View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
KOROZJA STALI ZAWOROWYCH
W SILNIKACH SAMOCHODOWYCH, W SILNIKACH SAMOCHODOWYCH,
WYWOŁANA SPALINAMI BIOPALIW
Plan prezentacji
1. Wprowadzeniea) sytuacja na ogólnoświatowym rynku paliwb) alternatywne źródła energiic) innowacyjne nośniki energii w przemyśle motoryzacyjnymd) analiza parku samochodowego w Polsce
2. Wysokotemperaturowa korozja zaworów silnikowycha) zawory silnikowe: skład stali i warunki pracyb) biopaliwa stosowane w przemyśle motoryzacyjnymc) korozja stali zaworowych w warunkach izotermicznychc) korozja stali zaworowych w warunkach izotermicznychd) korozja stali zaworowych w warunkach szoków termicznych
3. Podsumowanie
• Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych
• Obniżenie bezpieczeństwa energetycznego
Konsekwencje eksploatacji paliw kopalnych
• Obniżenie bezpieczeństwa energetycznego
poszczególnych regionów świata
• Wzrost cen paliw kopalnych
• Degradacja środowiska naturalnego
• Destabilizacja klimatu• Destabilizacja klimatu
• Pogorszenie stanu zdrowia ludności w wyniku wzrostu
zanieczyszczenia.
Prognoza poziomu konsumpcji energii do roku 2054
3,0
3,5
1200
1400
Increasing factor: 1.0193 every year in 1990-2005W
orld
Ene
rgy
Con
sum
ptio
n / 1
018 J Coal
Consumption6.483 G tons
Natural GasConsumption
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
400
600
800
1000
Wor
ld E
nerg
y C
onsu
mpt
ion
/ 10
Coal
Natural Gas
6.483 G tons26.49%
Consumption
2.9365 T m323.25%
UraniumConsumption
78.0 k tons6.17%
2040Natural GasExhaustion
171.205 T m3
Ratio to 1990
0,0
0,5
1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 20600
200
Wor
ld E
nerg
y C
onsu
mpt
ion
/ 10
Year
UOil
Oil Consumption30.517 G barrels
36.59%
Hydro& Others
7.49%
Hydro & Others
2054Coal Exhaustion
1.001 T tons
2040Uranium
Exhaustion4.743 M tons
2034Oil Exhaustion1.293 T barrels
Alternatywne źródła energii
• Energia słoneczna (ogniwa i kolektory słoneczne)
• Energia jądrowa
• Zimna i gorąca fuzja
• Energia geotermalna
• Energia wiatru
• Energia wodna
• Energia fal morskich
• Biopaliwa
Nośniki energii w motoryzacji
• Klasyczne paliwa ciekłe (benzyny i oleje napędowe)• Klasyczne paliwa ciekłe (benzyny i oleje napędowe)
• Gaz ziemny (propan-butan)
• Biopaliwa
• Prąd elektryczny
• Wodór• Wodór
• Inne (sprężone powietrze, metan, itp.)
Schemat ideowy koncepcji prof. K. Hashimoto zastosowania metanu, jako nośnika energii
Aktualnie stosowane bio-dodatki do paliw płynnych
• Alkohol etylowy (dodatek do benzyny)• Alkohol etylowy (dodatek do benzyny)
• Estry metylowe kwasów tłuszczowych, FAME (dodatek do oleju napędowego)
Udział biokomponentów w paliwach stosowanychw branży motoryzacyjnej
10
1110,0
9,759,35
6
7
8
9
9,358,9
8,458,0
7,557,10
6,65NC
W /
%
5,756,20
2009 2011 2013 2015 2017 20194
5
6
Rok
NWC (Narodowy Cel Wskaźnikowy) w/g wartości opałowej [%]
4,60
Paliwa stosowane w branży motoryzacyjnej w Polsce
20
30
Tre
nd 2
008/
2007
/ %
40
60
-10
0
10
20
Udz
iał w
ryn
ku /
% Stan z dn. 31.12.2008
Tre
nd 2
008/
2007
/ %
0
20
40
Udz
iał w
ryn
ku /
%
Benzyna Diesel LPG b.d.
Park samochodów osobowych w Polsce (31.12.2008)
25
Średni wiek samochodu - 13,9 lat
4
Udz
iał w
ryn
ku
/ mln
szt
.
5
10
15
20
Udz
iał w
ryn
ku
/ %
1
2
3
Udz
iał w
ryn
ku
/ mln
szt
.
0
5
> 3021-3016-2011-156-103-5
Udz
iał w
ryn
ku
/ %
Wiek pojazdu0-2
0
1
Udz
iał w
ryn
ku
/ mln
szt
.
Udział wiekowy samochodów osobowych eksploatowanych w Polsce
70
80
63,3 66,1 68,1 69,8
20
30
40
50
60
70
19,418,222
Wiek pojazdów do 5 lat powyzej 10 lat
55 56,6 5661 63,3 66,1
Udz
iał p
roce
ntow
y / %
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 20090
10
2011,712,011,611,512,7
19,418,2
Rok
Udz
iał p
roce
ntow
y / %
Przekrój poprzeczny silnika czterosuwowego rzędowego o zapłonie iskrowym, Fiat
1 – zawór wylotowy, 2 – kanał wylotowy spalin, 3 – kolektor spalin, 4 – zawór dolotowy,
Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności,Warszawa, 1988, s.327
4 – zawór dolotowy, 5 – kanał dolotowy mieszanki
paliwowo – powietrznej,6 – komora spalania 7 – cylinder z tłokiem i korbowodem
Schemat zaworu wylotowego
1 – grzybek - stal austenityczna Cr-Ni-W-Mo 1 – grzybek - stal austenityczna Cr-Ni-W-Mo w stanie przesyconym i starzonym,
2 – trzonek - stal Cr-Si-Mo w stanie ulepszonym cieplnie,
3 – miejsce zgrzewania tarciowego, 4 – przylgnia napawana stellitem Co-Cr-W
Rozkład temperatury pracy zaworów wylotowych- silnik benzynowy z zapłonem iskrowym
Składniki gazów spalinowych
Jednostka miary
Silniki z zapłonem Ocena toksycznościiskrowym samoczynnym
Azot % obj. 74-77 76-78 Obojętny
Składy chemiczne spalin silnikówz zapłonem iskrowym i samoczynnym (% wag.)
Azot % obj. 74-77 76-78 Obojętny
Tlen % obj. 0,3-8,0 2,0-18,0 jw.
Para wodna % obj. 3,0-5,5 0,4-5,0 jw.
Dwutlenek węgla % obj. 5,0-12,0 1,0-10,0 jw.
Tlenek węgla % obj. 5,0-10,0 0,01-0,5 Toksyczny
Tlenki azotu % obj. 0,0-0,8 0,002-0,5 jw.
Węglowodory % obj. 0,2-3,0 0,009-3,0 jw.Węglowodory % obj. 0,2-3,0 0,009-3,0 jw.
Aldehydy % obj. 0,0-0,2 0,001-0,009 jw.
Sadza g/m3 0,0-0,04 0,01-1,1 jw.
3,4 benzopiren g/m3 do 15,0 do 10,0 Rakotwórczy
Merkisz J., Ekologiczne problemy silników spalinowych Tom I i II. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999
a.
Zawory wylotowe po 1000 godz. teście silnika z zapłonem samoczynnym
Typ stali C Mn Si Cr Ni N W Nb S P Mo FeX33CrNiMn23-8 0.35 3.3 0.63 23.4 7.8 0.28 0.02 - <0.005 0.0140.11 bal.
Składy chemiczne stali stosowanych do wyrobu zaworów silnikowych (% wag.)
X50CrMnNiNbN21-9 0.54 7.61 0.30 19.88 3.64 0.44 0.86 2.05 0.001 0.031 - bal.
X53CrMnNiN20-8 0.53 10.3 0.30 20.5 4.1 0.41 - - <0.005 0.04 0.12 bal.
X55CrMnNiN20-8 0.55 0.17 0.17 20.0 2.3 0.38 - - <0.005 0.03 0.11 bal.
PrzepływomierzeManometr Mikrowaga
Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania kinetyki utleniania stali zaworowych
Pompa
Piece
Wylot
Próbka
Ar/
He O2
21%
O-7
9%N
22
N2
Mieszalnik
Piece
Bulbutiery
PrzepływomierzeMikrowaga
Schemat aparatury mikrotermograwimetrycznej do badania szybkości korozji w wieloskładnikowej atmosferze utleniającej
Płuczki Taśma
grzejna
Piece
H O + CH COOH2 3
Próbka
He
O2
N2
Stanowisko do badania korozji w warunkach szoków termicznych na hamowni silnikowej
Hybrydowa głowica reakcyjna
Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych– liniowy układ współrzędnych
5
10X50CrMnNiNbN21-9
T = 1273 K.pO2
= 2,1 104 Pa
m/S
/
mg
cm-2
5
10X53CrMnNiN20-8
m/S
/
mg
cm-2
T = 1273 K
pO2= 2,1 104 Pa.
0 50 1000
5
T = 973 KT = 1073 K
T = 1173 K
∆m/S
/ mg
cm
czas / h
0 50 1000
5
∆m/S
/
mg
cm
czas / h
T = 1173 K
T = 1073 KT = 973 K
20
25
T = 1273 K
-2
.pO2 = 2,1 104 Pa
X55CrMnNiN20-8 2T = 1273 K
.pO2 = 2,1 104 Pa
X33CrNiMn23-8
0 50 1000
5
10
15
T = 973 KT = 1073 K
T = 1173 K
∆m/S
m
g cm
-2
czas / h
0 50 1000
1T = 1173 K
T = 973 K
T = 1073 K∆m/S
/
mg
cm-2
czas / h
50
T = 1273 K.pO2
= 2,1 104 Pa
X50CrMnNiNbN21-9
/
mg2 c
m-4
50
100X53CrMnNiN20-8
/ m
g2 cm
-4
T = 1273 KpO2
= 2,1 104 Pa.
Kinetyka utleniania badanych stali zaworowych– paraboliczny układ współrzędnych
0 50 1000
T = 1073 K
T = 1173 K
(∆m
/S)2
/ m
g
czas / h
0 50 1000
50
(∆m
/S)2
/ m
g
czas / h
T = 1173 K
T = 1073 K
400
500T = 1273 K
-4
.pO2 = 2,1 104 Pa
X55CrMnNiN20-83
X33CrNiMn23-8 T = 1273 K
pO2 = 2,1 104 Pa.
0 50 1000
100
200
300
T = 1073 K
T = 1173 K
(∆m
/S)2
m
g2 cm
-4
czas / h
0 50 1000
1
2
T = 1173 K
T = 1073 K
(∆m
/S)2
/ m
g2 cm
-4
czas / h
Ciśnieniowa zależność szybkości utleniania stali zaworowejX53CrMnNiN20-8, uzyskana w temperaturze 1173 K
10-9
X53CrMnNiN20-8
10-10
10
T = 1173 K
/
g2 cm
-4s-1
X53CrMnNiN20-8
100 101 102 103 104 10510-11
k p
/ g
pO2 / Pa
10-8
T / K1273 1173 1073 973
Temperaturowa zależność szybkości utleniania badanych stali zaworowych
10-12
10-11
10-10
10-9
10.pO2
= 2,1 104 Pa
p
/ g2 c
m-4
s-1
8 9 1010-14
10-13
10-12 X33CrNiMn23-8 X50CrMnNiNbN21-9 X53CrMnNiN20-8 X55CrMnNiN20-8
.
k p
T-1 104 / K-1
1
2
combustion gases of fuel oil B5
1 cycle = 2h
air air + H2O
3
/ g c
m-2
X33CrNiMn23-8 steelT = 973 K
0
combustion gasesof fuel oil B10
air
air + H 2O
m/S
1
0 /
g c
m-2
X50CrMnNiNbN21-9 steelT = 973 K
Kinetyka korozji badanych stali zaworowychw warunkach szoków termicznych
0 100 200 300 400 500 600-2
-1
0
combustion gasesof fuel oil B10
∆m/S
1
03
Number of thermal shocks
.
0 100 200 300 400 500 600-2
-1
of fuel oil B10
1 cycle = 2h
combustion gases of fuel oil B5
2
∆m/S
1
0 /
g c
m
Number of thermal shocks
.
0
X53CrMnNiN20-8 steel air + H2OT = 973 K
air
0
X55CrMnNiN20-8 steel
-2
T = 973 Kair
0 200 400 600-2
-1
0
combustion gasesof fuel oil B10
combustion gases of fuel oil B5
∆m/S 1
0 /g
cm-2
Number of thermal shocks
1 cycle = 2h
.
0 100 200 300 400 500 600-2
-1
0
combustion gasesof fuel oil B10
air + H2O
combustion gasesof fuel oil B5
∆m/S 1
0 /
g cm
-2
Number of thermal shocks
1 cycle = 2h
.
-1
0
1
air + H 2O
m/S
1
0 /
g cm
-2
X33CrNiMn23-8 steelT = 1173 K
air-3
-2
-1
0
1
m/S
10
/g c
m-2 air
air + H 2O
X50CrMnNiNbN21-9 steelT = 1173 K
.
Kinetyka korozji badanych stali zaworowychw warunkach szoków termicznych
0 100 200 300 400 500 600-3
-2
-1combustion gases of fuel oil B5
∆m/S
1
0 /
g c
m
Number of thermal shocks
1 cycle = 2h
combustion gases of fuel oil B10
.
0 100 200 300 400 500-7
-6
-5
-4
-3
1 cycle = 2h
∆m/S
10
/g c
m
Number of thermal shocks
combustion gases of fuel oil B10
combustion gases of fuel oil B5
.
-1
0
1airX53CrMnNiN20-8 steel
T = 1173 K0
1
-2
airX55CrMnNiN20-8 steelT = 1173 K
0 100 200 300-6
-5
-4
-3
-2
-1
∆m/S 1
0 /g
cm-2
Number of thermal shocks
1 cycle = 2h
combustion gases of fuel oil B10
combustion gases of fuel oil B5
air + H 2O
.
0 100 200 300
-5
-4
-3
-2
-1
∆m/S 1
0 / g
cm-2
Number of thermal shocks
1 cycle = 2h
combustion gasesof fuel oil B10
combustion gasesof fuel oil B5
air + H 2O
.
Obrazy próbek stali zaworowych poddanych korozji w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w atmosferach agresywnych
2000
2000X33CrNiMn23-8 steel Fe O
Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X33CrNiMn23-8w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K)
a) po 50 cyklach b) po 500 cyklach
0
500
1000
1500
2000
(Mn,Fe,Cr)3O4
Cr2O3
Inte
nsity
/
a. u
.
X33CrNiMn23-8 steel
0
500
1000
1500
Inte
nsity
/
a. u
.
X33CrNiMn23-8 steel Fe3O4
Fe2O3
Cr2O3
steel
10 20 30 40 50 60 70 800
2 Θ / deg
10 20 30 40 50 60 70 80 900
2 Θ / deg
500
500
Skład fazowy zgorzelin powstających na stali X50CrMnNiNbN21-9 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K)
a) po 20 cyklach b) po 150 cyklach
100
200
300
400
500
(Fe,Nb)3O4
(Nb,Cr)O2
NiCr2O4
(Cr,Fe)2O3
Fe3O4
Inte
nsity
/
a. u
.
X50CrMnNiNbN21-9 steel
100
200
300
400
500
Inte
nsity
/
a. u
.
X50CrMnNiNbN21-9 steel
Fe3O4
Fe2O3
10 20 30 40 50 60 70 800
2 Θ / deg
10 20 30 40 50 60 70 800
2 Θ / deg
Obraz SEI zgorzeliny powstającej na stali X50CrMnNiNbN21-9 w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w spalinach B10
Obrazy SEI zgorzelin powstających na wybranych stalach zaworowych w warunkach szoków termicznych (T = 1173 K) w spalinach B10
X50CrMnNiNbN21-9
X33CrNiMn23-8
PODSUMOWANIE
Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziłyprzypuszczenia, iż dodatek do oleju napędowego bio-przypuszczenia, iż dodatek do oleju napędowego bio-komponentów pogarsza odporność stosowanych aktualniestali do wyrobu zaworów silnikowych na agresywnedziałanie spalin. Można więc sformułować wniosek, żepodwyższenie zawartości biokomponentów w olejunapędowym z 5 do 10 % wag. wykluczyłoby praktyczniemożliwość stosowania stali o mniejszej niż 23 % chromu domożliwość stosowania stali o mniejszej niż 23 % chromu dowyrobu zaworów. Stal X33CrNiMn23-8 mogłaby być wzasadzie używana do tego celu, jednakże należałobyrozważyć podwyższenie o 2-3 % zawartość chromu w tymmateriale lub zastosowanie odpowiednich powłokochronnych.
Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę
Recommended