Znaczenie składu benzyny w tworzeniu osadów wtryskiwaczy silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa

• Autorzy: Stępień Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.03.07

Warianty tytułu

EN

Significance of petrol composition in the formation of fuel injector deposits in direct injection engines

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule poruszono problem tworzenia się szkodliwych osadów we wtryskiwaczach silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Silniki takie mają dużą skłonność do tworzenia osadów, w tym w szczególności osadów wtryskiwaczy paliwa. Opisano skutki powstawania osadów dla funkcjonowania układu wtrysku paliwa. Zwrócono uwagę, że osady takie znacząco pogarszają zarówno osiągi, jak i parametry użytkowo-eksploatacyjne silników. Czynniki sprzyjające tworzeniu się osadów mogą być związane z właściwościami paliwa, konstrukcją silnika, konstrukcją wtryskiwaczy oraz warunkami pracy silnika. Stanowi to wyzwanie i określa nowe obszary badawcze dla konstruktorów silników, ale także dla producentów paliw – a szczególnie dodatków uszlachetniających. Jakość mieszanki paliwowo-powietrznej tworzonej w komorach spalania silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa jest prawie całkowicie uzależniona (kontrolowana) od funkcjonowania wtryskiwaczy paliwa, na które największy wpływ mają utworzone szkodliwe osady. W artykule opisano mechanizmy formowania się osadów we wtryskiwaczach silnika z bezpośrednim wtryskiem. Następnie wskazano i rozpatrzono dotychczas ustalone najważniejsze właściwości, wynikające ze składu benzyny, mające dominujący wpływ na występowanie tych szkodliwych procesów. Zwrócono uwagę na rozbieżne wyniki badań dotyczące kilku właściwości benzyny i oceny ich wpływu na inicjowanie i tworzenie się szkodliwych osadów wtryskiwaczy. Wyjaśniono też znaczenie dodatków detergentowo-dyspergujących do paliw jako najbardziej efektywnego środka w przeciwdziałaniu procesom powstawania szkodliwych osadów silnikowych. Celem pracy było zbadanie wpływu różnych właściwości fizykochemicznych benzyny na tendencję do tworzenia się osadów wtryskiwaczy silnika z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Badania były prowadzone według znormalizowanej, uznanej ogólnoeuropejskiej procedury CEC F-113-KC (VW EA111 BLG). W artykule krótko scharakteryzowano metodykę badawczą opisaną w tej procedurze, a następnie pięć benzyn silnikowych o różnych właściwościach fizykochemicznych, które przygotowano do badań. Benzyny te różniły się właściwościami fizykochemicznymi, które zdaniem autora projektu powinny być najistotniejsze z punktu widzenia skłonności paliwa do tworzenia osadów wtryskiwaczy paliwa. Następnie opisano i przedstawiono wyniki badań. Analiza wyników pozwoliła wskazać, które właściwości benzyn silnikowych mają największy wpływ na procesy tworzenia się osadów wtryskiwaczy paliwa. Uzyskane wyniki odniesiono i porównano z wynikami podobnych badań opisanych w dostępnej literaturze. Rezultatem realizacji pracy było między innymi potwierdzenie, że niektóre fizykochemiczne właściwości paliw mają istotny wpływ na powstawanie przedmiotowych osadów. Stwierdzono też, że o wielkości zanieczyszczenia wtryskiwaczy decyduje wypadkowa wpływu wszystkich czynników – zarówno wspomagających, jak i ograniczających proces tworzenia się osadów. Ponadto niektóre z czynników mogą wchodzić ze sobą w trudne do ustalenia interakcje.

EN

This paper addresses the problem of harmful deposits forming in the injectors of spark-ignition engines with direct fuel injection. Such engines are highly prone to the formation of harmful deposits including, in particular, fuel injector deposits. The effects of deposit formation on the functioning of the fuel injection system are described. It is pointed out that such deposits significantly degrade both the performance and operational properties of engines. Factors enabling deposit formation can be related to fuel properties, engine design, injector design and engine operating conditions. This poses challenges and defines new areas of research for engine designers as well as for fuel manufacturers and additive manufacturers in particular. The quality of the fuel-air mixture formed in the combustion chambers of direct injection spark-ignition engines is almost entirely dependent (controlled) on the functioning of the fuel injectors, which are most affected by the harmful deposits formed. This paper describes the mechanisms of deposit formation in direct injection engine injectors. Then, the most important properties, resulting from the composition of petrol, so far established, which have a dominant influence on the occurrence of these harmful processes, are indicated and considered. Attention was drawn to the divergent findings on several gasoline properties and the assessment of their impact on the initiation and formation of harmful injector deposits. The importance of detergent/dispersant fuel additives as the most effective means of counteracting the formation of harmful engine deposits is also explained. The aim of this study was to investigate the influence of various physicochemical properties of petrol on the tendency of direct injection engine injectors to form deposits. The tests were conducted according to the standardised, recognised, pan-European CEC procedure F-113-KC (VW EA111 BLG). The article briefly characterises the testing methodology described in this procedure, followed by five motor gasolines with different physicochemical properties that were prepared for testing. The petrols differed in their physicochemical properties, which the project's author believes should be the most relevant in terms of the fuel's tendency to form fuel injector deposits. The results of the study are then described and presented. Analysis of the results indicated which properties of petrol have the greatest influence on fuel injector deposit formation processes. The results obtained were related and compared with the results of similar studies reported in the available literature. The work succeeded, among others, in confirming that certain, physicochemical properties of the fuels have a significant influence on the formation of the deposits in question. It was also found that the amount of pollution in the injectors is determined by the resultant effect of all factors both supporting and limiting the deposit formation process. In addition, some of the factors may interact with each other in ways that are difficult to determine.

Słowa kluczowe

PL

silnik spalinowy; zapłon iskrowy; bezpośredni wtrysk paliwa; osady wtryskiwaczy paliwa; tworzenie osadów; właściwości benzyn silnikowych; ocena

EN

Direct Injection Spark Ignition; injector deposits; deposit formation; petrol properties; injector deposit evaluation

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 3
• Strony: 213--222
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz.

Twórcy

autor

Stępień Zbigniew

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Altin O., Eser S., 2004. Carbon Deposit Formation From Thermal Stressing of Petroleum Fuels. Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem., 49(2): 764–766.
• Aradi A.A., Evans J., Miller K., Hotchkiss A., 2003. Direct Injection Gasoline (DIG) Injector Deposit Control with Additives. SAE Technical Paper 2003-01-2024. DOI: 10.4271/2003-01-2024.
• Aradi A.A., Imoehl B., Avery N.L., Wells P.P., Grosser R.W., 1999. The Effect of Fuel Composition and Engine Operating Parameters on Injector Deposits in a High-Pressure Direct Injection Gasoline (DIG) Research Engine. SAE Technical Paper Series 1999-01-3690. DOI:10.4271/1999-01-3690.
• Arondel M., China P., Gueit J., 2015. Evaluating Injector Fouling in Direct Injection Spark Ignition Engines – A New Engine Test Procedure to Evaluate the Deposit Control Performance of Base Fuels and Additivated Fuels. TAE Esslingen Fuels Colloquium.
• Ashida T., Takei Y., Hosi H., 2001. Effects of Fuel Properties on SIDI Fuel Injector Deposit. SAE Technical Paper 2001-01-3694. DOI:10.4271/2001-01-3694.
• Badawy T., Attar M.A., Xu H., Ghafourian A., 2018. Assessment of gasoline direct injector fouling effects on fuel injection, engine performance and emission. Applied Energy, 220(2): 351–374. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.03.032.
• Barker J., Richards P., Snape C., Meredith W., 2009. A Novel Technique for Investigating the Nature and Origins of Deposits Formed in High Pressure Fuel Injection Equipment. SAE Journal of Fuels and Lubricants, 2(2): 38–44. DOI: 10.4271/2009-01-2637.
• Bennett J., 2018. Additives for Spark Ignition and Compression Ignition engine fuels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 232(1): 148–158. DOI: 10.1177/0954407017732265.
• Carlisle H.W., Frew R.W., Mills J.R., Aradi A.A., Avery N.L., 2001. The Effect of Fuel Composition and Additive Content on Injector Deposits and Performance of an Air-Assisted Direct Injection Spark Ignition (DISI) Research Engine. SAE Technical Paper 2001-01-2030. DOI: 10.4271/2001-01-2030.
• China P., Rivere J.-P., 2003. Development of a direct injection spark ignition engine test for injector fouling. SAE Technical Paper 2003-01-2006. DOI: 10.4271/2003-01-2006.
• Danilov A.M., 2015. Progress in research on fuel additives (review). Petroleum Chemistry, 55: 169–179. DOI: 10.1134/S0965544115-030020.
• DuMont R.J., Cunningham L.J., Oliver M.K., Studzinski M.K., Galante-Fox J.M., 2007. Controlling Induction System Deposits in Flexible Fuel Vehicles Operating on E85. SAE Technical Paper 2007-01-4071. DOI: 10.4271/2007-01-4071.
• Fernandes H., Braga L.C., Martins A.R., Braga S.L., Braga C.V.M., 2013. Fuel Sulfate Content Influence in the Formation of Inorganics Components Deposits in the Engine Injectors with Technologies of Gasoline Direct Injection. SAE Technical Paper 2012-36-0314. DOI:10.4271/2012-36-0314.
• Henkel S., Hardalupas Y., Taylor A., Confer Ch., Cracknell R., Goh T.K., Reinicke P.-B., Sens M., Rieß M., 2017. Injector Fouling and Its Impact on Engine Emissions and Spray Characteristics in Gasoline Direct Injection Engines. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 10(2): 287–295. DOI: 10.4271/2017-01-0808.
• Kalghatgi G., 2013. Deposits in Engines and Fuel Additives. [W:] Kalghatgi G. Fuel/Engine Interactions. Published by SAE International. ISBN: 978-0-7680-6458-2.
• Kinoshita M., Saito A., Matsushita S., Shibata H., Niwa Y., 1999. A Method for Suppressing Formation of Deposits on Fuel Injector for Direct Injection Gasoline Engine. SAE Technical Paper 1999-01-3656. DOI: 10.4271/1999-01-3656.
• Lacey P., Gail S., Kientz J.M., Milovanovic N., Gris Ch., 2011. Internal Fuel Injector Deposits. 2011. SAE International Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, 5(1): 132–45. DOI: 10.4271/2011-01-1925.
• Lindgren R., Skogsberg M., Sandquist H., Denbratt I., 2003. The Influence of Injector Deposits on Mixture Formation in a DISC SI Engine. SAE Technical Paper 2003-01-10. DOI: 10.4271/2003-01-1771.
• Pilbeam J., Weissenberger D., 2018. Characterisation of Gasoline Fuels in a DISI Engine. <https://www.aftonchemical.com/Afton/media/ Documents/Articles/Characterisation-of-Gasoline-Fuels-in-a-DISI-Engine.pdf> (dostęp: 7.12.2022).
• Shuai S., Ma X., Li Y., Qi Y., 2018. Recent Progress in Automotive gasoline Direct Injection Engine Technology. Automotive Innovation, 1: 95–113. DOI: 10.1007/s42154-018-0020-1.
• Stępień Z., 2020. Potencjał użytkowo-eksploatacyjny butanolu jako paliwa alternatywnego do zasilania silników ZI. Nafta-Gaz, 76(2): 126–135. DOI: 10.18668/NG.2020.02.07.
• Stępień Z., 2021. Evolution of methods applied for assessing harmful engine deposits caused by gasoline combustion. Nafta-Gaz, 77(5): 340–347. DOI: 10.18668/NG.2021.05.07 .
• Stępień Z., Czerwinski J., 2017. Cold Start with Ethanol-Blend Fuels and Influences on Non-Legislated Emissions of a GDI Flex Fuel Vehicle. Polish Journal of Environmental Studies, 26(5): 2223–2229. DOI: 10.15244/pjoes/69282.
• Stępień Z., Żak G., Markowski J., Wojtasik M., 2021. Investigation into the impact of the composition of ethanol fuel deposit control additives on their effectiveness. Energies, 14(3): 604. DOI: 10.3390/en14030604.
• Uehara T., Takei Y., Hosi H., Shiratani K., Okada M., Esaki Y., 1997. Study on Combustion Chamber Deposit Formation Mechanism – Influence of Fuel Components and Gasoline Detergents. SAE Technical Paper 971722. DOI: 10.4271/971722.
• Von Bacho P., Sofianek J.K., Galante-Fox J.M., McMahon Ch.J., 2009. Engine Test for Accelerated Fuel Deposit Formation on Injectors used in Gasoline Direct Injection Engines. SAE Technical Paper 2009-01-1495. DOI: 10.4271/2009-01-1495.
• Xu H., Wang C., Ma X., Sarangi A.K., Weall A., Krueger-Venus J., 2015. Fuel injector deposits in direct-injection spark-ignition engines. Progress in Energy and Combustion Science, 50: 63–80. DOI: 10.1016/j.pecs.2015.02.002.
• Zhao F., Lai M.-C., Harrington D.L., 1999. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines. Progress in Energy and Combustion Science, (25): 437–562. DOI: 10.1016/S0360-1285(99)00004-0.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN 228+A1:2017-06 – Paliwa do pojazdów samochodowych – Benzyna bezołowiowa – Wymagania i metody badań

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).