WPŁYW BIOPALIW (FAME) NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE ROZPYLACZY PALIWA SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM

Transkrypt

1 JERZY CISEK, ANDRZEJ MRUK, WOJCIECH SZCZYPIŃSKI-SALA * WPŁYW BIOPALIW (FAME) NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE ROZPYLACZY PALIWA SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM INFLUENCE OF BIO FUELS (FAME) ON THE EXPLOITATION PROPERTIES OF DIESEL ENGINE NOZZLES Streszczenie Abstract Zgodnie z wymaganiami przepisów prawa Unii Europejskiej, dotyczącymi paliw stosowanych do silników spalinowych wprowadza się do nich dodatki biopaliw, takie jak na przykład estry metylowe oleju rzepakowego (FAME). Taki dodatek biopaliw do oleju napędowego wpływa na proces spalania oraz eksploatację silnika z zapłonem samoczynnym. W niniejszej publikacji przedstawiono wyniki badań wpływu mieszanin oleju napędowego z FAME na pracę wtryskiwaczy paliwa silnika z zapłonem samoczynnym oraz wyniki oceny własności smarnych tych paliw, mających wpływ na trwałość elementów aparatury paliwowej silnika. Badania własności smarnych tych paliw przeprowadzono na stanowisku czterokulowym, oceniając dla poszczególnych paliw intensywność zużycia elementów testowych w odniesieniu do nacisku właściwego oraz obciążenia zacierającego. Słowa kluczowe: paliwa, biopaliwa, badania silnikowe, smarność In accordance with requirements of EU regulations on the fuels used in combustion engines, the bio fuel additives are introduced, like for example rape oil methyl esters (FAME). The addition of bio fuels to the diesel fuel influences the combustion process as well as the exploitation of a diesel engine. In this paper, we present the results of the investigation on the influence of a mixture of diesel fuel with FAME on the work of fuel injectors in a diesel engine and the results of the assessment of these fuels lubricity, which have an impact on the life of fuel system elements. Lubricity testing was performed on a four-ball stand. The wear intensity of test elements in relation to the specific pressure and seizing load for individual fuels was examined. Keywords: fuel, biofuel, engine research, lubricity * Dr inż. Jerzy Cisek, dr hab. inż. Andrzej Mruk, prof. PK, dr inż. Wojciech Szczypiński-Sala, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

2 Wstęp Przepisy prawne Unii Europejskiej odnośnie do paliw stosowanych do silników spalinowych wymagają wprowadzenia do nich dodatku biopaliw. W przypadku paliw dla silników wysokoprężnych są to estry metylowe oleju rzepakowego (FAME Fatty Acid Methyl Esters). Obecnie we wszystkich stacjach paliwowych w Polsce sprzedawany jest olej napędowy z dodatkiem 7% FAME. Docelowo w 2020 roku dodatek ten będzie wynosił 20%. Dodatek biopaliw do oleju napędowego wpływa na proces spalania oraz eksploatację silnika z zapłonem samoczynnym [2, 6, 9]. Przedstawione w niniejszej publikacji wyniki badań są oceną wpływu mieszanin oleju napędowego z FAME na pracę wtryskiwaczy paliwa silnika z zapłonem samoczynnym. 2. Cel i zakres pracy Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu estrów metylowych oleju rzepakowego i ich mieszanin z olejem napędowym na stopień zakoksowania rozpylaczy, oraz ocena własności smarnych tych paliw. Stopień zakoksowania decyduje o parametrach pracy wtryskiwacza, natomiast własności smarne paliwa o trwałości par precyzyjnych aparatury paliwowej sekcji tłoczących i wtryskiwaczy [7, 8, 12]. W testach badawczych stosowano 6 paliw: standardowy olej napędowy (ON), mieszaniny zawierające 30, 40, 50 i 70% komponentów estrów metylowych oleju rzepakowego (B100) z olejem napędowym (czyli odpowiednio B30, B40, B50, B70) oraz B100. Otrzymane wyniki porównano z uzyskanymi dla standardowego oleju napędowego. Zestawienie własności bazowych paliw wykorzystanych do przygotowania mieszanin zamieszczone zostało w tabeli 1. Charakterystyka własności badanych paliw Tabela 1 Właściwość Jednostka ON B100 Gęstość kg/m Lepkość mpa s 4,51 7,08 3. Badania zakoksowania rozpylaczy Badania przeprowadzono na specjalnym silniku badawczym zgodnie z testem służącym ocenie stopnia zakoksowania rozpylaczy, który zdefiniowano w dalszej części artykułu, oraz określono stopień zakoksowania otworów wylotowych rozpylaczy paliwa na specjalnym stanowisku badawczym. Dodatkowo określono wpływ badanych paliw na parametry, które pozwalają na ocenę diagnostyczną wtryskiwaczy.

3 3.1. Metody badania stopnia zakoksowania rozpylaczy 235 Badania stopnia zakoksowania rozpylaczy zrealizowano w specjalnym teście, który przeprowadzono na badawczym, szybkoobrotowym silniku wysokoprężnym SB3.1 o bezpośrednim wtrysku paliwa do komory spalania. Stanowisko pomiarowe do określania stopnia zakoksowania rozpylacza zasilanego olejem napędowym oraz testowanymi paliwami przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat stanowiska do badania zakoksowania rozpylaczy: 1 przepływomierz, 2 rozpylacz, 3 podciśnieniomierz, 4 zawór odcinający, 5 zawór regulacji podciśnienia, 6 zbiornik wyrównawczy, 7 pompa podciśnieniowa Fig. 1. Diagram of a test stand for investigating the coking level on the nozzles: 1 flowmeter, 2 nozzle, 3 vacuum gauge, 4 cut-off valve, 5 vacuum control valve, 6 equalizing tank, 7 vacuum pump 3.2. Metodyka określania stopnia zakoksowania rozpylaczy Jedną z istotnych niedogodności występujących przy stosowaniu paliw alternatywnych o parametrach fizykochemicznych, znacznie odbiegających od oleju napędowego, może być występowanie zjawiska zakoksowania rozpylaczy. Zjawisko to związane jest z osiadaniem produktów krakingu termicznego i/lub chemicznego na i w rozpylaczach paliwa. Dodatkowo zanieczyszczeniu ulega wnętrze komory spalania. Badania wtryskiwacza po teście zakoksowania rozpylacza (bezsilnikowe stanowiska pomiarowe) przeprowadzono z uwzględnieniem pomiarów i analizy parametrów, które zestawiono w tabeli 2. W celu wstępnego sprawdzenia skali intensywności zanieczyszczenia otworów wylotowych rozpylacza przeprowadzono pomiary stopnia zakoksowania rozpylaczy metodą bazującą na normach ISO 4010.

4 236 Stopień zakoksowania rozpylaczy oceniany był po realizacji 13-godzinnego testu badawczego pracy silnika SB3.1. Przebieg testu pokazano na rys. 2, gdzie uwidoczniono zmiany obciążenia (moment Mo) i prędkości obrotowej silnika (n) w czasie trwania testu. Zakoksowaniu poddawano rozpylacz pracujący w silniku zasilanym olejem napędowym oraz badanymi paliwami: B100, B70, B50, B40, B30. Rys. 2. Przebieg testu badawczego realizowany w celu zakoksowania rozpylaczy paliwa Fig. 2. Course of the investigation test performed with the purpose of coking the nozzles Pomiar zakoksowania polega na określaniu przepustowości otworów wylotowych rozpylacza. Natężenie przepływu powietrza, przy podciśnieniu wynoszącym 0,6 bara, mierzone było laboratoryjnym rotametrem. Jest ono miarą zakoksowania rozpylacza. Zmniejszenie przepustowości otworów wylotowych rozpylacza o 25% (lub więcej) dyskwalifikuje paliwo zasilające silnik i/lub warunki pracy silnika (parametry eksploatacyjne, regulacyjne i konstrukcyjne silnika). Jednocześnie należy wyraźnie podkreślić, że dopuszczalna przepustowość rozpylacza jest warunkiem koniecznym, jakkolwiek niewystarczającym, do dopuszczenia układu paliwo silnik do współpracy. Jednocześnie spełnione muszą być wszystkie parametry określone normami ISO Wyniki i analiza badań stopnia zakosowania rozpylaczy paliwa Wyniki przeprowadzonych badań zakoksowania rozpylaczy, po teście silnikowym, zestawiono w tabeli. 2. W celu ułatwienia analizy wpływu stosowanych paliw na poprawność pracy wtryskiwacza wraz z rozpylaczem wszystkie badane parametry zamieszczono w jednej tabeli.

5 237 Zastosowano następującą skalę ocen końcową oraz oddzielnie dla każdego z parametrów: poprawnie (+), dopuszczalnie na granicy dopuszczenia (+/ ) niedopuszczalnie ( ) Tabela 2 Ocena wpływu badanych paliw na parametry pracy wtryskiwacza paliwa PARAMETR czysty rozp. PALIWO ON B30 B40 B50 B70 B100 przepustowość otworów rozpylacza [dm 3 /h] procentowy spadek przepustowości otworów rozpylacza [%] ocena przepustowości otworów rozpylacza (+) (+) (+) (+) (+/ ) ( ) zakoksowanie zewnętrznej części rozpylacza (+) (+) (+) (+/ ) ( ) ( ) ocena spływu iglicy rozpylacza (+) (+) (+) (+) ( ) ( ) ocena podciekania rozpylacza (+) (+) (+) (+) (+/ ) ( ) ocena statycznego ciśnienia otwarcia wtryskiwacza (+) (+) (+) (+) (+/ ) (+/ ) ocena dźwięku podczas rozpylania paliwa na próbniku (+) (+) (+) (+) (+/ ) (+/ ) ocena jakości i położenia strug paliwa z rozpylacza (+) (+) (+) (+) (+/ ) (+/ ) OCENA KOŃCOWA (+) (+) (+) (+/ ) ( ) ( ) Z analizy wyników badań wynika, że paliwa typu B100 i B70 muszą zostać zdyskwalifikowane z uwagi na poprawność pracy wtryskiwacza z rozpylaczem. Dotyczy to zarówno oceny przepustowości otworów rozpylacza, zakoksowania zewnętrznej części rozpylacza (co wiąże się również z ilością nagarów na denku tłoka i w komorze spalania oraz na gniazdach zaworowych), oceny spływ iglicy rozpylacza, oceny podciekania rozpylacza, oceny dźwięku podczas rozpylania paliwa na próbniku oraz oceny jakości, jak i położenia strug paliwa z rozpylacza. Paliwa typu B30 i B40 w teście zakoksowania rozpylacza nie budzą zasadniczo żadnych wątpliwości. W tych przypadkach test zakoksowania rozpylaczy spełniony jest w pełni pozytywnie. Paliwo typu B50 spełnia wymagania odnośnie do oceny przepustowości otworów rozpylacza, oceny spływ iglicy rozpylacza, oceny podciekania rozpylacza, oceny dźwięku podczas rozpylania paliwa na próbniku oraz oceny jakości i położenia strug paliwa z rozpylacza, natomiast niepokoić może znacząca ilość nagarów na zewnętrznej części rozpylacza. Nie zmienia to faktu, że paliwo tego typu (B50) może być brane pod uwagę w szczególnych sytuacjach. Wszystkie testy badawcze (zakoksowania rozpylaczy) realizowane były na wtryskiwaczach z czystymi i sprawnymi technicznie rozpylaczami paliwa. Zastosowanie np. paliwa typu B50 w silniku z wtryskiwaczami zużytymi (niesprawnymi technicznie) spowoduje,

6 238 że negatywne skutki wpływu takiego paliwa będą skumulowane w odniesieniu do skutków określonych w teście badawczym. Wygląd końcówek rozpylaczy po teście zakoksowania przedstawiono na rys Rys. 3. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na paliwie B100 Fig. 3. General view of the nozzle after the coking test on the fuel B100 Rys. 4. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na paliwie B70 Fig. 4. General view of the nozzle after the coking test on the fuel B70 Rys. 5. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na paliwie B50 Fig. 5. General view of the nozzle after the coking test on the fuel B50

7 239 Rys. 6. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na paliwie B40 Fig. 6. General view of the nozzle after the coking test on the fuel B40 Rys. 7. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na paliwie B30 Fig. 7. General view of the nozzle after the coking test on the fuel B30 Rys. 8. Widok ogólny rozpylacza paliwa po teście zakoksowania na oleju napędowym (B00) Fig. 8. General view of the nozzle after the coking test on the diesel fuel (B00)

8 240 Rys. 9. Widok ogólny rozpylacza paliwa przed testem zakoksowania Fig. 9. General view of the nozzle before the coking test 4. Własności smarne Badania własności smarnych paliw przeprowadzono na stanowisku czterokulowym. Badano wymiar śladu zużycia w odniesieniu do obciążenia skorygowanego i nacisku właściwego oraz obciążenia zacierającego dla poszczególnych paliw Metodyka badań tribologicznych Podczas testów elementami badawczymi były standardowe kule o średnicy ½ każda, wykonane ze stali łożyskowej ŁH15 o twardości HRC. Kula zamocowana w górnym uchwycie obraca się wraz z nim z prędkością 1500 obr./min, co odpowiada prędkości tarcia 0,55 m/s. Każda z prób trwała 60 minut. Początkowa temperatura próbek paliwa wynosiła 20 C. Należy doprecyzować tu jeszcze, iż podczas tego typu prób można wyróżnić kilka rodzajów obciążeń, jakim poddane są elementy testowe: obciążenie nadane P obciążenie przyłożone do współpracujących elementów, obciążenie rzeczywiste kulek P rzecz, tzn. obciążenie, które występuje między dolnymi kulkami a kulką górną; oblicza się je według rozkładu sił w układzie regularnego czworościanu P rzecz = 0,408 P, nacisk właściwy p wł, tzn. nacisk, który przypada na zwiększoną w wyniku zużycia powierzchnię styku kul gdzie:, p wł = 052 P 2 d d średnica śladu zużycia przy danym obciążeniu P, 0,52 współczynnik przeliczeniowy, obciążenie skorygowane PD P = H skor d

9 241 gdzie: P obciążenie nadane [N], D H średnica odkształcenia sprężystego kulki według Hertza przy danym obciążeniu statycznym; można ją obliczyć ze wzoru: D H = 0, P Wyniki badań Wyniki badań wykazują istotne zróżnicowanie własności pomiędzy czystym olejem napędowym a jego mieszaninami z dodatkami biokomponentów. Zarówno średnia siła tarcia, jak i wymiar śladów, które pozostały na kulkach, są większe dla ON niż dla pozostałych paliw. Wskazuje to na lepsze właściwości smarne paliw, w których zastosowano jako dodatki estry metylowe oleju rzepakowego. Szczegółową analizę można przeprowadzić na podstawie wykresów przedstawionych na rys. 10. Są to średnie wartości poszczególnych parametrów uzyskanych podczas badań. Wyniki potwierdzają, iż olej napędowy charakteryzuje się najgorszymi własnościami smarnymi spośród badanych mieszanin paliw. Wymiary śladów zużycia dla ON były największe. Najmniejszy ślad powstawał dla paliwa B100. Dla paliw B30 i B70 uzyskiwano również niewielkie wymiary śladu, bowiem ponad 30% mniejsze niż dla czystego ON. Jak wynika z powyższego zarówno czyste estry, jak i wszystkie badane mieszaniny wykazują znacznie lepsze właściwości smarne niż sam olej napędowy. Podczas prób temperatury badanych paliw osiągały wartości rzędu 65 C, przy czym dla czystego oleju napędowego temperatura ta sięgała 70 C i w tym czasie również dawał się zauważyć stały niewielki wzrost siły tarcia. Zestawienie dla poszczególnych prób wymiary śladów zużycia z odpowiadającym im obciążeniem właściwym, które przypada na zwiększoną w wyniku zużycia powierzchnię styku kul, obrazuje skalę zwiększenia obciążenia jednostkowego na powierzchni kontaktu elementów testowych. Oczywiście będzie ono największe dla najmniejszego wymiaru śladu zużycia. Wyznaczone obciążenie zacierające (rys. 11) było najmniejsze dla czystego oleju napędowego, co wskazuje, że paliwo to posiada najmniejszą odporność na zacieranie w testowanym węźle tarcia. Pozostałe paliwa charakteryzują się znacznie większymi obciążeniami zacierającymi w stosunku do czystego oleju napędowego.

10 242 Rys. 10. Średni wymiar śladu zużycia w odniesieniu do obciążenia skorygowanego i nacisku właściwego Fig. 10. Mean dimension of the wear trace in relation to the corrected load and the specific pressure Rys. 11. Wartości obciążenia zacierającego dla poszczególnych paliw w [N] Fig. 11. Values of the seizing load for each fuel [N]

11 5. Wnioski 243 Przeprowadzone badania testu zakoksowania rozpylaczy paliwa, wzbogacone o ocenę przepustowości otworów rozpylacza, zakoksowanie zewnętrznej części rozpylacza, ocenę spływ iglicy rozpylacza, podciekania rozpylacza, ocenę dźwięku podczas rozpylania paliwa na próbniku oraz ocenę jakości i położenia strug paliwa z rozpylacza pozwalają na stwierdzenie, że paliwa typu B100 i B70 muszą zostać zdyskwalifikowane z punku widzenia ich wpływu na poprawność pracy wtryskiwacza z rozpylaczem. Paliwo B50 powoduje stosunkowo dużą ilość nagarów na zewnętrznej części rozpylacza, jednak paliwo tego typu B50 może być brane pod uwagę ze względów eksploatacyjnych. Paliwa typu B30 i B40 przeszły pozytywnie test zakoksowania. Przeprowadzone badania tribologiczne wykazały, że nawet mały dodatek estrów metylowych kwasów tłuszczowych olejów roślinnych wpływa korzystnie na własności smarne paliw. W oparciu o wyniki przeprowadzonych pomiarów można sformułować stwierdzenia: czysty olej napędowy charakteryzuje się znacznie mniejszą smarnością od pozostałych badanych paliw, a nawet mały dodatek biokomponentu do oleju napędowego znacznie zwiększa jego smarność. Ma to korzystny wpływ na trwałość elementów aparatury wtryskowej silnika. Po przeprowadzonych badaniach, teście zakoksowania i własności smarnych, paliwa typu B30 i B40 pod względem eksploatacyjnym można ocenić pozytywnie. Literatura [1] C i s e k J., S z l a c h t a Z., The autoignition deal of vegetable fuels at temperature inside combustion chamber of diesel engine, International Conference AGROTECH, Nitra [2] C i s e k J., M r u k A., Naturalny olej rzepakowy jako paliwo do silników wysokoprężnych dużej mocy, Systemy, technologie i urządzenia energetyczne, t. 1, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2010, [3] G o o d r u m J.W., G e l l e r D.P., Influence of fatty acid metyl esters from hydroxylated vegetable oils on diesel fuel lubricity, Bioresource Technology 96, [4] J e n k i n s S.R. i in., Diesel fuel lubricity development of a constant load scuffing test using the ball on cylinder lubricity evaluator, SAE Technical Paper [5] L o t k o W., L o n g w i c R., Study of chosen parameter of the combustion process of vegetable fuel in transient conditions, 31 st ISATA, Düsseldorf, [6] L o t k o W., Ocena emisji składników spalin silnika wysokoprężnego zasilanego mieszaninami oleju napędowego z estrami metylowymi oleju rzepakowego, Archiwum motoryzacji 4/2006. [7] Q u J., T r u h n a n J.T., B l a u P.J., Investigation of the scuffing characteristics of candidate material for heavy duty diesel fuel injectors, Tribology International 38, [8] Q u J., T r u h n a n J.T., B l a u P.J., Scuffing transition diagrams for heavy duty diesel fuel injector material In ultra low sulphur fuel lubricated environment, Wear 259, [9] S z l a c h t a Z., Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi, WKiŁ, Warszawa 2002.

12 244 [10] S z c z y p i ń s k i - S a l a W., S t r z ę p e k P., Własności smarne wybranych kompozycji biopaliw do silników o zapłonie samoczynnym, Czasopismo Techniczne z. 8-M/2008, Kraków [11] Wa i n K.S., P e r e z J.M., C h a p m a n E., B o e h m a n A.L., Alternative and low sulfur fuel options: boundary lubrication performance and potential problems, Tribology International 38, [12] W i e l l i g h A.J., B u r g e r N., W i l c o c k s T.L., Diesel engine failures due to combustion disturbances, caused by fuel with insufficient lubricity, Industrial Lubrication and Tribology, Vol. 55, No. 2, 2003.