W części pierwszej cyklu przedstawione zostały ogólne wymagania, jakie muszą spełniać paliwa, aby mogły być stosowane do zasilania pojazdów. Omówiono także znaczenie dla eksploatacji pojazdu parametrów charakterystycznych dla benzyn, bez precyzowania, jakie wartości tych parametrów muszą być uzyskane przez benzyny, by mogły być dopuszczone do obrotu. Wartości te są podane w Załączniku 1 do rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 9 października 2015 r. (poz. 1680) w sprawie wymagań jakościowych dla paliw ciekłych. Przy czym należy uwzględnić zmiany, jakie wprowadzone zostały przez rozporządzenie Ministra Klimatu z dnia 22 kwietnia 2020 r. (poz. 727).

Wprowadzenie

W niniejszym artykule zostaną omówione na podobnej zasadzie parametry charakterystyczne dla olejów napędowych. Wartości poszczególnych parametrów również nie będą omawiane i można je znaleźć w Załączniku 2 do wyżej wspomnianego rozporządzenia Ministra Gospodarki.

Właściwości i wybrane parametry charakterystyczne dla olejów napędowych

Liczba cetanowa (LC). Jest ona miarą zdolności do samozapłonu sprężonej mieszanki paliwowo-powietrznej. Liczba cetanowa wpływa na łatwość rozruchu zimnego silnika, emisje gazów spalinowych oraz „głośne” spalanie oleju napędowego w cylindrze. Im większą wartość LC ma dane paliwo, tym lepsza jest jego zdolność do samozapłonu i tym bardziej sprawny i regularny jest przebieg procesu spalania. Umownie dla cetanu, który charakteryzuje krótki okres opóźnienia samozapłonu przyjęto LC=100. Najkorzystniej jest, gdy ta liczba wynosi ok. 50. Polska norma dotycząca jakości oleju napędowego podaje, że powinna ona wynosić min. 51. Paliwa o obniżonej liczbie cetanowej powodują, że całe paliwo nie dopala się i w spalinach wzrasta ilość węglowodorów, zaś moc silnika spada. Zbyt wysoka liczba cetanowa (powyżej 60) też nie jest korzystna. Na skutek przedwczesnego wystąpienia zjawiska samozapłonu zmniejsza się sprawność silnika i wzrasta zużycie paliwa. Wartość LC paliw jest ściśle związana z budową chemiczną ich składników. Największe liczby cetanowe mają węglowodory parafinowe o dużej liczbie atomów węgla, posiadające długie, proste łańcuchy. Najmniejszymi wartościami liczby cetanowej charakteryzują się węglowodory aromatyczne. Liczbę cetanową oleju napędowego oznacza się najczęściej na specjalnym silniku badawczym. Gdy niedostępny jest silnik badawczy do oznaczania tej właściwości lub ilość próbki jest niedostateczna do wykonania testu silnikowego to do szacowania liczby cetanowej stosuje się indeks cetanowy. Wylicza się go na podstawie odpowiedniego wzoru matematycznego.

Lepkość. Parametr ten jest miarą tarcia wewnętrznego płynów, wynikającego z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu. Wpływa ona na proces tłoczenia paliwa, który z kolei wpływa na jego wtrysk i odparowanie (a tym samym spalanie). Jeżeli lepkość jest zbyt duża, to podczas rozpylania tworzą się krople o dużych rozmiarach. Utrudnia to ich równomierne rozmieszczenie w komorze spalania i ogranicza odparowanie. Przez to część paliwa nie ulegnie spaleniu i odłoży się jako nagar na ściankach komory silnika i denkach tłoka, oraz zostanie utworzone więcej cząstek stałych. Im wyższa jest lepkość paliwa tym trudniej przepływa ono przez filtry, przewody i inne elementy układu zasilania, co znajduje odzwierciedlenie w zmniejszeniu mocy silnika. Paliwa o zbyt małej lepkości także zaburzają proces tworzenia mieszanki. Podczas rozpylania paliwa o małej lepkości tworzą się drobne kropelki, które dość szybko wytracają prędkość. Z tego względu rozpylone paliwo wypełnia tylko część komory spalania, która jest bliżej wtryskiwacza. W tej części komory mamy wówczas lokalny nadmiar paliwa i dochodzi do niecałkowitego spalania. Paliwo w silnikach z zapłonem samoczynnym spełnia także rolę środka smarnego dla tłoczków pomp wtryskowych. Wskutek zbyt małej lepkości paliwa, smarowanie elementów układu wtryskowego może być utrudnione z powodu ograniczeń w dostępie paliwa do ruchomych elementów pompy wtryskowej, co prowadzi do ich szybszego zużywania. Co więcej, zbyt mała lepkość może zwiększyć wyciek paliwa z elementów pompujących.

Pozostałość po spopieleniu. Przy spalaniu paliwa oprócz nagaru może tworzyć się popiół. Tworzenie się popiołu wynika z obecności w paliwie związków nieorganicznych (w tym metalicznych), których obecność może wynikać ze stosowanych dodatków do paliw i do środków smarowych. Związki te mogą też stanowić produkt uboczny procesu rafinacji lub pochodzić z przypadkowych zanieczyszczeń. Część popiołu przechodzi przez komorę spalania bez powodowania szkodliwych skutków, ale część odkłada się w komorze spalania. Może się on przyczyniać do zakoksowania dysz wtryskiwaczy i zmniejszyć żywotność filtrów cząstek stałych poprzez odkładanie się w nich i zmianę geometrii (rys. 1).

Rysunek 1. Wpływ akumulacji popiołu na geometrię filtra cząstek stałych i rozkład sadzy
Źródło: Sappok A.G.: Ash Accumulation in Diesel Particulate Filters. DieselNet Technology Guide,
Diesel Particulate Filters. https://dieselnet.com/tech/dpf_ash.php

Zawartość wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA). Węglowodory aromatyczne mają długi okres opóźnienia zapłonu, charakteryzuje je stukowe spalanie, wywołujące tzw. twardą pracę silnika. Z tego względu nie są pożądanymi składnikami oleju napędowego. Również ze względu na ochronę środowiska ich obecność w paliwach jest niewskazana, gdyż charakteryzują się one właściwościami kancerogennymi. Powstają one podczas niepełnego spalania węglowodorów, szczególnie aromatycznych, które są emitowane do atmosfery wraz ze spalinami.

Skład frakcyjny. Skład frakcyjny służy do oceny zdolności rozruchowych silnika zasilanego danym paliwem, zdolności paliwa do samozapłonu (indeks cetanowy), regularności przebiegu spalania oraz – w wyniku niecałkowitego spalania – skłonności do tzw. nagarów w komorze spalania, na zaworach pierścieni tłokowych, elementach wtryskiwaczy itd. Olej napędowy zawierający ciężkie frakcje końcowe nie spala się całkowicie, a podczas spalania tworzą się nadmierne ilości nagaru i smół, które odkładają się na końcówkach wtryskiwaczy. Zbyt mała ilość lekkich frakcji w paliwie utrudnia uruchomienie silnika w niskiej temperaturze.

Temperatura zapłonu. Temperaturę zapłonu oleju napędowego podaje się głównie w celu oznaczenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego podczas użytkowania paliwa. Charakteryzuje ona skłonność do tworzenia mieszanin palnych i jest wartością, przy której ogrzewany produkt w mieszaninie z powietrzem ulega zapłonowi w zetknięciu z płomieniem. Zbyt wysoka temperatura zapłonu może spowodować spadek wydajności i ekonomiczności pracy silnika oraz przyczynić się do wzrostu emisji substancji szkodliwych do środowiska. Zbyt niska temperatura zapłonu może doprowadzić do wybuchu par oleju podczas tankowania paliwa, czy operacji związanych z jego przelewaniem.

Pozostałość po koksowaniu. Olej napędowy zawiera w swoim składzie węglowodory o dłuższych łańcuchach węglowych niż benzyny oraz węglowodory nienasycone, związki o charakterze smół, związki siarki oraz kwasy organiczne. Sprzyja to tworzeniu się różnego typu osadów oraz nagarów w komorze spalania, na zaworach, pierścieniach tłokowych, elementach wtryskiwaczy. Paliwa powinny charakteryzować się jak najmniejszą skłonnością do tworzenia osadów. Im mniejsza jest pozostałość po koksowaniu, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo tworzenia się nagaru w silnikach.

Temperatura zablokowania zimnego filtra (CFPP). Jest to najniższa temperatura, w której paliwo może przejść przez filtr w standardowym teście filtracji. Oleje napędowe zawierają (nawet do 20%) węglowodory długołańcuchowe, które charakteryzują się ograniczoną rozpuszczalnością w paliwie. Związki te po schłodzeniu wydzielają się z paliwa w postaci stałej (parafiny), zatrzymywane są na filtrach i prowadzą do ich zablokowania (rys. 2).

Rysunek 2. Wygląd filtra zablokowanego wytrąconymi parafinami
Źródło: CIMAC Guideline. Cold flow properties of marine fuel oils. CIMAC WG7 Fuels, January 2015,
https://www.cimac.com/cms/upload/workinggroups/WG7/CIMAC_WG7_2015_01_Guideline_
Cold__Flow_Properties_Marine_Fuel_Oils_final.pdf

Zablokowaniu filtra sprzyja również obecność biokomponentów (FAME ) w paliwie, które również mają tendencję do wytrącania się z roztworu przy niskich temperaturach. Obecność FAME w oleju powoduje konieczność stosowania dodatków niskotemperaturowych lub ograniczania ich zawartości w paliwie w okresie zimowym. Zjawisko zablokowania filtra może wystąpić przy ujemnych temperaturach otoczenia i uniemożliwić uruchomienie silnika. Z tego względu odpowiedni przepływ paliwa na zimno jest jednym z ważniejszych parametrów niskotemperaturowych paliwa i stanowi podstawowe kryterium podziału olejów napędowych na gatunki w różnych warunkach klimatycznych. Dla klimatu umiarkowanego ustalono sześć gatunków różniących się temperaturą zablokowania zimnego filtra. Natomiast w przypadku klimatu arktycznego lub surowego klimatu zimowego, wyróżnia się pięć różnych klas, a paliwo poszczególnych klas musi – poza określoną wartością CFPP – spełniać także inne wymagania. Parametry oleju napędowego, dostępnego w sprzedaży w okresach klimatycznych przewidzianych dla Polski, powinny odpowiadać wymaganiom:

• w okresie letnim (od 16 kwietnia do 30 września) – dla gatunku B (CFPP 0°C),
• w okresie przejściowym (od 1 marca do 15 kwietnia i od 1 października do 15 listopada) – dla gatunku D (CFPP –10°C),
• w okresie zimowym (od 16 listopada do końca lutego) – dla gatunku F (CFPP –20°C) lub dla klas klimatu arktycznego i surowego klimatu zimowego.

Przy czym dopuszcza się stosowanie oleju napędowego dla klimatu arktycznego i surowego klimatu zimowego również w okresie letnim i przejściowym.

Temperatura mętnienia (CP). Innym parametrem określającym właściwości niskotemperaturowe paliwa jest temperatura mętnienia. Jest to temperatura, przy której paliwo zaczyna mętnieć na skutek pojawienia się zalążków krystalizacji parafin (rys. 3).

Rysunek 3. Temperatura mętnienia paliwa
Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=cxrkbYaFwlg

Po jej przekroczeniu kryształki zaczynają narastać i łączyć się ze sobą powodując charakterystyczny mleczny kolor paliwa. Jest to początek procesu prowadzącego do zapychania filtra paliwowego i unieruchomienia silnika. Jest to temperatura wyższa od temperatury CFPP.

Zawartość FAME. Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME ), znane również jako biodiesel, są stosowane w oleju napędowym jako biokomponent. Zamiast estrów metylowych jako biokomponent mogą być stosowane estry etylowe kwasów tłuszczowych (FAEE), ale to paliwo jest jeszcze słabo dostępne na rynku. Stosowanie estrów wynika z uwarunkowań legislacyjnych, wymagających wprowadzania do paliw biokomponentów. Ich ilość jest również uwarunkowana prawnie. Estry te mają swoje zalety, jak np. poprawa smarności paliwa i zmniejszenie ilości cząstek stałych w spalinach. Lecz mają także swoje wady, jak np. mała stabilność (przez co paliwo szybko się starzeje), niekorzystnie oddziałują z powłokami lakierniczymi i uszczelnieniami. FAME jest higroskopijne i należy zbiorniki czyścić, aby uniknąć korozji i rozwoju drobnoustrojów. Ma też słabe właściwości niskotemperaturowe, stąd jego ilość w paliwach zimowych jest ograniczana.

Stabilność oksydacyjna. Olej napędowy może ulegać zmianom podczas dystrybucji i przechowywania. Parametrem, który jest najbardziej wrażliwy na zmiany składu paliwa jest stabilność oksydacyjna, stąd wytypowano ten parametr jako miarę jakości paliwa. Składnikiem oleju napędowego, który najszybciej ulega starzeniu jest FAME . Kontakt paliwa z niektórymi metalami, czy obecność innych substancji chemicznych w oleju napędowym, mogą przyspieszać proces degradacji estrów. Paliwo o słabej stabilności będzie generowało osady na elementach silnika i negatywnie wpływało na wielkość emisji, stąd konieczność badania tego parametru.

Smarność. Przepływ paliwa generuje tarcie, co prowadzi do zużywania się różnych elementów układu paliwowego. Dla tych elementów paliwo stanowi jedyne źródło smarowania i zbyt mała jego smarność może doprowadzić do awarii. Aby zapobiegać temu zjawisku, paliwo powinno zawierać związki poprawiające smarowanie. Smarność paliwa określa jego zdolność do wytworzenia niezbędnej ochronnej warstwy olejowej. Właściwości smarne zapewniają głównie związki polarne (np. FAME ) zawarte w paliwie. Wcześniej dobre właściwości smarne zapewniały związki siarki. Jednakże ograniczenia zawartości siarki w paliwie i związana z tym pogłębiona rafinacja składowych oleju napędowego, spowodowały redukcję składników oleju napędowego, które dawały naturalną smarność. Aby osiągnąć pożądaną smarność paliwa, można zastosować odpowiednie dodatki. Nieodpowiednie smarowanie może skutkować zwiększoną emisją z rury wydechowej, nadmiernym zużyciem pompy i końcówek wtryskiwaczy, a w niektórych przypadkach katastrofalną awarią.

Omówione parametry charakteryzują właściwości olejów napędowych, które wpływają na przebieg procesów silnikowych w silnikach o zapłonie samoczynnym. W następnym artykule zostaną przedstawione podstawowe właściwości charakterystyczne zarówno dla benzyn, jak i dla olejów napędowych.

dr inż. Anna Matuszewska
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Motoryzacji

Artykuł ukazał się w wydaniu 1/2023 "Paliw Płynnych".

Kopiowanie i rozpowszechnianie bez zezwolenia PIPP jest zabronione.