Właściwości smarne olejów napędowych i temperatura destylacji
- Szczegóły
Oleje napędowe stanowią przede wszystkim nośniki energii uzyskiwanej w procesie spalania i potrzebnej do napędzania silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym. Jednakże olej napędowy pełni również rolę środka smarowego.
Zanim zostanie on spalony, musi przebyć drogę od zbiornika, poprzez pompę wtryskową, wtryskiwacze aż do cylindra. Pompa wtryskowa, niezależnie od rodzaju i typu oraz wtryskiwacz zawierają precyzyjne elementy przetłaczające paliwo przy wysokim jego ciśnieniu i jednocześnie są smarowane tym paliwem.
Niewystarczająca smarność paliwa może więc prowadzić do przyspieszonego zużycia pomp i wtryskiwaczy, a w niektórych przypadkach nawet niesprawności całego układu zasilania, a także wzrostu emisji substancji szkodliwych z układu wydechowego.
Wpływ składu oleju napędowego na jego smarność
Spowodowane wymogami ochrony środowiska ograniczenie zawartości siarki i węglowodorów aromatycznych w składzie oleju napędowego doprowadziło do obniżenia właściwości smarnych tego oleju. Dodatkowym czynnikiem wpływającym niekorzystnie na smarność, zwłaszcza w okresie letnim, jest obniżenie temperatury końca wrzenia paliwa, a tym samym jego lepkości.
Problemy ze smarnością niskosiarkowych olejów napędowych zostały po raz pierwszy zasygnalizowane podczas Otwartego Forum Kongresu SAE w 1991 r. Dotyczyły one głównie oleju napędowego o zawartości siarki poniżej 0,05% mas. i lepkości poniżej 2,0 mm²/s w 40°C.
Przeczytaj także: Różnice między rodzajami nafty
Uszkodzenia pomp występowały zwłaszcza, gdy olej zimowy charakteryzował się niską temperaturą mętnienia i bardzo niską zawartością siarki, rzędu 0,01% mas. Ponadto problem ten występował częściej w okresie wiosennym, kiedy temperatura w ciągu dnia wzrastała, co powodowało obniżenie lepkości i pogorszenie smarności.
Tradycyjnie uważa się, że paliwa zimowe powodują większe zużycie elementów trących ze względu na ich niższą lepkość.
W tab. l przedstawiono właściwości olejów napędowych ujętych w Światowej Karcie Paliw w porównaniu z właściwościami olejów napędowych według propozycji PN-EN 590.
W Światowej Karcie Paliw przyjęto podział olejów napędowych na cztery kategorie - w zależności od wymogów ochrony środowiska w krajach, w których dany olej ma być stosowany.
Metody oceny smarności olejów napędowych
Znacząca rola smarności olejów napędowych wymusiła opracowanie metod oceny właściwości smarnych tych paliw. Prowadzone w tym kierunku badania mogą stanowić próby w typowych warunkach eksploatacji, stanowiskowe próby wytrzymałościowe bądź też badania w warunkach laboratoryjnych.
Przeczytaj także: Nafta oświetleniowa vs. nafta destylowana: Porównanie
Badania eksploatacyjne są źródłem obiektywnych danych na temat smarności paliw, ale wiążą się z dużymi kosztami (konieczność rozebrania silnika w celu oszacowania zużycia), a poza tym są bardzo czasochłonne (eksploatacja silnika na dystansie około 100 tyś.).
Próby stanowiskowe są prowadzone głównie przy współpracy z producentami systemów zasilania paliwem, a także stanowią „wewnętrzne” testy firm (np. Bosch, Cummins, Lucas, Stanadyne). Najbardziej popularnym testem stanowiskowym jest test prowadzony z zastosowaniem rozdzielaczowej pompy wtryskowej, opracowany przez firmę Bosch oraz wprowadzony przez Shell Research zmodyfikowany test wytrzymałościowy Lucas Hartridge HA760.
Stanowiskowe metody badań stanowią alternatywę wobec testów eksploatacyjnych, ale również wymagają stosunkowo dużo czasu.
Po uwzględnieniu najważniejszych kryteriów, jakie powinny spełniać tego rodzaju testy, jako metodę laboratoryjną zapewniającą wystarczającą korelację dla efektywnego zużycia pomp wybrano metodę oceny smarności oleju napędowego za pomocą aparatu HFRR, która została znormalizowana przez ISO, ASTM, SAE oraz CEC. Test ten przyjęto również w najnowszej Karcie Paliw.
Metoda ta, przy małej objętości badanego paliwa, pozwala na obserwację procesu powstawania filmu dla dodatków działających w obszarze smarowania granicznego, umożliwia ocenę wielkości zużycia adhezyjnego, jak i zużycia frettingowego, również w warunkach małej prędkości poślizgu (co eliminuje do minimum wpływ ciepła wytwarzanego podczas tarcia oraz wpływ lepkości na wyniki testu).
Przeczytaj także: Petroleum D5: Kluczowe Informacje
Dotychczas jako graniczne kryterium smarności olejów napędowych przyjmowano wielkość skazy 460 µm; najnowsza Karta Paliw przyjmuje 400 µm. W Karcie tej przedstawiono również korelację pomiędzy rzeczywistym zużyciem pompy z wielkością skazy w teście HFRR.
Dodatki smarnościowe do olejów napędowych
Konsekwencją opisanych powyżej zmian składu olejów napędowych, związanych z obniżeniem ich smarności. stała się konieczność wprowadzenia dodatków smarnościowych do tych paliw.
Z uwagi na to, że dodatki te ulegają spalaniu wraz z paliwem, niemożliwe jest stosowanie większości znanych w świecie dodatków smarnościowych, wykorzystywanych dotychczas do olejów smarowych (zawierających metale). Dodatki nie mogą również pogarszać podstawowych właściwości paliwa, zawierać składników niepożądanych dla danego paliwa (np. związków siarki) ani takich, które mogłyby uszkadzać katalizatory układu spalinowego (np. związków fosforu); nie powinny działać korodujące na układ zasilania paliwem ani zwiększać emisji zanieczyszczeń.
Aktualnie toczą się burzliwe dyskusje na szczeblu ustawodawczym, poparte argumentami ze strony producentów oleju napędowego, samochodów oraz rolników. Dotyczą one wprowadzenia do eksploatacji tzw. Biodiesla, tj. olejów roślinnych (stanowiących triglicerydy wyższych kwasów tłuszczowych) lub, częściej, ich estrów metylowych (Fatty Acid Methyl Esters - FAME; Rapeseed Methyl Esters - RME). Biodiesel jest proponowany jako pełna alternatywa dla naftowego oleju napędowego bądź jego komponent.
Optymistyczne prognozy reprezentowane przez ugrupowania związane z rolnictwem i określające biodiesel jako panaceum na wszystkie problemy gospodarki i ekologii spotykają się z szeregiem wątpliwości ze strony producentów paliw i samochodów oraz przyszłych użytkowników.
Proponowana ustawa, która przewidywała obowiązkowe wprowadzenie przynajmniej 5% mas. biodiesla (bez określenia górnej granicy zawartości) na razie nie weszła w życie.
Tłuszcze roślinne - potencjalny surowiec do produkcji biodiesla - stanowią mieszaninę estrów glicerynowych różnych kwasów tłuszczowych.
Estry utworzone z tego typu kwasów i alkoholi, przeważnie wielowodorotlenowych, wchodzą w skład dodatków smarnościowych i wielofunkcyjnych do olejów napędowych.
Badania wpływu biodiesla na właściwości smarnościowe prowadzono za pomocą testów BOCLE i HFRR dla dwu typów olejów: niskosiarkowego oleju napędowego oraz paliwa Jet A-1.
Również badania przeprowadzone w Zakładzie Chemii i Technologii Organicznej Instytutu Chemii PW w Płocku dowodzą, że dodatek estrów metylowych kwasów tłuszczowych skutecznie poprawia właściwości przeciwzużyciowe oleju napędowego. Stwierdzono, że estry metylowe kwasów tłuszczowych produkcji krajowej są efektywnym dodatkiem przeciwzużyciowym do niskosiarkowego oleju napędowego porównywalnym do dodatku handlowego LubriBor (Hammonds, USA).
Efektywność smarnościową dwunastu różnych estrów, pochodzących z transestryfikacji czterech olejów roślinnych (słonecznikowy, lniany, rzepakowy i konopny) alkoholami: metylowym, etylowym, izopropylowym i n-butylowym, potwierdziły badania prowadzone za pomocą testu M-ROCLE. Estry te zastosowane w stężeniu 1% redukowały zużycie i tarcie oleju napędowego do 60%.
Tabela 1. Właściwości olejów napędowych według Światowej Karty Paliw i propozycji PN-EN 590
| Właściwość | Kategoria | PN-EN 590 (propozycja) |
|---|---|---|
| Liczba cetanowa | min. | 49 |
| Zawartość siarki [mg/kg] | maks. | 4 |
| Temperatura zapłonu [°C] | min. | 110 |
| Pozostałość po koksowaniu [% m/m] | maks. | 0,05 |
| CFPP [°C] | maks. | -20 |
| Zawartość wody [mg/kg] | maks. | 300 |
| Liczba kwasowa [mg KOH/g] | maks. | 0,5 |
| Pozostałość po spopieleniu [% m/m] | maks. | 0,03 |
| Liczba jodowa [gJ2/100g] | 105...120 |
tags: #nafta #petroleum #temperatura #destylacji
