NIEKTÓRE WŁASNOŚCI MIESZANIN OLEJÓW ROŚLINNYCH I PALIW DO SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Transkrypt

1 WOJCIECH SZCZYPIŃSKI-SALA * NIEKTÓRE WŁASNOŚCI MIESZANIN OLEJÓW ROŚLINNYCH I PALIW DO SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM SELECTED PROPERTIES OF VEGETABLE OIL AND FUEL BLENDS FOR DIESEL ENGINE Streszczenie Abstract W artykule zaprezentowano wyniki badań wybranych własności paliw do silników o zapłonie samoczynnym. Paliwa ze źródeł odnawialnych wprowadzane są obecnie na coraz szerszą skalę. Stosowanie paliw wytwarzanych z surowców roślinnych pozwala na obniżenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery w całym cyklu produkcji i użytkowania paliwa. Do olejów napędowych stosowane są domieszki biokomponentów, takich jak alkohole czy rafinowany olej rzepakowy. Domieszki tego typu wpływają na własności paliwa, jego gęstość i lepkość, a zwłaszcza własności smarne. W artykule opisano wyniki prób oceny własności smarnych mieszanek oleju napędowego z metanolem oraz rafinowanym olejem rzepakowym. Słowa kluczowe: paliwa, biopaliwa, smarność, aparat czterokulowy Paper presents selected properties of the tested fuels, which could be used for diesel engine fueling. Alternative fuels are one solution to improve future engine development. Biofuels are, so called carbon neutral fuels, because if vehicles are run on biofuels, no additional carbon dioxide is released into the atmosphere. Use of biodiesel is one solution to improving the lubricity of diesel fuels too. The rape oil can reduce friction when used as an additive in diesel fuel. Oil from crushed oil-seed rape can be blended with mineral fuel. The paper presents ethanol and refined rape oil as blending components for fossil fuel. In the paper bench tests comparing friction and wear characteristics of the fuel blends with rape oil are described. The results were obtained in laboratory tests using the four-ball wear test stand. Keywords: fuel, biofuel, lubricity, four ball test * Dr inż. Wojciech Szczypiński-Sala, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

2 Wstęp Na całym świecie zużycie ropy naftowej stale rośnie. W dużej części stanowi ona surowiec do produkcji paliw silnikowych. Wynika stąd coraz bardziej paląca potrzeba szerszego stosowania paliw alternatywnych. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie biopaliw, czyli paliw pochodzących z produktów roślinnych, takich jak alkohole, czy oleje roślinne. Wskazane rozwiązanie stanowi jednocześnie sposób spełnienia coraz ostrzejszych ograniczeń wielkości emisji gazów do atmosfery, bowiem stosowanie paliw wytwarzanych z surowców roślinnych pozwala na obniżenie emisji gazów cieplarnianych w całym cyklu produkcji i użytkowania paliwa. Stwarza możliwość obniżenia emisji węglowodorów, tlenku węgla i cząstek stałych przy spalaniu paliwa w silniku. Zatem są to niewątpliwie korzyści środowiskowe wykorzystania takich paliw. Kolejna znaczącą ich zaletą jest łatwość produkcji nie wymagają stosowania zaawansowanych technologii. Biopaliwa rzepakowe z tego punktu widzenia to rozwiązanie znacznie lepsze niż paliwa mineralne. Są to paliwa niewątpliwie bardziej ekologiczne, nietoksyczne i pochodzące z odnawialnego źródła. Biopaliwa ulegają degradacji szybciej niż ropopochodny olej napędowy, nie zawierają siarki ani węglowodorów aromatycznych. Ich właściwości odbiegają jednak nieco od właściwości oleju napędowego, co wymusza konieczność ich bardziej wnikliwej oceny [3, 4]. Ocena przydatności każdego paliwa silnikowego wymaga szerokiego zakresu badań, zarówno laboratoryjnych, pozwalających ocenić własności fizyko chemiczne paliwa, jak i badań silnikowych na hamowni i eksploatacyjnych. Własności paliwa decydowały będą o ilości powstających osadów i nagarów. Wykorzystanie paliwa o odmiennych cechach wpływa również na wielkość emisji składników toksycznych, które podlegają ograniczeniom ujętym w normach. Nie bez znaczenia też pozostaje wpływ paliwa na stopień zużycia poszczególnych elementów silnika, w tym układu korbowo-tłokowego, łożysk, a zwłaszcza smarowanych paliwem elementów układu zasilania [5, 6]. 2. Wykorzystanie biopaliw Możliwości zastosowania olejów roślinnych jako paliwa do silników spalinowych były rozważane praktycznie od momentu pojawienia się tego rodzaju silników. Próby zastosowania surowego, tłoczonego oleju roślinnego do zasilania silników o zapłonie samoczynnym (ZS) podejmowano już od lat 50. ubiegłego wieku. Silnym impulsem do intensyfikacji prac w tym zakresie i wykorzystania przemysłowego roślin oleistych stały się kryzysy paliwowe w latach 70. Zaczęto postrzegać rośliny jako odnawialne źródło ekologicznych paliw do silników spalinowych. Rozważano miedzy innymi możliwość wykorzystania mieszanin olejów roślinnych z olejem napędowym. Oleje roślinne dają się mieszać z paliwami z ropy naftowej w dowolnych proporcjach. Jak się wydaje, jest to najprostszy sposób umożliwiający zastosowanie oleju roślinnego jako paliwa do silników ZS bez konieczności wprowadzania istotnych zmian konstrukcyjnych silnika. Spośród alkoholi, jako potencjalne paliwa, najczęściej brane są pod uwagę alkohol metylowy i etylowy. Wiele ich cech jednak stwarza trudności przy próbach stosowania w czystej postaci. Można tu wskazać własności korozyjne i niszczące działanie na niektóre tworzywa sztuczne, a także słabe własności smarne. W przypadku prób zastosowania alkoholi do zasilania silników wysokoprężnych konieczne okazują się zmiany konstrukcyjne, a co najmniej znaczące zmiany regulacyjne silnika. Największe możliwości aplikacji wydają się dawać roztwory alkoholi w oleju napędowym.

3 211 Również stosowanie olejów roślinnych bezpośrednio, bez przetworzenia jako paliwa, do silników ZS napotyka trudności wynikające z ich odmiennych od ropopochodnego oleju napędowego cech fizykochemicznych. Odmienność ta pojawia się głównie ze względu na obecność w surowym oleju większej liczby wiązań nienasyconych, czego konsekwencją jest jego mniejsza odporność termiczna i oksydacyjna. Drugim bardzo istotnym czynnikiem ograniczającym jest ich zbyt duża lepkość, która może jeszcze się zwiększać w wyniku reakcji polimeryzacji składników o charakterze nienasyconym. Estry glicerynowe kwasów tłuszczowych w postaci wielocząsteczkowych struktur, które są głównym składnikiem olejów roślinnych, przyczyniają się również do zanieczyszczania komory spalania silnika. 3. Zakres prowadzonych prób W laboratorium Instytutu Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych wykonano próby oceny własności kilku kompozycji paliw. W celu oceny własności mieszanin przeprowadzono pomiary gęstości metodą piknometryczną, lepkości oraz smarności. Porównawczej ocenie poddano oleje napędowe zimowy i letni, oraz ich mieszaniny z etanolem, rafinowanym olejem rzepakowym, uzyskiwanym na drodze zimnego tłoczenia nasion rzepaku, a dodatkowo mieszanin z lekką benzyną, otrzymywaną przez obróbkę frakcji ropy naftowej, będącej złożoną mieszaniną węglowodorów o liczbie atomów węgla głównie w zakresie od C4 do C11, wrzących w zakresie temperatur od ok. 20 do 190 C. Badania wykonano na przygotowanych następujących próbkach paliw: olej napędowy, rafinowany olej rzepakowy, mieszaniny oleju napędowego z olejem rzepakowym dodanym w ilości 3, 5 i 10% objętościowo, mieszaniny oleju napędowego z benzyną lekką dodaną w ilości 2, 5 i 10% objętościowo, oraz mieszaniny z etanolem w takich samych proporcjach. Zestawienie badanych mieszanin przedstawiono w tabeli 1. Zestawienie badanych paliw Udział składnika w mieszaninie [%] Tabela 1 Olej napędowy Olej rzepakowy Benzyna lekka Etanol Ocenę smarności przeprowadzono na aparacie czterokulowym. Elementami badawczymi były standardowe kule (zgodnie z zaleceniami norm dotyczącymi aparatu czterokulowego) o średnicy ½ każda, wykonane ze stali łożyskowej ŁH15 o twardości HRC i chropowatości powierzchni Ra = 0,032 µm. Wszystkie kule przed testami były dokładnie odtłuszczane. Kula zamocowana w górnym uchwycie obracała się wraz z nim z prędkością 1500 br./min, co odpowiada prędkości tarcia 0,55 m/s. Początkowa temperatura próbek paliwa wynosiła 20 C. Obciążenie przyłożone podczas współpracy kul wynosiło 200 N. Z wagi na to, że punkty styku kul leżą poza osią wrzeciona napędu uchwytu górnej kulki, elementy testowe, którymi są współpracujące kulki, poddane są następującym obciążeniom:

4 212 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, p wł = 052 P 2 d gdzie: d średnica śladu zużycia przy danym obciążeniu P; 0,52 współczynnik przeliczeniowy, obciążenie skorygowane gdzie: P D H P skor = PDH d obciążenie nadane [N]; średnica odkształcenia sprężystego kulki według Hertza przy danym obciążeniu statycznym; można ją obliczyć ze wzoru: D H = 0, P Dla każdej z próbek paliw wykonano testy trwające 60 minut, a dla każdej serii pomiarów przeprowadzono co najmniej trzy powtórzenia testu. Po każdym z testów mierzono średnicę śladów tarcia pozostałych na elementach testowych. Pomiary wykonywano na mikroskopie optycznym Nikon MM-40, mierząc średnicę równolegle i prostopadle do widocznych śladów tarcia na trzech kulkach z danego testu, a następnie liczono średnią arytmetyczną, którą przyjmowano za średnią średnicę śladu w danym teście badawczym. Sposób pomiaru ilustruje rys. 1, na którym przedstawiono obraz śladu tarcia na kulce w powiększeniu. Rys. 1. Widok śladu tarcia na kulce i jego wymiar Fig. 1. Trace on the test ball and his width

5 4. Własności mieszanek paliw 213 Przedstawione poniżej wyniki pomiarów wskazują zróżnicowanie ocenianych własności czystego oleju napędowego i jego mieszanek z biododatkami. Różnica pomiędzy gęstością oleju napędowego i oleju rzepakowego przekracza 10%. Przy małych domieszkach oleju rzepakowego gęstość wzrasta nieznacznie, przy 10% jego dodatku otrzymane paliwo charakteryzuje się gęstością od 830 do 850 kg/m 3 w zależności od oleju napędowego będącego podstawą mieszaniny, co obrazuje rys. 2. Dla porównania oleje napędowe wykorzystane do sporządzenia mieszanek miały gęstość równą odpowiednio 818 kg/m 3 dla oleju 1 i 829 kg/m 3 dla oleju 2. Dodanie do oleju napędowego zarówno metanolu, jak i lekkiej benzyny wpływa jedynie nieznacznie na gęstość uzyskanej mieszaniny. W granicach do 10% dodatku gęstość zmienia się maksymalnie jedynie o 0,3%. Znacznie bardziej istotne różnice dają się zauważyć w przypadku lepkości. Olej rzepakowy ma wysoką lepkość z pomiarów wynika, iż przewyższa ona ponad 20-krotnie lepkość oleju napędowego. Podczas gdy lepkość oleju napędowego w temperaturze 20 o C wynosi 4,5 mpa s to rafinowanego oleju rzepakowego wynosi 74 mpa s. Dla 10% mieszaniny wzrost lepkości można ocenić na poziomie kilku procent, wynosiła ona bowiem dla tej mieszaniny 5,5 mpa s, jak jest to widoczne na rys. 4. W przypadku dodatku etanolu lepkość paliwa ulegała niewielkiej zmianie rzędu 3%, natomiast dodatek benzyny powodował obniżenie lepkości o około 30%, co ilustruje rys. 5. Można stwierdzić, iż o ile sam rafinowany olej rzepakowy lepkością znacznie odbiega od paliw ropopochodnych, o tyle jego mieszaniny z olejem napędowym, podobnie jak mieszaniny oleju napędowego z etanolem lub benzyną, mają własności zbliżone do powszechnie stosowanych paliw. Rys. 2. Gęstość mieszanek oleju napędowego i oleju rzepakowego Fig. 2. Density of tested fuel and rape oil blends

6 214 Rys. 3. Gęstość mieszanek oleju napędowego z benzyną i etanolem Fig. 3. Density of tested fuel and light petrol, ethanol blends Rys. 4. Wyznaczona lepkości paliwa z zależności od zawartości oleju rzepakowego Fig. 4. Fuel blend viscosity plotted against rape oil percentage

7 215 Testy wykonane na aparacie czterokulowym potwierdzają dobre właściwości smarne ocenianych paliw z dodatkiem rafinowanego oleju rzepakowego. Wymiary śladów, które pozostały na testowych kulkach, w porównaniu z czystym olejem napędowym są mniejsze w ich przypadku o kilkanaście procent, przy 10% dodatku oleju rzepakowego, a już 3% dodatek powoduje zmniejszenie śladu o około 5%. Współpraca w testowym węźle odbywała się przy średnim nacisku właściwym większym od 10 do 25%. Będzie on największy dla najmniejszego wymiaru śladu zużycia, co występuje dla mieszaniny oleju napędowego i 10%, największego z ocenianych, dodatku rafinowanego oleju rzepakowego. Zestawienie dla poszczególnych prób średnich wymiarów śladów zużycia oraz odpowiadającemu im obciążeniu właściwemu, które przypada na zwiększoną w wyniku zużycia powierzchnię styku kul i obrazuje skalę zmiany obciążenia jednostkowego na powierzchni kontaktu elementów testowych, przedstawiono na rys. 6. Etanol charakteryzuje się bardzo słabymi własnościami smarnymi, dlatego też wraz ze wzrostem procentowego udziału etanolu w mieszance obserwowano coraz większy wymiar skazy na kulkach po próbie smarności. Dodatek 10% etanolu powodował wzrost wymiaru skazy o 50%. Oznacza to, że maksymalne naciski na powierzchni współpracy podczas testu nie przekraczały 155 N/mm 2 i były ponad połowę mniejsze niż przy czystym oleju napędowym. Już 2% dodatek etanolu powodował wzrost wymiaru skazy na kulkach o 12%. Mniejszy wpływ na pogorszenie własności smarnych ma dodatek lekkich frakcji benzyny, bowiem 10% dodatek powodował wzrost wymiaru skazy o 20%. Naciski na powierzchni współpracy wynosiły 225 N/mm 2, czyli były niespełna 40% mniejsze niż w przypadku oleju napędowego. Ilustrują to odpowiednio wykresy na rys. 7 i 8. Rys. 5. Wyznaczona lepkość paliwa w zależności od zawartości lekkiej benzyny i etanolu Fig. 5. Fuel blend viscosity plotted against light petrol and ethanol percentage

8 216 Rys. 6. Średni wymiar skazy po testach oraz średni nacisk właściwy na powierzchni kul podczas prób przy różnej zawartości oleju rzepakowego Fig. 6. Mean width of the trace on the balls, and mean specific pressure on the ball surface during test with rape oil Rys. 7. Średni wymiar skazy po testach oraz średni nacisk właściwy na powierzchni kul podczas prób przy różnej zawartości etanolu Fig. 7. Mean width of the trace on the balls, and mean specific pressure on the ball surface during test with ethanol

9 217 Rys. 8. Średni wymiar skazy po testach oraz średni nacisk właściwy na powierzchni kul podczas prób przy różnej zawartości benzyny Fig. 8. Mean width of the trace on the balls, and mean specific pressure on the ball surface during test with light petrol 5. Wnioski Olej rzepakowy uzyskiwany w procesie tłoczenia z nasion rzepaku pod wieloma względami zbliżony jest do tradycyjnie stosowanych paliw ciekłych, jednak charakteryzuje się znacznie wyższą lepkością, co stanowi istotną przeszkodę w wykorzystaniu go w czystej postaci. Mieszaniny rafinowanego oleju rzepakowego z olejem napędowym są alternatywą dla paliw ropopochodnych, jak również estrów oleju rzepakowego z uwagi na energochłonność i koszty takiego przerobu surowego oleju. Na podstawie przedstawionych wyników pomiarów można wnioskować, iż nawet mały dodatek rafinowanego oleju rzepakowego do oleju napędowego wpływa korzystnie na własności smarne takiego paliwa. Czysty olej napędowy wykazuje się słabszymi własnościami smarnymi w porównaniu z pozostałymi badanymi paliwami. Dodatki etanolu i lekkiej benzyny do oleju napędowego bardzo znacząco pogarszają własności smarne. Mieszanki takie nie spełniają wymagań smarnościowych jako paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Paliwa będące mieszaninami oleju napędowego i rafinowanego oleju rzepakowego mogą zapewnić odpowiednie smarowania ruchomym częściom aparatury wtryskowej i z tego punktu widzenia z powodzeniem mogą być wykorzystywane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym.

10 218 Literatura [1] G o o d r u m J.W., Gell er D.P., Influence of fatty acid metyl esters from hydroxylated vegetable oils on diesel fuel lubricity, Bioresource Technology 96, [2] Norma BN-77/ [3] 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, [4] 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, [5] 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 [6] 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, 2005.