Internal Diesel Injector Deposits: Characterization, formation mechanisms, and replication
O czym jest ta praca
Rozprawa doktorska obroniona na KTH w grudniu 2024 dotyczy osadów powstających wewnątrz wtryskiwaczy diesla (IDID) w silnikach ciężarowych zasilanych paliwami drop-in: mieszankami FAME oraz HVO. Autorka rozebrała wtryskiwacze z pojazdów o przebiegach od 50 000 do 350 000 km i zbadała osady metodami FTIR-ATR, SEM-EDX i pirolitycznej GC-MS (piroliza 600 °C). Osady występowały wyłącznie wewnątrz wtryskiwacza, na iglicy i w dolnej części rozpylacza, nie w zbiorniku ani w układzie niskiego ciśnienia. Przy mieszankach FAME dominowały mydła metaliczne, sole nieorganiczne i związki azotu; przy HVO - dodatki paliwowe, detergent PIBSI i inhibitor korozji DDSA. Kryształy siarczanu wapnia znaleziono tylko w pojazdach z pompą wysokiego ciśnienia smarowaną olejem silnikowym, przy pompach smarowanych paliwem pojawiały się siarczany i fosforany sodu. Zaproponowano dwuwarstwowy mechanizm: najpierw krystalizuje CaSO4 na metalu, potem na chropowatej warstwie osiadają lepkie mydła metaliczne i dodatki. Mechanizm odtworzono na dwóch zbudowanych stanowiskach: teście termicznym TDT (2,5 h, przepływ 3 ml/min, 1,7 bara, gradient 50-200 °C na folii aluminiowej 30 µm) i stanowisku wtryskiwacza (8 h, siedem cykli po 60 min, 500 barów, 500 obr/min, wtrysk 0,5 ms, końcówka rozpylacza 280 °C). Paliwo testowe to B7 z 150 ppm mydeł metalicznych z RME starzonego 72 h w 110 °C plus 1 lub 10 % m/m postarzonego oleju silnikowego. Karboksylany metali odkładały się w 90-170 °C, CaSO4 około 200 °C, ZnSO4 poniżej 100 °C.
Co z niej wynika
- Osady tworzą się dopiero we wtryskiwaczu, nie wcześniej w układzie paliwowym. W jednej ciężarówce pobrano próbki ze zbiornika, filtra ssawnego i iglicy: pasma FTIR-ATR 1700-1600 cm-1, charakterystyczne dla mydeł metalicznych, wystąpiły wyłącznie w próbce z iglicy wtryskiwacza.
- Skład osadu zależy od rodzaju paliwa drop-in. Mieszanki FAME dają mydła metaliczne, sole nieorganiczne i związki azotu z rozkładu biodiesla; HVO daje osady z samych dodatków - PIBSI (detergent) i DDSA (inhibitor korozji), bo paliwo parafinowe słabiej je rozpuszcza.
- Kryształy CaSO4 na powierzchni rozpylacza pojawiały się tylko przy pompie wysokiego ciśnienia smarowanej olejem silnikowym. Źródłem jest przeciek oleju do paliwa: nadzasadowe sulfoniany wapnia neutralizują kwas siarkowy i dają siarczan wapnia. Przy pompie smarowanej paliwem tworzyły się zamiast tego siarczany i fosforany sodu.
- Mechanizm jest dwuwarstwowy i przebiega w pięciu krokach: nukleacja CaSO4 na nierównościach metalu, wzrost kryształów, przyklejanie się lepkich miękkich cząstek do ostrych krawędzi kryształów, narastanie osadu, wreszcie wędrówka osadu do strefy prowadzenia iglicy i wzrost tarcia. Kryształy narastają wolno, co tłumaczy, dlaczego problem wychodzi dopiero przy dużych przebiegach.
- Temperatura decyduje o tym, co się wytrąci. W teście TDT karboksylany wapnia i sodu narastały w zakresie 90-170 °C (najwięcej materiału przy 95 °C), CaSO4 pojawiał się dopiero przy około 190-200 °C i tylko po dodaniu oleju silnikowego, a ZnSO4 poniżej 100 °C. Bez oleju silnikowego kryształów nie było wcale.
- Testy na silniku 13 l / 412 kW / 2800 Nm: najdłuższy czas filtracji paliwa powrotnego, czyli najwięcej miękkich cząstek, wystąpił dla B30 przy 50 % obciążenia. Stabilność oksydacyjna (Rancimat) spadała z 14,1 h dla B10 przez 13,1 h dla B30 do 9,6 h dla B100, a TAN rósł z 0,02 mg KOH/g dla B0 do 0,29 mg KOH/g dla B100. Krótkołańcuchowe kwasy (octowy, mrówkowy) wykryto tylko w B100.
- Nowe stanowiska skracają badanie osadów z tygodni testów flotowych do godzin: TDT 2,5 h, stanowisko wtryskiwacza 8 h, przy zachowaniu tej samej lokalizacji, morfologii (spękana warstwa typu gliny z gwiaździstymi kryształami) i składu osadu co we wtryskiwaczach z pojazdów.