INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE 12 ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS 12 Piotr Pasyniuk WPŁYW ZASILANIA SILNIKÓW OLEJEM ROŚLINNYM NA PARAMETRY EKSPLOATACYJNE CIĄGNIKÓW ROLNICZYCH IMPACT OF SUPPLYING THE ENGINES WITH VEGETABLE OIL ON OPERATIONAL PARAMETERS OF THE AGRICULTURAL TRACTORS Falenty 2013 WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: itep@itep.edu.pl DYREKTOR INSTYTUTU prof. dr hab. Edmund Kaca Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50 Kierownik Oddziału prof. dr hab. Aleksander Szeptycki KOLEGIUM REDAKCYJNE prof. dr hab. Aleksander Szeptycki przewodniczący prof. dr hab. J.Lech Jugowar prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki prof. dr hab. Jan Pawlak prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki Recenzenci prof. dr hab. Edmund Dulcet, prof. dr hab. Jan Mikołajczak, prof. dr hab. Andrzej Myczko Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt Opracowanie redakcyjne: Grażyna Pucek Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2013 ISBN 978-83-62416-56-1 ISSN 2083-9545 Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: wydawnictwo@itep.edu.pl Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Gimpo 02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 6,2. Nakład 200 egz.
Spis treści Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń...5 1. WSTĘP I GENEZA PODJĘCIA TEMATU...7 2. PRZEGLĄD STANU WIEDZY Z ZAKRESU UŻYTKOWANIA CIĄGNIKÓW ROLNICZYCH ZASILANYCH PALIWAMI POCHODZENIA ROŚLINNEGO...11 2.1. Historia i współczesność stosowania paliw silnikowych pochodzenia roślinnego...11 2.2. Olej roślinny jako paliwo silnikowe...13 2.3. Analiza porównawcza właściwości paliw pochodzenia roślinnego i paliw ropopochodnych...14 2.4. Problemy powstające podczas spalania paliw roślinnych...18 2.5. Techniczne uwarunkowania eksploatacji silników wysokoprężnych zasilanych paliwami pochodzenia roślinnego...22 2.6. Wyniki przeglądu literatury...23 3. PROBLEM NAUKOWY I JEGO UZASADNIENIE...25 4. CEL I ZAKRES PRACY...28 5. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTÓW BADAŃ...29 5.1. Ogólna charakterystyka obiektów badań i ich lokalizacja...29 5.2. Zmiany dostosowujące badane ciągniki do zasilania olejem roślinnym...31 5.3. Procedura uruchamiania zimnego silnika i warunki przechowywania paliwa...32 6. METODYKA BADAŃ...35 6.1. Metody gromadzenia danych...35 6.2. Metody opracowania wyników badań...37 7. WYNIKI BADAŃ W ZAKRESIE UŻYTKOWANIA I OBSŁUGI CIĄGNIKÓW ORAZ ICH ANALIZA...43 7.1. Charakterystyka zabiegów agrotechnicznych wykonywanych w trakcie badań...43 7.2. Zużycie paliwa roślinnego...43 7.3. Poziom i stan oleju silnikowego...46 7.4. Charakterystyka parametrów silników w badanych ciągnikach...47 7.5. Awarie ciągników powstałe w trakcie ich eksploatacji...51 7.6. Właściwości rozruchowe silników...53 7.7. Jakość emitowanych spalin...54 8. WYNIKI BADAŃ NAD TECHNOLOGIĄ PRODUKCJI OLEJU ROŚLINNEGO NA CELE PALIWOWE...55 8.1. Technologia produkcji oleju...55 8.2. Wyniki badań doświadczalnych...57 9. WYNIKI BADAŃ ŚRODOWISKOWYCH I EKONOMICZNYCH EFEKTÓW ZASTĄPIENIA OLEJU NAPĘDOWEGO OLEJEM ROŚLINNYM...60 9.1. Ekologiczne aspekty użytkowania ciągników zasilanych olejem roślinnym...60 9.2. Ekonomiczne efekty wykorzystania oleju rzepakowego jako paliwa do ciągników rolniczych...61 10. PODSUMOWANIE...64 11. WNIOSKI KOŃCOWE...66 12. BIBLIOGRAFIA...68 Streszczenie...73 ZAŁĄCZNIKI 1 7...75
Contents List of major abbreviations and terms...6 1. INTRODUCTION AND ORIGIN OF THE SUBJECT...7 2. SURVEY OF KNOWLEDGE WITHIN THE SCOPE OF USING THE TRACTORS WITH VEGETABLE BASED FUELS...11 2.1. History and contemporary utilization of vegetable based engine fuels...11 2.2. Vegetable oil as an engine fuel...13 2.3. Comparison analysis of vegetable based fuels and oil derivative fuels 14 2.4. Problems with combustion of vegetable based fuels...18 2.5. Technical conditions concerning operation of Diesel engines fed with vegetable based fuels...22 2.6. Literature review...23 3. SCIENTIFIC PROBLEM AND ITS JUSTIFICATION...25 4. PURPOSE AND WORK SCOPE...28 5. CHARACTERISTICS OF RESEARCH OBJECTS...29 5.1. General characteristics of research objects and their location...29 5.2. Changes adapting the examined tractors for supply with vegetable based fuel..31 5.3. Procedure of starting up the engine and fuel storing conditions...33 6. METHODOLOGY OF RESEARCH...35 6.1. Method of data collection...35 6.2. Method of developing research results...37 7. OPERATION AND MAINTENANCE RESEARCH RESULTS AND THEIR ANALYSIS...43 7.1. Characteristics of agro-technical procedures performed during research 43 7.2. Vegetable based fuel consumption...44 7.3. Level and condition of engine oil...46 7.4. Characteristics of the engine parameters in tested tractors...47 7.5. Failures of tractors during operation...51 7.6. Start-up properties of engines...53 7.7. Quality of emissions...54 8. RESULTS OF RESEARCH ON PARAMETERS OF RAPE OIL USED AS ENGINE FUEL...55 8.1. Technology of oil production...55 8.2. Results of experimental research...57 9. RESULTS OF RESEARCH ON ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC ASPECTS RELATED TO OPERATION OF TRACTORS SUPPLIED WITH VEGETABLE BASED FUEL...60 9.1. Ecological considerations related to operation of tractors supplied with vegetable oil...60 9.2. Economical aspects related to consumption of rape oil as a fuel for agricultural tractors...61 10. RECAPITULATION...64 11. FINAL CONCLUSIONS...66 12. BIBLIOGRAPHY...68 Summary...74 ATTACHMENTS 1 7...75
Streszczenie Celem badań prezentowanych w niniejszej rozprawie było określenie wpływu zasilania ciągników rolniczych olejem roślinnym na efekty ich użytkowania. Podstawą realizacji celu były badania nad eksploatacją pięciu ciągników rolniczych przystosowanych do zasilania olejem roślinnym, prowadzone w latach 2009 2011. Badania prowadzono w warunkach normalnego użytkowania ciągników w gospodarstwach rolnych. Opracowując wyniki badań, poszukiwano odpowiedzi na wcześniej sformułowane pytania badawcze dotyczące: uwarunkowań technicznych eksploatacji ciągników zasilanych olejem roślinnym, możliwości stosowania oleju roślinnego jako paliwa w codziennej eksploatacji ciągnika rolniczego, ekonomicznych i środowiskowych efektów zasilania ciągników rolniczych olejem roślinnym. Dodatkowym celem rozprawy było podsumowanie badań nad technologią wytwarzania oleju roślinnego z różnych nasion roślin oleistych, którego parametry spełniałyby określone wymagania. W pracy zrealizowano zarówno cel poznawczy w postaci określenia poprawności przyjętych i wdrożonych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych dla silników wysokoprężnych zasilanych olejem roślinnym, jak i cel utylitarny w postaci wskazań praktycznych co do możliwości i efektów stosowania oleju roślinnego jako samodzielnego paliwa do silników wysokoprężnych. Wyniki badań potwierdziły możliwość eksploatacji ciągników zasilanych paliwem roślinnym w zaawansowanych konstrukcyjnie silnikach ciągników John Deere. Zaawansowane konstrukcyjnie ciągniki John Deere mogą być eksploatowane jako zasilane czystym olejem roślinnym we wszystkich warunkach otoczenia i stosowane do wszystkich prac występujących w gospodarstwie rolnym. Warunkiem bezawaryjnej eksploatacji jest stosowanie oleju o parametrach zgodnych z normą oraz przestrzegania terminów okresowych przeglądów, wymiany oleju silnikowego i wszystkich filtrów zgodnie z zaleceniami producenta. Paliwo roślinne powinno być przechowywane w określonych warunkach, to jest chronione przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych, przed mrozem i przedostawaniem się wody do zbiorników. Bezwzględnie wymagana jest regularna kontrola poziomu oleju silnikowego w misie olejowej. Ciągniki zasilane olejem roślinnym osiągały moc niższą o 10 15% od takich samych ciągników zasilanych olejem napędowym, jednostkowe zużycie paliwa roślinnego było większe średnio o 12%, ogólne zużycie paliwa pozostawało na zbliżonym poziomie niezależnie od rodzaju paliwa. Spadek mocy silnika w warunkach zasilania olejem roślinnym nie wpływał na pogorszenie jakości i warunków pracy. Nie stwierdzono nasilenia problemów z uruchomieniem zimnego silnika i jego pracy w ujemnej temperaturze otoczenia. Awaryjność badanych ciągników była na poziomie awaryjności silników standardowych, większość zarejestrowanych awarii nie była spowodowana rodzajem stosowanego paliwa. Opracowana technologia wytwarzania oleju umożliwia skuteczne wytwarzanie paliwa spełniającego wymagania normy. Technologia jest na tyle prosta, że produkcja paliwa jest możliwa w każdym gospodarstwie rolnym. Koszt litra paliwa roślinnego w 90% zależy od rynkowej ceny surowca. W warunkach rynkowej ceny nasion rzepaku z drugiej połowy 2012 r. koszt wytworzenia jednego litra oleju rzepakowego wynosił 3,24 zł i po uwzględnieniu niższej energetyczności tego paliwa był o 35% niższy od obowiązującej w tym czasie detalicznej ceny oleju napędowego, po uwzględnieniu obowiązującej dopłaty do paliwa rolniczego.
Summary The purpose of the paper was to determine the impact of supplying the agricultural tractors with vegetable oil on their operation. The basis for achieving the goal was the research related to operation of five agricultural tractors adapted for supply with vegetable oil performed within 2009 2011. The research was performed under normal conditions of operation on farmsteads. When developing research results, answers to previously formulated research issues were looked for, that concerned: technical conditions related to operation of tractors supplied with vegetable oil, options to apply vegetable oil as a fuel for everyday operation of agricultural tractor, requirements put before vegetable oil used as engine fuels, economic and environmental impact related to supply the tractors with vegetable oil. Additional purpose of the paper was to sum up the research concerning technology of manufacturing vegetable oil from different oil plant seeds, which parameters would meet specified requirements. Cognitive goal was executed in the form of specifying the correctness of adopted and implemented constructional and technological solutions related to Diesel engines supplied with vegetable oil and the practical goal in the form of practical information concerning options and results of using vegetable oil as an independent fuel for Diesel engines. Results of the research confirmed the assumptions concerning operation of tractors supplied with vegetable oil in advanced engines John Deere tractors. Research results, their development and analysis allowed formulating a series of conclusions. Advanced constructions of John Deere tractors can be supplied exclusively with pure vegetable oil under all environmental conditions and used to all works on the farm. Condition related to maintenance-free operation is utilization of oil of parameters in conformity with the standard as well as observation of periodical overhauls, engine oil replacement together with all filters according to manufacturer s recommendations. Vegetable based fuel can be stored under specified conditions, i.e. protected against direct sunlight, frost and penetration of water. It is necessary to regularly check the engine oil level in oil sump. Performance of tractors supplied with vegetable oil was 10 to 15% lower in relation to the same tractors supplied with Diesel oil, unitary consumption of vegetable fuel was 12% higher, overall consumption of fuel remained at similar level for both types of fuels. In the face of high excess of tractor power, the power drop in case of vegetable oil did not deteriorate quality and conditions of operation. There were no problems related to start-up of cold engine as well as to its operation under temperatures below 0 C. Mortality of tested tractors was at the level of standard engines mortality, most of the recorded failures were not caused by the type of used fuel. The developed technology of oil production for fuel purposes allows efficient production of fuel that meets standard requirements. The technology is so simple that production of fuel is possible on any farmstead. Cost of one litre of vegetable based fuel depends in 30% on the market price of raw material. With the market price of rape seeds within the second half of 2012, cost of producing one litre of rape oil was 3.24 PLN and was lower by 35% than retail price of Diesel oil at that time.