Weryfikacja eksperymentalnej mieszanki paliwowej z dodatkiem oleju półsyntetycznego 2T

Transkrypt

1 NOWAK Krzysztof 1 PROSZAK-MIĄSIK Danuta 2 RABCZAK Sławomir 3 Weryfikacja eksperymentalnej mieszanki paliwowej z dodatkiem oleju półsyntetycznego 2T WSTĘP Rozwój technologii konstrukcji silników diesla oraz stosowanie dobrych jakościowo paliw są elementami niezbędnymi aby spełnić obowiązujące restrykcyjne wymagania dotyczące spalin a tym samym wpływać na efekt ekologiczny środowiska naturalnego. Działania zmierzające do poprawy właściwości olejów napędowych skupiają się na zagadnieniach: zwiększenia wartości liczby cetanowej, zmniejszenia zawartości węglowodorów aromatycznych, poprawienia właściwości niskotemperaturowych oraz przede wszystkim zmniejszenia zawartości siarki a tym samym pogorszenia właściwości smarnych [16]. Efektem tych zmian jest zwiększona awaryjność silników diesla w skutek pogorszenia warunków pracy precyzyjnych elementów układów wtryskowych. Duża grupa właścicieli oraz użytkowników samochodów z silnikami diesla próbuje na własną rękę poprawiać właściwości smarne paliw poprzez dodanie półsyntetycznego oleju 2T stosowanego w silnikach dwusuwowych. Celem artykułu jest zebranie i uporządkowanie dostępnych informacji dotyczących mieszanek paliw a także analizę badań fizyko-chemicznych paliw i ich produktów spalania. W efekcie wstępnie zweryfikowana zostanie mieszanka oleju napędowego z dodatkiem oleju półsyntetycznego 2T pod kątem poprawy smarności paliwa oraz efektów ekologicznych. 1 ZAGROŻENIA DLA NOWOCZESNYCH SILNIKÓW DIESLA W 1900 roku na wystawie światowej w Paryżu, Rudolf Diesel zaprezentował swój prosty i tani w eksploatacji silnik [5]. Świadczył o tym między innymi fakt, iż silnik napędzany był olejem z orzeszków ziemnych. Od wystawy minęło sporo czasu, wzrosły wymagania kierowców odnośnie dynamiki oraz osiągów, zaostrzono normy ekologiczne. Silniki wysokoprężne poprzez zastosowanie m.in.: turbosprężarek, wtrysków common rail, zaworów EGR, filtrów cząstek stałych oraz dwumasy stały się droższe i bardziej skomplikowane od tych z zapłonem iskrowym [2]. Komplikacja konstrukcji współczesnych silników diesla spowodowała znacznie większe obciążenia mechaniczne materiałów konstrukcyjnych. Chociaż nowoczesne rozwiązania zapewniają mniejsze zużycie paliwa i bardziej kulturalną oraz dynamiczną pracę jednostki napędowej, czynią ją niestety bardziej podatną na awarie. Jednym z czynników zwiększających obciążenie konstrukcji jest zastosowanie ciśnień wtrysku na poziomie bar [3]. Tak wysokie ciśnienie wytwarza pompa paliwa wysokiego ciśnienia w nowoczesnym systemie common rail. Schemat przekroju pompy wysokiego ciśnienia przedstawiono na rysunku 1. Wałek mimośrodowy napędzany najczęściej paskiem rozrządu wymusza ruch posuwisto-zwrotny sekcji tłoczącej pompy, która tłoczy paliwo do zbiornika akumulacyjnego silnika (często nazywanego listwą akumulacyjną). Odpowiednie smarowanie oraz odbieranie ciepła wytwarzanego podczas pracy jest niezbędne przy bezpośredniej współpracy wałka i sekcji tłoczącej. Rolę smarującą i chłodzącą spełnia paliwo [1]. Jest to główny powód, dla którego jakość paliwa musi być na odpowiednim poziomie. 1 krzynow@prz.edu.pl 2 dproszak@prz.edu.pl 3 rabczak@prz.edu.pl 7941

2 Rys. 1. Schemat pompy wysokiego ciśnienia: 1 - wałek napędowy; 2 krzywka mimośrodowa; 3 sekcja tłocząca; 4 - zawór wlotowy; 5 - zawór wylotowy; 6 dopływ paliwa [11] 2 MIESZANKA OLEJU NAPĘDOWEGO I OLEJU 2T W ostatnich latach ze względów ekologicznych znacznie zmniejszono zawartość siarki w oleju napędowym, która polepszała własności smarujące paliwa. Efektem tych zmian jest zwiększona awaryjność silników diesla w skutek pogorszenia warunków pracy precyzyjnych elementów układów wtryskowych, tj. podwyższone tarcie oraz temperatura pracy pompy [6]. Wartość nowej pompy paliwa wysokiego ciśnienia oraz wtryskiwaczy może przekraczać nawet 50% wartości samochodu. Do kosztów takiej naprawy należy doliczyć również koszty robocizny, sprawdzenia układu elektrycznego wtryskiwaczy, czyszczenia układu paliwowego i zbiornika oraz wymiany filtrów. Wobec powyższej perspektywy, użytkownicy samochodów z silnikiem diesla zaczęli się zastanawiać w jaki sposób zwiększyć trwałość elementów wtryskowych silników. Konstrukcji pomp i wtryskiwaczy w eksploatowanym silniku nie da się już poprawić, natomiast można mieć wpływ na właściwości paliwa. Na rynku istnieje wiele dodatków do paliw silnikowych, które mają za zadanie poprawę właściwości eksploatacyjnych paliwa. Często są to właściwości istotne z punktu widzenia wybranych aspektów pracy silnika, np. rozruch w niskich temperaturach [4] czy czystość elementów aparatury paliwowej [8]. Istotne są także właściwości myjące, przeciwpienne, przeciwmgielne, stabilność oksydacyjna czy właściwości korozyjne paliwa [5]. W rozpatrywanym temacie istotnym aspektem jest smarność paliwa a przy tym wpływ na środowisko naturalne. Użytkownicy samochodów osobowych, dostawczych oraz ciężarowych w różnych krajach na całym świecie na własną rękę poprawiają smarność ropy. Sięgnięto do jednego z najprostszych i najstarszych metod jakim jest dodawanie do paliwa oleju wykorzystywanego w silnikach dwusuwowych, tzw. oleju 2T lub oleju mieszankowego. Silniki dwusuwowe smarowane są bowiem olejem dodawanym do benzyny w proporcji 1:50 [10]. Benzyna dostarczana do komory spalania silnika ma kontakt z elementami współpracującymi (łożyska wału korbowego) i dzięki temu zapewnia wystarczające smarowanie. Zasadę wykorzystano w silnikach diesla. Do oleju napędowego dodawany jest olej 2T, który przepływając przez pompę i wtryskiwacze zapewnia im odpowiednie smarowanie, a więc polepszenie warunków współpracy wydłużając tym samym ich trwałość. Ze względu na większe właściwości smarne oleju napędowego w porównaniu do benzyny, stosuję się mieszankę olejów w proporcji 1: Temat komentowany jest na polskich i zagranicznych motoryzacyjnych forach internetowych. Niestety brak dokładnych informacji popartych badaniami naukowymi skutkuje wieloma sporami a zdania i opinie na temat stosowania mieszanek są podzielone. Niniejszy artykuł ma na celu zebranie i uporządkowanie dostępnych informacji dotyczących mieszanek paliw a także analizę badań fizykochemicznych paliw i ich produktów spalania. Olej napędowy z dodatkiem oleju 2T powinien spełniać kilka czynników, które wpływają na jakość i szybkość spalanego paliwa. Jednym z nich jest liczba cetanowa (LC) czyli wskaźnik zdolności olejów napędowych do samozapłonu. Jest to jeden z podstawowych parametrów olejów napędowych, zależący od ich składu chemicznego. Liczbę cetanową wyznacza się porównując czas 7942

3 zapłonu dla paliwa wzorcowego i analizowanego oleju napędowego, stosując do tego celu specjalne silniki wzorcowe [12]. W Rozporządzeniu Ministra Gospodarki w sprawie wymagań jakościowych dla paliw ciekłych ustalona jest minimalna liczba cetanowa, wynosząca 51 [9]. Paliwa o niższej liczbie niekorzystnie wpływają na silnik i znacznie obniżają ekonomię jazdy, generując przy też większy hałas. Niska liczba cetanowa powoduje również zwiększoną emisję szkodliwych węglowodorów [16]. Natomiast wzrost liczby cetanowej powyżej 50 wydatnie poprawia własności eksploatacyjne paliwa, praca silnika jest "miękka", łatwiej wchodzi on na obroty, ułatwia rozruch silnika, spowalnia zanieczyszczenie dysz wtryskiwaczy, ogranicza udział cząstek stałych w spalinach i obniża hałaśliwość silnika. Badania przeprowadzone na niemieckim portalu motoryzacyjnych [14] wykazują, iż dodatek oleju 2T w proporcji 1:50 zmniejsza liczbę cetanową o ponad 26 punktów z 57,8 do 31,3. Natomiast dodatek oleju 2t w proporcji 1:150 zmniejsza liczbę cetanową już tylko o niecałe 3 punkty z 56,3 do 53,5, co jest wartością akceptowalną. Kolejnym parametrem charakteryzującym właściwości oleju napędowego jest High Frequency Reciprocating Rig (HFRR) opisujący własności smarne paliwa. Im mniejsza wartość HFRR badanej próbki, czyli mniejszy współczynnik tarcia, tym lepsza smarność. Badania jak w przypadku liczby cetanowej przeprowadzono na niemieckim portalu motoryzacyjnym. Wnioski nie są jednoznaczne, HFRR dla oleju wzorcowego wyniosła 238 μm a dla próbek z dodatkiem dwóch różnych olejów 2T wartość wyniosła 178 i 256 μm [14]. Wobec powyższego w zależności od zastosowanego oleju 2T własności smarne paliwa są różne, można je polepszyć lub pogorszyć. 3 BADANIA ORAZ WYNIKI POMIARÓW W dalszej części publikacji oprócz powyższych parametrów charakteryzujących mieszankę oleju napędowego i oleju 2T przedstawiono wyniki pomiarów gęstości, lepkości kinematycznej, temperatury punktu zapłonu, ciepła spalania, analizy stężeń zanieczyszczeń zawartych w spalinach oraz poziomu głośności silnika na zewnątrz oraz wewnątrz samochodu. Badania zostały przeprowadzone dla oleju napędowego (ON) oraz mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T w proporcji 1:250 (ON+2T). Pomiar gęstości paliw wykonano w temperaturze 20 C za pomocą gęstościomierza DDM Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów gęstości dla oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T). Rys. 2. Wyniki pomiarów gęstości oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T) Pomiar lepkości kinematycznej paliw został zmierzona w temperaturze 20 C za pomocą lepkościomierza AVS 460. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki pomiarów lepkości kinematycznej dla oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T). 7943

4 Rys. 3. Wyniki pomiarów lepkości kinematycznej oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T) Pomiar temperatury punktu zapłonu wykonano za pomocą analizatora z otwartym tyglem FP 92G2. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki pomiarów temperatury punktu zapłonu dla oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T). Rys. 4. Wyniki pomiarów temperatury punktu zapłonu oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T) Pomiar ciepła spalania paliw został wykonany za pomocą automatycznego kalorymetru Parr Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów temperatury punktu zapłonu dla oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T). Rys. 5. Wyniki pomiarów ciepła spalania oleju napędowego (ON) i mieszanki oleju napędowego z półsyntetycznym olejem 2T (ON + 2T) [7] Do pomiarów poziomu głośności silnika oraz wielkości stężeń produktów spalania wykorzystano samochód osobowy: Renault Laguna II, 1.9dCi 110 KM z 2005 roku (przedstawiono na rysunku 6). 7944

5 Rys. 6. Samochód osobowy Renault Laguna II 1.9 dci, na którym przeprowadzone zostały pomiary [15] Pomiary przeprowadzono w dwóch etapach. Pierwszy z nich obejmował kilkukrotny pomiar poziomu głośności oraz wielkości stężeń produktów spalania podczas pracy silnika wyłącznie na oleju napędowym. W drugim etapie zmierzono te same parametry ale silnik pracował na mieszance oleju napędowego i półsyntetycznego oleju 2T w proporcji 1:250. Wszystkie próby zostały wykonane przy zbliżonych warunkach, tj. przy rozgrzanym silniku do temperatury około 90 C oraz temperaturze otoczenia około 18 C. Pomiary zostały wykonane w kilku próbach, w różnych odstępach czasu. Otrzymane wyniki po odrzuceniu wartości skrajnych zostały uśrednione. Poniżej na rysunku 7 przedstawiono wyniki pomiarów poziomu głośności na zewnątrz oraz wewnątrz pojazdu. Pomiar wykonano za pomocą miernika natężenia dźwięku ST-8850 Rys. 7. Poziom głośności silnika na zewnątrz (volume level outside) oraz wewnątrz samochodu (volume level inside) podczas pracy na oleju napędowym (ON) oraz mieszance z olejem 2T (ON+2T) [7] Na rysunkach 8 i 9 przedstawione zostały uśrednione wyniki pomiarów wybranych wielkości stężeń produktów spalania, tj. zawartość wilgoci (H 2 O), ditlenku węgla (CO 2 ), podtlenku azotu (N 2 O), tlenku węgla (CO), tlenku azotu (NO), ditlenku azotu (NO 2 ), ditlenku siarki (SO 2 ), amoniaku (NH 3 ), metanu (CH 4 ), węglowodorów (VOC), chlorowodoru (HCl) i fluorowodoru (HF). Pomiar wykonano za pomocą wieloparametrowego analizatora GASMET DX-4000 oraz analizatora lotnych związków organicznych J.U.M.OFV Rys. 8. Wyniki analizy wielkości stężeń produktów spalania oleju napędowego (ON) oraz mieszanki oleju napędowego i oleju 2T (ON+2T) [7] 7945

6 Rys. 9. Wyniki analizy wielkości stężeń produktów spalania oleju napędowego (ON) oraz mieszanki oleju napędowego i oleju 2T (ON+2T) [7] 7946

7 Na podstawie powyższych wyników badań można stwierdzić iż, dodatek oleju 2t do oleju napędowego w proporcji 1:250 nieznacznie zmienia jego właściwości fizyko-chemiczne. Wzrost gęstości, ciepła spalania oraz temperatury punktu zapłonu jest niewielki a zmierzone wielkości mieszczą się w normach dla oleju napędowego [9]. W związku z tym można przyjąć, że dodatek oleju 2T nie powinien wpłynąć negatywnie na spalanie. Praca silnika na mieszance olejów stała się cichsza i bardziej miękka co potwierdziło się w pomiarach poziomu głośności na zewnątrz i wewnątrz samochodu. Pomiary wielkości stężeń produktów spalania wykazały pewne różnice. Podczas pracy silnika na mieszance paliwowej zaobserwowano wzrost stężeń podtlenku azotu (N 2 O), tlenku węgla (CO), ditlenku azotu (NO 2 ), amoniaku (NH 3 ). W przypadku zawartości wilgoci (H 2 O), ditlenku węgla (CO 2 ), tlenku azotu (NO), metanu (CH 4 ), węglowodorów (VOC), chlorowodoru (HCl) i fluorowodoru (HF) zaobserwowano wyraźny spadek wielkości stężeń. Dla różnych paliw nie zanotowano żadnych zmian w przypadku ditlenku siarki (SO 2 ). Na wyniki końcowe analizy spalin ma wpływ wiele czynników, najważniejsze z nich to temperatura zewnętrzna, temperatura silnika oraz jego obroty. W każdym z pomiarów starano się zapewnić identyczne warunki, jednak nawet niewielkie zmiany wpływają na znaczne różnice w otrzymanych wynikach. W celu dokładnego przeanalizowania wpływu mieszanki na wielkości stężeń produktów spalania należałoby przeprowadzić badania na hamowni przy różnych obciążeniach i prędkościach obrotowych silnika oraz różnych temperaturach zewnętrznych. Takie warunki odzwierciedlałyby rzeczywiste realia pracy silnika spalinowego a tym samym pozwoliły na otrzymanie dokładniejszych wyników. WNIOSKI Na podstawie badań oraz analiz wstępnie można założyć, że dodatek półsyntetycznego oleju 2T do oleju napędowego w proporcji 1:250 nie wpływa znacząco na zmiany właściwości fizykochemicznych paliwa. Zaobserwowano pewne różnice w wielkości stężeń produktów spalania. W większości przypadków podczas pracy silnika na mieszance olejów był to znaczny spadek wielkości. Subiektywnie zaobserwowano wyższą kulturę pracy silnika co potwierdziły badania poziomu głośności. Wobec powyższych można stwierdzić, iż stosowanie półsyntetycznego oleju 2T jako dodatek do oleju napędowego nie powinien negatywnie wpływać na środowisko naturalne oraz pracę silnika. W celu dokładniejszego zbadania efektu środowiskowego należałoby wykonać pomiary na hamowni wykorzystując do tego większą liczbę pojazdów. Niewątpliwą wadą stosowania mieszanki jest kłopotliwe dolewanie przed każdym tankowaniem oraz dodatkowe koszty poniesione na zakup oleju 2T. Streszczenie Rozwój konstrukcji silników diesla oraz stosowanie dobrych paliw są elementami niezbędnymi do spełnienia restrykcyjnych wymagań dotyczących spalin. Działania zmierzające do poprawy właściwości olejów napędowych skupiają się na kilku zagadnieniach, jednym z nich jest zmniejszenia zawartości siarki powodując tym samym pogorszenie właściwości smarnych paliwa, czego efektem jest zwiększona awaryjność silników diesla. Właściciele oraz użytkownicy samochodów nie mogą poprawić konstrukcji silnika w swoich pojazdach ale mogą zmieniać parametry paliw stosując dodatki, jednym z nich może być półsyntetyczny olej 2T stosowanych w silnikach dwusuwowych. W artykule zebrano dostępne informacje dotyczące mieszanki oleju napędowego oraz oleju 2T. Wykonano również analizę badań fizyko-chemicznych paliw oraz ich produktów spalania. W rezultacie wstępnie określenie wpływ mieszanki na pracę silnika oraz efekty ekologiczne. 7947

8 Verification of the experimental fuel mixture with the addition of semi-synthetic 2T oil Abstract Development of the construction diesel engine and good quality diesel fuels are necessary to satisfy the restrictive requirements for emissions. Actions to improve the properties of diesel fuels are focused on several issues. One of them is reduction the sulfur content thus causing degradation of the lubricating properties fuel, resulting in an increased failure rate of diesel engines. Owners and car users can not improve the engine construction in their vehicles but they can change the fuel parameters using fuel additives, one of them may be semi-synthetic 2T oil used in two-stroke engines. The article collected information on the mixture of diesel fuel and 2T oil. Performed an analysis of physicochemical properties of fuels and their combustion products concentration. As a result defined the effect of the fuel mixture on the engine and ecological effects. BIBLIOGRAFIA 1. Baczewski K., Kałdoński T., 2008: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ 2. Gunther H., 2002: Diagnozowanie silników wysokoprężnych. WKŁ 3. Gunther H., 2010: Układy wtryskowe Common Rail w praktyce warsztatowej. Budowa, sprawdzanie, diagnostyka. WKŁ 4. Mysłowski J., 1996: Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym. WNT 5. Nitske W. R., Wilson C.M., 1965: Rudolf Diesel Pioneer of the Age of Power. University of Oklahoma Press 6. Oleksiak S., Stępień Z., 2008: Zagadnienia smarności ciekłych paliw silnikowych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 7. Opracowanie własne 8. PN EN 590:2006 Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe. Wymagania i metody badań 9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2 lutego 2012 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań jakościowych dla paliw ciekłych 10. Rychter T., 1980: Abc silnika dwusuwowego. WKŁ 11. Rysunek własny sporządzony na podstawie tlc.org.pl/forum 12. Sławomir Luft: Podstawy budowy silników. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Wajand J., 1980: Silniki o zapłonie samoczynnym. WNT Zdjęcie własne 16. Czerczak S., Szymczak W., Lebrecht G., Hanke W.: Spaliny silnika Diesla. Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2005, nr 3(45) 7948