JOURNAL OF KONES 2006 NO 4

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 4
RECENT RESEARCH ON THE WEAR OF FUEL SUPPLY SYSTEM
ELEMENTS LUBRICATED WITH BIO-FUELS
Leszek GardyĔski
Politechnika Lubelska, Wydziaá Mechaniczny, Katedra InĪynierii Materiaáowej
ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin
tel.: +48 81 53 81 215, 53 81209, 691853035, e-mail: [email protected].
Abstract
The paper presents selected results of the research on the wear of the metal elements of a diesel engine fuel
supply system operating on green bio-mass fuels. The tests were conducted on a dedicated facility following a new,
original methodology. Several bio-fuels were tested, including the rapeseed oil and various mixtures of the rapeseed
oil and the standard diesel oil. The test results show significant differences in lubricating properties of bio-fuels.
A stand used in described research for determining of the lubricating characteristics and resistance of materials
on wear, example surfaces of samples after test cycles and a way of the qualification area surface of the trace
interaction, characteristics of tested vegetable oils and dependence of parameters of friction and wear of samples
are introduced among other things in the paper.
Performed tests showed that refined oils vegetable did not cause inclinations for enlarging wear oiled with them
elements in conditions of performed tests, pure rapeseed oil in the temperature of the test (60oC) shows nearing
abrasive proprieties in comparison to tested diesel oil, at the visibly lower coefficient of friction. Tested mixtures of
the rapeseed oil with diesel oil showed slightly elevated inclination for wear oiled with them samples.
Keywords: fuel supply system elements, abrasive wear, testing facility, bio-fuels, vegetable oils.
BADANIA ODPORNOĝCI MATERIAàU ELEMENTÓW APARATURY
PALIWOWEJ NA ZUĩYCIE W WARUNKACH SMAROWANIA
PALIWAMI POCHODZENIA ROĝLINNEGO
Streszczenie
W referacie przedstawiono wybrane wyniki badaĔ odpornoĞci na zuĪycie Ğcierne materiaáów metalowych,
stosowanych w budowie aparatury paliwowej silników wysokoprĊĪnych, w warunkach smarowania paliwami
pochodzenia roĞlinnego. Badania wykonano na zbudowanym w ramach projektu badawczego stanowisku, przy uĪyciu
oryginalnej metodyki. Badania prowadzono przy uĪyciu róĪnych rodzajów olejów pochodzenia roĞlinnego. Szczególną
uwagĊ poĞwiĊcono olejowi rzepakowemu i jego mieszankom z olejem napĊdowym. Uzyskano ciekawe wyniki,
stwierdzając wyraĨne róĪnice we wáasnoĞciach smarnych badanych czynników
W artykule przedstawiono miĊdzy innymi stosowane w opisywanych badaniach stanowisko do okreĞlania
wáaĞciwoĞci smarnych i odpornoĞci materiaáów na zuĪycie, przykáadowe powierzchnie próbek po cyklu badawczym i
sposób okreĞlenia pola powierzchni Ğladu wspóápracy, charakterystyki badanych olejów roĞlinnych oraz zaleĪnoĞü
parametrów tarcia i zuĪycia próbek.
Przeprowadzonych badania wykazaáy, Īe rafinowane oleje roĞlinne nie powodują skáonnoĞci do zwiĊkszonego
zuĪycia smarowanych nimi elementów w warunkach prowadzonych prób, czysty olej rzepakowy w temperaturze testu
(60ºC) wykazuje zbliĪone wáaĞciwoĞci Ğcierne w porównaniu z badanym olejem napĊdowym, przy wyraĨnie niĪszym
wspóáczynniku tarcia. Badane mieszanki oleju rzepakowego z napĊdowym wykazywaáy nieznacznie podwyĪszoną
skáonnoĞü do zuĪywania smarowanych nimi próbek.
Sáowa kluczowe: elementy aparatury wtryskowej, zuĪycie Ğcierne, stanowisko, badawcze oleje roĞlinne
L. GardyĔski
1. Wprowadzenie
UĪywanie paliw alternatywnych pochodzenia roĞlinnego w silnikach wysokoprĊĪnych, w tym
olejów roĞlinnych i badania z nimi związane stanowią w ostatnim czasie juĪ nie tylko „modĊ”, a
coraz powszechniejsze zjawisko w obliczu drastycznie wysokich cen oleju napĊdowego [1, 8]. Jak
zwykle nie hasáa o ekologii i paliwach odnawialnych lecz polityka akcyzowa i twarde prawa rynku
skáoniáy uĪytkowników silników wysokoprĊĪnych do zainteresowania tym Ĩródáem napĊdu. W
pracy podjĊto próbĊ okreĞlenia wpáywu stosowania czystych olejów roĞlinnych oraz mieszanek
najbardziej u nas popularnego z racji ceny, oleju rzepakowego na ew. moĪliwoĞü wystąpienia
przyĞpieszonego zuĪycia elementów aparatury wtryskowej. Do badaĔ wybrano oleje o cenie
niĪszej niĪ 10 zá/dm3. CzĊĞü wybranych olejów raczej nigdy w naszych warunkach nie bĊdzie
cenowo mogáa konkurowaü z olejem napĊdowym. SzansĊ mają gáównie oleje z roĞlin, które da siĊ
hodowaü w Kraju. OkreĞlono teĪ wartoĞci wspóáczynników tarcia przy smarowaniu
wymienionymi czynnikami, mogące mieü wpáyw na prawidáową pracĊ tej aparatury. Badania
paliw alternatywnych opisane w referacie przeprowadzono na stanowisku, którego zaáoĪenia i
szczegóáy budowy przedstawiono w [4, 5]. Stanowisko zostaáo zbudowane w ramach projektu
badawczego finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Edukacji.
5
6
7
4
8
3
9
1
13
10
2
12
11
Rys. 1. Stosowane w opisywanych badaniach stanowisko do okreĞlania wáasnoĞci smarnych i odpornoĞci materiaáów
na zuĪycie. 1 - osáona wĊzáa trącego, 2 - podstawa i ukáad napĊdowy maszyny trącej, 3 - ukáad pomiarowy
momentu tarcia, 4 - dĨwignia obciąĪająca, 5 - ukáad stabilizacji temperatury badanego czynnika smarnego, 6
- falownik, 7 - zabezpieczenia elektryczne, 8 - termometr i regulator temperatury czynnika smarnego, 9 licznik cykli, 10 - zespóá wzmacniaczy, karta pomiarowa, ukáady sterowania i zabezpieczeĔ progowych, 11 ukáad cyrkulacji i filtracji czynnika smarnego, 12 – wskaĨnik momentu tarcia, 13 – komputer rejestrujący
wyniki
Fig. 1 Testing facility used for determining the lubricating properties and wear resistance of materials: 1 – friction
device safety cover, 2 – base and motor of the friction device, 3 – friction torque measurement unit, 4 –
mechanical load lever, 5 – oil temperature stabiliser, 6 – inverter, 7 – electric circuit breakers, 8 thermometer
and oil temperature controller, 9 – cycle counter, 10 – amplifiers, measurement cards, control and safety
circuits, 11 – oil circulation and filtering unit, 12 - friction torque indicator, 13 computer used as data logger
196
Recent Research on the Wear of Fuel Supply System Elements Lubricated with Bio-Fuels
2. Opis i wyniki badaĔ
Badano 6 rodzajów olejów roĞlinnych rafinowanych zakupionych w MAKRO cash & carry w
Lublinie oraz olej rzepakowy, nieznanego dokáadnie pochodzenia, prawdopodobnie táoczony,
dostarczony do zbadania przez prywatnego przewoĨnika w celu okreĞlenia przydatnoĞci do
zastosowania jako paliwo. CharakterystykĊ oraz wyniki badaĔ olejów roĞlinnych zestawiono w
tabeli I. Zbadano takĪe olej napĊdowy zimowy EKODIESEL ULTRA-F (nr LR-5/0072/06),
zakupiony na jednej ze stacji PKN ORLEN w Lublinie. Zbadano mieszanki oleju rzepakowego
rafinowanego z olejem napĊdowym. Wyniki badaĔ odpornoĞci na zuĪycie i wspóáczynnika tarcia
przedstawiono w tabeli II. W tabeli III zestawiono wyniki badaĔ oleju napĊdowego zawarte w
Ğwiadectwie jakoĞci uzyskanym od sprzedawcy.
Test badawczy polegaá kaĪdorazowo na przeprowadzeniu próby tarcia powierzchni czoáowej
(lekko stoĪkowy pierĞcieĔ o Ğrednicach ok. 5mm i ok. 2,5 mm) trzech próbek o obracającą siĊ
páaską przeciwpróbkĊ. Próbki rozmieszczono symetrycznie na okrĊgu o Ğrednicy 61,5mm,
zapewniając równomierny docisk siáą 2943N (300kg). W czasie próby przeciwpróbka
wykonywaáa 100tys. obrotów, w czasie ok. 11 godzin. Próbki i przeciwpróbki wykonano ze stali
áoĪyskowej àH15SG. Jest to materiaá bardzo czĊsto stosowany do produkcji elementów aparatury
wtryskowej, np. korpusów rozpylaczy oraz táoczków pomp rzĊdowych. Jako próbki stosowano
rolki áoĪyska stoĪkowego JL 68145/111, jako przeciwpróbkĊ - páaską powierzchniĊ bieĪni áoĪyska
oporowego 51309. TwardoĞü elementów wynosiáa ok. 65 HRC. Badany czynnik w iloĞci min. 1
dm3, na ogóá 5 dm3, w czasie próby krąĪyá w obiegu zamkniĊtym, gdzie byá filtrowany w filtrze
papierowym i stabilizowany termicznie. Utrzymywano staáą temperaturĊ czynnika w okolicy
wĊzáa tarcia na poziomie 60±2ºC. Warunki próby są wynikiem kompromisu pomiĊdzy skáonnoĞcią
poszczególnych czynników do zacierania próbek a moĪliwoĞcią uzyskania moĪliwie
maksymalnego zuĪycia w powtarzalnych warunkach i realnym czasie trwania próby, pretendującej
zdaniem autora, z racji dosyü dáugiego czasu trwania i drogi tarcia, do miana testu o charakterze
trwaáoĞciowym. Do ustalenia takich warunków przyczyniáy siĊ wyniki wczeĞniejszych badaĔ [2,
3, 7], na znacznie prostszym stanowisku, gdzie w podobny sposób badano niewielką porcjĊ
czynnika, bez filtrowania, w zmiennej temperaturze, która byáa wynikiem tarcia i wáasnoĞci
cieplnych stanowiska. Dodatkowo przy uĪyciu lepkoĞciomierza wyznaczono lepkoĞü [ºE]
badanych czynników przy temperaturze testu.
Rys. 2. Wygląd przykáadowych powierzchni próbek po cyklu badawczym (100000 obrotów) i sposób okreĞlenia pola
powierzchni Ğladu wspóápracy
Fig. 2. Example test samples after a full test cycle (100000 rotations) and the contact area calculation
197
L. GardyĔski
ZuĪycie próbek okreĞlano metodą wagową, waĪąc jednoczeĞnie po trzy próbki na wadze o
dokáadnoĞci odczytu 0,0001g. Ze wzglĊdu na niepewnoĞü ostatniej cyfry znaczącej przy
niewielkich, w niektórych przypadkach ubytkach masy, dodatkowo wyznaczano powierzchniĊ
Ğladu wspóápracy (zuĪycia), co pozwoliáo na okreĞlenie koĔcowej wartoĞci nacisku jednostkowego
w poszczególnych próbach.
Tabela 1. Charakterystyka badanych olejów roĞlinnych, dane producentów i wg [1]. LepkoĞü oraz parametry tarcia i
zuĪycia wyznaczone w badaniach wáasnych
Table 1. Properties of the oils used in the research, manufacturer data and values according to [1]. Viscosity ,
friction and wear properties as measured during the tests
Badany olej/
WáasnoĞü
Sáon
ecznikowy
BARTE
K
Sojo
wy
ZPT
W-wa
RyĪow
y
AGRO
NOVO
TAJLA
NDIA
Arachi
Kukury
dowy
dzia-ny
SALV SALVADO
RI
ADORI
WàOC
WàO
HY*
CHY*
WartoĞü
370
energetyczna
33640
36998
00
[kJ/kg]
ZawartoĞü
11
14
(11,5
táuszczów
18
(10- 20)
nasyconych (wg
(13)
13)
[1])
ZawartoĞü
27
37,5
(22táuszczów
43
(2328)
jednonienasyco(42)
28)
nych (wg [1])
ZawartoĞü
62
48,5
(61táuszczów
39
(6164)
wielonienasyconyc
(45)
67)
h (wg [1])
Cena
(luty 2006,
4,67
4,06
9,58
9,62
MAKRO)
[zá/dm3]
lepkoĞü
2,66
2,76
2,74
3,02
wzglĊdna przy 60ºC
[0E]
Ubytek
0,00
0,000
0,0006
0,0001
masy próbek w
11
0
teĞcie [g]
Powierzchnia
14,4
Ğladu wspóápracy
6,23
10,42
9,51
6
2
[mm ]
Nacisk
koĔcowy
204
472
282
309
[MPa]
ĝrednia
wartoĞü
0,07
0,068
0,065
0,063
wspóáczynnika
2
tarcia
[-]
*- w odniesieniu do olejów SALVATORI prawdopodobnie omyákowo
wáasnoĞci oleju kukurydzianego i arachidowego.
198
Rzepak
owy
rafinow
any ZPT
W-wa
Rzepak
owy
táoczony
prod.
nieznany
36998
(37000
- 37500)
(37000
- 37500)
14
(12,5)
(5,26,8)
(5,26,8)
37,5
(28)
(60-73)
(60-73)
48,5
(59,5)
(28-33)
(28-33)
6,41
2,99
-
2,66
2,84
-
0,0007
0,0010
0,0078
11,73
11,62
30,70
251
253
96
0,070
0,076
0,080
na opakowaniach podano jednakowe
Recent Research on the Wear of Fuel Supply System Elements Lubricated with Bio-Fuels
Tabela 2. ZaleĪnoĞü parametrów tarcia i zuĪycia próbek w teĞcie od zawartoĞci oleju rzepakowego, rafinowanego w
mieszance z ON. Temperatura 60ºC
Table 2. Friction and wear of the samples as a function of the rapeseed oil content in a mixture with standard diesel
oil. Temperature 60ºC
Skáad
OR/ON
100%OR/0%
ON
80%OR/20%
ON
60%OR/40%
ON
40%OR/60%
ON
20%OR/80%
ON
0%OR/100%
ON
lepkoĞü
wzglĊdna przy
60ºC [0E]
Ubytek
masy
próbek [g]
Powierzchni
a Ğladu tarcia
[mm2]
Nacisk
koĔcowy
[MPa]
Wspóácz
ynnik tarcia
[-]
2,84
0,0010
11,62
253
0,076
2,16
0,0015
14,69
200
0,079
1,85
0,0019
16,15
182
0,084
1,43
0,0020
15,80
186
0,087
1,24
0,0022
16,15
182
0,096
1,11
0,0010
15,03
196
0,104
Tabela 3. Specyfikacja badanego oleju napĊdowego wg ZN/ITN-ORLEN/NF-229/2004
Table 3, Specification of the diesel oil used in the tests according to the ZN/ITN-ORLEN/NF-229/2004 standard
835,6
37,5
97,5
337,1
Wymagani
a
Wg normy
820-845
min. 65
max. 85
max. 360
51,8
2,545/40qC
0,0082
68
8
min. 46
2-4,5
0,01
min. 56
max. 24
1
0,001
0,01
-15
-21
60
2,40
stopieĔ 1
max. 0,01
max. 0,03
bez
max. -20
max. 200
max. 7
WartoĞü
oznaczona
Badany parametr
GĊstoĞü w temperaturze 15qC [kg/m3]
Skáad frakcyjny [% V]:
do 250qC
destyluje
do 350qC destyluje
95% destyluje do temperatury [ºC]
Indeks cetanowy
LepkoĞü kinematyczna [mm2/s]
ZawartoĞü siarki [% m/m]
Temperatura zapáonu [qC]
Caákowita zawartoĞü zanieczyszczeĔ staáych
[mg/kg]
Dziaáanie korodujące (3h, 50ºC)
PozostaáoĞci po spopieleniu [% m]
PozostaáoĞci po koksowaniu [% m]
Temperatura mĊtnienia [qC]
Temperatura zablokowania filtra [qC]
ZawartoĞü wody [mg/kg]
ZawartoĞü wielop. wĊglowodorów [% m]
3. Podsumowanie
W wyniku przeprowadzonych badaĔ stwierdzono, Īe badane rafinowane oleje roĞlinne nie
powodują skáonnoĞci do zwiĊkszonego zuĪycia smarowanych nimi elementów w warunkach
prowadzonych prób.
199
L. GardyĔski
Szczególnie korzystne wydaje siĊ stosowanie oleju sojowego, w przypadku którego nie
zauwaĪono praktycznie Īadnego ubytku masy próbek. Olej ten zapewniaá przenoszenie przez
skojarzenie zdecydowanie najwiĊkszej wartoĞci nacisków jednostkowych spoĞród badanych
czynników. Cena oleju sojowego jest aktualnie porównywalna z olejem napĊdowym.
Czysty olej rzepakowy w temperaturze testu (60ºC) wykazuje zbliĪone wáasnoĞci „Ğcierne” w
porównaniu z badanym olejem napĊdowym, przy wyraĨnie niĪszym wspóáczynniku tarcia. Jak
wynika z wczeĞniejszych badaĔ [2, 3], przy wyĪszych temperaturach, czyli np. w warunkach pracy
wtryskiwaczy, olej rzepakowy moĪe mieü gorsze wáaĞciwoĞci smarne od napĊdowego.
Zdecydowanie niekorzystnie wypadá olej rzepakowy nierafinowany, przy zastosowaniu którego
zarejestrowano oĞmiokrotnie wyĪsze zuĪycie masowe próbek i prawie trzykrotnie wiĊkszą
powierzchniĊ Ğladu wspóápracy w stosunku do oleju rafinowanego. Skáania to do refleksji nad
celowoĞcią stosowania paliw alternatywnych z „niepewnych Ĩródeá”.
Trudno dopatrywaü siĊ zaleĪnoĞci pomiĊdzy skáadem i lepkoĞcią badanych olejów roĞlinnych a
wynikami przeprowadzonych prób. Celowe wydaje siĊ prowadzenie szerszych badaĔ, z
zastosowaniem partii olejów od róĪnych producentów.
Badane mieszanki oleju rzepakowego z napĊdowym wykazywaáy nieznacznie podwyĪszoną
skáonnoĞü do zuĪywania smarowanych nimi próbek w warunkach testu, w nieznacznym stopniu
zaleĪną od proporcji. ĝcisáą, liniową zaleĪnoĞü od proporcji wykazywaáa natomiast w przypadku
mieszanek wartoĞü wspóáczynnika tarcia.
Opracowana metoda badania wáasnoĞci smarnych wydaje siĊ byü powtarzalnym testem
porównawczym szerokiej gamy paliw i Ğrodków smarnych. Charakter testu moĪna okreĞliü
mianem próby trwaáoĞciowej.
Literatura
[1] Baczewski, K., KaádoĔski, M., Paliwa do silników o zapáonie samoczynnym. WKà
Warszawa 2004.
[2] GardyĔski, L., Kiernicki, Z., Jakóbiec, J., Wpáyw stosowania mieszanin oleju napĊdowego i
rzepakowego oraz lekkich olejów opaáowych na zuĪycie elementów aparatury wtryskowej.
Materiaáy konferencyjne KONES’2002, str. 34-40, GdaĔsk 2002.
[3] GardyĔski, L., Kiernicki, Z., Wybrane wáaĞciwoĞci smarne mieszanin oleju napĊdowego i
rzepakowego. Proceeding of KONSSPAL’2002, Tadeusz KoĞciuszko Military Academy Wrocáaw 2002, str. 65y72.
[4] GardyĔski, L., ZaáoĪenia stanowiska do badania odpornoĞci materiaáu elementów aparatury
paliwowej na zuĪycie w warunkach smarowania. Journal of KONES’2004 Zakopane, 1999,
str. 165-170.
[5] GardyĔski, L., Stanowisko do badania odpornoĞci materiaáu elementów aparatury paliwowej
na zuĪycie w warunkach smarowania. Materiaáy konferencji Silniki Spalinowe w
Zastosowaniach Wojskowych SILWOJ’2005. Akademia Marynarki Wojennej, Wojskowa
Akademia Techniczna, Warszawa 2005, str. 93-100.
[6] Jakóbiec, J., Janik, R., GardyĔski, L., Wpáyw pakietu dodatku uszlachetniającego na
wáaĞciwoĞci fizykochemiczne i uĪytkowe Auto-Gazu. Materiaáy konferencyjne konferencji
Silniki Gazowe, Szczyrk 2003. Zeszyty Naukowe Politechniki CzĊstochowskiej 155.
CzĊstochowa 2003, str. 362-372.
[7] Niewczas, A., Czerniec, M., Ignaciuk, P., Badania trwaáoĞci elementów maszyn
wspóápracujących tarciowo. Lublin 2000.
[8] Sitnik, L., Ekopaliwa silnikowe. Politechnika Wrocáawska. Wrocáaw 2004.
Praca naukowa finansowana ze Ğrodków Komitetu BadaĔ Naukowych w latach 2004 - 2006
jako projekt badawczy.
200