Biodiesel stability effect on diesel fuel injection equipment

Abstract

The subject of this study is the investigation of the effect of fatty acid methyl esters (FAME) biodiesel fuel degradation on the operation of a modern vehicle’s fuel injection equipment (FIE) and specifically οn solenoid injectors and high-pressure pump. An advanced experimental FIE test rig, that is able to accurately simulate the operation of the FIE and reproduce the formation of deposits inside FIE components, has been developed. The study focuses specifically on deposits formed during the polymerization of secondary oxidation products from autoxidation processes. Autoxidation is a free radical chain process consisting of chain initiation, propagation, and termination steps. The initiation is characterized by the depletion of oxidation stability and the formation of peroxides (intermediate product) and is represented by an exponential increase of the peroxide number (POΝ). Peroxide decomposition leads to the formation of secondary oxidation products that is reflected by an exponential increase of total acidity number (TAN). Parametric investigation of the effect of biodiesel aging on the formation of deposits showed that the rate of deposit formation is exacerbated by the increase in FAME concentration, Moreover, injector heating and injector post-heating (where the injector is soaking in elevated temperature without operating during engine cooling), showed to accelerate fuel degradation and injector failure. Injector complete blockage was observed in idle conditions due to deposits. Injection flow was partially restored with fuel change, but blockage was achieved faster afterwards. B20 pre-aging was studied to assess the impact of fuel degradation speed and level, relative to deposit formation. A selection of European market B7 fuels with different FAME profiles was comparatively evaluated on the rig as regards their impact on injection flow and pump response deterioration. Various FIEs that are commonly found on small and medium sized vehicles were tested and found that injection flow deterioration and internal deposits were affected by injector design. Fuel aging speed and FIE failure was found to be related to TAN. Analytical techniques including FTIR, TGA, GC and SEM/EDS were employed to compare fresh and aged fuels and, in addition, to characterize deposits. The experimental data of the FIE test rig have been assessed to develop an empirical model for the representation of the processes that lead to internal injector deposits due to fuel degradation from autoxidation reactions. The experimental methodology developed is proposed as a reference test for the evaluation of current and future automotive fuels as regards their tendency to form deposits.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη της υποβάθμισης του βιοντίζελ από μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (FAME) λόγω της οξείδωσής του και η δημιουργία επικαθίσεων στο εσωτερικό των εξαρτημάτων συστήματος έγχυσης καυσίμου (FIE) τεχνολογίας κοινού αυλού, όπως οι ηλεκτρομαγνητικοί εγχυτήρες και η αντλία υψηλής πίεσης. Για τον συγκεκριμένο σκοπό, αναπτύχθηκε μια τεχνικά προηγμένη πειραματική διάταξη λειτουργίας του συστήματος έγχυσης η οποία προσομοιώνει με ακρίβεια τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος σε όχημα και είναι ικανή να αναπαράγει τον μηχανισμό δημιουργίας επικαθίσεων στο εσωτερικό των εξαρτημάτων έγχυσης. Η διατριβή εστιάζει στη μελέτη της δημιουργίας επικαθίσεων λόγω πολυμερισμού των προϊόντων δευτερογενούς οξείδωσης. Η οξείδωση περιλαμβάνει αλυσιδωτές αντιδράσεις έναρξης, διάδοσης και τερματισμού. Αρχικά παρατηρείται μείωση της οξειδωτικής σταθερότητας η οποία ακολουθείται από εκθετική αύξηση παραγωγής υπεροξειδίων, η οποία χαρακτηρίζεται από την ανάλυση αριθμού υπεροξειδίων (PON). Tα υπεροξείδια στην συνέχεια διασπώνται και σχηματίζουν προϊόντα δευτερογενούς οξείδωσης τα οποία χαρακτηρίζονται από την ανάλυση συνολικού αριθμού οξύτητας (ΤΑΝ). Πραγματοποιήθηκε πειραματικά η παραμετρική ανάλυση της γήρανσης του βιοντίζελ σε σχέση με την αστοχία του συστήματος έγχυσης από επικαθίσεις. Παρατηρήθηκε πως η αύξηση περιεκτικότητας βιοντίζελ, η αύξηση της θερμοκρασίας στους εγχυτήρες καθώς και η προγήρανση του καυσίμου επιταχύνει τον ρυθμό οξείδωσης και κατά συνέπεια τον ρυθμό σχηματισμού επικαθίσεων. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ολική απόφραξη των εγχυτήρων σε χαμηλό φορτίο λειτουργίας. Η χρήση φρέσκου καυσίμου επανάφερε μερικώς τους εγχυτήρες οι οποίοι όμως στην συνέχεια αστόχησαν και πάλι με ταχύτερο ρυθμό. Καύσιμα αγοράς (Β7) με διαφορετική σύσταση μεθυλεστέρων αξιολογήθηκαν συγκριτικά στην διάταξη αναφορικά με την επίδρασή τους στον χρόνο αστοχίας των εγχυτήρων και της αντλίας υψηλής πίεσης. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν συγκριτικές δοκιμές αστοχίας διαφορετικών συστημάτων έγχυσης τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε πετρελαιοκίνητα οχήματα παραγωγής και παρατηρήθηκε διαφορετικός ρυθμός αστοχίας εγχυτήρων για κάθε σύστημα. Η ταχύτητα γήρανσης του καυσίμου και η αστοχία του συστήματος έγχυσης βρέθηκε να σχετίζεται με τον συνολικό αριθμό οξύτητας (ΤΑΝ). Διάφορες εργαστηριακές τεχνικές (FTIR, TGA, GC, SEM/EDS) χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση φρέσκων και γερασμένων καυσίμων καθώς και για τον χαρακτηρισμό των σχηματιζόμενων επικαθίσεων. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη ενός εμπειρικού μοντέλου που αναπαριστά τις διεργασίες που οδηγούν στην δημιουργία επικαθίσεων λόγω οξείδωσης του καυσίμου. Η διάταξη που αναπτύχθηκε είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί σαν μέθοδος αναφοράς για την αξιολόγηση της επίπτωσης τωρινών καθώς και μελλοντικών βιοκαυσίμων.