Article citation info: WERESA E. et al. Impact of fuel bio-component in the form of vegetable oil on cooperating pairs wear. Combustion Engines. 2015, 162(3), 286-290. ISSN 2300-9896. Emil WERESA Jarosław CZABAN Dariusz SZPICA Piotr BANASZUK PTNSS 2015 3339 Impact of fuel bio-component in the form of vegetable oil on cooperating pairs wear Investigation of the lubricity of a fuel is essential for evaluation of engine tribology. We approximate a rate of friction and wear of mechanical components of an engine under laboratory conditions using the standard method on four-ball extreme pressure tester T-02. Investigations were performed for diesel fuel blended in different proportions with the pure vegetable oil (PVO). The tribological interactions may lead to the leakage in the fuel feeding systems followed by the fuel supply disruptions that cannot be adjusted by the control module, and consequently, in the uneven running of the engine. Additionally, we tested the lubricity of diesel/engine oil/vegetable oil mixture, which can build up as a result of piston-seal-cylinder leakage. That mixture may cause so-called "crystallization" within the engine lubrication system and, as a result, the "clogging" of the fuel filter and the engine seizure. On the basis of the shape and size of wear that developed under different loadings, we can presume the exploitation suitability of the power transmission and engine system. The data can be useful for the modifications of the service life of the engine or frequency of its diagnostic maintenance. Key words: supply system of the vehicle, wear, tribology, lubricity, research Wpływ biokomponentu paliwowego w postaci oleju roślinnego na ślady zużycia par współpracujących Badania smarności mieszanin paliwowych (olejowych) pozwalają na wstępną ocenę procesów tribologicznych. Wykorzystując znormalizowaną metodę badawczą na aparacie czterokulowym przeprowadzono analizę śladów zużycia par współpracujących przy zmiennym obciążeniu, w różnych konfiguracjach mieszanin paliwowych olej napędowy (ON) / olej roślinny (ORZ). Zużycie to może być przyczyną nieszczelności w układach tłoczenia paliwa, przez co zostanie zakłócony proces zasilania, a stopień wymaganej korekty wykroczy poza obszar dopuszczony przez moduł sterowania, w efekcie wystąpi nierównomierność biegu. Dodatkowo przeprowadzono badania smarności mieszanin olej silnikowy OS/ON/ORZ; które mogą powstać w efekcie nieszczelności tłokuszczelnienie-cylinder. Tego typu mieszaniny są przyczyną tzw. krystalizacji w układzie olejenia silnika, w efekcie poprzez zatkanie filtra paliwa, prowadzą do zatarcia. Na podstawie kształtu, oraz wielkości śladów zużycia przy różnych obciążeniach na stanowisku badawczym można wnioskować o zdatności eksploatacyjnej głównych par współpracujących w układzie zasilania i przeniesienia napędu silnika. Na tej podstawie, stosownie do potrzeb, można modyfikować resursy między naprawcze, czy częstotliwość czynności diagnostycznoobsługowych. Słowa kluczowe: układ zasilania pojazdu, zużycie, trybologia, smarność, badania 1. Wprowadzenie We współczesnych jednostkach napędowych układ zasilania paliwem jest układem bardzo skomplikowanym i precyzyjnym. Musi spełniać poza wymaganiami funkcjonalnymi szereg wymagań wytrzymałościowych, zarówno mechanicznych, jak i trybologicznych. Obróbka powierzchni, par współpracujących jest niezwykle energochłonna i skomplikowana, a narzędzia do jej wykonania drogie. Wpływa to zasadniczo na rachunek ekonomiczny procesu naprawy (regeneracji), przez co staje się on nieopłacalny w odniesieniu do samych części, wskazując na wymianę podzespołów. W czasie eksploatacji, współpracujące części układu zasilania, stykają się ze sobą. W wyniku takiego kontaktu dochodzi do tarcia. W zależności od obciążenia, prędkości obrotowej oraz związanych z tym poślizgów, mogą wystąpić warunki tarcia płynnego, mieszanego, a nawet granicznego. W warunkach tarcia mieszanego dochodzi w niektórych miejscach obszaru styku do przerwania filmu smarnego. Smarność oleju napędowego może być wyznaczana zgodnie z procedurami przedstawionymi w [1]. Zdarza się również, że na znacznej powierzchni występuje tarcie graniczne. Wszystkie te zjawiska wymuszają smarowanie. W przypadku układu zasilania czynnikiem smarnym jest paliwo. Okazuje się, iż w wielu przypadkach paliwo, jako czynnik smarny jest niewystarczające, ponieważ znajdowane są opiłki metali osadzające się w fil- 286
d, mm trach, odstojnikach, jak i w innych miejscach układu zasilania. Obniżenie współczynnika tarcia, zapobiegające zatarciu współpracujących par układu zasilania, można wytłumaczyć za pomocą teorii bowdenowskej. Gdy w styku dwóch elementów nie ma czynnika smarnego, lub występują tylko śladowe jego ilości, wówczas oprócz mechanizmu skrawania występów nierówności, odkształceń sprężystych i plastycznych może również wystąpić zgrzanie na zimno (adhezja). Taki mechanizm niszczenia jest najbardziej niekorzystny, ponieważ następuje wyrywanie obszaru warstwy wierzchniej jednego ze współpracujących elementów w wyniku zgrzania, a następnie naniesienia na drugi element, lub wręcz wydarcia powierzchni drugiego elementu jak to się dzieje w skrawaniu metali. Taki rodzaj uszkodzenia zmienia chropowatość powierzchni i powoduje przyspieszone zużycie współpracujących elementów [2]. 2. Metodyka i wyniki badań Do przeprowadzenia badań tribologicznych mieszaniny paliwa (oleju napędowego (ON) i oleju rzepakowego (ORZ)) użyto aparatu czterokulowego T-02 (rys. 1a). Smarność można badać wieloma metodami np. HFRR [3,4] metodą Lucas Four-Ball zgodną z normą ASTM D-2783 [5]. Urządzenie T- 02 zostało zaprojektowane i wykonane w Instytucie Technologii i Eksploatacji w Radomiu. Metodologię pomiarów szczegółowo opisano w [6,7,8]. Węzeł tarcia (rys. 1b), składał się z czterech kulek ze stali 100 Cr6 o średnicy 12,7 mm, chropowatości powierzchni Ra = 0,032 µm i twardości według Rockwella 60 HRC. Trzy nieruchome dolne kulki 1 na rys. 1 b osadzone w gnieździe 3 dociskane są siłą F do wirującej z prędkością obrotową n kulki górnej w mocowaniu 4. Dolne kulki znajdujące się w obudowie 2 zanurzone są całkowicie w badanym czynniku, w naszym przypadku mieszaninie paliwowej. W ten sposób pomiędzy współpracującymi kulkami występuje tarcie ślizgowe. Przedstawione w pracy [10] badania eksploatacyjne układu zasilania silnika o zapłonie samoczynnym (ZS) olejem roślinnym wykazały jedynie utratę szczelności pompy, której elementy tłoczące nie nosiły znaczących śladów zużycia. Dlatego podjęto próbę sprawdzenia parametru, jakim jest smarności mieszanin paliwowych, w warunkach znacznie przewyższających obciążenia wynikające ze współpracy par ciernych w układzie zasilania silnika. W wyniku prób smarności na aparacie czterokulowym odnotowano, że ośrodek smarny w postaci czystego ON powoduje zatarcie kulek przy niższym nacisku, niż ma to miejsce w przypadku mieszanin (ON/ORZ) i czystego oleju roślinnego (ORZ) (rys. 2). Wyniki badań trybologicznych polegały na ocenie śladów zużycia występujących na powierzchni współpracujących kulek. Oględziny przeprowadzono na mikroskopie Olympus BX 51. Analizę powierzchni (obszarów) dokonano w głównej mierze dla dwóch cieczy paliwowych: oleju napędowego zgodnego z normą PN-EN 590:2006 o zawartości estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME nieprzekraczającej 7 % objętości paliwa, oznaczonego poniżej jako ON, oraz rafinowanego olej rzepakowego zgodnego z normą PN-A-86908:2000 oznaczonego jako ORZ. a) b) 4 2 F Rys. 1. Stanowisko badawcze T-02; a) widok stanowiska badawczego, b) schemat ilustrujący działania aparatu czterokulowego 7 6 5 4 3 2 1 0% ORZ / 100% ON 20% ORZ / 80% ON 40% ORZ / 60% ON 60% ORZ / 40% ON 80% ORZ / 20% ON 100% ORZ / 0% ON 0 200 700 1200 1700 F, N Rys. 2. Wyniki badań smarności średnice skaz w funkcji obciążenia [9] 3 1 287
Badane ośrodki smarne to: 100% ON 80% ON + 20% ORZ 20% ON + 80% ORZ Analiza wykazała, że w wyniku tarcia powstałe skazy charakteryzują się zróżnicowaniem kształtu. Na rys. 3 pokazano wybrane skazy celem zobrazowania różnic. Na rysunkach 3 a,b,c pokazano normalne skazy powstałe wskutek zużycia par zanurzonych w czystym ON przy obciążeniu 313,92 N. Są one czarne prawie na całej powierzchni. Oznacza to równomierne zużycie przy przerwaniu filmu smarnego, tarcie zachodziło na całej powierzchni styku. Średnica skaz w tym przypadku dała wynik średni 0,26 mm. Brak filmu smarnego może powodować wydzielanie się dużej ilości opiłków, które krążą w cieczy i mają wpływ na wielkość skaz podczas kolejnego obciążenia. W normie ASTM D-2783 czas jednej próby z jednym obciążeniem trwa 10 s, natomiast podczas normalnej eksploatacji czas ten znacznie się wydłuża. Powoduje to wydzielanie się opiłków w większej ilości. Następnie przemieszczają się one do kolejnych elementów układu. W efekcie trafiają w miejsca współpracujących ze sobą elementów układu paliwowego zakłócając film smarny, w wyniku czego występuje nadmierne zużycie np. pomp paliwowych czy wtryskiwaczy. a b c d e f g h i j k l Rys. 3. Skazy powstałe w wyniku tarcia kulek na aparacie czterokulowym 288
Po dodaniu do ON dodatku w ilości 20 % ORZ zauważono znaczną różnicę w kształcie najmniejszych skaz (rys. 3 d,e,f). Średnia średnica skaz była prawie jednakowa, z tym że obciążenie wzrosło do 392,4 N. Jak widać na rysunkach, skazy są zniekształcone, a brak filmu smarnego dotyczył tylko części środkowej (ciemna część skaz). Jednocześnie możemy zauważyć, że zniekształcenia wynikają właśnie z dostania się opiłków pod współpracujące elementy, które spowodowały dosłownie wyżłobienie w powierzchni współpracujących kulek podczas badania. Badanie mieszaniny 20 ON/80 %ORZ wykazało, że skazy nie różnią się zasadniczo średnicą, a obciążenie wzrosło do 490,5 N. Pomimo tak znacznego wzrostu obciążenia kształty skaz nie odbiegają od normalnych. Zaobserwowano zanik filmu smarnego tylko na pewnej części powierzchni styku. W wzrostu obciążenia do 618 N różnice w skazach zacierają się (Rys. 3j 100 % ON; 3k 80 % / 20 % ORZ i 3l 20 % ON / 80 % ORZ). Możemy więc stwierdzić, że 20 % dodatek oleju rzepakowego do oleju napędowego wpływa korzystnie na charakter zużycia par ciernych współpracujących elementów. Potwierdza to konieczność stosowania dodatków do paliw w aspekcie zużycia trybologicznego, jednocześnie wskazując na konieczność prowadzenia badań dotyczących procesu spalania i ich wpływu na emisję szkodliwych składników spalin. Porównanie pól powierzchni skaz powstałych w wyniku współpracy kulek w różnych ośrodkach smarnych przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Pola powierzchni skaz Obciążenie Pole powierzchni skaz [ m 2 ] 80% ON / 20% ON / [N] 100% ON 20% ORZ 80% ORZ 313,90 58385,31 - - 392,40 173406,50 76526,80-490,50 228906,00 89375,95 99608,99 618,00 228906,00 184773,48 183253,21 Skróty i oznaczenia ON - olej napędowy, ORZ - olej rzepakowy, ZS - zapłon samoczynny FAME - ang. Fatty Acid Methyl Esters, Literatura 1. Mitchell K.: The Lubricity of Winter Diesel Fuels. SAE Paper 952370, 1995. doi:10.4271/952370 2. Stachowiak G.W., Batchelor A.W.: Engineering Tribology. Elsevier, 1993. 3. Ping W.D., Korcek S., Spikes H.: Comparison of the Lubricity of Gasoline and Diesel Fuels. SAE Paper 962010, 1996. 3. Podsumowanie Podczas badań smarności w warunkach aparatu czterokulowego, szczególnie 100% oleju napędowego, dało się zauważyć, iż charakter zużycia wskazywał na równomierny zanik filmu smarnego. Podczas badań innych mieszanin, zjawisko to miało miejsce nieregularnie, towarzyszyły temu efekty dźwiękowe. Dodatek oleju rzepakowego pozwalał na wzrost obciążenia zatarcia, a skazy powstałe w wyniku zacierania potwierdzały pozytywny wpływ na właściwości smarne. W nowoczesnych układach zasilania, gdzie dokładność wykonania jest wysoka, a luzy znacznie ograniczone, smarność paliw ma ogromne znaczenie. Czym rzadziej dochodzi do utraty filmu smarnego, tym mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia tarcia granicznego, czy wręcz suchego, co zapobiega tworzeniu produktów zużycia w postaci opiłków metali. Dzięki temu wydłuża się żywotność elementów korzystnie wpływając na resur międzynaprawczy układu zasilania silnika. Badania opisane w tym artykule są częścią projektu badawczego WND-RPPD.01.01.00-20-015 / 12 pt Badanie skuteczności aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywności energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, Oś priorytetowa I. Wzrost innowacyjności i przedsiębiorczości wspierające w regionie, Działanie 1.1. Tworzenie warunków dla rozwoju innowacyjności, współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2007-2013 Podlaski "DO- 120362/106/14 realizowanego na Politechnice Białostockiej. d - średnica skazy, F - siła docisku, n prędkość obrotowa doi: 10.4271/962010. 4. Meyer K., Livingston T.: Diesel Fuel Lubricity Requirements for Light Duty Fuel Injection Equipment. CARB Fuels Workshop, Sacramento, CA February 20, 2003. 5. PN EN 590:2006. Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe. Wymagania metody badań. 289
6. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester, Wear, vol. 240, pp. 183 193, 2001. doi: 10.1016/S0043-1648(01)00555-5 7. PN-76/C-04147. Badanie własności smarnych olejów i smarów 8. Szczerek M., Tuszyński W.: Tribological Tests. Scuffing. Publ. IteE, Radom, Poland 2000. 9. Szpica D., Czaban J., Banaszuk P., Weresa E.: The diesel and the vegetable oil properties assessment in terms of pumping capability and cooperation with internal combustion engine fuelling system. Acta Mechanica et Automatica vol. 9, No. 1(31), pp. 14 18, 2015. Mr Emil Weresa, M.Sc.Eng.-in the Faculty of Mechanical Engineering at Bialystok University of Technology. Mgr inż. Emil D. Weresa pracownik naukowy na Wydziale Mechanicznym email: e.weresa@pb.edu.pl Mr Dariusz Szpica, DEng. doctor in the Faculty of Mechanical Engineering at Bialystok University of Technology. Dr inż. Dariusz Szpica adiunkt na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. email: d.szpica@pb.edu.pl 10. Gil L., Ignaciuk P., Niewczas A.: Investigation of wear of injection system components in diesel engine fueled with vegetable fuels, Journal of Science of the Gen. Tadeusz Kosciuszko Military Academy of Land Forces vol. 4, No. 158, pp. 100-108, 2010. 11. Tuszyński W.: Badanie przeciwzużyciowych oddziaływań środków smarowych. Rozprawa doktorska. Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej. Sulejówek 1999. 12. Holmberg H., Ronkainen H., Matthews A.: Coatings Tribology Contact Mechanism and Surface Design. Ed. M.Hutching, London 1997. Mr Jarosław Czaban, DEng. doctor in the Faculty of Mechanical Engineering at Bialystok University of Technology. Dr inż. Jarosław Czaban adiunkt na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. email: j.czaban@pb.edu.pl Mr Piotr Banaszuk PhD, professor of the Faculty of Civil and Environmental Engineering at the Bialystok University of Technology. Dr hab. Piotr Banaszuk, profesor na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Białostockiej e-mail: p.banaszuk@pb.edu.pl 290