1.1 Cel naukowy projektu
W najbliższych latach uwarunkowania gospodarcze, wzrost cen ropy naftowej i konieczność zmniejszenia emisji składników szkodliwych emitowanych przez pojazdy samochodowe spowoduje już w chwili obecnej przesądzone, szerokie wykorzystanie biopaliw na całym świecie. Jak wskazują dotychczas przeprowadzone badania, ich rozpowszechnienie prawdopodobnie spowoduje znaczący spadek emisji zanieczyszczeń co przyniesie korzyści w zakresie ochrony środowiska naturalnego i zdrowia człowieka, a także złagodzenie narastających problemów energetycznych. Dodatkowo, należy wziąć pod uwagę wzrastający zarówno w Europie jak i w Polsce udział samochodów napędzanych silnikami z zapłonem samoczynnym, co wiąże się gwałtownym rozwojem konstrukcji tego typu silników w ostatnich latach, ich wyższą sprawnością w porównaniu do silników z zapłonem iskrowym, a co za tym idzie niższymi kosztami eksploatacji.
Jednak, aby zweryfikować i optymalnie wykorzystać zalety paliw z biokomponentami,
a w szczególności olejów napędowych z dodatkiem FAME, należy przeprowadzić szeroki zakres prac badawczo- poznawczych i testowych w celu rozwiązania już zidentyfikowanych problemów w zakresie kompatybilności oleju smarującego z paliwem, a także ustalenia wpływu zawartości biokomponentów w oleju napędowym na ilościową i jakościową emisję cząstek stałych oraz innych szkodliwych składników spalin.
Od kilkunastu lat emisja cząstek stałych (PM – Particle Matter) wzbudza ogromne zainteresowanie, a zarazem obawy ze względu na jej szkodliwość dla zdrowia. Przeprowadzone dotąd badania określiły już bardzo szerokie spektrum zagrożeń dla zdrowia człowieka narażonego na wdychanie cząstek stałych, choć w wiadomo, że niezbędne będzie przeprowadzenie jeszcze bardziej wnikliwych badań, aby w pełni ocenić wszystkie zagrożenia wynikające z przedmiotowej emisji. Dodatkowe problemy związane z wyżej przedstawionym zagadnieniem będą związane z określeniem wpływu biokomponentów wprowadzonych do olejów napędowych na emisję cząstek stałych, przy uwzględnieniu wielkości zużycia, składu i jakości oleju zastosowanego do smarowania silnika.
Jednym z najistotniejszych problemów związanych z powstawaniem, składem, a zatem i szkodliwością cząstek stałych jest określenie wpływu oleju smarującego silnik na ich jakościową oraz ilościową emisję. Dotychczas wiadomo, że wielkość zużycia oleju przez silnik, a zwłaszcza ilość i rodzaj zawartych w nim dodatków uszlachetniających to czynniki, które mają ogromny wpływ na budowę cząstek stałych, a szczególnie na ich organiczną część rozpuszczalną, adsorbowaną na powierzchni sadzy. Udział masowy węglowodorów pochodzących z nie spalonego lub częściowo spalonego oleju silnikowego może sięgać 50% całkowitej masy cząstki w zależności od warunków pracy silnika i wielu innych czynników. Rozpuszczalna frakcja organiczna cząstek stałych, a zwłaszcza wchodzące w jej skład węglowodory aromatyczne stanowią czynniki mutagenne i kancerogenne powodujące zmiany rakotwórcze co dowodzi konieczności prowadzenia dalszych prac, zwłaszcza w przypadku wprowadzenia paliw z biokomponentami o nie w pełni zbadanym wpływie na wyżej opisane zjawiska. Prace te zmierzałyby w kierunku jak najbardziej precyzyjnego ustalenia wpływu ilościowego
i jakościowego zastosowanego oleju do smarowania silnika z zapłonem samoczynnym na emisję cząstek stałych i sprawdzenia możliwości jej maksymalnego ograniczenia wykorzystując właściowości paliw z biokomponentami oraz regulacyjne możliwości wybranych układów silnika.
Powstawanie różnego rodzajów szlamów w silnikach, a także zawiesin i kleistych substancji w olejach smarujących jest często przypisywane niekorzystnym interakcjom zachodzącym pomiędzy paliwem, a pakietami dodatków stosowanych w wysokojakościowych olejach silnikowych stosowanych w nowoczesnych jednostkach napędowych. Jednak, jak uczą doświadczenia i obserwacje z lat minionych, zjawisko czarnych szlamów lub szlamów powstających w silnikach w ogólności, jest zawsze związane ze skomplikowanymi procesami fizyko-chemicznymi i różnorodnością dużej liczby nierozerwalnie ze sobą związanych czynników. Warto podkreślić, że począwszy od 1996 r, nieustannie zaostrzane przepisy dotyczące ochrony środowiska naturalnego człowieka wymusiły między innymi drastyczne ograniczenie zawartości siarki w olejach napędowych (z około 2000 ppm do < 50, a nawet <10 ppm). Tak duże zmniejszenie zawartości siarki było możliwe dzięki zastosowaniu istotnych zmian w technologii produkcji olejów napędowych, co w konsekwencji spowodowało zmiany w ich kompozycji (między innymi obniżenie zawartości komponentów tlenowych, związków azotu i związków aromatycznych), a to z kolei miało wpływ na zmiany właściwości olejów napędowych. Wyeliminowanie siarki z paliwa umożliwiło stosowanie zaawansowanych systemów obróbki spalin (katalizatory utleniające, katalizatory selektywnej redukcji itp.), które wcześniej szybko traciły skuteczność działania, zatruwane siarką. Jednocześnie zaobserwowano, że spalanie olejów napędowych o niskiej zawartości siarki (<10 ppm) przyczynia się (bez stosowania odpowiednich dodatków detergentowych) do znacznie szybszego zanieczyszczania rozpylaczy wtryskiwaczy, czego skutkiem jest zwiększona emisja cząstek stałych. Na dalszy wzrost zanieczyszczenia wtryskiwaczy może mieć wpływ przedostawanie się oleju silnikowego do paliwa poprzez wielosekcyjne pompy wtryskowe smarowane olejem silnikowym. Zakoksowanie rozpylaczy może wpływać na dalszy wzrost emisji cząstek stałych bądź, na skutek pogorszenia jakości rozpylania paliwa w komorze spalania, tworzenie i przedostawanie się większej ilości sadzy oraz nie spalonego paliwa do oleju smarującego silnik. Z kolei konieczność ograniczenia emisji związków azotu przez silniki spalinowe doprowadziła do powszechnego stosowania systemów recyrkulacji spalin (EGR) oraz opóźnienia początku wtrysku paliwa, umożliwiających zmniejszenie temperatury spalania, ale równocześnie przyczyniających się do znacznie większego obciążenia oleju smarującego silnik sadzą odkładającą się w filtrach olejowych. Wyżej opisane zjawiska powodują szybkie zwiększanie zawartości sadzy w oleju silnikowym co prowadzi do wzrostu jego lepkości, podwyższenia temperatury pracy, zwiększenia oporów przepływu i utrudnień w smarowaniu różnych elementów silników. Jest to szczególnie niekorzystne podczas uruchamiania zimnego silnika, który w tych krytycznych warunkach zaczyna być smarowany z opóźnieniem wynikającym ze wzrostu lepkości oleju. Wzrost temperatury oleju powyżej około 120ºC powoduje wytwarzanie tzw. szlamów wysokotemperaturowych w oleju smarowym. Wprowadzenie do szerokiego rozpowszechnienia olejów napędowych z biokomponentami wiąże się z bezwzględną koniecznością rozeznania wpływu rodzaju i ilości wprowadzonego do paliwa biokomponentu na wyżej opisane niekorzystne zjawiska stwarzające zagrożenie dla poprawnej eksploatacji i zachowania trwałości silnika.
Celem naukowym niniejszego projektu jest rozeznanie mechanizmów wyżej opisanych wzajemnych często bardzo niekorzystnych oddziaływań oleju napędowego z biokomponentami z różnymi olejami smarującymi silnik, oraz określenie najkorzystniejszego składu i właściwości fizyko-chemicznych przedmiotowego paliwa i oleju w celu ograniczenia wielkości i szkodliwości emitowanych przez silnik cząstek stałych.
1.2 Znaczenie projektu
Wymienione potrzeby i uwarunkowania wynikające z nieustannie zaostrzanych przepisów dotyczących ochrony środowiska naturalnego i zdrowia człowieka wymuszają szybkie wprowadzenie do szerokiego wykorzystania paliw z biokomponentami. Nabiera to szczególnego znaczenia w Polsce będącej importerem prawie całej ilości, gwałtownie drożejącej ropy naftowej, niezbędnej do produkcji paliw silnikowych. Jednak oczekiwane rozpowszechnienie biopaliw musi być poprzedzone szerokim zakresem badań, umożliwiających jednoznaczne określenie wpływu napędzanych tego typu paliwami silników na wielkość szkodliwych emisji do atmosfery w tym przede wszystkim cząstek stałych. Ponadto muszą zostać rozeznane i wskazane ewentualne zagrożenia jakie niesie za sobą eksploatacja silników na paliwach z dodatkiem biokomponentów w powiązaniu z ich oddziaływaniem na oleje smarujące.
Rozpatrując pozytywne aspekty stosowania biopaliw należy podkreślić że:
Estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych (FAME), do produkcji których może być używany np. popularny w Polsce rzepak, nie zawierają siarki, co korzystnie wpływa na zmniejszenie emisji do atmosfery.
Produkcja biopaliw odbywa się w tzw. zamkniętym obiegu CO2 , tzn. ma znacznie mniejszy wpływ na efekt cieplarniany.
Biopaliwa powstałe z rzepaku, ze względu na ich biodegradowalność, są o wiele bardziej bezpieczne dla środowiska naturalnego niż paliwa powstałe z przeróbki ropy naftowej.
Przetwarzanie rzepaku na paliwo umożliwia tworzenie nowych miejsc pracy, co ma istotne znaczenie społeczne w dobie narastającego bezrobocia.
Upowszechnienie upraw rzepaku umożliwia efektywne wykorzystanie nieużytków jak też gruntów skażonych, albowiem nie jest to uprawa konsumpcyjna, ale energetyczna.
Rozwój produkcji biopaliw i ich upowszechnianie może wpłynąć na zwiększenie zatrudnienia i podniesienie poziomu technicznego polskiej wsi.
1.3 Istniejący stan wiedzy w zakresie tematu badań
Szerokie rozpowszechnienie nowego produktu (w tym przypadku paliwa z biokomponentami) wiąże się każdorazowo z koniecznością przeprowadzenia kompleksowych, zazwyczaj bardzo obszernych badań mających na celu w pierwszym rzędzie uniknięcie wystąpienia ewentualnych problemów, wynikających z niewłaściwego stosowania takiego produktu lub pojawienia się nie rozeznanych wcześniej skutków ubocznych w czasie jego eksploatacji. Jak już wielokrotnie stwierdzono w przeszłości, wprowadzenie na rynek nie do końca przebadanego produktu może skutkować ogromnymi stratami, jeżeli powstaną jakieś, w tym przypadku, lawinowo rozprzestrzeniające się awarie spowodowane wystąpieniem wcześniej nie rozpoznanego niekorzystnego zjawiska stwarzającego zagrożenia dla użytkownika. W związku z powyższym, od kilku lat na całym świecie prowadzone są wielotorowo, różne badania mające na celu ustalenie zalet i konsekwencji stosowania w motoryzacji szeroko pojętych biopaliw. Warto jednak podkreślić, że z uwagi na bardzo dużą różnorodność biopaliw, wynikającą między innymi ze sposobu i technicznej kultury ich wytwarzania, rodzaju i ilości zastosowanych np. w przypadku oleju napędowego FAME oraz uwarunkowań konstrukcyjno-eksploatacyjnych, zdobyte w danym kraju doświadczenia nie mogą być uogólniane. Ponadto badania prowadzone w przedmiotowym zakresie wymagają długiego okresu realizacji i pochłaniają znaczne środki finansowe, dlatego też w dalszym ciągu istnieją obszary w dużym stopniu nie rozeznanych zjawisk i oddziaływań, których poznanie stanowiłoby liczący się wkład do dorobku omawianej dyscypliny naukowej. Określone w pracy cele zmierzające między innymi do ustalenia możliwości wystąpienia niekorzystnych interakcji pomiędzy składnikami olejów napędowych z biokomponentami
i olejami smarującymi silnik, a także szerokie rozpoznanie wpływu przedmiotowych paliw na wielkość emisji składników szkodliwych stanowią przykłady zagadnień nie w pełni rozpoznanych lub jednoznacznie określonych, których zbadanie bądź też zweryfikowanie będzie stanowiło oryginalny wkład w zakresie pogłębiania rozpatrywanego zakresu wiedzy. Należy podkreślić, że w praktyce, osiągnięcie postawionych w pracy celów będzie miało duże znaczenie dla ograniczenia poważnych awarii silników, wydłużenia ich przebiegów międzyobsługowych, usystematyzowania zaleceń eksploatacyjnych i poszerzonego zbadania wpływu paliwa z biokomponentami na zanieczyszczenie środowiska naturalnego i zdrowie człowieka.
Dotychczasowy stan wiedzy w zakresie zalet i wad paliw zawierających biokomponenty, stanowi w dużej mierze zbiór pewnych utartych poglądów, które wymagają stałej weryfikacji biorąc pod uwagę zmiany w technologii produkcji paliw i olejów smarujących oraz uwarunkowania wynikające z cech konstrukcyjnych silników, sposobu ich eksploatacji i innych przyczyn charakterystycznych dla danego kraju.
1.4 Metodyka badań
W zakresie określenia negatywnych skutków wzajemnego oddziaływania płynów eksploatacyjnych: benzyna silnikowa lub olej napędowy - olej silnikowy, z uwzględnieniem zmieniających się formulacji paliwa oraz obecności w nich różnych pakietów dodatków uszlachetniających Instytut Nafty i Gazu posiada doświadczenie zdobyte w czasie realizacji kilku prac w przedmiotowej tematyce.
Krytyczna ocena dotychczasowego stanu wiedzy odnośnie powstawania, niekorzystnych oddziaływań między analizowanymi płynami eksploatacyjnymi, a także wpływ tych płynów na ilościową i jakościową emisję cząstek stałych ułatwia bardziej precyzyjne ustalenie rodzaju prowadzonych analiz, testów i badań mających na celu ustalenie między innymi związku powstawania w oleju szlamów ze sposobem eksploatacji silnika, oraz rozeznania chemizmu powstawania szlamów związanych ze składem paliwa i stosowanego oleju smarowego. Do rozwiązania wyżej postawionych problemów służą zarówno tradycyjne analizy fizyko-chemiczne paliw i olejów silnikowych w zakresie których Instytut Nafty i Gazu ma bardzo duże, wieloletnie doświadczenia, metody analityczne w tym zwłaszcza chromatograficzne oraz nieznormalizowane testy i symulacje silnikowe. Do prowadzenia prac badawczych w zakresie różnorodnych testów i badań płynów silnikowych przy wykorzystaniu stanowisk hamownianych, Instytut jest bardzo dobrze przygotowany, co potwierdza jego udział w pracach wielu Grup Roboczych CEC (Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Transportation Fuels, Lubricants & Other Fluids.)
Wielkość zużycia oleju przez silnik, a także właściwości olejów silnikowych i skład pakietów dodatków we współdziałaniu z olejem napędowym o różnej zawartości biokomponentów mogą w znacznym stopniu przyczyniać się do zmian emisji PM przez silniki z zapłonem samoczynnym. Dowiedziono już, że oleje silnikowe mają największy wpływ na emisje rozpuszczalnych części PM, które zarazem stanowią o ich toksyczności. Dlatego też badania wpływu oleju silnikowego wespół z biopaliwem na emisję PM nabierają coraz większego znaczenia zwłaszcza, że w tym zakresie pozostaje wciąż wiele nierozeznanych problemów.