SMOKE EMISSION OF AD3.152 ENGINE FUELLED WITH ...

65The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji Vol. 80, No. 2, 2018

Article citation info:Lotko W, Hernik A, Stobiecki J, Kosmanis T, Gorska M. Smoke emission ofAD3.152 engine fuelled with rapeseed oil/diethyl ether blends. The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji. 2018; 80(2): 65-76. http://dx.doi.org/10.14669/AM.VOL80.ART5

SMOKE EMISSION OF AD3.152 ENGINE FUELLED WITH RAPESEED OIL/DIETHYL

ETHER BLENDS

ZADYMIENIE SPALIN SILNIKA AD3.152 ZASILANEGO MIESZANINAMI OLEJU

RZEPAKOWEGO I ETERU DIETYLOWEGO

WINCENTY LOTKO1, ARKADIUSZ HERNIK2, JERZY STOBIECKI3, THEODOROS KOSMANIS4, MILENA GÓRSKA5

Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Alexander Technological Educational Institute of Thessaloniki

Summary

The paper presents research results on smoke emission from AD3.152 diesel engine fuelled with rapeseed oil (RO) and its blends with diethyl ether (DEE). All necessary tests were carried out in stationary condition for selected rotational speeds of the crankshaft i.e. 1000, 1500 and 2000 rpm as well as engine loads of 40, 80 and 120 Nm. Results of the research confirmed, that diethyl ether added in volumetric ratio of 40% to rapeseed oil reduces smoke opacity even by 50% compared with the engine fuelled with neat rapeseed oil.

Keywords: diethyl ether, rapeseed oil, biofuels, renewable fuels, diesel engine

1 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland; e-mail: lotko@uthrad.

2 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland.

3 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland.

4 Department of Automotive Engineering, Alexander Technological Educational Institute of Thessaloniki, Sindos 574 00, Greece.

5 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Materials Science, Technology and Design, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland.

66 The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji Vol. 80, No. 2, 2018

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań zadymienia spalin silnika o zapłonie samoczynnym AD3.152 zasilanego olejem rzepakowym (OR)oraz jego mieszaninami z eterem dietylowym (DEE). Wszystkie niezbędne badania wykonano w warunkach ustalonych dla wybranych prędkości obrotowych wału korbowego tj. 1000, 1500 i 2000 obr/min oraz obciążeń 40, 80 i 120 Nm. Uzyskane wyniki potwierdzają, że dodatek eteru dietylowego w objętości 40% do oleju rzepakowego zmniejsza zadymienie spalin nawet o ok. 50% w stosunku do silnika zasilanego olejem rzepakowym.

Słowa kluczowe: eter dietylowy, olej rzepakowy, biopaliwa, odnawialne paliwa, silnik diesla

Introduction

Having analyzed the current trends in the development of vehicle propulsion, one cannot fail to notice the ever so strongly emphasized aspect of the environmental performance of Combustion engines are almost universally fueled with refined petroleum products, i.e. fuels obtained from non-renewable sources. While vehicle manufacturers strive to meet the ever more stringent vehicle emission standards for limited exhaust emissions, noise emission and smoke opacity, all the interventions and efforts aim at either mitigating or eliminating the negative impact on the natural environment made by conventional internal combustion engines.

Both construction and research works of large corporations, but also independent re-search units, concentrate on two domains related to the development of vehicle propul-sion in response to the expectations of the modern automotive market. The first domain aims to develop an alternative vehicle motor, not by modifying the internal combustion en-gine, still archaic in its design, even if continuously improved, but by adapting technology different from the conventional motor. Examples of such solutions include electric vehicles using the battery power supply, the ability to quickly charge batteries, even wirelessly, the wireless "traction" power network, recuperation of energy through super capacitors, pho-tovoltaic cells, etc. The second much more developed way to meet the ever more stringent requirements is to adapt the conventional power supply system so that it can be supplied with fuels of lower toxicity. Among such solutions, the well-researched formulas include: gas derived from refining crude oil, natural gas in various forms, vegetable oil fuels and their esters as well as alcohol and ether compounds [3, 6, 7, 10].

1. Literature review

Supplying engines with fuels based on vegetable oils is hardly a new idea. When in the last decade of the 19th century Rudolf Diesel was developing his compression-ignition engine, he adapted it to be supplied with mineral oil and peanut oil. For decades, plant fuels have not been fully appreciated. The only exceptions were the short periods during the Second World War when fuel shortages on the front lines forced nations to obtain fuels from other sources.

The good control of technologies for mining, processing and distribution of fossil fuels meant that alternative fuels were not perceived as attractive, especially due to their higher


costs at that time and relatively worse properties. The situation changed in the seventies of the twentieth century under the influence of the world oil crisis, which affected the highly industrialized countries.

The next fuel crisis arose from 1979 to 1982. It led to a crisis in the global monetary system and the economic crisis accompanied by recession and high inflation. Both events spurred the search for new natural resources, but also rekindled the interest in the concept of alternative fuels. The last significant drop in oil prices was recorded after the first Gulf War. Since then, oil prices have been steadily increasing while the resources are inevitably shrinking.

The work on the use of vegetable oil to power compression-ignition engines, depending on the geographical region, focused on researching of soybean, sunflower, rapeseed, linseed, maize, palm, peanut cotton, sesame and coconut oil. In their chemical nature, vegetable oils are esters of glycerol and fatty acids containing in one molecule even 22 carbon atoms or 14-18 atoms in the case of rapeseed oil. The presence of free fatty acids in the ester class makes vegetable oils susceptible to hydrolysis and esterification. The presence of numer-ous unsaturated bonds in their molecules promotes their oxidation and polymerization.

Motivated by the production cost, ester is produced with the use of methyl alcohol or, less commonly, ethanol. In Poland and Europe, esters are usually produced using rapeseed oil and methyl alcohol. Methyl esters of higher fatty acids are assigned the acronym FAME (Fatty Acid Methyl Esters), and ethyl esters FAEE (Fatty Acid Ethyl Esters). Methyl esters of higher fatty acids of rapeseed oil are given the symbol RME (Rape-seed Oil Methyl Ester – in Poland often: EMKOR). Currently, in Poland FAME type fuels, in accordance with the stand-ard PN-EN 590, can account for up to 7% of the fuel distributed as diesel oil.

To improve the rape oil combustion process, attempts have been made to mix it with either water or alcohol [1]. Water evaporates rapidly (explosively) in the hot combustion chamber and improves the RO spraying process. As a result, the smoke opacity and the content of nitrogen oxides in the exhaust emission can be reduced. In turn, the application of ethyl alcohol in the RO results in an increase in the ignition delay of such a mixture. Combustion process of such blends occurs with higher value of in-cylinder pressure rise rate.

In addition, the application of ethyl alcohol in the RO reduces the amount of deposits in the combustion chamber in comparison to the engine fuelled with neat RO. Attempts have also been made to apply a mixture of diesel fuel, RME and dehydrated ethyl alcohol, called Bioxdiesel, to the compression-ignition engines. The advantage of this mixture is the improved low temperature propertiesas well as excellent lubricity. This method has produced lower toxicity of exhaust gases although the mixture displays a lower calorific value than diesel fuel (proportional to the share of alcohol and RME in the mixture). This results in a deterioration of the engine performance (at the same fuel dose as diesel fuel) or an increase in fuel consumption when the dose is increased.

Refined petroleum fuels are likely to remain the main fuel source for internal combustion engines for a long time. The introduction of oxygen additives to mineral fuels may have a beneficial effect on the performance of the engine's operating processes and enhance


the protection of natural environment against the products of the combustion process. Particularly promising seem to be the additives containing ethanol derivatives and some ether.

Both ethers and ethanol derivatives display no hygroscopic properties which makes them miscible with diesel oil. The mixtures thus obtained are homogeneous, remain stable within a wide range of temperatures and absorb no moisture from the environment. The main advantages of diethyl ether are its high cetane number and good miscibility with both diesel and ethanol. Its main disadvantages, however, include the low combustion temperature of diethyl ether (approximately -40ºC) which requires taking special safety precautions in transporting and refueling.

Sidibe et al. [9] in their study from 2010 indicated many studies on the use of vegetable oils for powering combustion-ignition engines. The previous studies had demonstrated the usefulness of simple vegetable oils (SVO-Straight Vegetable Oil), produced locally, per-ceived as simple and cheap in production while being environmentally friendly. The re-search highlighted the different physical and chemical properties of vegetable oils in com-parison to diesel oil which may cause some technical problems in the longer use of the so-fueled engines. The study's literature revealed a debate between various authors con-testing about the possible consequences of the use of simple oils and possible solutions of potential problems. Current research indicates a reduction in the service life of engines due to the deposition of carbon deposition in the combustion chamber and its spread into the lubrication system. Attempts have been made to counteract this phenomenon for ex-ample by heating vegetable oil before injection into the combustion chamber, which has proven ineffective.

Labeckas and Slavinskas [11] conducted a comparative analysis of the compression-igni-tion engine with direct injection fuelled with either diesel oil or cold-pressed rape oil (RO). The research was focused on the influence of OR fuel on the engine's efficiency and the formation of carbon deposits in the injectors in the transient operating states of the en-gine.The study showed that a standard OR fueled diesel engine consumes about 12% more fuel at maximum speed, which results from the lower heating value of OR, also recording the smoke opacity reduced by 35%. Facilitating the motor with a fuel heating system with heating capacity of up to 60ºC reduced OR's viscosity, flow resistance moving through in-jectors and filters, and consequently the possibility of obtaining a fuel consumption higher by 7.5% in comparison to diesel fuel. Further heating to 90ºC failed to bring any measurable effects, and even led to an increased smoke opacity. Again, the researchers observed the problem with the deposition of carbon in the injectors fueled only by OR, carbon-baked piston rings and recommended twice as frequent engine inspections. Using a modified engine in which a number of injectors were powered by pure OR and the others with stand-ard diesel fuel the research proved that the rapid formation of carbon deposits is prob-ably caused by uneven distribution of fuel drops, slow evaporation and lower propensity to combustion-ignition, which in turn leads to incomplete combustion of fuel. This inferior spraying capacity of pure OR may cause an unstable engine operation at the low and me-dium rotation speed.


An important feature was also the increased corrosion process and the degradation of rub-ber seals. Further long-term engine-test-stand tests are required to determine the range of the necessary modifications to the fueling system.

Drown at al. [12] focused on the effect on lubricity in the use of ethyl and methyl esters of various vegetable oils using the HFRR method (High Frequency Reciprocating Rig). In their study, they emphasized that ethyl esters clearly improve lubricity compared to me-thyl esters. In addition, there was no clear correlation between the improvement of lubric-ity and the fatty acid profile of the ester.

Nazal et al. [13] conducted comprehensive studies on the validity of the use of biodiesel additive – i.e. vegetable oil subjected to the transesterification process in comparison to diesel oil. The tests were carried out on mixtures containing 5, 8 and 11% biodiesel, and tested on a single-cylinder test engine under regular operating conditions. The research showed that pure vegetable oils can be a viable alternative fuel for the CI engine with a standard supply system, but only in a short period of operation. In the case of a long-term use of the CI engine powered by a mixture of diesel oil and vegetable oils, the researchers drew a clear limit line of 20% of vegetable oil content in the mixture, above which severe engine problems were almost unavoidable.

Wang et al. [14] applied a mixture of vegetable oil and diesel fuel to the test engine in the proportions of 25, 50, 75 and 100 percent. The experiment was carried out on the engine at a constant speed of 1500 rpm. The test results were correlated with the values obtained when the engine was powered by diesel oil. The results confirmed the previous theses: although both the power and fuel consumption were comparable with the val-ues obtained in the case of the diesel oil supply, the exhaust emission data looked more promising: significantly lower emission of nitrogen oxides and, at low engine speed, also carbon monoxide.

As early as 1997, Bailey et al. [2] observed that "producing and using renewable fuels for transportation is one approach for a sustainable energy future for the United States, as well as the rest of the world. Renewable fuels may also substantially reduce contributions to global climate change. "The authors forecast the use of ethanol as an alternative fuel for powering vehicles with a combustion-ignition engine. At the same time, they advocated considering the possibility of feeding diesel engines with diethyl ether (DEE), obtained in the ethanol dehydration process, having characterized DEE as a well-known agent sup-porting cold start. The researchers pointed to the little knowledge about the feasibility of using DEE to power such engines, whether directly in pure form or as part of mixture, in contrast to dimethyl ether (DME), which had been more extensively tested and found applicable as an alternative fuel with low emission levels. The study presented both the validity and economics of obtaining DEE from biomass based ethanol. The comparison of properties in relation to: dimethyl ether, methanol, ethanol, methylal, propane, natural gas (CNG), gasoline, biodiesel, Fischer-Tropsch synthetic gas and diesel oil indicated a high cetane number, low self-ignition temperature, low viscosity, a wide flammability range of the mixture and low boiling point. Importantly, the author pointed to the earlier attempts to use DEE in the years of World War II, DEE-enriched ethanol was used as motor fuel in the face of scarcity of other aviation fuel. The researchers observed that by creating a mixture


containing less than 20% DEE it is possible to improve the ethanol properties, especially solving the initial ignition problems.

In 2009, Purushothaman and Nagarajan [8] conducted a series of comparative tests of engines supplied with orange oil (orange peel), a mixture of orange oil and biodiesel and a mixture of orange oil and diethyl ether, with regard to emissions of carbon oxides (CO), hydrocarbons (HC) , nitrogen oxides (NOx) and smoke opacity.

Test engines were spark-ignition engines powered by a mixture of oil and gasoline, and a combustion-ignition engine powered by a dual-fuel system, in which DEE was added to improve the combustion characteristics in a wide range of the engine operations. DEE was applied directly to the intake manifold, because the high volatility enhances rapid evapo-ration and the formation of a mixture with the air sucked inside. The addition of DEE made it possible to power the engine with plain orange oil, which in its pure form had too high viscosity, low cetane number and a high self-ignition delay. The addition of DEE allows to burn the oil completely, reducing at the same time the temperature of the exhaust which benefited the reduction of NOx emissions while increasing the emission of CO and HC, which can be explained by the higher flame velocity of such a mixture.

Zhang et al. [5] in 2011, undertook research on a modern CI engine, with a common-rail power supply and turbocharging. The test engine was powered by two types of biodiesel and biodiesel mixture from DEE. The comparisons were made in the conditions of a con-stant engine speed with the rotational speed of the crankshaft of 1,600 and 2,600 rpm and at three speed configurations: 25, 50 and 75%. The study proved that the addition of DEE had a positive effect on the combustion of vegetable oils. With comparable efficiency and fuel consumption, it was possible to reduce NOx emissions at each speed configura-tion and crankshaft speed. Yet again, attention was drawn to the fact that DEE greatly increased the cetane number of the mixture, and reduced NOx emissions by reducing the temperature of exhaust gases. Positive effects were also observed when increasing the proportion of the DEE additive at higher engine speeds. Both biodiesel and DEE contain much more oxygen and less sulfur than diesel, which translates into low emission of harm-ful by-products of the combustion process.

Górski and Przedlacki [4] in 2014, assessed the effect of the DEE additive on selected physicochemical properties of diesel oil and ignition delay. The researchers measured the effect of DEE on the change in the calorific value, kinematic viscosity, density, lubricity, cold filter block temperature, cetane number and also miscibility in comparison with die-sel oil. The tests were carried out on two combustion-ignition engines, feeding them with mixtures containing 5, 10, 15 and 20% of DEE. No problems were identified concerning the stability of the mixture in a wide temperature range from -20°C to + 10°C. The test was carried out at crankshaft speeds of 1,000, 1,400, 1,800 rpm and two loads of 80 and 120 Nm. Adding DEE to diesel significantly reduces its viscosity. Particularly, a 5% DEE additive reduces viscosity as much as 26%, yet the studies proved that use a mixture containing up to 20% of DEE is safe. The mixture richer than 20% caused problems in starting the engine, affecting a noticeable drop in power, and as a result of significant dilution – leaks in the fuel system.


In one of the latest studies addressing the use of DEE [15], fuel samples which were a mix-ture of either 80% diesel oil, 15% palm oil and 5% DEE, or 80% diesel, 10% palm oil and 10% DEE, all tested for emissions and combustion characteristics, were used. The authors confirmed the viability of the DEE use as an oxygen component improving both the com-bustion characteristics of vegetable oils and the previously mentioned physicochemical properties.

2. Methods and research materials

Rapeseed oil and its blends with addition of 10, 20, 30 and 40% of DEE by volume were examined in this paper. Selected physicochemical properties of these fuels are listed in Table 1.

Table 1. Selected physicochemical properties of tested fuels

ParameterFuel

OR DEE10 DEE20 DEE30 DEE40

Kinematic viscosity, [mm2/s] 34 17 10 6 3

Density, [g/cm3] 0,92 0,90 0,88 0,87 0,85

Surface tension, [mN/m ] 46 41 37 31 27

Flash point, [ºC] - 20 -2 -12 -21

Lower heating value, [MJ/kg] 37 36 36 36 36

DEE content in RO, [%, v/v] - 10 20 30 40

Ether (diethyl ether) is an organic chemical compound in the ether class. It is composed of two ethyl groups attached to an oxygen atom. It is a derivative of alcohols or phenols and an extremely flammable liquid with a flash point of -45ºC and a self-combustion tem-perature of 180ºC. It is obtained in the process of dehydration of ethyl alcohol. The main advantage of diethyl ether as a fuel additive is its high cetane number, good miscibility with diesel oil, ethanol and vegetable oils, as well as the stability of the mixture.

Rapeseed oil is characterized by a higher viscosity in relation to diesel oil. This usually has a negative effect on the quality of fuel atomization and, consequently, on the deterioration of the quality of the combustion process. However, the addition of DEE to RO significantly reduces the viscosity of such blend. Therefore, it can be expected that the addition of DEE to RO will help to reduce smoke opacity. Also lower surface tension and density of RO with the addition of DEE should improve the quality of the injection process and at the same time improve the process of combustion fuel.

In tests, the AD3.152 engine equipped with a conventional fuel injection system, i.e. a DPA in-line pump and multi-hole fuel injectors was used. Selected technical data of the tested engine is presented in Table 2.


Table 2. Selected technical data of AD3.152 engine

Parameter Value

Cylinder number 3

Engine capacity 2502 cm3

Compression ratio 16.5

Maximum power 34.6 kW at 2150 rpm

Maximum torque 145 Nm at 1200 rpm

idle run 750 rpm

Fuel injection system Lucas - CAV type DPA

Injection delay 17 ºCA before TDC (at idle run)

Injection pressure 17.5 MPa

Injector type multihole (WZM Warszawa)

Analysis of smoke emission of the AD3.152 engine fuelled with tested fuels was carried out on the test stand showed in Fig. 1.Tested engine (2) was connected to engine brake (3). Parameters of engine work were controlled by steering box (4) and PC work station (5). The AVL 465 gas analyzer (1) was used for measurementsof smoke opacity. Tests were carried out for 1000, 1500 and 2000 rpm as well as for engine loads of 40, 80 and 120 Nm.

Fig. 1. Test stand scheme: 1 – AVL465 gas analyzer, 2 – AD3.152 engine, 3 – engine brake, 4 – steering box, 5 – PC workstation


3. Research results

Fig. 2 presents variations of smoke opacity of AD3.152 engine operated at 1000 rpm. The engine was fuelled with RO and its blends with DEE.

Fig. 2. Impact of DEE addition to RO on smoke emission of AD3.152 engine operated at 1000 rpm

As can be concluded from Fig. 2, the addition of DEE causes a significant reduction in smoke emission of the AD3.152 engine. The largest value of smoke opacity was obtained for the engine operating at the highest load, which results from the larger volume of fuel burned. In this case, the smoke value of the AD3.152 engine fueled with DEE40 fuel was approx. 50% lower in relation to the RO.

Fig. 3 shows the results of exhaust opacity of the AD3.152 engine operating at 1500 rpm. The obtained smoke opacity was higher in relation to the values obtained at 1000 rpm. This is due to the higher exhaust gas flow through the exhaust system. A positive effect of DEE on reducing the exhaust smoke of the tested engine can be found. This was particularly evident for a load of 120 Nm. In this case, the smokiness of the exhaust which was obtained by burning the DEE40 fuel was about 45% lower in relation to the OR.


Fig. 3. Impact of DEE addition to RO on smoke emission of AD3.152 engine operated at 1500 rpm

Further increasing the engine crankshaft speed tends to increase smoke opacity due to the higher concentration of the smoke particles in the exhaust gases stream.

Fig. 4. Impact of DEE addition to RO on smoke emission of AD3.152 engine operated at 2000 rpm.

Based on the analysis of Fig. 4, it can be concluded that the smoke emission of the engine running at the speed of n = 2000 rpm is significantly higher than the results obtained at the speed of 1000 rpm. Nevertheless, it was noticed that the DEE additive reduces the exhaust smoke of the engine operating at all tested load conditions. Particularly beneficial


results have been obtained for an engine operating at a load of 120 Nm. In this case, engine smoke opacity was approx. 44% lower compared to RO.

4. Recapitulation

DEE can be blended with RO. Physicochemical properties of these blends are similar to DF. DEE allows to reduce kinematic viscosity, surface tension and density of RO. In this way the quality of fuel injection and combustion process should be improved. Taking this into account, this paper presents results of smoke emission from diesel engine fuelled with RO and its blends with addition of 10, 20, 30 and 40% by vol. of DEE. Tests were carried out for low, middle and higher rotational speeds of the crankshaft and for low, middle and higher load of the tested engine. Obtained results confirm that DEE blended with RO allows the reduction of smoke emission even by 50% compared to the values obtained for the same engine fuelled with neat RO.

The full text of the article is available in Polish online on the website http://archiwummotoryzacji.pl.

Tekst artykułu w polskiej wersji językowej dostępny jest na stronie http://archiwummotoryzacji.pl.

References[1] Baczewski K, Kałdoński T. Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności

2004.

[2] Bailey B, Eberhardt J, Goguen S, Erwin J. Diethyl Ether (DEE) as a Renewable Diesel Fuel, SAE Technical Paper 972978, 1997.

[3] Chłopek Z. Paliwa alternatywne do silników spalinowych a emisja dwutlenku węgla.Wydawnictwo ITS. Transport Samochodowy 2010(2).

[4] Górski K, Przedlacki M. Evaluation of the Influance of Diethyl Ether (DEE) Addition on Selected Physicochemical Properties of Diesel Oil and Ignition Delay Period. Energy & Fuels, 2014.

[5] Zhang, N, Huan, Z, Wang X, Zheng B. A Comperative Study of Two Kinds of Biodiesels and Biodiesel-DEE Blends In a Common Rail Diesel Engine. SAE International 2011.

[6] Lotko W, Górski K. Zasilanie silnika wysokoprężnego mieszaninami ON i EETB. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 2011.

[7] Merkisz J, Pielecha I. Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2006.

[8] Purushothaman K, Nagarajan G. Experimental investigation on a C.I. engine using orange oil and orange oil with DEE. Fuel, 2009.

[9] Sidibé S S, Blin J, Vaitilingom G, Azoumah Y. Use of crude filtered vegetable oil as a fuel in Diesel engines state of the art: literature review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2010; 14: 2748-2.

[10] Rakopoulos D C, Rakopoulos C D, Giakoumis E G, Dimaratos A M, Founti M A. Comparative environmental be-haviour of bus engine operating on blends of diesel fuel with four straight vegetable oils of Greek origin: Sunflower, cottonseed, corn and olive. Fuel, 2011: 90(11); 3439-3446.


[11] Labeckas G, Slavinskas S. Performance of direct-injection off road diesel engine on rapeseed oil. Renewable Energy 2006; 31: 849-863.

[12] Drown D C, Harper K, Frame E. Screening Vegetable Oil Alcohol Esters as Fuel Lubricity Enhancers. Journal of The American Oil Chemist's Society 78(6). 2001.

[13] Nazal I T, Al.-Kayiem H H. Experimental Characterization of Diesel Engine Performance Fuelled By Various Sunflower Oil-Diesel Mixtures. Journal of Applied Sciences, 12: 2604-2609.

[14] Wang YD, Al-Shemmeri T, Eames P, McMullan J, Hewitt N, Huang Y, Rezvani S. An experimental investigation of the performance and gaseous exhaust emissions of a diesel engine using blends of a vegetable oil. Applied Thermal Eng., 26: 1684-1691.

[15] Imtenan S, Varman M, Masjuki H H, Kalam A M, Sajjad H, Arbab M I. Effect of DEE as an Oxygenated Additive on Palm Biodiesel-Diesel Blend In the Context of Combustion and Emission Characteristics on a Medium Duty Diesel Engine. DOI:10.7763/IPCBEE. 2015. V85. 16.

The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji Vol. 80, No. 2, 2018

Article citation info: Lotko W, Hernik A, Stobiecki J, Kosmanis T, Gorska M. Smoke emission ofAD3.152 engine fuelled with rapeseed oil/diethyl ether blends. The Archives of Automotive Engineering – Archiwum Motoryzacji. 2018; 80(2): 65-76. http://dx.doi.org/10.14669/AM.VOL80.ART5

Zadymienie spalin silnika AD3.152 zasilanego mieszaninami oleju rzepakowego

i eteru dietylowego WINCENTY LOTKO 1, ARKADIUSZ HERNIK 2, JERZY STOBIECKI 3,

THEODOROS KOSMANIS4, MILENA GÓRSKA5

Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Alexander Technological Educational Institute of Thessaloniki

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań zadymienia spalin silnika o zapłonie samoczynnym AD3.152 zasilanego olejem rzepakowym (OR)oraz jego mieszaninami z eterem dietylowym (DEE). Wszystkie niezbędne badania wykonano w warunkach ustalonych dla wybranych prędkości obrotowych wału korbowego tj. 1000, 1500 i 2000 obr/min oraz obciążeń 40, 80 i 120 Nm. Uzyskane wyniki potwierdzają, że dodatek eteru dietylowego w objętości 40% do oleju rzepakowego zmniejsza zadymienie spalin nawet o ok. 50% w stosunku do silnika zasilanego olejem rzepakowym.

1 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland; e-mail: lotko@uthrad. 2 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland. 3 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland. 4 Department of Automotive Engineering, , Alexander Technological Educational Institute of Thessaloniki, Sindos 574 00, Greece. 5 Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, Faculty of Materials Science, Technology and Design, ul. Jacka Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland.


Wstęp

Analizując współczesne trendy rozwoju napędu pojazdów, zauważyć można wyraźnie zaakcentowany aspekt ekologiczności pojazdów. Powszechnie stosowane są silniki spalinowe, zasilane produktami rafinacji ropy naftowej, a więc paliwem pochodzącym ze źródeł nieodnawialnych. Dążeniem producentów pojazdów jest sprostanie coraz ostrzejszym normom emisji limitowanych składników spalin, norm emisji hałasu, zadymienia spalin itp. Wszelkie zabiegi i starania mają na celu złagodzenie lub wyeliminowanie negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne konwencjonalnych silników spalinowych.

Prace konstrukcyjne i badawcze dużych koncernów, ale i samodzielnych jednostek badawczych, skupiają się na dwóch obszarach działalności związanej z opracowaniem napędu pojazdów będącego odpowiedzią na oczekiwania współczesnego rynku motoryzacyjnego. Pierwszym jest opracowanie alternatywnego napędu pojazdu, nie poprzez modyfikację silnika spalinowego, lecz poprzez zaadaptowanie technologii odmiennej od napędu konwencjonalnego. Przykładami takich rozwiązań są: pojazdy elektryczne wykorzystujące zasilanie baterią akumulatorów, możliwość szybkiego ładowania akumulatorów nawet bezprzewodowo, bezprzewodowa „sieć trakcyjna”, rekuperacja energii ruchu z wykorzystaniem superkondensatorów, ogniwa fotowoltaiczne itp. Drugim sposobem na sprostanie coraz surowszym wymogom jest adaptacja układu zasilania silnika konwencjonalnego tak, by można było zasilić go paliwami o mniejszej toksyczności. W tym zakresie do dobrze rozpoznanych i rozwijanych rozwiązań należy zaliczyć zastosowanie gazu pochodzącego z rafinacji ropy naftowej, gazu ziemny w różnej postaci, paliw pochodzenia roślinnego i ich estrów oraz alkoholi i eterów.

1. Analiza literaturowa

Zasilanie silników paliwami pochodzenia roślinnego nie jest nowym pomysłem, ponieważ już w ostatniej dekadzie XIX wieku Rudolf Diesel przy opracowywaniu swojego silnika o zapłonie samoczynnym, przystosował go do zasilania olejem pochodzenia mineralnego, jak i olejem z orzechów arachidowych. Przez dziesięciolecia paliwa pochodzenia roślinnego były niedoceniane. Wyjątek stanowią krótkie okresy podczas II Wojny Światowej, kiedy to niedobory paliwa zmuszały do jego pozyskiwania z innych źródeł.

Dobre opanowanie technologii wydobycia, przetwórstwa i dystrybucji paliw pochodzenia kopalnianego powodowało, że paliwa alternatywne nie były postrzegane jako atrakcyjne, tym bardziej że były wówczas droższe i miały gorsze właściwości. Sytuacja zmieniła się w latach siedemdziesiątych XX wieku pod wpływem panującego na świecie kryzysu naftowego, który dotknął kraje wysoko uprzemysłowione i wiele dziedzin gospodarki światowej.

Kolejny kryzys paliwowy to lata 1979-1982. Był on spowodowany niewydolnością światowego systemu walutowego oraz recesją gospodarczą i inflacją. Oba wydarzenia spowodowały, że zaczęto poszukiwać nowych złóż ropy naftowej, jak również powrócono do koncepcji opracowania paliw stanowiących alternatywę dla paliw konwencjonalnych. Ostatni znaczący spadek cen ropy odnotowano po I wojnie w Zatoce Perskiej. Jednak od tamtej pory ceny ropy charakteryzują się znaczną zmiennością.


Prace nad zastosowaniem oleju roślinnego do zasilania silników o zapłonie samoczynnym, w zależności od regionu geograficznego, skupiały się m.in. na badaniu oleju sojowego, słonecznikowego, rzepakowego, lnianego, kukurydzianego, palmowego, arachidowego, bawełnianego, sezamowego i kokosowego. Z natury chemicznej oleje roślinne są estrami gliceryny i kwasów tłuszczowych, zawierających w cząsteczce od 14 do 22 atomów węgla. Obecność grupy estrowej wolnych kwasów tłuszczowych powoduje, że oleje roślinne są podatne na hydrolizę i estryfikację. Obecność w cząsteczkach olejów roślinnych licznych wiązań nienasyconych sprzyja ich utlenianiu i polimeryzacji.

Ze względu na koszt, do wytwarzania estrów powszechnie używa się alkoholu metylowego, rzadziej alkoholu etylowego. W Polsce i w Europie do produkcji estrów stosuje się z reguły olej rzepakowy i alkohol metylowy. Estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych określa się akronimem FAME (Fatty Acid Methyl Esters), a estry etylowe FAEE (Fatty Acid Ethyl Esters). Estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego oznacza się symbolem RME (Rape-seed Oil Methyl Ester – w Polsce często EMKOR). Obecnie w Polsce paliwa typu FAME, zgodnie z normą PN-EN 590, mogą stanowić dodatek do 7% paliwa dystrybuowanego jako olej napędowy.

W celu polepszenia procesu spalania oleju rzepakowego, podejmowano próby mieszania go z wodą lub alkoholem [1]. Woda paruje gwałtownie (wybuchowo) w gorącej komorze spalania i poprawia proces rozpylania OR. W rezultacie zmniejsza się zadymienie spalin i zawartość tlenków azotu w spalinach. Natomiast dodatek alkoholu do OR prowadzi do zwiększenia okresu opóźnienia samozapłonu i sprzyja większej skłonności paliwa do twardego spalania. Zauważono, że dodatek alkoholu etylowego do OR zmniejsza ilość osadów w komorze spalania w stosunku do zasilania silnika samym OR. Podejmowane były próby zastosowania do zasilania silników ZS mieszaniny ON, RME i odwodnionego alkoholu etylowego, nazwanego Bioxdiesel. Zaletą takiej mieszaniny jest polepszenie jej parametrów niskotemperaturowych przy zachowaniu bardzo dobrych właściwości smarnościowych. Uzyskano mniejszą toksyczność spalin, ale taka mieszanina ma mniejszą wartość opałową niż ON. Powoduje to pogorszenie osiągów silnika (przy takiej samej wartości dawki paliwa jak ON) lub wzrost zużycia paliwa przy zwiększeniu dawki.

Paliwa będące produktami rafinacji ropy naftowej prawdopodobnie jeszcze przez długi czas będą stanowiły podstawowe źródło zasilania silników spalinowych. Wprowadzenie dodatków tlenowych do paliw mineralnych może mieć korzystny wpływ na realizację procesów roboczych silnika oraz sprzyjać ochronie środowiska naturalnego przed produktami procesu spalania. Szczególnie obiecujące wydają się być dodatki w postaci pochodnych etanolu i niektórych eterów.

Zarówno etery, jak i pochodne etanolu, są pozbawione cech higroskopijności, dzięki czemu możliwe jest ich mieszanie z olejem napędowym. Uzyskane w taki sposób mieszaniny są jednorodne, stabilne w szerokim zakresie zmian temperatury i nie chłoną wilgoci z otoczenia. Głównymi zaletami eteru dietylowego jest jego wysoka liczba cetanowa oraz dobra mieszalność zarówno z olejem napędowym jak i etanolem. Do głównych wad należy zaliczyć niską temperaturę zapłonu eteru dietylowego (ok. -40ºC), co sprawia że substancja wymaga szczególnych środków ostrożności podczas transportu i tankowania.


Sidibe i in. [9] w swojej pracy z 2010 roku wykazali, że istnieje wiele opracowań dotyczących zastosowania olejów roślinnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Dotychczasowe opracowania wykazały przydatność olejów pochodzenia roślinnego (SVO- Straight Vegetable Oil), produkowanych lokalnie, postrzeganych jako proste i tanie w produkcji oraz nie szkodzących środowisku naturalnemu. Zwrócono także uwagę na odmienne właściwości fizykochemiczne olejów roślinnych w odniesieniu do oleju napędowego, mogących powodować pewne problemy techniczne w perspektywie dłuższego użytkowania tak zasilanych silników. W bibliografii istnieje spór między autorami dotyczący możliwych konsekwencji stosowania paliw pochodzenia roślinnego. Dotychczasowe badania wskazują na zmniejszenie żywotności silników wskutek odkładania się nagaru węglowego w komorze spalania i przedostawania się go do układu smarowania Zwrócono również uwagę na znaczną lepkość olejów roślinnych, ich podatność do utleniania i wyższą temperaturą krzepnięcia. Próbowano przeciwdziałać temu zjawisku np. poprzez ogrzewania oleju roślinnego przed jego wtryśnięciem do komory spalania, jednak okazało się to nieefektywne.

G. Labeckas i S. Slavinskas [11] przeprowadzili badania porównawcze na silniku o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa zasilanym olejem napędowym, oraz olejem rzepakowym (OR) tłoczonym na zimno. Przedmiotem badań był wpływ zasilania OR na sprawność silnika oraz wytwarzanie osadów węglowych na wtryskiwaczach w nieustalonych stanach pracy silnika. Badanie wykazało że standardowy silnik o zapłonie samoczynnym zasilany OR zużywa około 12% więcej paliwa przy pełnym obciążeniu, co związane jest z niższą wartością opałową OR, ale zadymienie spalin jest aż o 35% mniejsze. Doposażenie układu zasilania w system podgrzewania paliwa do temperatury 60ºC powoduje obniżenie lepkości OR, mniejsze opory przepływu przez wtryskiwacze i filtry, a w konsekwencji możliwość uzyskania zużycia paliwa większego o 7,5% w odniesieniu do zasilania ON. Dalsze podgrzewanie do temperatury 90ºC nie przynosiło już wymiernych efektów, a nawet prowadzi do zwiększenia zadymienia spalin. Również i tym razem stwierdzono problem z odkładaniem się nagaru węglowego we wtryskiwaczach zasilanych OR, zapiekaniem pierścieni tłokowych oraz zalecono dwa razy częstsze ich inspekcje. Wykorzystując zmodyfikowany silnik w którym część wtryskiwaczy zasilana była czystym OR, a pozostałe standardowo ON wykazano, że przyczyną szybkiego powstawania nagaru węglowego jest prawdopodobnie nierównomierny rozkład kropli rozpylonego paliwa, powolne odparowanie i mniejsza skłonność do samozapłonu, co w konsekwencji prowadzi do niepełnego spalenia paliwa. Z powodu gorszego rozpylania czystego OR może też występować niestabilna praca silnika w zakresie niskich i średnich obciążeń.

Ważnym aspektem jest również zwiększona aktywność korozyjna i degradacja gumowych uszczelnień. Niezbędne są długookresowe badania na hamowni silnikowej, w celu ustalenia zakresu niezbędnych modyfikacji układu zasilania.

Drown i in. [12] skupili się w swoich badaniach na problemie smarności stosowania estrów etylowych i metylowych różnych olejów roślinnych, stosując metodę HFRR. W swoim opracowaniu podkreślili, że estry etylowe wyraźnie poprawiają smarność, w porównaniu do estrów metylowych. Ponadto nie stwierdzono wyraźnej korelacji pomiędzy poprawą smarności a profilem kwasu tłuszczowego estru.


Nazal i in. [13] przedstawili kompleksowe badania dotyczące zasadności stosowania dodatku biodiesla do oleju napędowego. Badaniom poddano mieszaniny zawierające 5, 8 i 11% biodiesla testowanego na badawczym silniku jednocylindrowym. Wykazano, że czyste oleje roślinne mogą stanowić alternatywne paliwo zasilające silnik o ZS o standardowym układzie zasilania, ale tylko w krótkim okresie eksploatacji. W długotrwałym użytkowaniu silników o ZS zasilanych mieszaniną oleju napędowego i olejów roślinnych wyznaczono wyraźną granice 20% objętościowej zawartości oleju roślinnego w mieszaninie, powyżej której prawie zawsze występowały poważne problemy z silnikiem

Wang i in. [14] zastosowali do zasilania silnika mieszaniny oleju roślinnego z olejem napędowym w proporcjach 25, 50, 75 i 100%. Eksperyment przeprowadzono na silniku pracującym pod stałym obciążeniem i przy prędkości obrotowej 1500obr/min. Wyniki badania odniesiono do wartości uzyskanych przy zasilaniu silnika olejem napędowym. Potwierdzono, że moc i zużycie paliwa były porównywalne z wartościami uzyskiwanymi dla zasilania ON, natomiast bardzo obiecująco wyglądają wyniki emisji spalin tj. stwierdzono wyraźnie mniejszą emisję tlenków azotu.

W 1997 roku Bailey i in. [2] stwierdzili, że „produkcja i wykorzystywanie paliw odnawialnych w transporcie jest jednym ze sposobów na zrównoważoną przyszłość energetyczną dla Stanów Zjednoczonych, a także dla reszty świata. Paliwa odnawialne mogą również znacznie zmniejszyć wkład w globalną zmianę klimatu”. Autorzy prognozują wykorzystanie etanolu jako paliwa alternatywnego do zasilania pojazdów z silnikiem o zapłonie iskrowym. Proponują jednocześnie rozważenie możliwości zasilania silników o zapłonie samoczynnym eterem dietylowym (DEE), pozyskanym w procesie dehydratacji etanolu. Charakteryzują ponadto DEE jako dobrze znany środek wspomagający rozruch zimnego silnika. Autorzy zwracają uwagę na fakt, że wciąż niewiele wiadomo o możliwości wykorzystania DEE do zasilania silnika, czy to bezpośrednio w formie czystej, czy też jako składnik mieszaniny, w przeciwieństwie do eteru dimetylowego (DME), który został przebadany w znacznie szerszym zakresie i znalazł zastosowanie jako paliwo alternatywne charakteryzujące się niską emisyjnością. W publikacji przeanalizowano zasadność i ekonomiczność użycia DEE z etanolu pozyskanego z biomasy. Warte odnotowania są próby wykorzystania DEE już w latach II Wojny Światowej, kiedy podczas niedoboru paliwa lotniczego, stosowano etanol wzbogacony DEE jako paliwo silnikowe. Zauważono że tworząc mieszaninę zawierającą do 20% DEE, można w prosty sposób wpłynąć na polepszenie właściwości etanolu, zwłaszcza ograniczyć trudności z uruchomieniem silnika.

W 2009 r. Purushothaman i Nagarajan [8] przeprowadzili szereg badań porównawczych silników zasilanych mieszaniną oleju pomarańczowego i biodiesla oraz mieszaniną oleju pomarańczowego z eterem dietylowym, pod kątem emisji tlenków węgla (CO), węglowodorów (HC), tlenków azotu (NOx) i zadymienia spalin. Badania wykonano na silnikach o zapłonie iskrowym zasilanych mieszaninami oleju i benzyny, oraz silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym dwupaliwowo. DEE podawano do kolektora ssącego, ponieważ jego duża lotność sprzyjała szybkiemu odparowaniu i wytworzeniu mieszaniny z zasysanym powietrzem. Dodatek DEE sprawił, że możliwe było zasilanie silnika olejem pomarańczowym, który w czystej postaci miał zbyt dużą lepkość, niską liczbę cetanową i dużą zwłokę samozapłonu. Dodanie DEE pozwoliło spalić olej całkowicie, jednocześnie obniżając temperaturę spalin, co wpływa


korzystnie na obniżenie emisji NOx, natomiast zwiększa emisję CO i HC, co można tłumaczyć większą szybkością propagacji płomienia podczas spalania takiej mieszaniny.

Zhang i in. [5] w 2011 roku podjęli się badań na współczesnym silniku o zapłonie samoczynnym, z układem zasilania typu common rail i turbodoładowaniem. Silnik badawczy zasilany był dwoma rodzajami paliwa typu biodiesel i mieszaniną biodiesla z DEE. Porównania dokonywano w ustalonych warunkach pracy silnika z prędkością obrotowa wału korbowego 1600 i 2600 obr/mim i przy trzech obciążeniach: 25, 50 i 75% mocy maksymalnej. Badania wykazały, że dodanie DEE wpływa korzystnie na proces spalania olejów pochodzenia roślinnego. Przy porównywalnej sprawności i zużyciu paliwa możliwa była redukcja emisji NOx dla każdej konfiguracji obciążenia i prędkości obrotowej wału korbowego. Również i w tym przypadku zwrócono uwagę na fakt, że DEE zwiększa liczbę cetanową mieszaniny, a poprzez obniżenie temperatury procesu spalania zmniejsza również emisję NOx. Korzystne wyniki przynosi też zwiększenie udziału dodatku DEE przy większych obciążeniach silnika. Zarówno biodiesel jak i DEE zawierają znacznie więcej tlenu i mniej siarki niż olej napędowy, co ma przełożenie na niską emisję szkodliwych produktów ubocznych procesu spalania.

Górski i Przedlacki [4] w 2014 roku dokonali oceny wpływu dodatku DEE na wybrane właściwości fizykochemiczne oleju napędowego i opóźnienie samozapłonu. Określono wpływ DEE na zmianę wartości opałowej, lepkości kinematycznej, gęstości, smarności, temperatury blokady zimnego filtru, liczby cetanowej, a także mieszalności z olejem napędowym. Dodatkowo wykonano badania na dwóch silnikach o zapłonie samoczynnym, zasilanych mieszaninami o zawartości 5,10,15 i 20% DEE. Nie stwierdzono problemów ze stabilnością testowanych mieszanin w szerokim zakresie temperatury tj. od -20ºC do +10ºC. Badanie silnika AD3.152 przeprowadzono przy prędkościach obrotowych wału korbowego wynoszących: 1000, 1400, 1800 obr/min i dwóch stanach obciążenia tj. 80 i 120 Nm. Stwierdzono, że dodanie 5% DEE do oleju napędowego powoduje zmniejszenie lepkości mieszaniny aż o 26%. Mieszanina zawierająca powyżej 20% DEE powodowała utrudniony rozruch silnika, zauważalny spadek mocy, a w wyniku znacznego rozrzedzenia pojawiały się przecieki w instalacji paliwowej.

Jednym z ostatnich opracowań traktujących o wykorzystaniu DEE, jest opublikowany w 2015 roku artykuł zespołu badawczego Inteman i in. [15]. W badaniach wykorzystano próbki paliwa, stanowiące mieszaninę odpowiednio 80% oleju napędowego, 15% oleju palmowego i 5% DEE, oraz 80% ON, 10% oleju palmowego i 10% DEE, badane pod kątem emisji zanieczyszczeń i charakterystyki spalania. Autorzy zgadzają się co do zasadności stosowania DEE jako komponentu tlenowego poprawiającego charakterystykę spalania olejów roślinnych i polepszającego wymienione wcześniej właściwości fizykochemiczne.

2. Metody i materiały badawcze

W niniejszych badaniach wykorzystano olej rzepakowy oraz jego mieszaniny z eterem dietylowym w objętości 10, 20, 30 i 40 %. Wybrane właściwości fizykochemiczne badanych paliw przedstawiono w Tab. 1. Tab. 1. Właściwości fizykochemiczne badanych paliw


Parametr Rodzaj badanego paliwa OR DEE10 DEE20 DEE30 DEE40

Lepkość kinematyczna, [mm2/s] 34 17 10 6 3 Gęstość, [g/cm3] 0,92 0,90 0,88 0,87 0,85 Napięcie powierzchniowe, [mN/m ] 46 41 37 31 27 Temperatura zapłonu, [ºC] - 20 -2 -12 -21 Wartość opałowa, [MJ/kg] 37 36 36 36 36 Zawartość DEE w OR, [%, v/v] - 10 20 30 40

Eter dietylowy (DEE) jest organicznym związkiem chemicznym z grupy eterów. Zbudowany

jest z dwóch grup etylowych przyłączonych do atomu tlenu. Stanowi pochodną alkoholi lub fenoli. Jest skrajnie łatwopalną cieczą o temperaturze zapłonu -45ºC i temperaturze samozapłonu 180ºC. Otrzymywany jest w procesie dehydratacji alkoholu etylowego. Podstawową zaletą eteru dietylowego jako dodatku do paliwa jest jego wysoka liczba cetanowa, dobra mieszalność z olejem napędowym, etanolem i olejami roślinnymi oraz stabilność takiej mieszaniny.

Olej rzepakowy charakteryzuje się wyższą lepkością w stosunku do oleju napędowego. Zazwyczaj ma to negatywny wpływ na jakość rozpylenia paliwa, a w konsekwencji na pogorszenie jakości procesu spalania. Jednak dodatek DEE do OR znacząco obniża lepkość mieszaniny. W związku z tym można oczekiwać, że dodatek DEE do OR przyczyni się do obniżenia zadymienia spalin. Również niższe napięcie powierzchniowe i gęstość OR z dodatkiem DEE powinno poprawić jakość procesu wtrysku i jednocześnie poprawić proces spalenia paliwa.

W badaniach wykorzystano silnik AD3.152 wyposażony w konwencjonalny system wtryskowy paliwa tj. pompę rzędową typu DPA oraz wielootworowe wtryskiwacze paliwa. Wybrane dane techniczne badanego silnika przedstawiono w Tab. 2.

Tab 2. Wybrane dane techniczne silnika AD3.152

Parameter Wartość Liczba cylindrów i ich układ 3, układ liniowy Pojemność silnika 2502 cm3

Stopień sprężania 16.5 Maksymalna moc 34.6 kW przy 2150 obr/min Maksymalny moment obrotowy 145 Nm przy 1200 obr/min Prędkość biegu jałowego 750 obr Rodzaj system wtryskowego Lucas - CAV typ DPA Wyprzedzenie wtrysku 17 ºOWK przed GMP (na biegu jałowym) Ciśnienie otwarcia wtryskiwacza 17.5 MPa Rodzaj wtryskiwacza wielotoworkowy (WZM Warszawa)

Pomiary zadymienia spalin silnika AD3.152 zasilanego testowanymi paliwami wykonano na stanowisku badawczym, którego schemat pokazano na rysunku 1. Badany silnik (2) był podłączony do hamulca elektrowirowego (3). Parametry pracy silnika kontrolowano przy pomocy szafy sterowniczej (4) i stacji roboczej PC (5). Pomiary zadymienia spalin wykonano


przy pomocy analizatora AVL465 (1). Testy wykonano dla prędkości obrotowych wału korbowego 1000, 1500 i 2000 oraz obciążeń 40, 80 i 120 Nm.

Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 – analizator spalin AVL465, 2 – silnik AD3.152,

3 – hamulec silnikowy, 4 – szafa kontrolna, 5 – stacja robocza PC

3. Wyniki badań

Na rysunku 2 przedstawiono jak zmienia się zadymienie spalin silnika AD3.152 pracującego z prędkością n = 1000 obr/min i zasilanego olejem rzepakowym oraz jego mieszaninami z DEE.

Rys. 2. Wpływ zawartości DEE w OR na zadymienie spalin silnika AD3.152 pracującego przy prędkości

obrotowej n = 1000 obr/min

Z oceny rysunku 2 można stwierdzić, że dodatek DEE powoduje wyraźne obniżenie zadymienie spalin silnika AD3.152. Największe zadymienie uzyskano dla silnika pracującego z największym obciążeniem, co wynika z większej objętości spalanego paliwa. W takim przypadku wartość zadymienia spalin silnika AD3.152 zasilanego paliwem DEE40 była ok. 50% mniejsza w stosunku do OR.


Na rysunku 3 przedstawiono wyniki zadymienia spalin silnika AD3.152 pracującego przy prędkości 1500 obr/min. Uzyskane wyniki zadymienia spalin były większe w stosunku do wartości uzyskanych przy prędkości 1000 obr/min. Wynika to z większego natężenia przepływu spalin przez układ wydechowy. Oceniając rysunek 3 można stwierdzić pozytywny wpływ DEE na obniżenie zadymienia spalin badanego silnika. Było to szczególnie widoczne dla obciążenia 120 Nm. W tym przypadku zadymienie spalin, które uzyskano spalając paliwo DEE40 było o ok. 45% mniejsze w stosunku do OR.


obrotowej n = 1500 obr/min Dalszy wzrost prędkości obrotowej wału korbowego silnika zwiększa zadymienie jego spalin.


obrotowej n = 2000 obr/min

Na podstawie oceny rysunku 4 można stwierdzić, że zadymienie spalin silnika pracującego z prędkością n = 2000 obr/min jest wielokrotnie większe w stosunku do rezultatów uzyskanych przy prędkości 1000 obr/min. Pomimo to zauważono, że dodatek DEE pozwala obniżyć


zadymienie spalin silnika pracującego we wszystkich testowanych warunkach obciążenia. Szczególnie korzystne rezultaty uzyskano dla silnika pracującego przy obciążeniu 120 Nm. W takim przypadku zadymienie spalin silnika było o ok. 44% mniejsze w stosunku do OR.

4. Podsumowanie

DEE może być dodawany do OR, co pozwala uzyskać mieszaniny paliwowe o właściwościach zbliżonych do ON. DEE pozwala przede wszystkim obniżyć lepkość, napięcie powierzchniowe oraz gęstość OR. W ten sposób można poprawić jakość rozpylenia paliwa, co powinno również sprzyjać poprawie przebiegu procesu spalania. Mając to na uwadze, w niniejszym artykule zaprezentowano wyniki badań dotyczących zaczernienia spalin silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego OR oraz jego mieszaninami z DEE w objętości 10, 20, 30 i 40%. Badania wykonano dla niskiej, średniej i wysokiej prędkości obrotowej wału korbowego oraz dla niskiej średniej i wysokiej wartości obciążenia testowanego silnika. Uzyskane rezultaty potwierdziły, że zastosowanie DEE jako komponentu mieszaniny z OR pozwala znacząco obniżyć zadymienie silnika tj. nawet o ok. 50% w stosunku do wartości zadymienia uzyskiwanego przy spalaniu czystego OR.

Literatura

1. Baczewski K, Kałdoński T. Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności 2004.

2. Bailey B, Eberhardt J, Goguen S, Erwin J. Diethyl Ether (DEE) as a Renewable Diesel Fuel, SAE Technical Paper 972978, 1997.

3. Chłopek Z. Paliwa alternatywne do silników spalinowych a emisja dwutlenku węgla.Wydawnictwo ITS. Transport Samochodowy 2010(2).

4. Górski K, Przedlacki M. Evaluation of the Influance of Diethyl Ether (DEE) Addition on Selected Physicochemical Properties of Diesel Oil and Ignition Delay Period. Energy & Fuels, 2014.

5. Zhang, N, Huan, Z, Wang X, Zheng B. A Comperative Study of Two Kinds of Biodiesels and Biodiesel-DEE Blends In a Common Rail Diesel Engine. SAE International 2011.

6. Lotko W, Górski K. Zasilanie silnika wysokoprężnego mieszaninami ON i EETB. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 2011.

7. Merkisz J, Pielecha I. Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2006.

8. Purushothaman K, Nagarajan G. Experimental investigation on a C.I. engine using orange oil and orange oil with DEE. Fuel, 2009.

9. Sidibé S S, Blin J, Vaitilingom G, Azoumah Y. Use of crude filtered vegetable oil as a fuel in Diesel engines state of the art: literature review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2010; 14: 2748-2.

10. Rakopoulos D C, Rakopoulos C D, Giakoumis E G, Dimaratos A M, Founti M A. Comparative environmental behaviour of bus engine operating on blends of diesel fuel with four straight vegetable oils of Greek origin: Sunflower, cottonseed, corn and olive. Fuel, 2011: 90(11); 3439-3446.

11. Labeckas G, Slavinskas S. Performance of direct-injection off road diesel engine on rapeseed oil. Renewable Energy 2006; 31: 849-863.


12. Drown D C, Harper K, Frame E. Screening Vegetable Oil Alcohol Esters as Fuel Lubricity Enhancers. Journal of The American Oil Chemist's Society 78(6). 2001.

13. Nazal I T, Al.-Kayiem H H. Experimental Characterization of Diesel Engine Performance Fuelled By Various Sunflower Oil-Diesel Mixtures. Journal of Applied Sciences, 12: 2604-2609.

14. Wang YD, Al-Shemmeri T, Eames P, McMullan J, Hewitt N, Huang Y, Rezvani S. An experimental investigation of the performance and gaseous exhaust emissions of a diesel engine using blends of a vegetable oil. Applied Thermal Eng., 26: 1684-1691.

15. Imtenan S, Varman M, Masjuki H H, Kalam A M, Sajjad H, Arbab M I. Effect of DEE as an Oxygenated Additive on Palm Biodiesel-Diesel Blend In the Context of Combustion and Emission Characteristics on a Medium Duty Diesel Engine. DOI:10.7763/IPCBEE. 2015. V85. 16.

SMOKE EMISSION OF AD3.152 ENGINE FUELLED WITH ...

Documents

Transcript of SMOKE EMISSION OF AD3.152 ENGINE FUELLED WITH ...