Wysokotemperaturowa korozja zaworów silnikowych

Wysokotemperaturowa korozja zaworów silnikowych

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

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.

Prognoza poziomu konsumpcji energii do roku 254 Increasing factor: 1.193 every year in 199-25 12 Natural Gas Consumption 3, 26.49% 2.9365 T m3 1 3,5 Coal Consumption 6.483 G tons 23.25% 8 Uranium Consumption 78. k tons 6 6.17% Coal 24 Natural Gas Exhaustion 171.25 T m3 2,5 2, 1,5 Natural Gas 4 1, 2 198 Oil Consumption 3.517 G barrels 36.59% Oil 199 Hydro & Others 7.49% 2 21 234 Oil Exhaustion 1.293 T barrels U Hydro & Others 22 23 Year 24 25 24 Uranium Exhaustion 4.743 M tons Ratio to 199 World Energy Consumption / 118J 14,5, 26 254 Coal Exhaustion 1.1 T tons

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

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

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

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

Udział biokomponentów w paliwach stosowanych w branży motoryzacyjnej 11 1 NCW / % 9 8, 8 7,1 7 5,75 6 5 4 6,2 1, 7,55 6,65 4,6 29 8,45 8,9 9,35 9,75 NWC (Narodowy Cel Wskaźnikowy) w/g wartości opałowej [%] 211 213 215 Rok 217 219

Udział w rynku / % Trend 28/27 / % Paliwa stosowane w branży motoryzacyjnej w Polsce 3 2 1-1 Stan z dn. 31.12.28 6 4 2 Benzyna Diesel LPG b.d.

Park samochodów osobowych w Polsce (31.12.28) Udział w rynku /% 25 4 2 3 15 2 1 1 5-2 3-5 6-1 11-15 16-2 21-3 Wiek pojazdu > 3 Udział w rynku / mln szt. Średni wiek samochodu - 13,9 lat

Udział wiekowy samochodów osobowych eksploatowanych w Polsce 8 Udział procentowy / % 7 6 55 56,6 56 61 5 2 22 18,2 19,4 12,7 1 66,1 69,8 Wiek pojazdów do 5 lat powyzej 1 lat 4 3 63,3 68,1 11,5 11,6 12, 11,7 22 23 24 25 26 27 28 29 Rok

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

Schemat zaworu wylotowego 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

Rozkład temperatury pracy zaworów wylotowych - silnik benzynowy z zapłonem iskrowym

Składy chemiczne spalin silników z zapłonem iskrowym i samoczynnym (% wag.) Składniki gazów spalinowych Jednostka miary Silniki z zapłonem iskrowym samoczynnym Ocena toksyczności Azot % obj. 74-77 76-78 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/m3,-,4,1-1,1 jw. 3,4 benzopiren g/m3 do 15, do 1, Rakotwórczy Merkisz J., Ekologiczne problemy silników spalinowych Tom I i II. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999

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

Składy chemiczne stali stosowanych do wyrobu zaworów silnikowych (% wag.) Typ stali C Mn Si Cr Ni N W Nb X33CrNiMn23-8.35 3.3.63 23.4 7.8.28.2 -.3 19.88 3.64.44.86 2.5.1 X5CrMnNiNbN21-9.54 7.61 S P Mo Fe.11 bal..31 - bal. <.5.14 X53CrMnNiN2-8.53 1.3.3 2.5 4.1.41 - - <.5.4.12 bal. X55CrMnNiN2-8.55 8.18.17 2. 2.3.38 - - <.5.3.11 bal.

Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania kinetyki utleniania stali zaworowych P rz e p ły w o m ie rz e M a n o m e tr M ik ro w a g a P ró b k a Pom pa W y lo t 2 2 1 % O 2-7 9 % N B u lb u tie ry N 2 2 O A r/h e P ie c e M ie s z a ln ik

Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania szybkości korozji w wieloskładnikowej atmosferze utleniającej Mikrowaga Przepływomierze Płuczki Taśma grzejna Próbka N2 H2O + CH3COOH Piece

Stanowisko do badania korozji w warunkach szoków termicznych na hamowni silnikowej

Hybrydowa głowica reakcyjna

Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych liniowy układ współrzędnych 1 1 X5CrMnNiNbN21-9 po = 2,1. 14 Pa po = 2,1.14 Pa T = 1273 K 2 m/s / mg cm-2 T = 1273 K 5 m/s / mg cm-2 2 T = 1173 K T = 173 K T = 973 K 5 X55CrMnNiN2-8 p = 2,1. 14 Pa 5 T = 1273 K X33CrNiMn23-8 po = 2,1.14 Pa T = 1273 K O2 1 czas / h 2 15 1 T = 1173 K 5 T = 173 K T = 973 K T = 173 K T = 973 K T = 1173 K 1 m/s mg cm-2 2 T = 1173 K 2 / mg cm-2 25 5 1 czas / h m/s X53CrMnNiN2-8 T = 173 K T = 973 K 5 czas / h 1 5 czas / h 1

1 X5CrMnNiNbN21-9 p = 2,1.14 Pa T = 1273 K 5 T = 1173 K T = 173 K 1 X55CrMnNiN2-8 po = 2,1. 14 Pa 4 T = 1173 K T = 173 K 5 T = 1273 K T = 1273 K X33CrNiMn23-8 po = 2,1.14 Pa 3 2 ( m/s)2 / mg2cm-4 2 2 T = 1173 K 1 5 czas / h 2 T = 1173 K 1 T = 173 K T = 173 K 1 czas / h 3 5 czas / h 5 ( m/s)2 mg2 cm-4 5 T = 1273 K 2 ( m/s)2 / mg2 cm-4 O2 X53CrMnNiN2-8 po = 2,1.14 Pa ( m/s)2 / mg2cm-4 Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych paraboliczny układ współrzędnych 1 5 czas / h 1

Ciśnieniowa zależność szybkości utleniania stali zaworowej X53CrMnNiN2-8, uzyskana w temperaturze 1173 K kp / g2cm-4s-1 1-9 X53CrMnNiN2-8 T = 1173 K 1-1 1-11 1 11 12 po 2 13 / Pa 14 15

Temperaturowa zależność szybkości utleniania badanych stali zaworowych T /K 1-8 1273 1173 173 po = 2,1. 14 Pa 1-9 kp / g2cm-4s-1 973 2 1-1 1-11 1-12 1-13 1-14 X33CrNiMn23-8 X5CrMnNiNbN21-9 X53CrMnNiN2-8 X55CrMnNiN2-8 8 9 T-1.14 / K-1 1

Kinetyka korozji badanych stali zaworowych w warunkach szoków termicznych X33CrNiMn23-8 steel T = 973 K m/s combustion gases of fuel oil B5 air air + H2O combustion gases of fuel oil B1-1 combustion gases of fuel oil B1 1 2 3 4 5 combustion gases of fuel oil B5 6 1 cycle = 2h 1 combustion gases of fuel oil B1 m/s -1-2 2 4 Number of thermal shocks 4 5 6. air air + H2O combustion gases of fuel oil B5-1 combustion gases of fuel oil B1 combustion gases of fuel oil B5 1 cycle = 2h 1 / g cm-2 1 /g cm-2. 3 X55CrMnNiN2-8 steel T = 973 K air + H2O m/s air 2 Number of thermal shocks Number of thermal shocks X53CrMnNiN2-8 steel T = 973 K air + H 2O -1-2 air. -2 1 /g cm-2. 1 X5CrMnNiNbN21-9 steel T = 973 K 1 cycle = 2h m/s 13 / g cm-2 2 6-2 1 cycle = 2h 1 2 3 4 Number of thermal shocks 5 6

Kinetyka korozji badanych stali zaworowych w warunkach szoków termicznych 1-1 combustion gases of fuel oil B5-2 1 3 4 air + H 2O -2-3 -4 combustion gases of fuel oil B1-5 -6-7 2 air -1. combustion gases of fuel oil B1 1 cycle = 2h -3 1 /g cm-2 air. m/s air + H 2O 1 X5CrMnNiNbN21-9 steel T = 1173 K m/s 1 / g cm-2 X33CrNiMn23-8 steel T = 1173 K 5 6 1 cycle = 2h -3-4 combustion gases of fuel oil B1 combustion gases of fuel oil B5-5 -6 1 / g cm-2. 4 5 air combustion gases of fuel oil B1-2. -3-4 air + H 2O combustion gases of fuel oil B5-5 1 cycle = 2h 1 cycle = 2h 3-1 m/s air + H 2O -2 2 X55CrMnNiN2-8 steel T = 1173 K air -1 m/s 1 /g cm-2 1 X53CrMnNiN2-8 steel T = 1173 K 1 Number of thermal shocks Number of thermal shocks 1 combustion gases of fuel oil B5 1 2 Number of thermal shocks 3 1 2 Number of thermal shocks 3

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

Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X33CrNiMn23-8 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) a) po 5 cyklach b) po 5 cyklach 2 2 (Mn,Fe,Cr)3O4 1 5 1 Cr2O3 15 Intensity / a. u. / a. u. Intensity Fe2O3 Cr2O3 15 Fe3O4 X33CrNiMn23-8 steel X33CrNiMn23-8 steel steel 1 5 2 3 4 5 2 / deg 6 7 8 1 2 3 4 5 2 / deg 6 7 8 9

Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X5CrMnNiNbN21-9 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) a) po 2 cyklach b) po 15 cyklach 5 5 X5CrMnNiNbN21-9 steel X5CrMnNiNbN21-9 steel / a. u. 2 Fe3O4 3 2 1 1 1 Fe2O3 4 Fe3O4 (Cr,Fe)2O3 NiCr2O4 (Nb,Cr)O2 (Fe,Nb)3O4 Intensity / a. u. 3 Intensity 4 2 3 4 2 5 / deg 6 7 8 1 2 3 4 2 5 / deg 6 7 8

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

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

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.

Dziękuję za uwagę