ODREĐIVANJE MOTORSKIH KARAKTERISTIKA BIO-DIZEL GORIVA DETERMINATION OF THE ENGINE CHARACTERISTICS BIO-DIESEL FUEL

Transcription

1 ODREĐIVANJE MOTORSKIH KARAKTERISTIKA BIO-DIZEL GORIVA DETERMINATION OF THE ENGINE CHARACTERISTICS BIO-DIESEL FUEL Radivoje Pešić, Aleksandar Davinić, Stevan Veinović Mašinski fakultet u Kragujevcu, Sestre Janjić 6, Kragujevac Abstract: Substitution of classic engine fuels with fuels that come from part renewable sources has been a subject of many studies and researches in the past decade. Considering the higher cost and limits of production resources, a special attention is focused on raising the energy efficiency of bio-fuel usage, mainly through optimization of the combustion process. Consequently, in bio-fuel applications, there is a need for determination of self-ignition as a dominant characteristic that influences combustion parameters. This paper presents the investigation results of self-ignition characteristic of domestic biodiesel fuel with application of specific engine method, developed at the Laboratory for IC engines and fuels and lubricants of the Faculty of Mechanical Engineering from Kragujevac. Keywords: biodiesel fuel, self-ignition characteristic, engine test method 1. UVOD Stalni rast troškova u proizvodnji naftnih pogonskih materijala je samo jedan od vidljivih pokazatelja brzog tempa nestanka svetskih rezervi nafte. Sa druge strane je ekološko opterećenje okoline problem koji ne poznaje državne granice. Svi dosadašnji propusti u globalnom delovanju i razmišljanju se vraćaju kao osveta u lokalnim ekscesnim situacijama. Iz liste kritičnih fenomena za našu zemlju navodimo dugogodišnju ekološki neopravdanu primenu goriva i maziva niskog kvaliteta: olovnog benzina, dizel goriva sa puno sumpora i maziva sa metalnim aditivima. Nataloženo olovo oko puteva praktično negira bilo kakvu pomisao na proizvodnju zdrave hrane. Slično je sa čvrstim materijama nastalim nepotpunim sagorevanjem sumpornog goriva i maziva sa metalnim aditivima. Čestice u lebdećem i taložnom stanju stimulišu kancerogena oboljenja u svim živim organizmima [1]. Primena novih goriva i maziva iz obnovljivih izvora, a najpre iz bio sirovina, je put za sofisticirano rešavanje energetskih i ekoloških problema u saobraćaju i tim pre u poljoprivrednoj mehanizaciji. Maziva imaju svoj doprinos koliko u podizanju energetske efikasnosti mašina toliko i u ekološkoj zaštiti okoline od nekontrolisanog i nepotpunog sagorevanja ili ispuštanja u okolinu. Nove tehnologije u proizvodnji maziva i njihovih aditiva mogu snabdevati celokupnu tehniku bio razgradljivim i ekološki prihvatljivim sirovinama [2]. Kada se pojmu globalizacije dodele pozitivna očekivanja onda su obaveze sveukupnog bilansiranja opšte prisutne. Svaka generacija ima obavezu da poklone prirode racionalno

2 koristi. Samu industrijsku eru u razvoju civilizacije doživljavamo kao fazu u kojoj su rešeni egzistencijalne teme i prestaje borba čoveka sa prirodom. Tada održivi razvoj prerasta u razmišljanje o budućnosti. Čovek je time spoznao ograničenost prirodnih i ekoloških rezervi naše Planete, sl. 1. Sl. 1: Obnovljivost proizvoda kao mera kvaliteta života Sumorne prognoze o skorom iscrpljenu izvora nafte, gasa i uglja su stalni pratilac saobraćajnih tehnologija. Svejedno je koliko su procene tačne strateške obaveze su da se što pre uvedu obnovljivi izvori sirovina za pogonske materijale. Tabela 1: Plan EU-komisije za proizvodnju bio-goriva do 2010 je sledeći: Godina/minimalni Potrošnja benzina Potrošnja dizela Ukupno udeo 2005/2,00 % /2,75 % /3,5 % /4,25 % /5,00 % /5,75 % Sve količine su u 1000 t, Osnova: potrošnja goriva u 1998 Lokalno gledajući ljudi imaju najduže iskustvo u korišćenju bio-sirovina. Proizvodi alkoholnog vrenja spadaju u prirodne fenomene. Prva goriva za motore sus su bila gasna, a od tečnih alkoholna. Bez obzira na to prvi međunarodni ISO standardi o gasnim i bio-gorivima su doneti posle godine. Kod nas su usvojena dva EU standarda koji odobravaju a što je još važnije propisuju kvalitet i metode testiranja bio goriva. Prvi se odnosi na goriva koja će se koristiti kao dodaci naftnim dizel gorivima. Taj standard, EN 14214:2003: je prevod sa engleskog na srpski jezik: Automotive fuels Fatty acid methyl ester (FAME) for diesel engines Requirements and test methods. Drugi standard se odnosi na goriva koja mi zovemo lož ulja. On je identičan sa međunarodnim standardom EN 14213:2003: Heating fuels-fatty acid methyl esters (FAME)-Requirements and test methods. Ovi evropski standardi dobijaju status nacionalnih standarda ili objavljivanjem identičnog teksta ili odobravanjem najkasnije do januara godine, a protivrečni nacionalni standardi moraju biti povučeni najkasnije do januara godine.

3 EU standardi utvrđuju zahteve i metode ispitivanja za metil estre masnih kiselina (FAME) koji se isporučuju tržištu ili kao gorivo za motorna vozila za dizel-motore u koncentraciji od 100% ili kao dodatak gorivu za motorna vozila za dizel-motore u skladu sa zahtevima standarda EN 590. U koncentraciji od 100% se primenjuje kao gorivo koje se upotrebljava u vozilima sa dizel-motorima koja su konstruisana ili naknadno prilagođena da koriste 100% FAME. Metil estri masnih kiselina su dobijeni iz ulja uljane repice i suncokreta. Istraživanje i optimiranje radnog procesa dizel motora predpostavljaju poznavanje motorskih karakteristika korišćenog goriva, posebno njegove samoupaljivosti opisane cetanskim brojem (CB). U slučaju primene goriva dobijenih iz bio-mase, kao i klasičnih goriva sa aditivima za poboljšanje samoupaljivosti ( t.z. cetanski impruveri) [5], jedina opcija za određivanje CB je motorski metod. Standardni test ISO 5165 (ASTM D613), DIN i slični zahtevaju primenu specifičnih, veoma skupih, laboratorijskih instalacija, tako da je relativno mali broj institucija akreditovan za ovaj test. Laboratorija za motore SUS i pogonske materijale Mašinskog fakulteta u Kragujevcu je usmerena ka istraživanju primene ekološki prihvatljivih goriva iz delimično obnovljivih izvora [2, 5], pa se javila realna potreba za iznalaženje mogućnosti za određivanje cetanskog broja dizel goriva. Analiza standarda [3] i mogućnosti naše laboratorijske opreme je dala ohrabrujuće rezultate, što je rezultiralo razvojem specifične motorske metode za određivanje karakteristika samoupaljivosti. U radu će biti dat kraći prikaz metodologije određivanja kao i rezultati ispitivanja karakteristike upaljivosti metilestra sojinog ulja proizvodnje»prva Iskra«Barič. 2. METODOLOGIJA Za određivanje cetanskog broja goriva korišćena je opitna instalacija prikazana na sl. 2. Detaljno objašnjenje metodologije je prikazano u literaturi [6]. U osnovi metoda je veoma slična standardnoj ISO 5165, s tim što se uslov konstantnog perioda izostanka paljenja za goriva različitih karakteristika upaljivosti postiže prigušenjem u usisnom vodu motora. Pri tome upaljenje mora nastupiti u SMT, a broj obrtaja ostati ne promenjen čime je ostvaren t.z. referentni radni režim opitnog motora. Sl. 2 Shematski prikaz opitne instalacije

4 Cetanski broj ispitivanog uzorka se određuje interpolacijom vrednosti CB referentnih goriva u funkciji podpritiska u usisnom vodu, ili relativnog položaja prigušnog leptira. Referentna goriva korišćena u testu su dobijena mešanjem određenih zapremina dve bazne komponente (t.z. sekundarnih referentnih goriva): T-fuel (CB=63.7) i U-fuel (CB=29), shodno standardu ISO Ova goriva su dobijena selekcijom frakcija srednjih naftnih destilata. Sl. 3 Rezultati kalibracije parametara testa Rezultati kalibracije testa pokazuju da se za proračun vrednosti CB uzorka može koristiti linearna interpolacija CB vrednosti referentnih goriva, bilo po parametru pod pritiska u usisnom vodu, bilo po relativnom položaju prigušnog leptira, slika 3. Radi ocene preciznosti metode izvršena je provera ponovljivosti rezultata i utvrđeno je da metoda zadovoljava uslov standarda ISO 5165, koja za srednju vrednost CB od 50 iznosi 0.9 CB jedinice [6]. Među laboratorijska ponovljivost našeg testa se ne može proveriti, jer ne postoji laboratorija sa identičnom opremom. Ipak, radi procene same metode treba napomenuti da standard ISO 5165 garantuje međulaboratorijsku ponovljivost svog testa od 4 CB jedinice, pri srednjoj vrednosti CB od SAMOUPALJIVOST BIO-DIZEL GORIVA Dokazano je da cetanski broj bio-dizel goriva zavisi od kompozicije masnih kiselina bazne sirovine (ulja ili masti) [4]. Duži lanci masnih kiselina sa višim stepenom zasićenja obezbeđuju više cetanske brojeve. Shodno ovom pravilu, u slučaju metil estra sojinog ulja, očekivale bi se niže vrednosti cetanskog broja (svega oko 15 % zasićenih masnih kiselina). Međutim, publikovani rezultati vrednosti cetanskih brojeva bio-dizel goriva proizvedenih od biljnih ulja se kreću u dosta širokim granicama [4], posebno kod metilestra sojinog ulja, tabela 2. Tabela 2: Vrednosti cetanskog broja kod metil i etil estara METIL-ESTAR SOJINOG ULJA ETIL-ESTAR SOJINOG ULJA METIL-ESTAR ULJANE REPICE ETIL-ESTAR ULJANE REPICE 45,0-67, ,0-65,

5 Pokazalo se da je osnovni razlog ovome sklonost metil-estara nezasićenih masnih kiselina ka oksidaciji, pri čemu se stvaraju organski peroksidi. Oksidacija je posebno izražena kod destilisanih estara jer se ovim postupkom, pored ostalih teško isparljivih primesa, uklanja i tokoferol (vitamin E) prirodni antioksidans. Mera za stepen oksidacije estara je peroksidni broj, sa trendom prikazanim na slici 4. Sl. 4 Trend promene peroksidnog broja destilisanog i ne destilisanog SME Sl. 5. Korelacija između peroksidnog i cetanskog broja za SME Takođe je utvrđeno da sa porastom stepena oksidacije dolazi i do porasta cetanskog broja slika REZULTATI SOPSTVENIH ISPITIVANJA Naša ispitivanja su vršena na uzorku metilestra sojinog ulja proizvodnje»prva ISKRA- NAMENSKA PROIZVODNJA«A.D. iz Bariča sa sledećim deklarisanim karakteristikama: Gustina na 15 C g/cm 3 Vlaga 0.16% Jodni broj J 2 /100g Kiselinski broj 1.80 mg KOH/100g Datum ispitivanja godine. Radi određivanja baznog radnog režima izvršili smo odgovarajuća preliminarna merenja. Definisali smo bazni radni režim opitnog motora sa n=2000 o/min i F k =0.5 dan. Takođe se pokazalo da je cetanski broj uzorka veći od vrednosti našeg sekundarnog referentnog goriva T-fuel (CB=63.7). Iz tog razloga namešali smo»radni«uzorak goriva za ispitivanje od 83.8% čistog uzorka i 16.2% drugog sekundarnog referentnog goriva U-fuel (CB=29). Kao niže referentno gorivo koristili smo mešavinu LRF sa 57.8 cetana a kao više referentno gorivo (HRF) koristili smo čisto sekundarno referentno gorivo T-fuel (CB=63.7).

6 Merenje je izvršeno prema ispred opisanoj metodi i za radni uzorak smo dobili vrednost CB=60.5. Elementarnim računom utvrdili smo da je cetanski broj čistog metilestra sojinog ulja CB SME =66.5. Dobijena vrednost cetanskog broja ispitivanog uzorka metilestra sojinog ulja se nalazi u opsegu vrednosti dostupnih iz literature. Ona je blizu gornje granične vrednosti, što se može objasniti starošću uzorka. 5. ZAKLJUČAK Bio sirovinama, važnim za primenske karakteristike goriva kao što su visoki cetanski kvaliteti uz izvanrednu mazivost, pripada uloga aditiva u naftnim gorivima. Na isti način, u doglednoj budućnosti, izabranim produktima iz naftnih sirovina pripada uloga aditiva u bio gorivima i bio mazivima. Određivanje karakteristika upaljivosti goriva se može sprovesti u ne standardnim uslovima na serijskom motoru, primenom predložene metode. Njena karakteristika je da se određivanje cetanskih brojeva vrši pri konstantnoj snazi motora. Za proračun vrednosti CB uzorka se može koristiti linearna interpolacija CB vrednosti referentnih goriva, bilo po parametru podpritiska u usisnom vodu, bilo po relativnom položaju prigušnog leptira. Dobijena vrednost cetanskog broja ispitivanog uzorka metilestra sojinog ulja je porediva sa podacima iz literature. 6. ZAHVALA Autori se zahvaljuju firmi PRVA ISKRA iz Bariča na dostavljenom uzorku za ispitivanje. Istraživanja na projektu EE , koja su delom prikazana u ovom radu, finansijski je pomoglo Ministarstvo Nauke i zaštitu životne sredine Republike Srbije. 7. LITERATURA [1] D. Gruden: Ekološki razvoj Predviđanja budućnosti automobilskih motora sa unutrašnjim sagorevanjem, MVM 04. Naučno-stručni simpozijum u Kragujevcu, oktobar [2] R. Pešić, Docent D. Ješić, S. Veinović,: Pogonski materijali u budućoj poljo-privrdnoj mehanizaciji srbije, PoMT' 2003 Novi Sad, [3] INTERNATIONAL STANDARD Petroleum products-determination of the ignition quality of diesel fuels Cetane engine method, ISO 5165:1998(E), p [4] Jon Wan Gerpen: Cetane Number Testing of Biodiesel, Iowa States University, Ames, Iowa. [5] R.Pešić, S. Veinović: Experimental Engines for research of fuels and lubricants, Mobility & Vehicle Mechanics, International Journal for Vehicle Mechanics Engines and Transportation Systems, Volume 27 Number 1&2, March 2001, p , ISSN [6] A. Davinić, R. Pešić, D. Ješić, S. Veinović: Experimental determination of auto-ignition characteristics of alternative and classical fuels using the engine method, International Congress Motor Vehicles & Motors 2006, Proceeding on CD- ISBN X, MVM , Kragujevac 4th-6th October 2006., p. 1-9.