JOURNAL OF KONES 2006 NO 1

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1
INFLUENCE OF FATTY ACID METHYL ESTERS’ ADDITIVE TO
DIESEL ENGINE ON ECOLOGY, FUEL CONSUMPTION AND
VEHICLE’S PERFORMANCE
Zdzisáaw Cháopek
Warsaw University of Technology
ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa, Poland
tel./fax:+48 22 8490314
e-mail:[email protected]
Marek Jarczewski
Automotive Industy Institute
ul. JagielloĔska 55, 03-301 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8111421, fax:+48 22 8116028
e-mail:[email protected]
Wojciech BardziĔski
Automotive Industy Institute
ul. JagielloĔska 55, 03-301 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8111421, fax:+48 22 8116028
e-mail:[email protected]
Hubert Sar
Automotive Industy Institute
ul. JagielloĔska 55, 03-301 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8111421, fax:+48 22 8116028
e-mail:[email protected]
Abstract
The paper presents results of researching a vehicle equipped with diesel engine, fueled by diesel fuel with
fatty acid methyl esters’ additive. Research was conducted on chassis dynamometer in static conditions (load
characteristics) and dynamic road test cycles according to 83 ECE Regulation. On the basis of results the
characteristics of average pollutants’ emission, fuel consumption and exhaust opacity as a function of fatty acid
methyl esters’ additive to diesel fuel were made.Characteristics of engine’s power and torque as a function of
acid methyl esters’ additive were also made.
Research showed that together with increasing share of esters in diesel oil to 100% with reference to clean
diesel oil there was taken place by the decreasing level of HC emission of 28 %, CO emission decreasing of
21%, increasing NOx emission of 8%, the smokiness decreasing of exhaust gases of 57%. Measurement of the
fuel consumption with the method of the carbon balance showed increasing of the fuel consumption with the
increasing of FAME share in the mixture. Growth volumetric fuel consumption clean esters with relation to the
clean diesel oil carried out of 16%. There also was observed the essential decreasing of the smokiness of exhaust
gases with increasing of FAME share. At to supply of the engine clean esters there was observed decreasing of
the maximum power of 5. 1% with relation to supply clean diesel oil For the fuel of 10 % FAME decreasing of
the engine power carries out about 0, 5 %.
Z. Cháopek, M. Jarczewski, W. BardziĔski, H. Sar
Keywords: car vehicles , compression-ignition engines, alternative fuels, emissions, the fuel consumption
WPàYW DODATKU ESTRU METYLOWEGO OLEJU
RZEPAKOWEGO FAME DO OLEJU NAPĉDOWEGO NA EKOLOGIĉ,
ZUĩYCIE PALIWA ORAZ WàASNOĝCI DYNAMICZNE
SAMOCHODU
Streszczenie
Artykuá prezentuje badania pojazdu zaopatrzonego w silnik diesla, zasilany olejem napĊdowym z dodatkiem
estrów metylowych kwasu táuszczowego(FAME). Badania byáy prowadzone na hamowni podwoziowej w
warunkach statycznych (charakterystyka obciąĪeniowa) i dynamicznych cyklach testu drogowego stosownie do
Przepisów 83 ECE. Na bazie wyników charakterystyka Ğrednich wartoĞci skáadników toksycznych, zuĪycie
paliwa i wyglądu spalin zostaáy opracowane charakterystyki mocy silnika i momentu obrotowego w funkcji
dodatku estrów metylowych do oleju napĊdowego.
Badania wykazaáy, Īe wraz ze wzrostem udziaáu estrów w oleju napĊdowym do 100% w odniesieniu do
czystego oleju napĊdowego nastąpiá spadek poziomu emisji HC o 28 %, spadek emisji CO o 21%, wzrost emisji
NOx o 8%, spadek zadymienia spalin o 57%. Pomiary zuĪycia paliwa metodą bilansu wĊgla wykazaáy wzrost
zuĪycia paliwa ze wzrostem udziaáów FAME w mieszaninie. Wzrost objĊtoĞciowego zuĪycia czystych estrów w
stosunku do czystego oleju napĊdowego wyniósá ok. 16%. Zaobserwowano teĪ istotne zmniejszenie zadymienia
spalin ze wzrostem udziaáu FAME. Przy zasilaniu silnika czystymi estrami zaobserwowano spadek mocy
maksymalnej o 5,1% w stosunku do zasilania czystym olejem napĊdowym, dla paliwa z 10 % dodatkiem FAME
spadek mocy silnika wynosi okoáo 0,5 %.
Sáowa kluczowe: pojazdy samochodowe, silniki wysokoprĊĪne, paliwa alternatywne, emisja, zuĪycie paliwa
1. WstĊp
Celem badaĔ byáo okreĞlenie wpáywu stosowania paliwa pochodzenia roĞlinnego- estrów metylowych oleju rzepakowego (FAME) na poziom emisji spalin, zuĪycia paliwa oraz
osiągów dynamicznych samochodu osobowego z silnikiem o zapáonie samoczynnym.
Badania prowadzono w warunkach laboratoryjnych na stanowisku hamowni podwoziowej.
2. Zakres badaĔ
Zakres badaĔ obejmowaá pomiary mocy oraz pomiary emisji i zuĪycia paliwa
realizowane w testach jezdnych wg regulaminów homologacyjnych [3], [5]. Pomiary te byáy
wykonane w seriach, dla róĪnych udziaáów objĊtoĞciowych biopaliwa w oleju napedowym, a
mianowicie:
¾
¾
¾
¾
¾
100 % oleju napĊdowego,
90 % oleju napĊdowego , 10 % estrów (FAME),
80 % oleju napĊdowego , 20 % estrów (FAME),
50 % oleju napĊdowego , 50 % estrów (FAME),
100 % estrów (FAME).
Zakres badaĔ byá rozszerzony o serie innych typów testów jezdnych: test autostradowy,
test HWFET i test „Stop-and-Go”, a takĪe o wykonanie charakterystyk
obciąĪeniowych. Wyniki tych badaĔ zostaáy przedstawione na konferencjach PTNSS [4] i
KONES w roku 2005.
3. Obiekt badaĔ i stosowane paliwa
Obiektem badaĔ byá samochód CITROËN Berlingo wyposaĪony w silnik wysokoprĊĪny o
pojemnoĞci skokowej 1868 cm3 i mocy znamionowej 51 kW. Silnik ten byá wyposaĪony w
rotacyjną pompĊ wtryskową.
Do badaĔ stosowano nastĊpujące paliwa i ich mieszaniny:
262
INFLUENCE OF FATTY ACID METHYL ESTERS’ ADDITIVE TO DIESEL ENGINE ON ECOLOGY
¾ olej napĊdowy handlowy ON, o skáadzie zgodnym z wymaganiami normy
PN-EN
590,
¾ paliwo BIODIESEL F- FAME, produkcji Rafinerii Trzebinia , speániające wymagania
normy PN-EN 14214.
Wybrane wáaĞciwoĞci obu ww. paliw zamieszczono w Tablicy 1.
Tab. 1. Wybrane wáaĞciwoĞci paliw stosowanych w badaniach
Tab. 1. Selected properties of fuels used in research
WáaĞciwoĞü
GĊstoĞü [kg/dm3]
LepkoĞü kinetyczna
[mm2/s] (20oC)
Liczba cetanowa LC
ZawartoĞü siarki [%]
Temperatura zapáonu
Temperatura
zablokowania zimnego
filtru (CFPP) [oC]
Olej napĊdowy ON
832
BIODIESEL F- FAME
882
2,98
4,47
53,4
0,004
76
51
0,002
> 130
-12
-25
4. Stanowisko pomiarowe
Badania stanowiskowe wykonano na hamowni podwoziowej typu EMDY 48 firmy
Schenck-KOMEG z wykorzystaniem aparatury pomiarowej speániającej wszelkie
odpowiednie wymagania zawarte w regulaminach homologacyjnych Europejskiej Komisji
Gospodarczej ONZ.
W skáad aparatury pomiarowej wchodziáy: zestaw analizatorów MEXA-7200D, ukáad
poboru spalin CVS-7000 i system pomiarowy VETS-7000, wszystkie firmy HORIBA.
Pomiar stopnia zadymienia spalin realizowano przy uĪyciu dymomierza OPACIMETER 439
firmy AVL.
Rys. 1. Samochód Citroɺn Berlingo na stanowisku hamowni podwoziowej
Fig. 1. Research vehicle Citroɺn Berlingo on chassis dynamometer
263
Z. Cháopek, M. Jarczewski, W. BardziĔski, H. Sar
120
100
UDC
(cykl miejski)
EUDC
(cykl pozamiejski)
80
v
60
[km/h]
40
20
0
0
195
390
585
Czas [s]
780
975
1170
Rys. 2. Przebieg prĊdkoĞci pojazdu podczas badania wg Regulaminu 83 EKG ONZ
Fig. 2. Vehicle’s velocity in European 83 ECE Regulation test
5. Wyniki badaĔ stanowiskowych
Na poniĪszych wykresach, w sposób syntetyczny przedstawiono rezultaty badaĔ zmian
emisji, zadymienia spalin oraz zuĪycia paliwa, wykazywanego przez badany samochód w
testach wg Regulaminu 83 EKG ONZ.
0,05
Emisja HC [g/km]
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
0
10
20
Udziaá estrów [%vol]
50
100
Rys. 3. Emisja HC [g/km] w teĞcie UDC+EUDC wg Regulaminu 83 EKG ONZ w zaleĪnoĞci od procentowego
objĊtoĞciowego udziaáu estrów w oleju napĊdowym
Fig. 3. Hydrocarbons’ specific distance emission [g/km] in UDC+EUDC ECE R83 test cycle in dependence on
esters’ volumetric additive to diesel fuel
264
INFLUENCE OF FATTY ACID METHYL ESTERS’ ADDITIVE TO DIESEL ENGINE ON ECOLOGY
0,24
Emisja CO [g/km]
0,20
0,16
0,12
0,08
0,04
0,00
0
10
20
Udziaá estrów [%vol]
50
100
Rys. 4. Emisja CO [g/km] w teĞcie UDC+EUDC wg Regulaminu 83 EKG ONZ w zaleĪnoĞci od procentowego
objĊtoĞciowego udziaáu estrów w oleju napĊdowym
Fig. 4. Carbon monoxide’s specific distance emission [g/km] in UDC+EUDC ECE R83 test cycle in dependence
on esters’ volumetric additive to diesel fuel
0,40
0,35
Emisja NOx [g/km]
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
10
20
Udziaá estrów [%vol]
50
100
Rys. 5. Emisja NOX [g/km] w teĞcie UDC+EUDC wg Regulaminu 83 EKG ONZ w zaleĪnoĞci od procentowego
objĊtoĞciowego udziaáu estrów w oleju napĊdowym
Fig. 5. Nitrogen oxides’ specific distance emission [g/km] in UDC+EUDC ECE R83 test cycle in dependence on
esters’ volumetric additive to diesel fuel
Do porównaĔ zuĪycia paliwa wykorzystano metodĊ wg Regulaminu 101 EKG ONZ,
polegającą na bilansie wĊgla w emitowanych spalinach, czyli w związkach
wĊglowodorowych HC, w tlenku wĊgla CO oraz dwutlenku wĊgla CO2.
Na rys. 7 przedstawiono Ğrednie zuĪycie paliwa w teĞcie UDC+EUDC.
W trakcie badaĔ wykonano szereg charakterystyk obciąĪeniowych. Charakterystyki te
byáy realizowane jednokrotnie dla kaĪdego ze stĊĪeĔ estrów z olejem napĊdowym. Poprzez
komputer sterujący hamownią Schenck-Komeg zadawana byáa staáa prĊdkoĞü rolki hamowni
dla kaĪej z serii badaĔ, co zapewniáo staáą prĊdkoĞü obrotową silnika. Zmiany obciąĪenia
polegaáy na nadzorowanych zmianach poáoĪenia pedaáu przyspieszenia. DziĊki systemowi
akwizycji danych HORIBA-VETS 7000 moĪliwe byáo zebranie informacji o emisji,
zadymieniu spalin, prĊdkoĞci obrotowej silnika, mocy oddawanej rolce hamowni przez koáa
osi napĊdowej oraz zmianie poáoĪenia pedaáu przyspieszenia.
265
Z. Cháopek, M. Jarczewski, W. BardziĔski, H. Sar
3,50
ĝrednie zadymienie spalin [%]
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
10
20
Udziaá estrów [%]
50
100
Rys. 6. ĝrednie zadymienie spalin [%] w teĞcie jezdnym UDC+EUDC wg Regulaminu 83 EKG ONZ w
zaleĪnoĞci od procentowego udziaáu objĊtoĞciowego estrów w oleju napĊdowym
Fig. 6. Average exhaust opacity [%] in UDC+EUDC ECE R83 test cycle in dependence on esters’ volumetric
additive to diesel fuel
8,00
7,00
ZuĪycie paliwa [l/100km]
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
0
10
20
Udziaá estrów [%vol]
50
100
Rys. 7. ĝrednie zuĪycie paliwa [l/100km] w teĞcie UDC+EUDC wg Regulaminu 83 EKG ONZ w zaleĪnoĞci od
procentowego udziaáu objĊtoĞciowego estrów w oleju napĊdowym
Fig. 7. Average fuel consumption [l/100km] in UDC+EUDC ECE R83 test cycle in dependence on esters’
volumetric additive to diesel fuel
Na rys. 8 przedstawiono w postaci wykresów wybrane wyniki pomiarów zadymienia
spalin dymomierzem AVL Opacimeter 439 dla charakterystyk obciąĪeniowych silnika.
CharakterystykĊ zewnĊtrzną silnika wykonano na biegu III dla narastających prĊdkoĞci
pojazdu. Zmiany prĊdkoĞci pojazdu, a tym samym prĊdkoĞci obrotowej silnika, realizowano
poprzez komputerowe sterowanie prĊdkoĞcią rolki hamowni.
6. Wnioski
1. Badania stanowiskowe samochodu Citroɺn Berlingo w homologacyjnych testach jezdnych
wykazaáy, Īe wraz ze wzrostem udziaáu estrów w oleju napĊdowym do 100% w odniesieniu
do czystego ON, obserwuje siĊ:
-
spadek emisji drogowej HC o 28 %,
266
INFLUENCE OF FATTY ACID METHYL ESTERS’ ADDITIVE TO DIESEL ENGINE ON ECOLOGY
-
spadek emisji drogowej CO o 21%,
wzrost emisji drogowej NOX o 8%,
spadek zadymienia spalin o 57%.
20
18
ON 90%, Estry 10%
16
Zadymienie [%]
ON 100%
14
Estry 100%
12
ON 80%, Estry 20%
ON 50%, Estry 50%
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Moc na rolce P[kW]
Rys. 8. Zadymienie spalin [%] w funkcji obciąĪenia (mocy na rolce hamowni) (bieg IV 4340obr/min) –
zestawienie charakterystyk dla róĪnych udziaáów estrów
Fig. 8. Exhaust opacity [%] as a function of load (power on chassis dynamometer roller) (4th gear 4340rpm) –
comparison of characteristics for different esters’ additive
65
Moc
ON 100%
290
60
ON 90%, Estry 10%
240
50
ON 80%, Estry 20%
45
ON 50%, Estry 50%
40
Estry 100%
190
35
140
30
Moment obrotowy M [Nm]
Moc P [kW]
55
Moment obrotowy
25
90
20
15
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
40
5500
PrĊdkoĞü obrotowa silnika n [obr/min]
Rys. 9. ZewnĊtrzna charakterystyka prĊdkoĞciowa mocy i momentu obrotowego silnika dla róĪnych
objĊtoĞciowych udziaáów estrów w mieszaninie
Fig. 9. Engine’s power and torque characteristics for different esters’ volumetric additive shares in mixture
2. Pomiary zuĪycia paliwa metodą bilansu wĊgla wykazaáy wzrost zuĪycia paliwa ze
wzrostem udziaáów estrów w mieszaninie. Wzrost objĊtoĞciowego zuĪycia czystych estrów
w stosunku do czystego ON wyniósá ok. 16%. Tak wiĊc moĪna okreĞliü, Īe w przypadku
mieszanin obu paliw Ğredni wzrost objĊtoĞciowego zuĪycia paliwa wynosiá ok. 0,9 % na
kaĪde 5 % dodatku estrów metylowych oleju rzepakowego do oleju napĊdowego (czyli na
przykáad dla mieszaniny 90% ON + 10% FAME wzrost zuĪycia paliwa wynosiá ok. 1,8 %).
3. W przypadku charakterystyk obciąĪeniowych w zakresie mocy maksymalnej na IV biegu
(4340 obr/min) zaobserwowano wyraĨne zmniejszenie zadymienia spalin wraz ze wzrostem
267
Z. Cháopek, M. Jarczewski, W. BardziĔski, H. Sar
udziaáów estrów metylowych oleju rzepakowego. Spadek ten wynosiá 77% dla czystych
estrów w porównaniu z zadymieniem na czystym oleju napĊdowym.
4. W przypadku zasilania silnika czystymi estrami zaobserwowano spadek mocy
maksymalnej o 5,1% w stosunku do czystego oleju napĊdowego. Przyjmując zaáoĪenie, Īe
dodawanie estrów FAME do oleju napĊdowego w sposób liniowy wpáywa na rozwijaną
moc i moment obrotowy, moĪna stwierdziü, Īe dla paliwa z 10 % dodatkiem estrów
FAME spadek mocy silnika wynosi okoáo 0,5 %.
Literatura
[1] Baczewski, K., KaádoĔski, T., Paliwa do silników o zapáonie samoczynnym. WKà.
Warszawa 2004.
[2] BocheĔski, C. I., BocheĔska, A. M., Porównanie przebiegu spalania oleju napĊdowego i
jego mieszanin z estrami metylowymi oleju rzepakowego w komorze o staáej objĊtoĞci
(bombie). Materiaáy konferencyjne PTNSS P05-C142. Szczyrk 2005.
[3] Cháopek, Z., Pojazdy samochodowe – Ochrona Ğrodowiska naturalnego. WKà.
Warszawa 2002.
[4] Cháopek, Z., Jarczewski, M., BardziĔski, W., Sar, H., Wpáyw dodatku estru metylowego
oleju rzepakowego do paliwa na emisjĊ zanieczyszczeĔ z silnika o zapáonie samoczynnym
w dynamicznych testach jezdnych. Materiaáy konferencyjne PTNSS P05-C027. Szczyrk
2005.
[5] Merkisz, J., Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki
PoznaĔskiej. PoznaĔ 1998.
268