KOROZJA STALI ZAWOROWYCH WYWOŁANA SPALINAMI BIOPALIW

Transkrypt

1 KOROZJA STALI ZAWOROWYCH W SILNIKACH SAMOCHODOWYCH, WYWOŁANA SPALINAMI BIOPALIW

2 Plan prezentacji 1. Wprowadzenie a) sytuacja na ogólnoświatowym rynku paliw b) alternatywne źródła energii c) innowacyjne nośniki energii w przemyśle motoryzacyjnym d) analiza parku samochodowego w Polsce 2. Wysokotemperaturowa korozja zaworów silnikowych a) zawory silnikowe: skład stali i warunki pracy b) biopaliwa stosowane w przemyśle motoryzacyjnym c) korozja stali zaworowych w warunkach izotermicznych d) korozja stali zaworowych w warunkach szoków termicznych 3. Podsumowanie

3 Konsekwencje eksploatacji paliw kopalnych Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych Obniżenie bezpieczeństwa energetycznego poszczególnych regionów świata Wzrost cen paliw kopalnych Degradacja środowiska naturalnego Destabilizacja klimatu Pogorszenie stanu zdrowia ludności w wyniku wzrostu zanieczyszczenia.

4 Prognoza poziomu konsumpcji energii do roku J World Ene ergy Consumption / Oil Consumption G barrels 36.59% Increasing factor: every year in Natural Gas Consumption T m % Uranium Consumption 78. k tons 6.17% Coal Consumption G tons 26.49% Natural Gas Coal 24 Natural Gas Exhaustion T m 3 2,5 Oil U Hydro & Others, Hydro 234 & Others Oil Exhaustion Uranium Year Exhaustion 7.49% T barrels M tons 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1, Ratio to Coal Exhaustion 1.1 T tons

5 Alternatywne źródła energii Energia słoneczna (ogniwa i kolektory słoneczne) Energia jądrowa Zimna i gorąca fuzja Energia geotermalna Energia wiatru Energia wodna Energia fal morskich Biopaliwa

6 Nośniki energii w motoryzacji Klasyczne paliwa ciekłe (benzyny i oleje napędowe) Gaz ziemny (propan-butan) Biopaliwa Prąd elektryczny Wodór Inne (sprężone powietrze, metan, itp.)

7 Schemat ideowy koncepcji prof. K. Hashimoto zastosowania metanu, jako nośnika energii

8 Aktualnie stosowane bio-dodatki do paliw płynnych Alkohol etylowy (dodatek do benzyny) Estry metylowe kwasów tłuszczowych, FAME (dodatek do oleju napędowego)

9 Udział biokomponentów w paliwach stosowanych w branży motoryzacyjnej 11 NCW / % ,2 5,75 7,55 7,1 6,65 8, 8,45 8,9 9,35 1, 9,75 4,6 5 NWC (Narodowy Cel Wskaźnikowy) w/g wartości opałowej [%] Rok

10 Paliwa stosowane w branży motoryzacyjnej w Polsce Trend 28/27 / % Stan z dn Benzyna Diesel LPG b.d. Udział w rynku / %

11 Park samochodów osobowych w Polsce ( ) Średni wiek samochodu - 13,9 lat Udział w rynku / % Udział w rynku / mln szt > 3 Wiek pojazdu

12 Udział wiekowy samochodów osobowych eksploatowanych w Polsce 8 Udział procentowy / % , ,2 19, ,7 63,3 11,5 66,1 68,1 69,8 Wiek pojazdów do 5 lat powyzej 1 lat 11,6 12, 11, Rok

13 Przekrój poprzeczny silnika czterosuwowego rzędowego o zapłonie iskrowym, Fiat 1 zawór wylotowy, 2 kanał wylotowy spalin, 3 kolektor spalin, 4 zawór dolotowy, 5 kanał dolotowy mieszanki paliwowo powietrznej, 6 komora spalania 7 cylinder z tłokiem i korbowodem Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1988, s.327

14 Schemat zaworu wylotowego 1 grzybek - stal austenityczna Cr-Ni-W-Mo 1 grzybek - stal austenityczna Cr-Ni-W-Mo w stanie przesyconym i starzonym, 2 trzonek - stal Cr-Si-Mo w stanie ulepszonym cieplnie, 3 miejsce zgrzewania tarciowego, 4 przylgnia napawana stellitem Co-Cr-W

15 Rozkład temperatury pracy zaworów wylotowych - silnik benzynowy z zapłonem iskrowym

16 Składy chemiczne spalin silników z zapłonem iskrowym i samoczynnym (% wag.) Składniki gazów spalinowych Jednostka miary Silniki z zapłonem iskrowym samoczynnym Ocena toksyczności Azot % obj Obojętny Tlen % obj.,3-8, 2,-18, jw. Para wodna % obj. 3,-5,5,4-5, jw. Dwutlenek węgla % obj. 5,-12, 1,-1, jw. Tlenek węgla % obj. 5,-1,,1-,5 Toksyczny Tlenki azotu % obj.,-,8,2-,5 jw. Węglowodory % obj.,2-3,,9-3, jw. Aldehydy % obj.,-,2,1-,9 jw. Sadza g/m 3,-,4,1-1,1 jw. 3,4 benzopiren g/m 3 do 15, do 1, Rakotwórczy Merkisz J., Ekologiczne problemy silników spalinowych Tom I i II. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999

17 Zawory wylotowe po 1 godz. teście silnika z zapłonem samoczynnym a.

18 Składy chemiczne stali stosowanych do wyrobu zaworów silnikowych (% wag.) Typ stali C Mn Si Cr Ni N W Nb S P Mo Fe X33CrNiMn < bal. X5CrMnNiNbN bal. X53CrMnNiN < bal. X55CrMnNiN < bal.

19 Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania kinetyki utleniania stali zaworowych Przepływomierze Manometr Mikrowaga Próbka Pompa Wylot Piece Ar/He O 2 21% O 2-79%N 2 N 2 Mieszalnik Bulbutiery

20 He Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania szybkości korozji w wieloskładnikowej atmosferze utleniającej Przepływomierze Mikrowaga Płuczki Taśma grzejna Próbka H O + CH COOH 2 3 O 2 N 2 Piece

21 Stanowisko do badania korozji w warunkach szoków termicznych na hamowni silnikowej

22 Hybrydowa głowica reakcyjna

23 Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych liniowy układ współrzędnych m/s / mg cm -2 1 X5CrMnNiNbN21-9 p. O2 = 2,1 1 4 Pa 5 T = 1273 K X55CrMnNiN2-8 p. O2 = 2,1 1 4 Pa czas / h T = 1173 K T = 173 K T = 973 K T = 1273 K m/s / mg cm -2 1 X53CrMnNiN2-8 5 p O2 = 2, Pa T = 1273 K X33CrNiMn23-8 p. O2 = 2,1 1 4 Pa czas / h T = 1173 K T = 173 K T = 973 K T = 1273 K m/s mg cm T = 1173 K T = 173 K T = 973 K 5 1 czas / h m/s / mg cm -2 1 T = 1173 K T = 173 K T = 973 K 5 1 czas / h

24 Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych paraboliczny układ współrzędnych ( m/s) 2 / mg 2 cm -4 ( m/s) 2 mg 2 cm -4 5 X5CrMnNiNbN21-9 p. O2 = 2,1 1 4 Pa T = 1273 K T = 1173 K T = 173 K X55CrMnNiN2-8 p. O2 = 2,1 1 4 Pa czas / h T = 1273 K T = 173 K 5 1 czas / h T = 1173 K ( m/s) 2 / mg 2 cm -4 ( m/s) 2 / mg 2 cm -4 1 X53CrMnNiN2-8 5 p O2 = 2, Pa T = 1273 K T = 173 K X33CrNiMn23-8 p O2 = 2, Pa czas / h T = 1173 K T = 1273 K T = 1173 K T = 173 K 5 1 czas / h

25 Ciśnieniowa zależność szybkości utleniania stali zaworowej X53CrMnNiN2-8, uzyskana w temperaturze 1173 K 1-9 X53CrMnNiN2-8 T = 1173 K / g 2 cm -4 s k p / Pa p O2

26 Temperaturowa zależność szybkości utleniania badanych stali zaworowych T / K p O2 = 2,1 1 4 Pa p / g 2 cm -4 s -1 k p X33CrNiMn X5CrMnNiNbN21-9 X53CrMnNiN2-8 X55CrMnNiN T / K -1

27 Kinetyka korozji badanych stali zaworowych w warunkach szoków termicznych m/s 1 3 / g cm X33CrNiMn23-8 steel T = 973 K air combustion gases of fuel oil B5 combustion gases of fuel oil B1 1 cycle = 2h air + H 2 O Number of thermal shocks m/s 1 /g cm X5CrMnNiNbN21-9 steel T = 973 K combustion gases of fuel oil B1 air combustion gases of fuel oil B5 air + H 2 O 1 cycle = 2h Number of thermal shocks m/s 1 /g cm X53CrMnNiN2-8 steel T = 973 K air air + H 2 O combustion gases of fuel oil B1 combustion gases 1 cycle = 2h of fuel oil B m/s 1 / g cm X55CrMnNiN2-8 steel T = 973 K 1 cycle = 2h air air + H 2 O combustion gases of fuel oil B5 combustion gases of fuel oil B1 Number of thermal shocks Number of thermal shocks

28 Kinetyka korozji badanych stali zaworowych w warunkach szoków termicznych 1 X33CrNiMn23-8 steel T = 1173 K air + H 2 O 1 X5CrMnNiNbN21-9 steel T = 1173 K m/s 1 / g cm combustion gases of fuel oil B5-2 combustion gases of fuel oil B1 1 cycle = 2h Number of thermal shocks air m/s 1 /g cm air + H 2 O -3-4 combustion gases of fuel oil B1-5 combustion gases -6 1 cycle = 2h of fuel oil B Number of thermal shocks air 1 X53CrMnNiN2-8 steel T = 1173 K air 1 X55CrMnNiN2-8 steel T = 1173 K air m/s 1 /g cm combustion gases of fuel oil B1 combustion gases of fuel oil B5 air + H 2 O 1 cycle = 2h m/s 1 / g cm cycle = 2h combustion gases of fuel oil B1 combustion gases of fuel oil B5 air + H 2 O Number of thermal shocks Number of thermal shocks

29 Obrazy próbek stali zaworowych poddanych korozji w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w atmosferach agresywnych

30 Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X33CrNiMn23-8 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) a) po 5 cyklach b) po 5 cyklach Intensity / a. u. 2 2 X33CrNiMn23-8 steel Cr 15 2 O 3 (Mn,Fe,Cr) 3 O Intensity / a. u X33CrNiMn23-8 steel Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 Cr 2 O 3 steel Θ / deg Θ / deg

31 Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X5CrMnNiNbN21-9 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) a) po 2 cyklach b) po 15 cyklach Intensity / a. u X5CrMnNiNbN21-9 steel Fe 3 O 4 (Cr,Fe) 2 O 3 NiCr 2 O 4 (Nb,Cr)O 2 (Fe,Nb) 3 O 4 Intensity / a. u X5CrMnNiNbN21-9 steel Fe 2 O 3 Fe 3 O Θ / deg Θ / deg

32 Obraz SEI zgorzeliny powstającej na stali X5CrMnNiNbN21-9 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w spalinach B1

33 Obrazy SEI zgorzelin powstających na wybranych stalach zaworowych w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w spalinach B1 X33CrNiMn23-8 X5CrMnNiNbN21-9

34 PODSUMOWANIE Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły przypuszczenia, iż dodatek do oleju napędowego biokomponentów pogarsza odporność stosowanych aktualnie stali do wyrobu zaworów silnikowych na agresywne działanie spalin. Można więc sformułować wniosek, że podwyższenie zawartości biokomponentów w oleju napędowym z 5 do 1 % wag. wykluczyłoby praktycznie możliwość stosowania stali o mniejszej niż 23 % chromu do wyrobu zaworów. Stal X33CrNiMn23-8 mogłaby być w zasadzie używana do tego celu, jednakże należałoby rozważyć podwyższenie o 2-3 % zawartość chromu w tym materiale lub zastosowanie odpowiednich powłok ochronnych.

35 Dziękuję za uwagę