Niezbędnym warunkiem pracy silnika wysokoprężnego jest zasilanie go paliwem do silników wysokoprężnych o odpowiedniej jakości. Aby praca ta przebiegała w sposób niezakłócony, konieczne jest techniczne dopasowanie paliwa i silnika. Paliwo powinno być zawsze łatwo dostępne po korzystnej cenie.
Silniki wysokoprężne MB są przystosowane do spalania olejów napędowych, które spełniają wymagania krajowe i międzynarodowe (w Europie EN 590).
Konwencjonalne paliwa do silników wysokoprężnych
Konwencjonalne paliwa do silników wysokoprężnych, jakie od wielu lat są powszechnie stosowane do szybkoobrotowych silników Diesla, są tworzone przez związki węglowodorów otrzymywane w rafineriach podczas destylacji frakcyjnej surowej ropy naftowej w temperaturach między 180 °C a 360 °C. Takie związki węglowodorów mogą mieć różne struktury molekularne, które naturalnie wykazują zróżnicowane właściwości.
Budowa chemiczna paliwa do silników wysokoprężnych
Możliwości łączenia się węgla C czterowartościowego z jednowartościowym wodorem H są bardzo zróżnicowane. Istnieją proste i różnie rozgałęzione łańcuchy, jak również różnego rodzaju pierścienie, które mogą być nasycone lub nienasycone, także różnorodna jest liczba wiązań wielokrotnych.
Alkany są łańcuchowymi nasyconymi węglowodorami o wzorze sumarycznym CnH2n+2. Związki te, określane również jako parafiny, są istotnym ilościowo składnikiem oleju napędowego. Standardowe parafiny (linearne-proste) mają dobrą podatność na zapłon i przy spalaniu wydziela się mało dymu, jednak płynność w niskiej temperaturze jest problematyczna. Z uwagi na niską gęstość mają też małą (objętościowo) wartość opałową. Izoparafiny (o łańcuchu rozgałęzionym) mają z kolei słabszą podatność na zapłon lecz lepszą płynność w niskiej temperaturze.
Alkeny są nienasyconymi łańcuchowymi (prostymi lub rozgałęzionymi) węglowodorami z co najmniej jednym wiązaniem podwójnym. Węglowodór z wiązaniem podwójnym można opisać wzorem sumarycznym CnH2n. Związki te, określane również jako olefiny, mają właściwości zbliżone do izoparafin, jednak na skutek starzenia się mogą powstawać spolimeryzowane cząstki stałe.
Cykloalkany to pierścieniowe nasycone węglowodory o wzorze sumarycznym CnH2n. Związki te, określane jako cykloparafiny lub (niekiedy) nafteny mają umiarkowaną podatność na zapłon, ale dobrą płynność w niskiej temperaturze. Gęstość i objętościową wartość opałową uznaje się jako przeciętną.
Aromaty, węglowodory pierścieniowe z cyklicznymi podwójnymi wiązaniami, mają słabą podatność na zapłon, mierną płynność w niskiej temperaturze, a przy spalaniu powstaje dużo dymu. Gęstość i objętościową wartość opałową uznaje się za wysokie.
Wymagania, właściwości, parametry (DIN EN 590)
Właściwości paliwa potrzebne do napędzania silników wysokoprężnych dają się bliżej określić albo opisowo, albo za pomocą parametrów. Te parametry, określane znormalizowanymi metodami badawczymi, są wprawdzie użyteczne, ale nie w każdym przypadku dają zadowalające możliwości zdefiniowania kryteriów jakości, ważnych podczas użytkowania paliw i ich spalania w silniku. Określona liczba tego rodzaju parametrów, ustalonych dla wartości granicznych, pozwoliła stworzyć unormowane wymagania.
Stosowanie dodatków uszlachetniających do oleju napędowego w celu poprawienia właściwości jest bezwzględnie konieczne i pozostaje całkowicie w gestii producenta paliwa (patrz arkusz 119.0 "Dodatki uszlachetniające i wtórne do paliw").
Zdolność do zapalania się
Zdolność do zapalania się jest jedną z ważniejszych własności paliwa do silników wysokoprężnych. Ma ono podobne znaczenie, jak odporność na spalanie stukowe benzyny, aczkolwiek z pewnym zastrzeżeniem. Od strony technicznej zdolność do zapalania się jest przeciwieństwem odporności na spalanie stukowe.
Zdolność do zapłonu jest wyrażana liczbą cetanową, mierzoną według ISO 5165 (silnik CFR) lub DIN 51773 (silnik testowy BASF) w znormalizowanym silniku testowym i z uwzględnieniem określonych warunków badawczych. Liczba cetanowa oleju napędowego określa, że w powyższych warunkach zdolność do zapłonu odpowiada zdolności do zapalania się mieszanki cetanu (heksadecanu) i heptametylononanu (DIN 51773 przewiduje stosowanie 1-metylonaftaliny). Metoda ta sprawdziła się w przypadku konwencjonalnych paliw do silników wysokoprężnych. Często stosowany indeks cetanowy stanowi z kolei obliczoną ze wzoru wielkość, która jest wyliczana z parametrów fizycznych (np. gęstości, charakterystyki destylowania). Parametr ten jest wielkością przybliżoną.
Opóźnienie zapłonu, a więc przedział czasowy między wtryskiem paliwa a jego samozapłonem, jest miarą podatności na zapłon. Dobra zdolność do zapalania się, a więc duża liczba cetanowa, oznacza niewielkie opóźnienie zapłonu. Jest to istotne głównie podczas rozruchu silnika, szczególnie zimnego. Hałas silnika, równomierna praca jest również zależna od zdolności do zapalania się. DIN EN 590 określa minimalną liczbę cetanową na 51. Dobre paliwa wykazują jednak wyższą liczbę.
Krzywa wrzenia
Punkt wrzenia oleju napędowego zawiera się w przedziale od ok. 180 °C do 360 °C, przy czym w poszczególnych krajach istnieją duże różnice. Zachowanie się silnika wysokoprężnego w trakcie pracy nie zależy od destylacji w takim stopniu, jak silnika benzynowego. Jeśli jednak zbyt duża część oleju napędowego odparowuje dopiero powyżej ok. 350 °C lub temperatura końca wrzenia jest zbyt duża, a nawet przekracza 380 °C, dochodzi do znacznego dymienia. Rozszerzanie destylacji w dół nie jest trudne, ma jednak również swoje granice.
Europejska norma klasyfikacji oleju napędowego rozróżnia trzy wartości graniczne, a mianowicie
do 250 °C odparowanie maks. 65 % obj.
do 350 °C odparowanie min. 85 % obj.
punkt 95 % obj. przy maks. 360 °C
Zawartość siarki
Zawartość siarki w paliwach do silników wysokoprężnych zależy od pochodzenia ropy naftowej, możliwości odsiarczenia w rafineriach i jest ograniczona normami lub na drodze prawnej.
Jest jednym z ważniejszych parametrów decydujących o technicznej przydatności oleju napędowego i dlatego została omówiona na osobnym arkuszu 136.0 "Siarka w paliwie do silników wysokoprężnych". Ogólnie obowiązuje zasada, że zawartość siarki powinna być możliwie najmniejsza.
Dyskusja na temat obniżania zawartości siarki, toczona w ostatnich latach nie tylko w europejskich, ale również w północnoamerykańskich kręgach gospodarczych, wywołała problem smarności oleju napędowego (patrz ustęp "Smarność"). Wynika to z faktu, że w ramach procesu odsiarczania dochodzi również do zmniejszenia udziału komponentów o dobrych właściwościach smarnych. Smarność paliwa można jednak poprawić w stopniu wystarczającym przez dodanie odpowiedniego dodatku uszlachetniającego.
Płynność paliw w niskich temperaturach
W niskiej temperaturze otoczenia płynność oleju napędowego ulega zmniejszeniu na skutek wytrącania się stałych cząstek parafiny.
Wadą najkorzystniejszych dla pracy silnika wysokoprężnego związków węglowodorowych jest brak odporności na niską temperaturę, tzn. wytrącanie się krystalicznych struktur parafinowych już przy niewielkim mrozie. Kryształki parafiny łączą się, powodując niedrożność filtra paliwa, przewodów paliwowych i układu wtryskowego, co uniemożliwia pracę silnika. Często jest możliwy wprawdzie jeszcze rozruch, ale zaraz później silnik zatrzymuje się. Nie powoduje to uszkodzenia silnika i po odpowiednim podgrzaniu paliwo staje się z powrotem płynne.
W celu uniknięcia uszkodzeń tego rodzaju w miesiącach zimowych na rynku sprzedawane są zimowe oleje napędowe o lepszej płynności w niskich temperaturach. Dobre właściwości w niskiej temperaturze wynikają z wysokiej jakości bazowego paliwa i poprawnego zastosowania polepszaczy płynności przez producentów. Oleje napędowe tego typu są w większości dostosowane do wartości temperatury przewidywanych na danym rynku.
Zalecamy stosowanie wyłącznie olejów napędowych przystosowanych do lokalnych warunków klimatycznych.
W razie wyjazdów w zimniejsze regiony należy po przybyciu zatankować zimowy olej napędowy - na niektórych rynkach zimowy olej napędowy jest dostępny przez cały rok. Informacje o całosezonowo dostępnym zimowym oleju napędowym są dostępne na stacjach paliw.
W pojazdach Mercedes-Benz zostały podjęte działania, które prowadzą do szybkiego podgrzewania paliwa. W przypadku nieodpowiedniej jakości paliwa w połączeniu z bardzo niskimi temperaturami może dochodzić jednak do niedrożności filtra.
Podczas pomiarów jako kryterium przydatności paliw do zimowego użytku przyjęto temperaturę mętnienia (cloud point), temperaturę krzepnięcia (pour point) oraz filtrowalność na zimno (cold filter plugging point). Na podstawie tych parametrów nie można jednak jednoznacznie określić, do jakiej temperatury silnik jest zdolny do pracy.
Obecnie w celu oceny właściwości w niskiej temperaturze podawana jest na ogół "wartość graniczna filtrowalności" według "cold filter plugging point" (EN 116). W tej metodzie, skrótowo zwanej CFPP, określana jest najniższa temperatura, przy której określona porcja paliwa przepływa (wzgl. może być zassana) w ciągu określonego czasu poprzez zdefiniowany filtr sitkowy. Zgodnie z niemiecką normą obowiązują następujące wartości CFPP:
Czas Uwaga | Płynność – wartość CFPP | Uwaga |
15. kwietnia do 30. września | 0 °C | Letni olej napędowy |
01.marca do 14. kwietnia lub 01. października do 15. listopada | -10 °C | Przejściowy |
16. listopada do 28. lutego (w latach przestępnych do 29. lutego) | -20 °C | Zimowy olej napędowy |
Cloud point jest powyżej CFPP i definiuje temperaturę, poniżej której następuje krystalizacja. Z zasady możliwe jest również ograniczenie możliwości użytkowania powyżej CFPP – zwłaszcza przy długotrwałym oddziaływaniu mrozu.
We wszystkich samochodach osobowych i użytkowych Mercedes-Benz dodawanie nafty lub paliwa samolotowego w celu poprawy odporności na zimno ze względu na możliwe negatywne wpływy na układ wtryskowy z powodu niewystarczającej smarności paliwa jest niedopuszczalne. Zastosowanie benzyny jest niedopuszczalne z powodu pogorszenia właściwości smarnych paliwa oraz ze względów bezpieczeństwa (obniżenie temperatury zapłonu).
Na rynku są dostępne produkty poprawiające płynność paliwa, stosowane jako dodatki specjalne (wtórne). Ze względu na ich "pofabryczne" dodawanie nie dają one z reguły pożądanego efektu. W związku z tym tankowanie oleju napędowego o wystarczającej odporności na niską temperaturę jest zasadniczym warunkiem sprawnego użytkowania pojazdu w zimie.
Na użytek arktycznych stref klimatycznych do dyspozycji jest paliwo typu polardiesel o ekstremalnej odporności na niską temperaturę. W porównaniu z olejem napędowym dostosowanym do umiarkowanego klimatu paliwo to, oprócz podwyższonej odporności na mróz, różni się głównie gęstością, lepkością i ma inny punkt wrzenia.
Gęstość
W Europie ustalono gęstość oleju napędowego w przedziale od 820 do 845 kg/m3 przy 15 °C. Do końca 1999 roku dopuszczalna górna granica wynosiła 860 kg/m3. Na świecie istnieją rynki, na których nadal stosowane są porównywanie wysokie wartości, a na niektórych gęstość paliw w ogóle nie jest unormowana.
Producenci i dostawcy paliw przywiązują wagę do możliwie dużego zakresu dopuszczalnej gęstości.
Możliwie wąsko wyspecyfikowany przedział jest pożądany z tego względu, że paliwo jest sprzedawane według miary objętościowej i pompa wtryskowa również odmierza w ten sposób dawki paliwa, a zmiany gęstości wiążą się na ogół ze zmianami wartości opałowej. Nie jest możliwe osiągnięcie założonej mocy przy spalaniu bardzo lekkiego paliwa (przy zadanym ustawieniu pompy wtryskowej) oraz zachowanie wymaganych parametrów spalin przy spalaniu bardzo ciężkiego paliwa.
Lepkość
Lepkość, a więc tarcie wewnętrzne paliwa do silników wysokoprężnych, jest odpowiedzialna za przepływy i odporność na zużycie układu wtryskowego oraz wpływa na zdolność do rozpylania w komorze spalania. Zgodnie z normą EN wartość mierzona przy 40 °C może wahać się w przedziale od 2,0 do 4,5 mm2/s. Tak duża tolerancja nie jest z reguły wykorzystywana i jest to korzystne.
Dodatki modyfikujące
W celu osiągnięcia trwałości i czystości silników oraz układów paliwowych, zachowania prawidłowych parametrów spalin, jak również osiągnięcia prawidłowej pracy silnika, konieczne jest stosowanie olejów napędowych z dobrze dobranymi dodatkami, co w dłuższej perspektywie stanowi rozwiązanie korzystne pod względem finansowym.
Biorąc pod uwagę zaopatrzenie w takie paliwa, klienci detaliczni muszą się spodziewać, że stacje benzynowe, do których podjeżdżają, dystrybuują produkty uszlachetnione, co jest według przekazanego nam oświadczenia regułą w dużych firmach, a w niezależnych stacjach benzynowych najczęściej spotykaną praktyką. Nabywcy hurtowi powinni podczas negocjacji zwracać uwagę na kwestię dodatków uszlachetniających w dostarczanym paliwie.
Chcemy podkreślić, że według naszych szacunków nieznaczny procentowo wzrost kosztów paliwa jest rekompensowany oszczędnością na naprawach i obsłudze oraz mniejszą awaryjnością. Stosowanie dobrego paliwa ze starannie dobranymi dodatkami pozwala zmniejszyć ilość reklamacji wynikających np. z zanieczyszczenia nagarem wtryskiwaczy, czy zużycia lub skorodowania całego układu paliwowego. Ponadto stałe korzystne parametry spalin zmniejszają obciążenie środowiska naturalnego.
Stosowanie dodatków uszlachetniających ma jeszcze większe znaczenie, jeśli rozpatrywać je łącznie z problematyką smarności niskosiarkowych paliw (patrz rozdział "Smarność"). Z tego punktu widzenia, optymalne modyfikowanie paliwa nie jest opcją, ale koniecznością.
Dodatki tego typu powinny być stosowane wyłącznie przez dostawcę paliwa, gdyż jest on podmiotem odpowiadającym za jego jakość. Z kolei stosowanie dodatków wtórnych (patrz arkusz 119.0) następuje zawsze na odpowiedzialność użytkownika pojazdu, gdyż skutkiem może być ograniczenie praw wynikających z gwarancji/rękojmi w stosunku do producenta pojazdu, jak i dostawcy paliwa.
Magazynowanie i przeładunek
Poniższe wskazówki są adresowane w pierwszej kolejności do tych naszych klientów, którzy posiadają własne stacje paliw.
Paliwo do silników wysokoprężnych jest pełnowartościowym nośnikiem energii. Jeśli jego stosowanie w pojeździe ma się odbywać - zgodnie z oczekiwaniami klientów - bez problemów, to należy zwracać uwagę na pewne podstawowe zasady techniczne.
Zbiorniki paliwa powinny być zawsze wykorzystywane do magazynowania określonego gatunku paliwa. Należy zatem unikać przemiennego napełniania ich benzyną i olejem napędowym. Jeśli istnieje potrzeba stosowania obu gatunków paliwa, trzeba przewidzieć dwa (co najmniej) zbiorniki. Jeżeli nie jest to przestrzegane, to nieuchronny jest efekt wymieszania się paliw.
Szczególnie klienci, którzy rzadko nabywają olej napędowy, powinni zużyć całą zawartość paliwa letniego i przejściowego przed wlaniem paliwa zimowego.
Podziemne zbiorniki nie mogą zawierać wody i innych zanieczyszczeń. Odnosi się to szczególnie do wlewania paliwa zimowego. W przypadku zanieczyszczenia należy zlecić czyszczenie zbiornika. Podziemne zbiorniki muszą być regularnie kontrolowane!
Jeżeli dokonuje się przejścia z paliwa niemodyfikowanego dodatkami na paliwo modyfikowane, to należy wcześniej zwrócić uwagę, czy zbiornik magazynowy jest czysty. Detergenty zawarte w modyfikowanym paliwie, które służą do utrzymywania czystości układu paliwowego pojazdu, mogą również przenosić cząstki zanieczyszczeń ze zbiornika magazynowego do układu paliwowego pojazdu i w ten sposób szybko doprowadzić do zablokowania filtra.
Zlekceważenie tego problemu może spowodować przedwczesną niedrożność filtra paliwa oraz problemy z jazdą w zimie.
Temperatura zapłonu/klasa zagrożenia
Zgodnie z ISO 2719 temperatura zapłonu oleju napędowego musi przekraczać 55 °C. Temperatura zapłonu to wartość, przy której dochodzi do zapalenia się oparów oleju napędowego pod wpływem źródła zapłonu. Parametr ten nie ma wprawdzie znaczenia przy spalaniu paliwa w silniku, jest jednak istotny dla bezpieczeństwa przy postępowaniu z olejem napędowym. W efekcie tego unormowania przy transportowaniu oleju napędowego obowiązują łagodniejsze restrykcje.
Już niewielkie dodanie benzyny obniża znacznie temperaturę zapłonu oleju napędowego. Chociaż temperatura zapłonu oleju napędowego do silników wysokoprężnych jest wyższa niż benzyny, to temperatura samozapłonu tego paliwa jest niższa niż benzyny.
Czystość
Olej napędowy musi być wolny od kwasów organicznych oraz stałych ciał obcych, a w temperaturze pokojowej musi być przeźroczysty.
W celu uniknięcia korozji zawartość wody nie może przekraczać 200 mg/kg. W celu zapobieżenia tworzenia się w oleju napędowym metaliczno-organicznych związków powodujących przyspieszone zużycie, określono dopuszczalną zawartość popiołu na maks. 0,01 % wagowo.
Składniki oleju napędowego o skłonnościach do tworzenia nagaru mogą powodować znaczne problemy z silnikiem, np. osadzanie się nagaru na wtryskiwaczach czy nadmierne osady w komorze spalania. W związku z tym resztki koksowe są limitowane do 10-% pozostałości destylatu.
Smarność
Ograniczenie zawartości siarki, wymuszone ostatnio względami ekologicznymi, stworzyło problem ze smarnością paliwa do silników wysokoprężnych, ponieważ potrzebna do tego hydrogenizacja pośredniego destylatu spowodowała usunięcie z paliwa naturalnego modyfikatora smarności.
Po obniżeniu zawartości siarki w oleju napędowym zastosowanie poprawiających smarność modyfikatorów stało się bezwzględną koniecznością, w celu wyeliminowania występującego w przeszłości szybszego zużywania się elementów układów wtryskowych. Obecnie stosowanie środków poprawiających smarność do olejów napędowych zawierających metyloestry kwasów tłuszczowych ("FAME") nie jest już konieczne, ponieważ związki te samoistnie zwiększają smarność.
Zgodnie z normą EN 590 smarność jest ustalana podczas testu "HFRR" (test "High Frequency Reciprocating Rig"), w którym kulka jest pod obciążeniem wprawiana w drgania na płytce, przy czym badany olej napędowy służy jako środek smarny. Test ten jest opisany w metodzie badawczej ISO 12156-1. Na rynkach europejskich dopuszczalna wartość graniczna smarności ustalonej w teście HFRR wynosi 460 µm przy 60 °C.
Chociaż metoda ta została zaakceptowana w branży, istnieją jeszcze wątpliwości dotyczące precyzji oraz niepodważalności testu (tzn. korelacji z praktyką).
Zawartość FAME
Norma EN 590 od wydania 2009 pozwala wyraźnie na dodawanie maks. 7 % obj. metyloestrów kwasów tłuszczowych ("FAME"). Nie może to mieć negatywnego wpływu na jakość oleju napędowego, tzn. wymagania normy EN 590 muszą być spełniane. Należy podkreślić, że w Europie jako dodatek dopuszcza się wyłącznie FAME o jakości zdefiniowanej przez przepisy normy EN 14214. Dalsze informacje na ten temat, patrz arkusz 135.0 ("Metyloestry kwasów tłuszczowych "FAME" jako olej napędowy").
Mikroorganizmy w paliwach do silników wysokoprężnych
W przypadku dużej zawartości wody, tworzącej zastoiny w zbiorniku paliwa może dochodzić na namnażania się mikroorganizmów. Dłuższe przestoje pojazdu sprzyjają temu zjawisku. Niezależnie od powodujących korozję wydzielin mikroorganizmów powstaje również biopulpa, prowadząca do niedrożności układu paliwowego.
Poniższe symptomy wskazują na zanieczyszczenie zbiornika pojazdu lub podziemnego zbiornika mikroorganizmami:
Częsta wymiana filtra paliwa konieczna ze względu na utratę mocy, żelową substancję w filtrze
Zwiększona korozja zbiornika
Inne
Prawie wszystkie wymienione wcześniej właściwości i parametry są wzajemnie powiązane. Dotyczy to szczególnie gęstości, destylacji, lepkości, temperatury zapłonu, płynności w niskich temperaturach oraz zdolności do zapalania się. Kiedy jedna z właściwości się zmienia, zmieniają się również inne.