Alternatywne paliwa roślinne

Fot. sxc.hu

Ograniczone zasoby paliw pochodzenia mineralnego są powodem intensywnych poszukiwań alternatywnych zasobów energii. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się biopaliwa z zasobów odnawialnych oraz tzw. ekopaliwa.

Z dwóch podstawowych rodzajów stosowanych w motoryzacji tłokowych silników spalinowych (z zapłonem iskrowym ZI oraz z zapłonem samoczynnym ZS) do badań nad paliwami alternatywnymi wykorzystuje się głównie te drugie. Ich budowa, charakterystyka pracy i przebieg procesów spalania paliwa umożliwiają zasilanie różnymi paliwami lub ich mieszaninami bez konieczności daleko idących modyfikacji konstrukcyjnych. Silniki ZS charakteryzują się również mniejszą wrażliwością na zmiany składu i jakości paliwa.

Konwencjonalnym paliwem do silników ZS jest olej napędowy (ON) produkowany w procesie rafinacji ropy naftowej, co oznacza, iż negatywne skutki dla środowiska naturalnego towarzyszą zarówno jego wytwarzaniu, jak i docelowemu użyciu. Stąd też powstała koncepcja zredukowania ilości spalanego ON dzięki przygotowaniu mieszanin z innymi substancjami palnymi lub całkowitego jego wyeliminowania. Na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej zbadano efekty zasilania silnika ZS mieszaniną ON z olejem rzepakowym oraz z ciężkimi alkoholami.

Olej rzepakowy

Jest, jak wskazuje nazwa, pozyskiwany z rzepaku, którego uprawy zajmują w Polsce, a także w większości krajów Europy, więcej powierzchni rolnej niż plantacje pozostałych roślin oleistych. Niezaprzeczalną zaletą stosowania olejów roślinnych jako paliw jest możliwość wykorzystywania nie tylko produktu świeżego, lecz także (po odpowiednim przetworzeniu) oleistych odpadów z przemysłu spożywczego.

Olej rzepakowy można stosować jako paliwo samodzielnie bądź w mieszaninie z olejem napędowym. Większa jego gęstość w porównaniu z ON wymusza konieczność częściowej modyfikacji układu zasilania, pozwalającej na wstępne podgrzanie roślinnego paliwa do temperatury około 70?C, w której pod względem gęstości zrówna się ono z ON. Chodzi o to, by układ wtryskowy silnika mógł je odpowiednio dozować i rozpylać w komorze spalania.

Wadą tego rozwiązania jest konieczność uruchamiania i rozgrzewania silnika na paliwie konwencjonalnym aż do momentu wytworzenia ciepła potrzebnego w dodatkowym podgrzewaczu. Również przed zatrzymaniem silnik musi być przez pewien czas zasilany wyłącznie olejem napędowym, aby resztki oleju rzepakowego zostały całkowicie usunięte z układu wtryskowego i nie utrudniały ponownego zimnego rozruchu.

Instalacja zasilania musi być zatem wyposażona w dwa zbiorniki paliwa (osobno na ON i olej rzepakowy), układ podgrzewania paliwa, zawór rozdzielający i niezbędne filtry. W związku z tym korzystniejsze jest zastosowanie oleju rzepakowego w mieszaninie z olejem napędowym, ponieważ pozwala uniknąć wspomnianych modyfikacji, zachowując parametry pracy silnika na standardowym poziomie.

Ciężkie alkohole AC

Badano mieszaninę ciężkich alkoholi: alkoholu pentylowego, izobutylowego, propylowego i amylowego.

Użycie mieszaniny ciężkich alkoholi jako materiału opałowego powoduje z mocy ustawy powstanie obowiązku podatkowego w zakresie podatku akcyzowego (art. 14b§ 1 i §6 ustawy z dnia 29 sierpnia 1997 r., ordynacja podatkowa, Dz. U. z 2005 r. nr 8, poz. 60 ze zm. oraz §2 i §6 rozporządzenia Ministra Finansów z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie upoważnienia do wydawania interpretacji przepisów prawa podatkowego, Dz. U. Nr 112, poz. 770).

Badania na hamowni

Pierwsze doświadczenia laboratoryjne dotyczące mieszanin ON z olejem rzepakowym oraz mieszaniny AC prowadzono na seryjnym silniku ZS bez wprowadzania jakichkolwiek jego modyfikacji i przy zachowaniu oryginalnych nastaw. Na podstawie wyników pomiarów stwierdzono, że obydwie mieszaniny można stosować jako paliwo do silników ZS z pewnymi jednak ograniczeniami. Szczególnie istotne okazały się proporcje mieszanin oraz jakość ich składników. Silnik zasilany skomponowanymi paliwami badano pod kątem jednostkowego zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych substancji w spalinach.

Biopaliwa

W badaniach wykazano, że w jednostkowym zużyciu paliwa były niewielkie różnice na korzyść ON. Stwierdzono, że przy zasilaniu silnika mieszaninami występuje wzrost zawartości emisji NO w spalinach w stosunku do spalin silnika powstających wyłącznie z ON. Ilość tlenków węgla w spalinach zmalała w stosunku do ON. Odnotowano równocześnie znaczny spadek zadymienia spalin na korzyść paliw eksperymentalnych. Podstawowe parametry silnika, takie jak moc maksymalna oraz maksymalny moment obrotowy, nie odbiegały w sposób znaczący od analogicznych charakterystyk silnika przy napędzaniu paliwem konwencjonalnym.

Biopaliwa

Jeśli wziąć pod uwagę korzyści ekonomiczne oraz ekologiczne płynące z zasilania silnika paliwami eksperymentalnymi, a także fakt zachowania parametrów silnika, dalsze badania nad omawianymi paliwami eksperymentalnymi wydają się uzasadnione.

Zastosowanie AC jako domieszki do paliwa konwencjonalnego i/lub olejów roślinnych jest ciekawą koncepcją energetycznego wykorzystania pochodnych biomasy. Z przedstawionych wstępnych rezultatów badań wynika, że silnik zasilany takimi mieszaninami pracuje poprawnie w całym zakresie prędkości obrotowej i obciążenia.

Wyniki wskazują jednoznacznie na konieczność optymalizacji nastaw silnika do konkretnych mieszanin. Celowym jest również stosowanie nowoczesnych systemów oczyszczania spalin silnikowych, a zwłaszcza katalizatora SCR.

Powyższe wnioski powinny być zweryfikowane w szerszych badaniach (np. flota pojazdów z najnowszymi silnikami).

Współautorzy artykułu:
Prof. dr hab. inż. Lech Sitnik,
Mgr inż. Miłosz Dziubecki,
Politechnika Wrocławska