Przystosowanie systemów paliwowych do stosowania biopaliw

Połączenie programów naukowych i wiodących na skalę światową programów doświadczalnych pomaga Delphi w zapewnieniu, że klienci działu systemów paliwowych są gotowi na gwałtowny wzrost zużycia biopaliw we wszystkich regionach.

Koncern Delphi zintensyfikował na całym świecie działania badawcze mające na celu rozwiązanie wielu problemów natury inżynierskiej pojawiających się w związku z gwałtownym wzrostem zużycia biopaliw. Celem tych badań jest zapewnienie, że układy wtryskowe Delphi i technologie postępowania z paliwem spełniają wymagania producentów pojazdów dotyczące kompatybilności pojazdów z wysokim udziałem biopaliw, biorąc pod uwagę przyszłe wymagania rynku i proponowane rozwiązania legislacyjne. Firma dostarczyła już komponenty umożliwiające zasilanie etanolem do około 2,5 miliona pojazdów na całym świecie i ulepszyła systemy wtrysków dla olejów napędowych, tak by były one dostosowane do paliwa zawierającego 5 proc. biokomponentów.
Delphi zauważa znaczący i bardzo szybki wzrost rynku technologii związanych z zastosowaniem biopaliw.
- Zarówno z przyczyn ekonomicznych, jak i w celu ochrony środowiska, powszechne stosowanie biopaliw na wszystkich znaczących rynkach wydaje się pewne - powiedział Guy Hachey, prezes Delphi Powertrain i wiceprezes koncernu Delphi.
- Zamierzamy oprzeć się na wiodącej pozycji Delphi w technologiach związanych z zastosowaniem biopaliw, tak by zapewnić, że nasi klienci będą gotowi sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu, oferując niezawodne i korzystnie wycenione produkty.

Guy Hachey, (prezes Delphi Powertrain Systems)

stwierdził, że firma zamierza wykorzystać swoją pozycję światowego lidera w zebranych doświadczeniach w dostosowaniu systemów do bio-paliw.

Najpowszechniej stosowanym w USA biopaliwem jest etanol, zwykle wytwarzany z kukurydzy i mieszany z paliwem w ilości 10 proc., tworząc mieszankę sprzedawaną jako E10. W 2005 roku ponad 4 miliardy galonów etanolu zostało sprzedanych w USA, w celu ich wykorzystania w mieszankach paliwowych. Produkcja etanolu jest w sposób znaczący subsydiowana przez rząd USA, zatem spodziewany jest jej wzrost o 50 proc. do końca 2007 roku. Spodziewany jest również podobnie znaczący wzrost zużycia mieszanek E10 i E85 (zawierającej 85 proc. etanolu). Mieszanki etanolu mają wiele zalet. Mają wysoką zawartość tlenu, co powoduje lepsze ich spalanie i mniejszą emisję substancji powodujących smog oraz znaczną redukcję emisji dwutlenku węgla - CO2 (dokładne zmniejszenie ilości wydzielanego CO2 jest kwestionowane, ponieważ różne ilości CO2 są wydzielane podczas poszczególnych etapów produkcji etanolu. Według opinii profesora Daniela Kammena, który przedstawił swój raport na ten temat w piśmie Scientific American we wrześniu 2006 r., prawdopodobna jest redukcja emisji CO2 o 18 proc.). Produkcja bioetanolu pomaga również zredukować zależność kraju od importu ropy naftowej.
W Europie w zasadzie nie stosuje się obecnie biopaliw do silników benzynowych, jednak stosuje się znaczną i ciągle rosnącą ilość biopaliw do silników Diesla. Zwykle, produkowana z rzepaku, 20- procentowa mieszanka bio- i mineralnego Diesla (B20) może zredukować dymienie i ilość emitowanych cząstek stałych o 10 do 20 proc., a tlenków węgla o około 20 proc. - również z powodu relatywnie wysokiej zawartości tlenu w biopaliwie.
W połączeniu z innymi ekonomicznymi korzyściami i korzyściami dla środowiska naturalnego zalety biopaliw skłoniły Komisję Europejską do wydania Dyrektywy 2003/30/EC. Dyrektywa ta określa zalecany cel – 5,75 proc. paliw odnawialnych (w przeliczeniu na energię) do celów transportowych do końca roku 2010 i 8-proc. udział biopaliw do roku 2015. Kilka europejskich krajów, w szczególności Francja i Niemcy, mają nawet bardziej ambitne plany.

Światowy lider w doświadczeniach z etanolem
Biopaliwa oferują wiele korzyści, ale również stanowią poważne wyzwania dla inżynierów. Dla bioetanolu największym problemem jest agresywny charakter paliwa w zbiorniku pojazdu. Biodiesle stwarzają inne problemy i mogą również wytwarzać w procesie spalania większe ilości związków azotu - NOx. Delphi jest w doskonałej sytuacji, gdyż jest bezpośrednio zaangażowane w jeden z najobszerniejszych światowych programów dotyczących biopaliw. Jako jeden z czołowych dostawców systemów wtrysków paliwa na rynek brazylijski, gdzie sprzedaż benzyny to niemal w całości mieszanka E25, i gdzie nawet mieszanka E100 zyskuje na popularności, Delphi uzyskało unikalny na skalę światową dostęp do danych dotyczących efektów stosowania biopaliw dla bardzo dużych przebiegów. Ponad 90 proc. nowych pojazdów sprzedawanych w Brazylii jest wyposażonych w silnik, który jest przystosowany do wszystkich możliwych mieszanek benzyny i etanolu.
- W powszechnej opinii użytkowników największym problemem paliw o dużej zawartości etanolu są ich silne właściwości korozyjne, ale to nie jest prawdą - stwierdziła Julie Galante-Fox, specjalistka od biopaliw w centrum technologicznym w Rochester, (USA). - Największym problemem jest fakt, że etanol jest higroskopijny. Łatwo przyjmuje wodę, co powoduje, że w paliwie rozpuszczają się powodujące korozję sole z każdego źródła, z którym to paliwo wchodzi w kontakt. To nie etanol jest substancją powodującą korozję, ale substancje, które się z nim łączą. Woda może pochodzić ze złej jakości systemów składowania i dystrybucji paliwa lub może być dodawana do mieszanki celowo. Powodujące korozję sole mogą pochodzić z różnych źródeł. Dla mieszanki E10 sprzedawanej w USA problem nie jest poważny, za wyjątkiem sytuacji, kiedy paliwo jest silnie zanieczyszczone, ale systemy działające na mieszance E85 – której jakość jest zmienna – muszą być szczegółowo określone, jeśli ich wytrzymałość - i trwałość w okresie gwarancyjnym - miałyby spełniać standardy określone dla systemów wykorzystujących tradycyjne paliwo. Jedną z kluczowych umiejętności projektowych jest umiejętność właściwego doboru materiałów – dziedzina, w której doświadczenia zebrane w Brazylii pozwoliły Delphi na osiągnięcie kompetencji, które teraz pozwalają nam być jednym z liderów na skalę światową. Materiały wykorzystywane do elementów systemów paliwowych, takie jak metale, elastomery i plastiki muszą być kompatybilne z etanolem i z zanieczyszczeniami dostarczanymi do mieszanki paliwowej za pośrednictwem etanolu. Już w tej chwili wszystkie systemy wtrysków paliwowych Delphi na całym świecie zostały ulepszone, tak że zapewniają wytrzymałość na poziomie ponad 100 tys. mil na mieszance E25, nawet przy rzeczywistych poziomach zanieczyszczeń. Stal nierdzewna zastąpiła stal miękką, a podatne na korozję polimery i elastomery zostały zastąpione wytrzymałymi materiałami lub całkowicie wyeliminowane poprzez zastosowanie nowatorskich rozwiązań technologicznych. Bieżące badania koncentrują się na zapewnieniu podobnej wytrzymałości i bezpieczeństwa dla mieszanki E85 bez znaczącego wzrostu kosztów systemu. Elektronika również odgrywa znaczącą rolę. Moduł Sterowania Silnikiem Delphi dostosowany do różnych paliw (bi-fuel) już w tej chwili automatycznie wykrywa stosunek etanolu do paliwa i dostosowuje sterowanie wtryskiem paliwa i zapłonem, tak by zoptymalizować wydajność spalania. Firma również wykorzystuje swoje doświadczenie, pomagając klientom w opracowaniu nowych kalibracji, które są optymalizowane, tak by zapewniały jak najlepszy rozruch pojazdu, właściwości jezdne i czystość spalin dla mieszanek zawierających 25 proc. i więcej etanolu. Na razie tajemnicą pozostaje opracowywane właśnie rozwiązanie ułatwiające rozruch zimnego pojazdu na mieszance zawierającej 85 proc. i więcej etanolu. Mając do dyspozycji nowe urządzenia i elektronikę, staramy się zaoferować klientom zestaw korzystnie wycenionych rozwiązań, tak by klienci mogli wybrać te, które są najlepiej dostosowane do warunków, w jakich ich pojazdy są wykorzystane.

Rozwiązania inżynierskie dla poprawy niezawodności przy stosowaniu biodiesla
Problemy występujące przy stosowaniu biodiesla są zupełnie inne i zaczynają się już przy 10-procentowych mieszankach (B10).

Kompatybilny moduł sterowania silnikiem i pompa Delphi - E85.

Ponownie, poważnym problemem jest obchodzenie się z paliwem i jego przechowywanie. Biodiesel ma tę przewagę, że ulega biodegradacji, jest więc mniej szkodliwy dla środowiska w przypadku wycieku. Jednak ta właściwość powoduje, że paliwo ulega biodegradacji bardzo szybko podczas składowania, zwłaszcza jeżeli jest przechowywane w wilgotnych i ciepłych warunkach. Biodiesel jest również bardziej od innych paliw podatny na rozrost bakterii. Badania pokazały, że istnieje znacząca różnica jakości biodiesla w różnych punktach sprzedaży detalicznej. Tak jak etanol, biodiesel ma właściwości wiązania wody, co przyspiesza chemiczną degradację paliwa. Biodiesel jest również znakomitym rozpuszczalnikiem, rozpuszcza istniejące złogi z dystrybutorów i zbiorników i przenosi je do wąskich przewodów systemów paliwowych pojazdów. Nierozpuszczalne polimery i produkty degradacji paliwa związanej z wiekiem mogą powodować osadzanie się nagaru na wtryskach, zatykanie filtrów i osadzanie się nalotów w układzie paliwowym. Substancje te atakują również wiele powszechnie stosowanych grup materiałów, zwłaszcza elastomery stosowane w przewodach hydraulicznych, uszczelnieniach czy uszczelkach. Nadtlenki i produkty utleniania powstające przy reakcji biodiesla z tlenem mogą powodować kruszenie niektórych elastomerów lub powodować ich zmiękczenie czy puchnięcie. Fizyczne właściwości paliwa również stwarzają problemy. Wyższy współczynnik sprężystości może powodować wyższe ciśnienie wtrysku i skracać żywotność systemu, a pogorszona charakterystyka przepływu może pojawić się już przy temperaturze 0oC. Innym potencjalnym problemem związany ze stosowaniem biodiesla jest pokrywanie się systemu nalotem, który może pojawić się w każdym miejscu w systemie paliwowym. Najbardziej prawdopodobnym miejscem są wyloty dysz wysokociśnieniowych i wtryskiwaczy, gdzie bardzo wysokie temperatury powodują reakcję materiałów organicznych, prowadząc do odkładania się potencjalnie szkodliwych depozytów substancji organicznych.
- To jest zaiste znacząca lista wyzwań dla inżynierów systemów paliwowych - powiedział dr. Detlev Schoeppe, dyrektor inżynierii w Delphi Diesel. - Musimy również uwzględnić znaczące różnice zarówno fizycznych, jak i chemicznych właściwości paliw, ponieważ właściwości paliwa w znacznym stopniu zależą od materiałów, z jakich zostało ono wytworzone oraz od jakości procesu dostawy i przechowywania. Aby zrozumieć te wyzwania, Delphi prowadzi zakrojony na szeroką skalę wzorcowy program badawczy dla paliwa o koncentracji składników roślinnych od B10 do B100. Prowadzi również testy długodystansowe na samochodach floty – w kooperacji z klientami i użytkownikami końcowymi dla każdego z sektorów: ciężarówek, samochodów terenowych i samochodów osobowych/ lekkich pojazdów użytkowych. Obecnie wszystkie systemy Delphi są dostosowane do mieszanki B5, a firma opracowuje systemy wtrysków kompatybilne ze znacznie wyższą zawartością składników roślinnych.
- Wielu producentów pojazdów sugeruje, że zostaną unieważnione gwarancje, jeśli stosowana będzie mieszanka o wyższej zawartości składników roślinnych niż 5 proc. Chcemy pomóc im w podniesieniu tych proporcji bez wpływania na podniesienie kosztów, obniżenie niezawodności czy wpływania na poziom satysfakcji klientów - mówi Schoeppe. Dobrym przykładem podejścia Delphi, stosującego pomysłową technologię dla dostarczenia prostych, niezawodnych rozwiązań jest nowy, pojemnościowy czujnik poziomu paliwa. Tradycyjne czujniki poziomu paliwa wykorzystują system mechaniczny, który jest szczególnie podatny na działanie agresywnych paliw. Nowy czujnik Delphi nie posiada ruchomych części i może mierzyć poziom benzyny, diesla i biopaliwa bez konieczności zmiany oprogramowania, pozwalając na stosowanie jednej części – o tym samym numerze katalogowym – do wszystkich typów paliw.

Nowoczesny elektroniczny wtryskiwacz Delphi E3 przechodzi obecnie szczegółową ocenę, tak by ocenić wpływ biodiesla o wysokiej zawartości składników roślinnych.

Badania nad biodieslem w toku
Obecnie Delphi prowadzi szereg projektów badawczych związanych z biodieslem. Projekty te obejmują analizę
podstawowych parametrów wpływających na działanie biodiesla, takich jak odkładanie się osadów i starzenie się systemów, wytrzymałość pomp i testy działania systemów, aż do badania silników i pojazdów w kilku ośrodkach na całym świecie. Na przykład w Centrum Technologii Delphi - Diesel Heavy Duty Technical Centre - w Londynie badany jest 12-litrowy silnik napędzany biodieslem B30, pracujący w typowym trybie pracy silnika ciężarówki w cyklu dużych przeciążeń. Po kilkuset godzinach pracy silnika, zaawansowany system wtrysku paliwa EUI zostanie rozebrany i zbadany, a następnie złożony ponownie i uruchomiony do następnego, długoterminowego testu symulującego wykorzystanie silnika w trudnych warunkach.
- Wykorzystanie pojazdów w systemach, gdzie występują duże przeciążenia stawia przed silnikiem znacznie większe wymagania niż normalne wykorzystanie pojazdu - powiedział David Draper, główny inżynier w Delphi Diesel Heavy Duty. - Oczekujemy, że nasze systemy będą działać bezawaryjnie przy granicznych ciśnieniach (od roku 2007 ciśnienie do 2,500 barów) i że będą wytrzymywać milion mil przebiegu bez żadnej konserwacji. To krytyczny test dla każdego elementu technologii motoryzacyjnej, jest to więc idealne środowisko dla badań mających na celu znajomość wpływu bio-paliw na silniki w Delphi. Po dokonaniu testów, elementy składowe zostaną rozebrane i szczegółowo zbadane.
- Będziemy szukać śladów nadmiernego zużycia w obszarach, takich jak gniazda wtrysków oraz śladów degradacji metalu, polimerów i elastomerów - powiedział Draper. Informacja ta zostanie wykorzystana do zapewnienia, że systemy paliwowe Delphi będą nadal wyprzedzać aktualny poziom wykorzystania biopaliw, zapewniając producentom silników i pojazdów niezawodność i kompatybilność, której będą potrzebować w przyszłości.