Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Osady w tłokowych silnikach spalinowych / Deposits in internal combustion engines

Autorzy: Zbigniew Stępień, Wojciech Krasodomski, Michał Wojtasik.

Praca pod redakcją Zbigniewa Stępnia

Recenzenci:
Prof. dr Jan Czerwiński
Prof. dr hab. inż. Dariusz Ozimina

Streszczenie

Osady tworzone na powierzchniach różnych wewnętrznych elementów tłokowych silników spalinowych i układów z nimi współpracujących stanowią niepożądane zjawisko, narastające wraz z czasem eksploatacji silników i zagrażające ich poprawnemu działaniu. Powstawanie osadów w wyniku przebiegu procesów wtrysku paliwa, tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej spalania w tłokowych silnikach spalinowych jest zjawiskiem normalnym. Dopiero na początku XXI wieku rozpoczęto szerokie, wielokierunkowe badania mające na celu ustalenie nie tylko przyczyn powstawania osadów, mechanizmów ich tworzenia i czynników sprzyjających procesom przyrostu osadów, ale także określenie składu chemicznego różnych grup osadów. Potrzeby takich badań wynikały z konieczności spełniania przez silniki sukcesywnie zaostrzanych przepisów w zakresie ochrony środowiska naturalnego człowieka, a to wiązało się z wprowadzaniem coraz bardziej złożonych konstrukcji silników oraz strategii sterowania procesami precyzyjnego, dzielonego na części wtrysku paliwa do komór spalania silników i zaawansowanych algorytmów sterujących procesami spalania w zależności od systemu spalania oraz przeznaczenia silnika. Okazało się jednak, że współdziałanie coraz bardziej złożonych technologii i rozwiązań silników, a zwłaszcza układów wtrysku paliwa, może być w sposób istotny zaburzane tworzonymi w nich osadami. Coraz bardziej skomplikowane konstrukcje silników oraz rosnąca dokładność wykonania współpracujących ze sobą elementów wymuszają konieczność wielokierunkowego badania szkodliwych osadów. Identyfikowanych jest coraz więcej czynników wpływających na tworzenie osadów, co prowadzi do opracowywania coraz bardziej złożonych klasyfikacji i podziałów osadów ze względu na ich rodzaj, skład i postać. Równocześnie poszukiwania sposobów dalszego obniżania emisji składników szkodliwych do atmosfery i poprawy sprawności silników wymuszają dalsze zmiany w konstrukcji zarówno silników, jak i samych pojazdów. Zwiększające się ciśnienie i temperatura procesów spalania silnikach w połączeniu ze zmianami ich tradycyjnego cyklu pracy wpływają na zmiany wymagań stawianych paliwom silnikowym. W konsekwencji powyższe zmiany mają wpływ zarówno na skład chemiczny, jak i morfologię tworzonych w silnikach osadów.
Wielkość tworzonych osadów koksowych może zaburzać procesy rozpylania paliwa, napełniania komór spalania silnika, zawirowania ładunku w komorach spalania, a w konsekwencji wpływać na sprawność napełniania komór spalania oraz na jakość tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Doprowadziło to do opracowania wielu znormalizowanych metod oceny wielkości osadów. Ustalono przy tym, że w przypadku silników ZI osadami najbardziej zagrażającymi ich poprawnej pracy, w rozumieniu zachowania deklarowanych przez producentów osiągów w czasie oraz walorów użytkowo-eksploatacyjnych, są te, które tworzą się w komorach spalania, na zaworach dolotowych, w kanałach dolotowych i na końcówkach wtryskiwaczy paliwa. W przypadku silników ZS najbardziej niebezpieczne są osady koksowe (węglowe) tworzone na zewnętrznych powierzchniach końcówek rozpylaczy wtryskiwaczy oraz wewnątrz kanalików wtrysku paliwa rozpylaczy. W Europie obligatoryjne procedury oceny wielkości różnych osadów koksowych powstających na różnych elementach, zarówno w silnikach ZI, jak i ZS, opracowywane są w ramach grup roboczych CEC (Co-ordinating European Council for the Development of Performance Tests for Transportation Fuels, Lubricants and Other Fluids).
W teoretycznej części pracy opisano problemy związane z osadami tworzonymi w tłokowych silnikach spalinowych oraz w ich układach paliwowych. Omówiono standardowe oraz niestandardowe silnikowe i analityczne metody zarówno ilościowej, jak i jakościowej oceny osadów. Przedstawiono znaczenie obecnie stosowanych metod ocen dla tworzenia klasyfikacji osadów. Wskazano zakres stosowania oraz przydatność metod do określenia zagrożeń, jakie stwarzają różnego typu osady dla funkcjonowania silnika, jak i ustalenia przyczyn ich powstawania, w tym w szczególności związanych ze składem stosowanych paliw i smarowych olejów silnikowych. Przedyskutowano wpływ składu paliw, jak również konstrukcji silników i warunków ich eksploatacji na tworzenie różnych osadów zarówno w samych silnikach, jak i w układach wtrysku paliwa. Wskazano możliwe przyczyny powstawania szkodliwych osadów. Podkreślono też ogromne znaczenie opracowywania i stosowania nowoczesnych dodatków do paliw kontrolujących i przeciwdziałających tworzeniu szkodliwych osadów silnikowych.
W części doświadczalnej zaprezentowano wyniki badań prowadzonych w ramach projektów badawczych i prac statutowych w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym. Niniejsze wyniki dotyczą:
• nieporównywalności ocen właściwości detergentowych paliw w różnych, znormalizowanych testach silnikowych;
• wielokierunkowych ocen wpływu różnych dodatków detergentowo-dyspergujących na tworzenie się szkodliwych osadów podczas testów silnikowych;
• wpływu sposobu uszlachetniania paliw na procesy ilościowego i jakościowego tworzenia osadów w tłokowych silnikach spalinowych;
• oceny wpływu wybranych związków chemicznych stanowiących zanieczyszczenia zawarte w paliwach na procesy powstawania osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa;
• oceny wpływu różnych struktur związków chemicznych stanowiących zanieczyszczenia zawarte w paliwach i biopaliwach na procesy powstawania osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa;
• wielokierunkowych badań wpływu biokomponentów zawartych zarówno w benzynach, jak i olejach napędowych na tendencje do tworzenia osadów silnikowych;
• wielokierunkowych badań wpływu starzenia FAME zawartego jako biokomponent w oleju napędowym na tworzenie szkodliwych osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa.

Abstract

The undesirable deposits forming on the surfaces of various internal parts of reciprocating internal combustion engines and the systems operating in conjunction with them worsen during the operation of the engines and threaten their proper functioning. The deposits form as a normal result of the processes of fuel injection and creating and combusting the fuel–air mixture in engines. It was not investigated until the beginning of the 21st century, when extensive multi-directional research began not only to identify the causes of these deposits, the mechanisms behind their formation, and the factors leading to deposit growth, but also to determine the chemical composition of various groups of deposits. Such research became necessary because engines must comply with gradually tightening regulations on environmental protection, necessitating the introduction of increasingly complex engine designs and strategies for controlling the processes of precise and divided fuel injection into the combustion chambers and advanced algorithms for controlling the combustion processes according to the combustion system and the purpose of the engine. However, it became apparent that the co-functioning of the increasingly complex engine technologies and solutions, particularly of fuel injection systems, may be significantly disturbed by the deposits forming inside them. More and more complicated engine designs with tighter and tighter tolerances of the working parts necessitate the multi-directional testing of harmful deposits. An increasing number of factors affecting deposit formation are being identified, which leads to the development of increasingly complex classifications and subdivisions of deposits according to their type, composition, and form. At the same time, the search for lower emissions and greater engine efficiency is driving further mechanical changes in engines and vehicles. The higher temperatures and pressures connected with these changes are likely to impact the fuel being handled within the fuel and combustion systems. Such effects will inevitably cause the deposit chemistry and morphology to change.
The size of the coke deposits produced may disturb the processes of fuel atomization, of filling the engine combustion chambers and swirling the charge, and in consequence may affect the efficiency of filling and the quality of the fuel–air mixture. These problems led to the development of a number of standardized and unstandardized methods for assessing the size of deposits. It was found that in the case of SI engines, the deposits that most endanger correct engine operation are those which are formed in the combustion chambers, on the inlet valves, inlet ducts, and fuel injector tips. The most common sign of deterioration caused by deposits is the loss over time of the performance, usability, and operational value which were originally declared by the manufacturer. In the case of CI engines, the most dangerous are coke (carbon) deposits formed on the external surfaces of the fuel injector nozzle tips and inside the injector nozzle orifices. In Europe, mandatory procedures for assessing the size of different coke deposits formed on different components in both SI and CI engines are being developed by the Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Transportation Fuels, Lubricants, and Other Fluids (CEC).
The theoretical part of this publication reports the problems of the deposits produced in reciprocating internal combustion engines and their fuel systems. It discusses standard and non-standard engine test methods for both quantitative and qualitative assessment of deposits and presents the significance of the assessment methods which are currently used for the classification of deposits. The publication also presents the scope of application and the usefulness of methods for determining the threats posed to the functioning of an engine by various types of deposits and methods for identifying the causes of deposit formation, in particular those related to the composition of the fuels and lubricating oils used. The effects which fuel composition and the engine’s construction and operating parameters have on various engine deposits, the possible causes of deposit formation, and the importance of modern deposit control additives and high-technology solutions in counteracting this detrimental phenomenon are also all discussed.
The experimental part presents the results of research carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute concerning:
• the incomparability of measurements of fuel performance obtained from various engine tests,
• studies on the influence of various deposit control additives on the formation of harmful engine deposits during engine tests,
• the influence of fuel treatments on the deposit formation processes in internal combustion engines (described qualitatively or quantitatively),
• determination of the impact which various chemical compounds, serving as contaminants within the fuels, have on deposit formation in internal combustion engines and fuel injection systems,
• determination of the impact that various chemical structures of the compounds within the fuels and biofuel blends have on deposit formation in internal combustion engines and fuel injection systems,
• studies on the influence of bio-components contained in both petrol and diesel fuels on tendency for deposits to form in internal combustion engines, and
• multidirectional studies on the impact of FAME degradation processes in biodiesel fuel blends on the formation of harmful engine deposits.

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.