oceny paliw etanolowych w testach silnikowych i ... · pdf fileelements and the fuel injection...

Click here to load reader

Post on 29-Aug-2018

214 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 97

    NAFTA-GAZ, ROK LXXIII, Nr 2 / 2017DOI: 10.18668/NG.2017.02.04

    Martynika Pauchowska, Zbigniew Stpie

    Instytut Nafty i Gazu Pastwowy Instytut Badawczy

    Oceny paliw etanolowych w testach silnikowych i eksploatacyjnych

    W artykule przedstawiono problem tworzenia szkodliwych osadw w silnikach z zaponem iskrowym. Opisano wpyw osadw na waciwoci uytkowo-eksploatacyjne silnikw oraz metody ich bada. Scharakteryzowano osady tworzone na rnych elementach roboczych silnika oraz ukadu wtrysku paliwa. Szczegln uwag zwrcono na badania waci-woci eksploatacyjnych paliw etanolowych. Wyjaniono przyczyny moliwych niekompatybilnoci dodatkw detergento-wych stosowanych do standardowych benzyn silnikowych z etanolem. Przytoczono dostpne w literaturze przykady ba-da paliw etanolowych w zakresie udziau etanolu do 100% (V/V). Wyniki tych bada wykazay pozytywny wpyw etano-lu w benzynie silnikowej na ograniczanie skonnoci do tworzenia osadw, zwaszcza w przypadku uycia odpowiednio uszlachetnionego paliwa. W podsumowaniu wskazano dostpne rodki techniczne, jakie mog by zastosowane podczas przeciwdziaania tworzeniu si szkodliwych osadw w silniku.

    Sowa kluczowe: benzyna, paliwo etanolowe, osady w silniku, dodatki do paliw.

    Evaluation of ethanol fuels in engine and field tests The article presents problem of harmful deposits formation in spark ignition engines. Deposits impact on engine operating properties and methods of their tests has been described. The article also describes deposits build up on different engine elements and the fuel injection system. Particular attention was paid to testing the operating properties of ethanol blend fuels. The sources of possible incompatibilities of detergent additives used in standard petrol with ethanol have been ex-plained. The cited examples of the available scientific literature, of studies of ethanol fuel in the share of ethanol to 100% by volume were presented. The results of these studies showed a positive effect of ethanol content in petrol, on reducing the tendency to form deposits, especially in the case of application of the appropriate fuel treatment. In conclusion, the technical means available, which can be used during the counteracting of the formation of harmful deposits in the engine have been indicated.

    Key words: petrol, ethanol fuel, engine deposits, fuel additives.

    Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowa-nia energii ze rde odnawialnych [37] jako jedn z drg do ograniczania emisji gazw cieplarnianych wskazuje wzrost udziau biokomponentw w paliwach. W przypadku paliw do silnikw o zaponie iskrowym (ZI) dotyczy to E20/E25, czyli paliwa o rednim udziale etanolu. W ramach progra-mu Horizon 2020 [13], finansowanego przez Komisj Eu-ropejsk, realizowane s badania tego paliwa obejmuj-

    ce jego ocen techniczn. Badania te wspieraj europej-skie dziaania normalizacyjne zmierzajce w konsekwen-cji do wyboru parametrw i ich limitw w opracowywanej specyfikacji jakociowej. Ewentualne wprowadzenie pali-wa E20/E25 na rynek europejski planowane jest za nieca-e 10 lat, tj. w roku 2025 [8]. Wobec nowych wyzwa rw-nie w Instytucie Nafty i Gazu Pastwowym Instytucie Badawczym prowadzone s badania w tym zakresie [4, 6, 7, 15, 19, 20, 21, 28, 30].

    Wstp

  • NAFTA-GAZ

    98 Nafta-Gaz, nr 2/2017

    Wspczesne wymagania minimalizacji szkodliwego wpywu transportu drogowego na jako powietrza wynika-j z prowadzonych w wiecie bada i wzrostu wiadomoci spoeczestw w tym zakresie. Zanieczyszczenia na elemen-tach silnika powstajce w procesie spalania paliw, w tym pa-liw etanolowych, wpywaj porednio na skaenie powietrza poprzez pogorszenie parametrw uytkowo-eksploatacyjnych silnika. Szczeglnie istotna staje si wic ochrona przed tymi zanieczyszczeniami realizowana przez dobr odpowiednich jakociowo i ilociowo dodatkw detergentowych.

    W publikacji [17] zwrcono uwag na fakt, e brak do-statecznej ochrony w postaci pakietw dodatkw uszlachet-niajcych, w skad ktrych wchodz dodatki detergentowe, powoduje, e benzyny handlowe tworz szkodliwe osady na elementach silnika. Obecne generacje dodatkw nie tyl-ko pomagaj utrzyma w czystoci pracujce czci silni-ka, ale s w stanie rwnie usuwa ju powstae osady. Przy podobnym skadzie komponentowym wspczesnych ben-zyn silnikowych kluczowym ich wyrnikiem staje si sku-teczno poszczeglnych dodatkw. Krytycznymi obszara-mi tworzenia si osadw w silniku s [17]: zaworydolotowe osady takie zakcaj proces ilocio-

    wego i jakociowego tworzenia mieszanki palnej w ko-morach spalania silnika poprzez niekontrolowane zmia-ny wspczynnika nadmiaru powietrza oraz jego prze-strzennego rozkadu. W przypadku duej iloci osadw wytworzonych na grzybkach zaworw dolotowych powo-duj one zmniejszenie napenienia komr spalania silni-ka, ograniczajc do nich dopyw powietrza (lub wstpnie przygotowanej w kolektorze dolotowym mieszanki pali-wowo-powietrznej) poprzez kanay dolotowe. Przyczynia si to do obnienia osigw silnika oraz podwyszenia zuycia paliwa i emisji szkodliwych skadnikw spalin. Dua ilo osadw powstaych na zaworach dolotowych moe te utrudnia lub uniemoliwia ich cakowite za-mknicie, prowadzc do ich wypalenia wraz z gniazdami zaworowymi. W przypadku wytworzenia osadw, zwasz-cza o porowatej strukturze, dziaaj one jak gbka, wcha-niajc paliwo do porw osadw, a nastpnie uwalniajc je poprzez odparowanie i desorpcj. Prowadzi to do za-kce iloci doprowadzonego do komr spalania pali-wa w okrelonym przedziale czasowym, zmniejsza szyb-ko odparowania kropel paliwa, a zatem wpywa na nie-korzystne, niekontrolowane zmiany wspczynnika nad-miaru powietrza mieszanki palnej [26, 27];

    komoryspalania osady takie maj istotny wpyw na po-garszanie si osigw silnika. W miar ich przyrostu zmniej-sza si objto komr spalania silnika, a rwnoczenie

    wzrasta stopie sprania, co prowadzi do wystpowania tendencji do spalania stukowego, a zatem potrzeby stoso-wania benzyny o wikszej liczbie oktanowej. Dodatkowo tendencje do spalania stukowego mog by zwikszane po-przez podwyszanie temperatury adunku w komorze spa-lania na skutek izolacyjnych waciwoci osadw, co po-woduje utrudnione odprowadzenie ciepa z komr spala-nia. Ponadto osady mog mie katalityczny wpyw na re-akcje spalania w komorach silnika i powodowa powsta-wanie gorcych miejsc w komorach (tzw. hotspots), a wic dodatkowych ognisk inicjujcych proces niekontrolowane-go zaponu mieszanki. Porowata struktura osadw w ko-morach spalania umoliwia adsorbowanie paliwa i niespa-lonych jego skadnikw, jak rwnie produktw spalania, a nastpnie ich uwalnianie w kolejnych procesach spalania, przyczyniajc si do podwyszenia emisji w szczeglno-ci wglowodorw (HC). Niebezpiecznym zjawiskiem jest te proces uszczenia i odrywania si osadw z powierzchni komr spalania. Mog one przedosta si pomidzy przy-lgnie i zawory wylotowe, uniemoliwiajc ich zamknicie lub powodowa ich nieszczelne zamykanie. Prowadzi to do obnienia cinienia sprania w cylindrach, utrudnionego rozruchu silnika, podwyszonej emisji HC, a nawet wypa-lenia zaworw wraz z ich gniazdami [26].

    wtryskiwaczepaliwa zarwno zewntrzne, koksowe, jak i wewntrzne osady wtryskiwaczy maj bezporedni wpyw na wielko wypywu paliwa oraz stopie jego roz-drobnienia. To z kolei moe oddziaywa na niekontrolowa-ne zmiany wspczynnika nadmiaru powietrza tworzonej mieszanki palnej oraz zwizane z tym konsekwencje. Na przykad w ukadach jednopunktowego wtrysku benzyny (SPI Single Point Injection) wymagana jest zazwyczaj symetryczna struga paliwa wtryskiwanego do wsplnego dla wszystkich cylindrw silnika odcinka kanau dolotowe-go. Jeli w wyniku zanieczyszczenia otworka wylotowe-go wtryskiwacza nastpi znieksztacenie i zmiana kierun-ku rozpylanej strugi paliwa, powstan due rnice w roz-kadzie iloci paliwa doprowadzanego do poszczeglnych cylindrw. Przyczynia si to do podwyszenia emisji szko-dliwych skadnikw spalin do atmosfery, trudnoci w uru-chamianiu silnika, nierwnej pracy podczas nagrzewania silnika, a nawet wypadania zaponw [26]. W przypadku ukadw wielopunktowego wtrysku paliwa (MPFI Multi Point Fuel Injection) znieksztacone na skutek powstaych osadw strugi paliwa poszczeglnych wtryskiwaczy bd czciowo trafiay w cianki kanaw ukadu dolotowego. Przy rwnoczenie gorszej jakoci rozpylanego paliwa i r-nicach w nateniu dopywu paliwa do poszczeglnych cy-

    Wpyw osadw w silniku na waciwoci uytkowe

  • artykuy

    99Nafta-Gaz, nr 2/2017

    lindrw doprowadzi to do narastajcych rnic w skadzie mieszanki palnej tworzonej w cylindrach silnika i zwiza-nych z tym konsekwencji. Z kolei osady wewntrzne bd powodowa zaburzenia procesw przesterowania wtryski-waczy, a zatem opnienie reakcji ich dziaania na zadawa-ny sygna sterujcy. Bdzie to wywoywao zarwno cza-sowe, jak i ilociowe rozregulowanie dawek podawanego do cylindrw paliwa wzgldem wymaga wynikajcych ze strategii prowadzonego procesu spalania oraz popraw-nego funkcjonowania ukadu oczyszczania spalin [26].Zazwyczaj w silniku wystpuj rwnoczenie rnorod-

    ne osady, ktrych tworzeniu sprzyjaj rne czynniki. W ba-daniach opisanych w literaturze [28] zaobserwowano, e na zaworach dolotowych powstaj koksowe, porowate, tu-ste osady, natomiast w komorach spalania osady suche, do-brze przywierajce do powierzchni. Z kolei w kanaach do-lotowych silnika konsystencja osadw bya ywiczna i kle-ista, a na kocwkach wtryskiwaczy przybieraa posta y-wic. W skad osadw w iloci 10% (m/m) wchodz zwizki nieorganiczne zawierajce rne pierwiastki, z ktrych do-minujcymi s Ca, Mo, Zn, P i S [23]. W konsekwencji para-metry uytkowo-eksploatacyjne silnika s w duej mierze za-kcane sumarycznym oddziaywaniem przedmiotowych osa-dw. Na przykad zawory dolotowe i wtryskiwacze (zwasz-cza w przypadku silnikw z bezporednim wtryskiem paliwa) pracuj w wysokiej temperaturze w bardzo reaktywnym ro-dowisku komr spalania silnika, dlatego te s one podatne na tworzenie si osadw [12, 14, 23, 26, 27, 36]. Tw