injection system operation during steady-state and transient performance of a common rail diesel engine. Energy Conversion and Management 60/2012, s Xue J, Grift T. E., Hansen A. C., Effect of biodiesel on engine performances and emissions. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15/2011, s