Article citation info: KUSZEWSKI H. et al. The study of derived cetane number for ethanol-diesel blends. Combustion Engines. 2015, 162(3), 928-932. ISSN 2300-9896. Hubert KUSZEWSKI Artur JAWORSKI Kazimierz LEJDA Adam USTRZYCKI Paweł WOŚ PTNSS-2015-3488 The study of derived cetane number for ethanol-diesel blends Abstract: The aim of the researches presented in this paper was to determine the effect of some volume fractions of ethanol in the diesel fuel on the self-ignition properties for such prepared fuel. As a measure of the susceptibility of fuel to self-ignition derived cetane number was used. The measurement of derived cetane number (DCN) was made with a device enabling combustion in constant volume chamber. The results were compared with the legislative and standard requirements for diesel fuel. Key words: diesel fuel, fuel injection, derived cetane number, ethanol-diesel blend Badania pochodnej liczby cetanowej mieszanin oleju napędowego z etanolem Streszczenie: Celem badań, których wyniki zamieszczono w niniejszym artykule, jest określenie wpływu wybranych udziałów objętościowych etanolu w oleju napędowym na właściwości samozapłonowe tak przygotowanego paliwa. Jako miara skłonności paliwa do samozapłonu wykorzystana została pochodna liczba cetanowa. Pomiaru pochodnej liczby cetanowej (DCN) dokonano przy użyciu aparatu umożliwiającego spalanie w komorze o stałej objętości. Wyniki oznaczeń porównano z wymaganiami legislacyjnymi i normatywnymi, jakim podlega olej napędowy. Słowa kluczowe: olej napędowy, wtrysk paliwa, pochodna liczba cetanowa, mieszanina oleju napędowego i etanolu 1. Wstęp Znaczący udział w emisji gazu cieplarnianego w Europie mają środki transportu drogowego i w najbliższej przyszłości będzie on wzrastał. W celu ograniczenia tego negatywnego wpływu dąży się do zwiększenia zużycia paliw alternatywnych. Komisja Europejska określiła wykorzystanie paliw ze źródeł odnawialnych na poziomie 20% do roku 2020, a udział biopaliw w sektorze transportu na 10% [4]. Zwiększenie udziału biopaliw jest dużym wyzwaniem ze względu na istniejące w tym zakresie ograniczenia. Obecne normy jakości paliw pozwalają jedynie na 5-7% dodatek biokomponentów do paliw tradycyjnych, stąd też zwiększenie wykorzystania biopaliwa do poziomu 10% i więcej, wymaga zmiany obowiązujących standardów [3]. Jednym z paliw alternatywnych, które brane jest pod uwagę jako biokomponent paliw do silników o zapłonie samoczynnym jest bioetanol, który jest atrakcyjny ze względu na jego roślinne, a więc odnawialne pochodzenie oraz zawartość tlenu. Ponieważ jednak paliwo to nie nadaje się do bezpośredniego stosowania w silnikach o zapłonie samoczynnym, dlatego też jednym z rozwiązań mających na celu zwiększenie wykorzystania etanolu w silnikach tego typu jest stosowanie mieszanin etanolu z olejem napędowym lub innymi paliwami [3, 5, 9, 10, 13, 15]. Stosowanie mieszaniny etanolu i oleju napędowego ma jednak pewne ograniczenia, gdyż taka mieszanina ma niższą lepkość i smarność [5,8,16] niż czysty olej napędowy. Ponadto, etanol ma stosunkowo niską stabilność i zdolność mieszania się z olejem napędowym [7,8,12]. Wymaga to stosowania specjalnych dodatków poprawiających te parametry paliwa [13,15]. Jednym z zasadniczych problemów stosowania w silnikach o ZS mieszanin etanolu i oleju napędowego jest bardzo mała skłonność etanolu do samozapłonu [8]. Skłonność paliwa do samozapłonu określa się na podstawie wartości liczby cetanowej (LC) lub pochodnej liczby cetanowej (DCN). Parametry te są obecnie powszechnie stosowane w normatywnych badaniach parametrów paliw przeznaczonych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Większa wartość tych parametrów oznacza krótszy okres opóźnienia samozapłonu. Na szczególną uwagę zasługuje normatywna metoda oznaczania pochodnej liczby cetanowej (DCN), która determinowana jest przebiegiem spalania w komorze o stałej objętości. W metodzie tej podstawą do wyznaczenia (obliczenia) pochodnej liczby cetanowej jest precyzyjnie zmierzony okres opóźnienia samozapłonu (ID Ignition De- 928
lay) oraz okres opóźnienia spalania (CD Combustion Delay). Celem badań zamieszczonych w niniejszym artykule jest określenie wpływu określonych udziałów objętościowych etanolu w oleju napędowym na właściwości samozapłonowe tak przygotowanego paliwa. Jako miara skłonności paliwa do samozapłonu wykorzystana została pochodna liczba cetanowa. Do pomiaru pochodnej liczby cetanowej wykorzystano aparat CID510 umożliwiający spalanie w komorze o stałej objętości. 2. Stanowisko badawcze i metodyka badań Badania właściwości samozapłonowych przeprowadzono dla ośmiu próbek paliwa. Jedną z nich był standardowy olej napędowy gatunku B, spełniający wymagania normy EN 590, które muszą posiadać oleje napędowe sprzedawane w Unii Europejskiej. Paliwo to oznaczono jako DF-ETH-0. Następnie sporządzono mieszaniny tego oleju napędowego z alkoholem etylowym, przy udziałach objętościowych alkoholu od 2 % do 14 % z 2- procentowym odstępem. Mieszaniny wykonano dla jednakowej temperatury oleju napędowego oraz alkoholu wynoszącej 24 C 1 C. Z uwagi na konieczność uzyskania jednorodnych mieszanin, w badaniach wykorzystano alkohol etylowy odwodniony, o czystości powyżej 99,5%. W ciągu całego cyklu badań sporządzone mieszaniny oleju napędowego i etanolu charakteryzowały się jednorodnością. Próbki paliw przechowywane były w szczelnie zamkniętych naczyniach szklanych w temperaturze 24 C 1 C. Oznaczenia poszczególnych próbek paliwa przedstawiono w tabeli 1. Do badań pochodnej liczby cetanowej wykorzystano urządzenie (rys. 1) spełniające wymagania określone w normie ASTM D7668 Standard Test Method for Determination of Derived Cetane Number (DCN) of Diesel Fuel Oils Ignition Delay and Combustion Delay Using a Constant Volume Combustion Chamber Method. Zgodnie z przedstawioną w normie procedurą, pojedynczy krok pomiarowy składa się z 5 wstępnych cykli spalania oraz 15 testowych. Na podstawie 15 cykli testowych obliczana jest średnia wartość opóźnienia zapłonu (ID) oraz opóźnienia spalania (CD), które stanowią podstawę obliczenia pochodnej liczby cetanowej. Uproszczony schemat hydrauliczny urządzenia badawczego przedstawiono na rys. 2. Rys. 1. Aparat do oznaczania pochodnej liczby cetanowej [11] Początek okresu opóźnienia zapłonu odpowiada wyzwoleniu sygnału sterującego zaworem elektromagnetycznym wtryskiwacza, natomiast za koniec tego okresu przyjmuje się chwilę, w której ciśnienie w komorze spalania osiągnie wartość powyżej 0,02 MPa w stosunku do ciśnienia statycznego p o. Czas wtrysku t inj odpowiada w prezentowanej metodzie długości sygnału sterującego wtryskiwaczem. Okres opóźnienia spalania określony jest jako czas pomiędzy wyzwoleniem sygnału sterującego zaworem elektromagnetycznym wtryskiwacza a chwilą odpowiadającą osiągnieciu połowy wartości przyrostu ciśnienia w komorze spalania p ch w stosunku do statycznego ciśnienia początkowego w komorze p o. Schemat oznaczania parametrów został przedstawiony na rys. 3. Tabela 1. Paliwa wykorzystane podczas badań właściwości samozapłonowych Oznaczenie paliwa Udział [%] v/v Olej napędowy Etanol DF-ETH-0 100 0 DF-ETH-2 98 2 DF-ETH-4 96 4 DF-ETH-6 94 6 DF-ETH-8 92 8 DF-ETH-10 90 10 DF-ETH-12 88 12 DF-ETH-14 86 14 929
Rys. 2. Uproszczony schemat hydrauliczny aparatu CID 510 [2,11] Rys. 3. Schemat określania okresu opóźnienia samozapłonu (ID) oraz opóźnienia spalania (CD) 3. Wyniki badań Wyniki pomiaru pochodnej liczby cetanowej dla analizowanych mieszanin oleju napędowego i etanolu przedstawiono w tabeli 2 oraz na rys. 4. W tabeli 2 dodatkowo zestawiono średnie wartości okresu opóźnienia samozapłonu ID, okresu opóźnienia spalania CD oraz wartości innych parametrów opisujących warunki spalania. Parametry zestawione w tabeli 2 stanowią średnie wartości obliczone z 15 cykli testowych, które składają się na pojedynczy pomiar. Z zaprezentowanych wyników pomiarów wynika, że zwiększanie udziału etanolu w oleju napędowym powoduje znaczący spadek wartości DCN. Już dodatek 2 % etanolu sprawia, że olej napędowy nie spełnia wymagań normy EN 590, według której minimalna liczba cetanowa wynosi 51 [6]. Jednocześnie, olej napędowy spełniający wymagania normy EN 590, zawierający nawet 14 % etanolu, spełnia wymagania w zakresie liczby cetanowej dla wszystkich kategorii oleju napędowego sprecyzowanych w normie ASTM D975, według której minimalna liczba cetanowa wynosi 40 (wszystkie oleje napędowe No. 1-D i No. 2-D) lub 30 (olej napędowy No. 4-D) [1]. W światowej karcie paliw sprecyzowano natomiast wymagania dla pięciu kategorii oleju napędowego 930
od 1 do 5, dla których minimalna liczba cetanowa to odpowiednio: 48, 51, 53, 55 i 55 [14]. Przeprowadzone badania pochodnej liczby cetanowej wskazują zatem, że olej napędowy z dodatkiem 2 % i 4 % etanolu spełnia wymagania w zakresie liczby cetanowej określone dla 1 kategorii oleju napędowego. Tabela 2. Wyniki pomiarów pochodnej liczby cetanowej DCN, okresu opóźnienia zapłonu ID, okresu opóźnienia spalania CD oraz odpowiadające im wartości charakterystycznych parametrów opisujących warunki spalania Parametr Paliwo DCN ID CD p o t k [ C] Δp ch t c [ C] t inj DF-ETH-0 51,70 3,2217 4,6926 20,0 586,6 20,6 50,0 2,5 995 p inj DF-ETH-2 50,26 3,2359 4,8203 19,9 586,4 21,1 50,0 2,5 1003 DF-ETH-4 48,63 3,364 5,0081 19,8 586,6 20,7 49,9 2,5 994 DF-ETH-6 47,45 3,4337 5,1537 19,8 586,7 21,0 49,3 2,5 995 DF-ETH-8 45,83 3,5185 5,3731 19,8 586,7 21,0 49,1 2,5 996 DF-ETH-10 45,42 3,4825 5,4169 19,9 586,7 20,6 49,9 2,5 995 DF-ETH-12 42,73 3,7264 5,9038 19,9 586,7 20,8 49,9 2,5 990 DF-ETH-14 41,33 4,0016 6,2693 19,9 586,7 20,8 50,1 2,5 994 p o statyczne ciśnienie w komorze spalania, t k temperatura ścianek komory spalania, Δp ch przyrost ciśnienia w komorze spalania, t c temperatura cieczy chłodzącej wtryskiwacz, t inj czas wtrysku paliwa, p inj ciśnienie wtrysku paliwa Rys. 4. Wpływ udziału etanolu w oleju napędowym na pochodną liczbę cetanową DCN 4. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: - zwiększanie udziału etanolu w oleju napędowym powoduje znaczący spadek wartości DCN, - dodatek 2 % (v/v) etanolu do oleju napędowego powoduje, że paliwo nie spełnia wymagań normy EN 590 w zakresie liczby cetanowej, - olej napędowy według wymagań normy EN 590, zawierający 14 % etanolu, spełnia kryteria w zakresie liczby cetanowej dla wszystkich kategorii oleju napędowego sprecyzowanych w normie ASTM D975, - olej napędowy według wymagań normy EN 590, z dodatkiem 2 % i 4 % etanolu spełnia kryteria w zakresie liczby cetanowej określone dla 1 kategorii oleju napędowego sprecyzowane w Światowej Karcie Paliw. W związku z koniecznością zwiększenia udziału zielonej energii oraz wzrastającym w Europie odsetkiem samochodów z silnikami o zapłonie samoczynnym, stosowanie etanolu, jako dodatku do oleju napędowego, jest rozwiązaniem, które może być z powodzeniem wprowadzone pod warunkiem dopuszczenia takich paliw do obrotu. Wymaga to jednak zmian w wymaganiach normatywnych na wzór norm amerykańskich. 931
Bibliography/Literatura [1] ASTM D975 - Standard Specification for Diesel Fuel Oils, 2014. [2] Cetane Ignition Delay CID510 Service manual and specification, Herzog by PAC, 2011. [3] Chacartegui C., Lopez J., Alfonso F., Aakko P., Hamelinck C., Vossen G., Kattenwinkel H.: Blending ethanol in diesel. Final report for Lot 3b of the Biodiesel Improvement On Standards, Coordination of Producers and Ethanol Studies (Bioscopes) project. May 2007. [4] Communication from the Commission - Europe 2020: A strategy for smart, sustainable and inclusive growth. COM(2010) 2020 final. [5] Corkwell, K.C., Jackson, M.M.: Lubricity and Injector Pump Wear Issues with E-diesel Fuel Blends. 2002-01-2849 SAE Paper. October 2002. [6] EN 590 Automotive fuels Diesel Requirements and test methods, 2014. [7] Górski K., Olszewski W., Lotko W.: Alcohols and ethers as fuels for diesel engines, Technical Transactions i. 11. Mechanics i. 7-M, 2008. [8] Hansen A.C., Zhang Q., Lyne P.W L: Ethanol diesel fuel blends a review, Bioresource Technology 96 (2005), 277-285. [9] Hansen A.C., Hornbaker R.H., Zhang Q., Lyne P.W.L.: On-farm evaluation of diesel fuel oxygenated with ethanol. ASAE Paper No. 01-6173, 2001. [10] Jackson, M.M., Corkwell, K.C., DeGroote, C.C.: Study of diesel and ethanol blends stability. 2003-01-3191 SAE Paper. 2003. [11] Jaworski A., Kuszewski H., Lejda K., Ustrzycki A., Woś P.: Wpływ dodatku benzyny na właściwości samozapłonowe oleju napędowego. Silniki Spalinowe PTNSS-2013- SC-107, 2013. [12] Lapuerta M., Armas O., Garcia-Contreras R.: Stability of diesel-bioethanol blends for use in diesel engines. Fuel 86 (2007), 1351-1357. [13] Park S.H., Kim S.H., Lee C.S.: Mixing stability and spray behaviour characteristics of diesel-ethanol-methyl ester blended fuels in a Common-Rail Diesel injection system, Energy Fuels 23 (2009), 5228-5235. [14] Worldwide Fuel Charter. Fifth edition. September 2013. [15] Yilmaz N.: Comparative analysis of biodieselethanol-diesel and biodiesel-methanol-diesel blends in a diesel engine, Energy 40 (2012), 210-213. [16] Yilmaz N., Vigil F. M., Donaldson A. B., Darabseh T.: Investigation of CI engine emissions in biodiesel ethanol diesel blends as a function of ethanol concentration, Fuel 115 (2014), 790-793. Mr Hubert Kuszewski, PhD Doctor in the Faculty of Mechanical Engineering and Dr inż. Hubert Kuszewski adiunkt na Politechniki Rzeszowskiej Mr Adam Ustrzycki, PhD Doctor in the Dr inż. Adam Ustrzycki adiunkt na Politechniki Rzeszowskiej. Mr Artur Jaworski, PhD Doctor in the Dr inż. Artur Jaworski adiunkt na Politechniki Rzeszowskiej Mr Paweł Woś, PhD Doctor in the Dr inż. Paweł Woś adiunkt na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej Prof. Kazimierz Lejda, DSc., DEng. Professor in the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics at Rzeszów University of Prof. dr hab. inż. Kazimierz Lejda profesor na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. 932