Piotr Kasprzyk 1, Sebastian Sas2 AGH w Krakowie Wybrane aspekty zastosowania biopaliw do zasilania silników spalinowych używanych w transporcie samochodowym Wprowadzenie Ze względu na ograniczone zasoby ropy naftowej, kryzysy paliwowe, a także na ochronę środowiska, w ostatnich czasach obserwuje się coraz większe zainteresowanie biopaliwami. Obecnie w transporcie drogowym stosowane są dwa rodzaje silników: silniki o zapłonie iskrowym (ZI), stosowane głównie w małych samochodach dostawczych, w samochodach osobowych, wózkach widłowych itp. oraz silniki o zapłonie samoczynnym (ZS). Silniki o zapłonie samoczynnym, potocznie nazywane silnikami Diesla są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi silnikami używanymi w transporcie drogowym. Silniki ZS montowane są w ciągnikach siodłowych, pojazdach specjalnych, pojazdach wojskowych, samochodach ciężarowych oraz samochodach dostawczych. Swoją popularność zawdzięczają wysokiej niezawodności, dużemu momentowi obrotowemu a także umiarkowanej konsumpcji paliwa. Dzięki udoskonaleniu konstrukcji tego typu silników, zastosowaniu doładowania oraz uniezależnieniu ciśnienia wtrysku paliwa od prędkości obrotowej silnika, nie ustępują one w obecnych czasach dynamicznością silnikom o zapłonie iskrowym. Niewątpliwie także różnica cen pomiędzy olejem napędowym a benzyną w latach 90tych XX wieku a także na początku XXI wieku wpłynęła na popularyzację tego typu jednostek napędowych. Zasilanie olejem roślinnym silników o zapłonie samoczynnym Już na przełomie XIX i XX wieku Rudolf Diesel używał paliwa pochodzenia roślinnego (olej arachidowy) do zasilania swojego pierwszego silnika o zapłonie samoczynnym. Początkowo ze względu na duży koszt, oleje roślinne nie znalazły szerszego zastosowania w silnikach o zapłonie samoczynnym i zostały szybko wyparte przez paliwa pochodzące z przeróbki ropy naftowej, obecnie obserwuje się ciągły wzrost zainteresowania olejami roślinnymi jako paliwem do zasilania silników o zapłonie samoczynnym [2]. Ze względu na wysoką wartość lepkości kinematycznej a także na wysoką temperaturę odparowania, olejami pochodzenia roślinnego mogą być zasilane tylko silniki o zapłonie samoczynnym. W zależności od regionu geograficznego determinującego dostępność konkretnego surowca, do zasilania silników ZS można stosować olej słonecznikowy, rzepakowy, lniany, kukurydziany, palmowy, arachidowy bawełniany, sezamowy lub kokosowy. W strefie klimatu umiarkowanego największą dostępnością oraz najniższą ceną charakteryzuje się olej rzepakowy i na nim skupiono się w dalszej części publikacji. Wytworzenie surowego oleju rzepakowego sprowadza się do wytłoczenia nasion rzepaku. Następnie z oleju usuwa się wodę i śluzy roślinne poprzez filtrację i odstanie. Tak przygotowany olej posiada mniej korzystne parametry niż oleje napędowe. W szczególności są to: lepkość kinematyczna oraz temperatura zablokowania filtra, utrudniające rozruch zimnego silnika już w temperaturach poniżej 5 o C a także zwiększające opory występujące w aparaturze wtryskowej. Alternatywą dla oleju rzepakowego są estry oleju rzepakowego będące produktem transestryfikacji oleju rzepakowego za pomocą metanolu przy użyciu katalizatora którym najczęściej jest KOH lub NaOH. [2] Estry olejów roślinnych charakteryzują się korzystniejszymi parametrami zbliżonymi do parametrów oleju napędowego. Jednakże włączenie transestryfikacji 1 Piotr Kasprzyk, AGH w Krakowie, GIG, Kraków, Polska, piotr5.kasprzyk@gmail.com 2 Sebastian Sas, AGH w Krakowie, GIG, Kraków, Polska, ssas@agh.edu.pl 9102
do procesu produkcji paliwa znacznie podwyższa jego koszty, stąd ciągle prowadzone są badania nad możliwością zasilania silników ZS surowym lub przepalonym olejem rzepakowym. Podstawowe parametry surowego oleju rzepakowego umieszczono w tabeli 1. Techniczne aspekty zasilania silników ZS olejem rzepakowym Zespół Bocheński C., Bocheńska A. [3] wykazał, iż dodatek ok. 15-20 % paliw konwencjonalnych do oleju rzepakowego znacznie poprawia jego lepkość kinematyczną a także nieznacznie zmniejsza gęstość. Autorom udało się zbliżyć do parametrów charakteryzujących olej napędowy. Zastosowanie dodatku benzyny pozwoliło na uzyskanie składu frakcyjnego zbliżonego do składu frakcyjnego oleju napędowego. We wszystkich badaniach Autorzy zwracają uwagę na problem związany z wysoką lepkością kinematyczną która niekorzystnie wpływa na rozpylenie paliwa w komorze spalania. Rozwiązanie zaproponowane przez zespół Bocheński C., Bocheńska A. [3] to podwyższenie ciśnienia wtrysku. Wtryskiwanie paliwa pod wyższym ciśnieniem powoduje oprócz lepszego wymieszania paliwa z powietrzem, zwiększenie zasięgu strugi paliwa i osadzanie się go na ściankach komory spalania co skraca żywotność oleju silnikowego. Liczba cetanowa oleju napędowego jest niższa o kilka jednostek w porównaniu do liczby cetanowej oleju napędowego przez co następuje opóźnienie samozapłonu, objawiające się miększą pracą silnika a wpływające na zmniejszenie mocy znamionowej, momentu obrotowego a także na wzrost zużycia paliwa. Tak zwana miękka praca silnika jest związana ze znacznie niższym przyrostem ciśnienia w komorze spalania silnika pracującego na oleju rzepakowym [3]. Problem ten może być częściowo rozwiązany poprzez dodatek benzyny rzędu 30% a także poprzez zwiększenie temperatury oraz ciśnienia początkowego w komorze spalania (doładowanie silnika). Wpływ niskiej liczby cetanowej, zwiększonej zwłoki samozapłonu oraz wysokiej lepkości kinematycznej na parametry pracy silnika można częściowo zniwelować poprzez zmianę kąta wyprzedzenia początku wtrysku. Zespół ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie [7] ustalił na podstawie badań najkorzystniejszą wartość kąta wyprzedzenia początku wtrysku na 15 o co oznaczało o 9 o więcej w stosunku do ustawień fabrycznych dla badanego silnika. Mimo optymalnego ustawienia wymienionego parametru odnotowano spadek mocy silnika o 15% (moc znamionowa 62,5 kw) oraz spadek momentu o 2% (wg. danych producenta 287 Nm przy 1400 obr/min) przy jednoczesnym wzroście jednostkowego zużycia paliwa o ok. 15%. Poprawę procesu spalania oleju rzepakowego można uzyskać poprzez zastosowanie układu zasilania z szyną zasobnikową typu CommonRail, w którym istnieje możliwość zastosowania początkowej dawki pilotującej, inicjującej zapłon, podwyższającej temperaturę w komorze spalania, przez co stwarzającej korzystne warunki do spalenia dawki zasadniczej [3]. Tabela 1. Porównanie parametrów oleju rzepakowego i oleju napędowego Parametr Jednostka miary Olej napędowy Olej rzepakowy Gęstość w temperaturze 15 o C kg/m 3 820 860 911 920 Lepkość kinematyczna w temperaturze 20 o C wg [3] mm 2 /s 2,90 5,00 68 97,7 Liczba cetanowa 45 55 37 38 Wartość opałowa MJ/kg 42 45 38,1 39,8 Temperatura płynięcia o C <-10 ok. -4 Temp. blokowania filtra wg. [3] o C -35..+2 +5..+18 Zawartość siarki mg/kg <50 100 Zawartość związków aromatycznych % 0 21 Temperatura zapłonu Źródło: [2], [3] Problemy związane z osadzaniem się kropli paliwa na ściankach komory spalania w przypadku olejów roślinnych można minimalizuję się poprzez zmianę kształtu komory spalania, co zostało zrealizowane w silniku L. Elsbetta, posiadającym kulistą komorę spalania znajdującą się w koronie tłoka. Silnik ten posiada także układ wtryskowy z rozpylaczami jednootworowymi z samooczyszczającą się iglicą. Jak dotąd, silnik ten nie znalazł powszechnego zastosowania. o C 9103
Ekologiczne aspekty zasilania silników ZS biopaliwami Większość badań nad czystością spalin produkowanych przez silnik ZS zasilany olejem rzepakowym wskazuje na podwyższone zadymienie spalin [5, 6]. Ilość emitowanych tlenków azotu przy zasilaniu olejem roślinnym jest porównywalna lub o kilka procent większa w stosunku do zasilania olejem napędowym [11]. Mniejsza jest zawartość toksycznych węglowodorów aromatycznych nawet o ok. 50% [4], a także cząstek stałych emisja rzędu 70% emisji przy zasilaniu olejem napędowym. Specyficzny zapach spalin jest bardziej odczuwalny w porównaniu do oleju napędowego, co spowodowane jest zwiększoną ilością aldehydów i ketonów a także węglowodorów w paliwie [11]. Oddzielnym zagadnieniem związanym z ochroną środowiska jest zagospodarowanie odpadu jakim jest zużyty olej spożywczy. Nie nadaje się on do spożycia przez zwierzęta hodowlane, nie może być on także odprowadzany do oczyszczalni ścieków. Z racji, iż jest on odpadem w którym została zmagazynowana znaczna ilość energii chemicznej, najkorzystniejszym sposobem utylizacji tego typu odpadu jest odzysk energii, który może być prowadzony w silniku o zapłonie samoczynnym. Tego typu pomysł zrealizował Dzieniszewski [4] w silniku stacjonarnym napędzającym generator prądotwórczy. Silnik generatora nie wykazywał żadnych negatywnych objawów pracy, parametry silnika uległy nieznacznemu pogorszeniu (spadek momentu obrotowego uwidaczniający się coraz bardziej wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, niewielki spadek mocy użytecznej) przy jednoczesnym wzroście jednostkowego zużycia paliwa. Niezwykle istotne są ekologiczne i ekonomiczne aspekty zasilania olejem roślinnym. Najważniejszy z nich to możliwość utylizacji uciążliwego odpadu jakim jest zużyty olej spożywczy, przy jednoczesnym odzysku energii chemicznej, która po zamianie w silniku na energię mechaniczną może być spożytkowana do napędzania pojazdów użytkowanych w transporcie drogowym lub do produkcji energii elektrycznej w generatorach. Z uwagi na fakt, że olej przepracowany jest odpadem, jego cena jest znacznie niższa niż cena oleju surowego, przez co istnieje możliwość znacznego obniżenia kosztów paliwa a także częściowego uniezależnienia się od paliw konwencjonalnych. Należy także wziąć pod uwagę fakt, że większość badań została przeprowadzona na silnikach przystosowanych fabrycznie do pracy na paliwach konwencjonalnych, więc parametry regulacyjne silników ustawione były na maksymalną efektywność wykorzystana paliw pochodzących z przeróbki ropy naftowej a nie biopaliw. Dopiero późniejsze regulacje silnika i jego układu zasilania prowadziły do poprawy parametrów pracy [2, 7]. Zasilanie biopaliwami ciekłymi silników o zapłonie iskrowym Kolejnym godnym uwagi biopaliwem ciekłym stosowanym do zasilania silników są alkohole. Alkohole były powszechnie stosowane jako paliwo do silników lotniczych, a po II wojnie światowej używano je jako jeden ze składników mieszanin paliwowych.[1] Metanol może być wytwarzany z praktycznie każdej substancji zawierającej w swoim składzie węgiel organiczny np.: drewno, słoma, torf odpady organiczne, gaz ziemny czy biometan wytwarzany z odpadów rolno-spożywczych. Aby otrzymać biometanol z biogazu, poddaje się go reformingowi z parą wodną, a następnie z gazu syntezowego (CO + H2) otrzymuje się metanol przy ciśnieniu 5 MPa, temperaturze 250 o C oraz przy obecności katalizatora Cu-Zn-Al. [1] Etanol jest najczęściej otrzymywany metodą fermentacyjną poprzez fermentację alkoholową glukozy w roztworze wodnym pod wpływem katalizatorów biologicznych, którymi są enzymy wytwarzane przez drożdże. Surowcem do produkcji metanolu mogą być dowolne surowce roślinne zawierające w swoim składzie cukier np. cukier zawarty w burakach cukrowych, skrobia zawarta w ziemniakach lub ziarnach zbóż czy celuloza będąca budulcem ścian komórkowych roślin. [1] W przypadku zasilania silników ZS alkohole takie jak biometanol czy bioetanol mogą stanowić jedynie dodatek do oleju napędowego którego wartość maksymalna nie powinna być większa niż 15%. Większość badań dotyczących zasilania silników ZS paliwami tego typu wykazuje niższą sprawność silnika, większe jednostkowe zużycie paliwa oraz wzrost toksyczności spalin od 15% przy pełnym obciążeniu silnika, do 20% przy częściowym obciążeniu. Zużycie jednostkowe wzrasta proporcjonalnie ze wzrostem udziału 9104
dodatku alkoholi do oleju napędowego [8, 9]. Ponadto mieszanina oleju napędowego z alkoholami jest kłopotliwa ze względu na jej rozwarstwianie się, które jest tym większe, im większe jest stężenie bioetanolu czy biometanolu oraz zawartej w nich wody. Z tego względu, do mieszaniny konieczne jest dodawanie stabilizatorów a także substancji poprawiających właściwości samozapłonowe, gdyż alkohole ze względu na swoją niską liczbę cetanową znacząco te właściwości pogarszają. Ze względu na tak niekorzystny wpływ alkoholi na pracę silników ZS znalazły one szersze zastosowanie przede wszystkim do zasilania silników o zapłonie iskrowym. Silniki o zapłonie iskrowym, zasilane alkoholem mogą mieć ogólną sprawność wyższą o 15 20% w stosunku do zasilania benzyną ze względu na możliwość podwyższenia stopnia sprężania oraz zastosowania doładowania co jest związane z wyższą liczbą oktanową tych paliw. Aby móc realizować zasilanie silnika ZI alkoholem niezbędne jest zwiększenie dawki paliwa, zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu na mniejszy, a także podgrzanie mieszanki w celu uruchomienia zimnego silnika [10]. Z uwagi na mniejszą wartość opałową alkoholi, zużycie paliwa jest ok. 1,5 krotnie większe, przez co wymagane jest ok. dwukrotne zwiększenie pojemności zbiornika na paliwo przy zasilaniu alkoholem. Ze względu na duża korozyjność metanolu i etanolu zbiorniki muszą być wykonane ze stopów odpornych na korozję lub z tworzyw sztucznych odpornych na działanie tego typu paliw. Przy zasilaniu silnika alkoholem odnotowano poprawienie sprawności i osiągów, zmniejszenie emisji tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu, zwiększona była emisja aldehydów w spalinach, zwłaszcza toksycznego aldehydu mrówkowego przy zasilaniu metanolem. Podczas zasilania etanolem stosunkowo niewielka była emisja aldehydu mrówkowego, przy podwyższonej emisji mniej toksycznego aldehydu octowego. Etanol nie posiada tak silnych właściwości korozyjnych jak metanol oraz jest praktyczne nietoksyczny dla człowieka (metanol jest substancją silnie toksyczną dla organizmów żywych). Zarówno używanie alkoholi jako podstawowego paliwa lub jako domieszki powoduje zmniejszenie zawartości w spalinach CO, węglowodorów oraz cząstek stałych a także przyspiesza proces spalania, zmniejsza niepowtarzalność procesu spalania oraz sprawia że proces spalania jest bardziej zupełny. Największym problemem z ekologicznego punktu widzenia jest wzrost emisji aldehydów w spalinach, z technicznego punktu widzenia problemem jest niższa wartość opałowa a także właściwości korozyjne tego typu paliw [1]. Podsumowanie i wnioski Omówione w artykule paliwa ciekłe są obecnie najczęściej stosowanymi paliwami pochodzenia naturalnego do zasilania silników stosowanych w transporcie drogowym zarówno jako dodatek, jak i podstawowe paliwo. Oprócz paliw wymienionych w publikacji na uwagę zasługują także paliwa gazowe jak CNG (Compressed Natural Gas) oraz LNG (Liquid Natural Gas), są one w niektórych krajach takich jak Argentyna, Brazylia czy Włochy szeroko rozpowszechnione. W artykule skupiono się na paliwach ciekłych, gdyż ich zastosowanie nie wymaga w większości przypadków poważnych modyfikacji układu zasilania silnika, co jest konieczne w przypadku zasilania silnika paliwami gazowymi. Ponadto ilość aut zasilanych CNG jest w Polsce jest wciąż marginalna 3392 pojazdy w roku 2013, według danych Natural and BioGasVechicleAssociation. W silnikach o zapłonie iskrowym do zasilania biometanolem lub bioetanolem niezbędne są odpowiednie zmiany wyprzedzenia kąta zapłonu, stosunku paliwa do powietrza w mieszance (wzbogacenie mieszanki) czego można dokonać w większości zakładów mechanicznych.niejednokrotnie możliwe jest stosowanie biopaliw bez żadnych modyfikacji silnika i układu zasilania w szczególności dotyczy to starszych konstrukcji ZS używanych w ciągnikach rolniczych, samochodach dostawczych itp. W nowszych konstrukcjach w celu maksymalizacji osiągów silnika niezbędne jest wprowadzenie układu dwupaliwowego wraz ogrzewaniem zbiornika z olejem roślinnym, regulacja kąta początku wtrysku, a także zastosowanie pilotującej dawki. Niezaprzeczalną zaleta biopaliw jest powszechna dostępność surowca do ich produkcji, niższa cena, a także możliwość produkowania paliw z odpadów. Odzysk energii z odpadów, zmniejszenie ilości emisji szkodliwych substancji w stosunku do zasilania paliwami konwencjonalnymi i jednoczesna utylizacja odpadów łączy w sobie korzyści ekonomiczne i ekologiczne. W najbliższej przyszłości biopaliwa nie będą stanowić zagrożenia dla paliw pochodzących z przeróbki ropy naftowej. Jednakże ich udział jako dodatku 9105
do paliw konwencjonalnych wraz z upływem czasu powinien się stopniowo zwiększać. Prawdopodobna jest także sytuacja w której rozpowszechnią się pojazdy z układami dwupaliwowymi przystosowane przede wszystkim do zasilania biopaliwami, paliwa konwencjonalne będą używanie jedynie do rozruchu pojazdów, co znacznie wpłynie na zmniejszenie ilości zużywanych paliw pochodzących z przeróbki ropy naftowej i korzystnie wpłynie na uszczuplanie zasobów ropy naftowej. Streszczenie Ze względu na ograniczone zasoby ropy naftowej, kryzysy paliwowe, a także na ochronę środowiska, w ostatnich czasach obserwuje się coraz większe zainteresowanie biopaliwami, które często nazywane są paliwami alternatywnymi dla paliw kopalnych. Artykuł ma na celu przedstawienie wybranych aspektów zasilania biopaliwami silników spalinowych używanych w transporcie drogowym. Przeanalizowane zostały techniczne możliwości zasilania biopaliwami, silników spalinowych używanych w transporcie kołowym. Przedstawiono parametry poszczególnych rodzajów biopaliw istotne ze względu na prawidłowe funkcjonowanie silników oraz aspekt ochrony środowiska. Oprócz zmian konstrukcyjnych silników oraz rozwiązań stosowanych w układach zasilania, celem uzyskania coraz mniejszego zużycia paliwa poszukuje się paliw pochodzących z innych źródeł niż przeróbka ropy naftowej celem uniezależnienie się od jej dostaw. Paliwa te mogą być stosowane jako domieszki lub jako główne paliwo do zasilania silników używanych w transporcie samochodowym. Najczęściej stosowanymi paliwami alternatywnymi są paliwa ciekłe pochodzenia roślinnego oraz w mniejszym stopniu paliwa gazowe. W najbliższej przyszłości biopaliwa nie będą stanowić zagrożenia dla paliw pochodzących z przeróbki ropy naftowej. Jednakże ich udział jako dodatku do paliw konwencjonalnych wraz z upływem czasu powinien się stopniowo zwiększać. SELECTED ASPECTS OF THE USE OF BIOFUELS TO ADMITTING INTERNAL COMBUS- TION ENGINES USED IN ROAD TRANSPORT Abstract Because of the limited resources of oil, fuel crises, as well as on environmental protection, in recent times we observed a growing interest in biofuels, which are often called alternative fuels for fossil fuels. The article aims to present selected aspects of biofuels used to admitting internal combustion engines used in road transport. Technical possibilities of biofuel admitting of internal combustion engines used in road transport have been analyzed. Parameters of individual types of biofuels important for the proper functioning of the engine and the environmental aspect were presented. Except engine design changes and solutions used in admitting systems, in order to obtain lesser fuel consumption there is a tendency to look for fuels derived from sources other than processing crude oil. The aim is to become independent from suppliers of conventional fuels. These fuels can be used as admixture or as the major fuel to admitting the engines used in road transport. The most frequently used alternative fuels are liquid fuels from vegetable material, and in a lesser extent gaseous fuel. For the foreseeable future, biofuels will not constitute a threat to fuels derived from crude oil. However, their participation as an additive to conventional fuels as time passes should gradually increase. Literatura [1] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2005. [2] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2008. 9106
[3] Bocheński C., Bocheńska A.: Olej rzepakowy paliwem do silników Diesla, Czasopismo techniczne, 8/2008, s. 133 142. [4] Dzieniszewski G.: Wybrane problemy zasilania silnika Diesla zużytym olejem roślinnym, Inżynieria Rolnicza, 9/2007, s. 49 56. [5] Dzieniszewski G.: Wybrane problemy stosowania biopaliw do zasilania silników z zapłonem samoczynnym, Inżynieria Rolnicza, 10/2008, s. 39 45. [6] Dzieniszewski G. Piekarski W.: Wybrane problemy zasilania silników Diesla nisko przetworzonym olejem rzepakowym, Eksploatacja i Niezawodność, 3/2006, s. 58 65. [7] Klimkiewicz M. i in.: Efektywność pracy silnika zasilanego olejem rzepakowym, Inżynieria Rolnicza, 2/2013, s. 123 132. [8] Lapuerta M., Armas O., Herreros J.M.: Emissions from a diesel-bioethanol blend in an automotive diesel engine, Fuel, 1/1996, s. 8 14. [9] Lii Xing-caii in.: Effect on cetane number improver on heat release rate and emissions of high speed diesel engine fueled with ethanol-diesel blend fuel, Fuel, 83/2004, s. 2013 2020. [10] Merkisz J.: Ekologiczne problem silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań. 1999. [11] Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2002. 9107