Biodiesel w niskich temperaturach – test
Obecnie w Europie trwa ożywiona dyskusja na temat biodiesla. Dołączamy do niej prezentując wyniki testu tego paliwa w niskich temperaturach, które zostały opublikowane w newsleterze Civitas Mobilis 10/2008, współpracującym z Komisją Europejską.
Badaniu poddany został wpływ temperatury paliwa na proces wtrysku w silniku MAN D2566 z układem wtrysku bezpośredniego typu M. Zastosowanym paliwem był czysty biodiesel (B100), produkowany z oleju rzepakowego. Charakterystyka wtrysku B100 została porównana z charakterystyką wtrysku mineralnego oleju napędowego D2. W celu obniżenia temperatury podczas badania, opracowano specjalny system chłodzenia, który utrzymuje zaprogramowane warunki termiczne (Rysunek 1).
Zastosowano dwa oddzielone systemy chłodzenia, jeden regulujący temperaturę pompy wtrysku paliwa i jeden –samego paliwa. Pompa wtrysku paliwa została umieszczona w odizolowanej, metalowej skrzynce. Parowacze płytowe, stanowiące część układów chłodzenia, zostały użyte jako wewnętrzne ścianki skrzynki, aby utrzymywać temperaturę niższą, niż temperatura otoczenia. Do regulacji temperatury wykorzystano sterownik bazujący na koncepcji proporcjonalno-integralnej, dla którego tolerancja wobec zaprogramowanej temperatury wynosiła ±0,5 ºC. Wtryskiwacze umieszczono na stanowisku położonym poza chłodzoną skrzynką, w celu umożliwienia prostego pomiaru poziomu przepływu paliwa i zostały one połączone z pompami wtryskiwaczy poprzez izolowane termicznie, standardowe przewody wysokiego ciśnienia. Kolejny system chłodzenia tworzył układ zasilania. Duży zbiornik paliwa (pojemność 50 litrów) umieszczono w chłodzonej skrzynce, w której temperatura mogła wahać się od -30 ºC do temperatury otoczenia. Chłodzony lodem wymiennik ciepła (spiralna rurka zamrożona wewnątrz kostki lodu) został umieszczony obok zbiornika paliwa. Jego zadaniem było schładzanie paliwa płynącego z pompy wtryskiwacza z powrotem do zbiornika paliwa. Ten strumień cofającego się paliwa nie był jednak kierowany do zbiornika ale, dzięki trójdrożnemu zaworowi, był mieszany ze schłodzonym paliwem płynącym bezpośrednio ze zbiornika, a następnie wprowadzany do pompy paliwa. Umożliwiło to precyzyjną regulację temperatury oraz wydłużyło okres nieprzerwanego badania, zwłaszcza w momencie, kiedy paliwo w zbiorniku stawało się niedochłodzone, znacznie odbiegając od zakładanej przed rozpoczęciem badań temperatury. Wpływ temperatury paliwa na poziom przepływu paliwa został zbadany doświadczalnie w odniesieniu do całego układu wtryskowego, w tym także dla poszczególnych zespołów I-VI układu (Wykres 1). Doświadczenia zostały przeprowadzone w dwóch trybach pracy silnika: przy nominalnym i maksymalnym momencie obrotowym. Badaniu poddane zostały oba typy paliw –B100 i D2.
Poziom przepływu paliwa przy nominalnym momencie obrotowym dla paliwa B100, w podziale na poszczególne zespoły wtryskowe (I-VI), został przedstawiony na Wykresie 2. Z wykresu widać, że przy temperaturach przekraczających -7 ºC, różnice w poziomie dopływu paliwa do poszczególnych zespołów mieszczą się w dopuszczalnych limitach. Jednak poniżej -7 ºC, różnice te wzrastają do poziomów nieakceptowanych. Jedynie wtrysk w zespole I, położonym najbliżej wlotu paliwa do kanału pompy niskiego ciśnienia, zapewnia zadowalającą ilość paliwa. Dla pozostałych zespołów, sytuacja pogarsza się wraz ze wzrostem odległości pomiędzy wlotem kanału pompy a wlotem przewodu dolotowego danego zespołu. Przyczyną tego zjawiska może być zwiększający się spadek ciśnienia na filtrze paliwa (Wykres 2), co może skutkować niedostateczną ilością paliwa wprowadzanego do kanału pompy niskiego ciśnienia. Zwiększony spadek ciśnienia na filtrze jest spowodowany wzrostem lepkości i gęstości B100 przy niższych temperaturach. Spadek ciśnienia na filtrze oraz zmiany w poziomie dopływu paliwa przy maksymalnym momencie obrotowym dla paliwa B100 przedstawia Wykres 3. Sytuacja jest podobna, jak w przypadku B100 przy nominalnym momencie obrotowym. Zmienia się jedynie wartość krytycznego poziomu temperatury, który wynosi teraz -3 ºC.
Dopływ paliwa do wszystkich zespołów wtryskowych został zmierzony także dla D2. Spadek ciśnienia na filtrze jest w tym przypadku całkowicie niezależny od zmian temperatury. Przy wszystkich badanych temperaturach, spadek ten pozostawał na niskim, stabilnym poziomie. W przypadku D2 widać wyraźnie, że temperatura nie ma żadnego wpływu na ilość dostarczanego paliwa i to zarówno przy nominalnym, jak i maksymalnym momencie obrotowym. Poziom dopływu paliwa i spadek ciśnienia na filtrze dla paliwa typu D2 przedstawiono na Wykresie 4.
Podsumowanie
Zaprezentowane wyniki pokazują, że poziom dopływu paliwa B100 dla kolejnych zespołów wtryskowych może znacząco różnić się. Naturalnie, powodów takiej sytuacji należy szukać w znacząco zwiększającej się, wraz ze spadkiem temperatury, lepkości i gęstości B100. Analiza wyników doświadczeń wykazuje, że w momencie spadku temperatury poniżej krytycznego poziomu (-7 ºC przy nominalnym i -3 ºC przy maksymalnym momencie obrotowym), dopływ paliwa do poszczególnych zespołów wtryskowych staje się nierównomierny. Lepkość i gęstość B100 wzrastają do takiego poziomu, że różnice w dopływie paliwa do poszczególnych zespołów wtryskowych stają się istotne. Jest to spowodowane spadającym ciśnieniem na filtrze paliwa oraz rosnącymi oporami w kanale pompy niskiego ciśnienia. W celu uniknięcia tych negatywnych efektów, należy zastosować podgrzewanie paliwa B100. To komplikuje eksploatacje pojazdów zasilanych biodeslem i podraża ich eksploatacje.
