Celem pracy było określenie wpływu II generacji biodiesla na parametry paliwowe zgodnie z normą PN-EN 14214 oraz pracę silnika ZS i emisję składników szkodliwych spalin. Dla realizacji rozprawy doktorskiej było istotne to, aby znaleźć taką roślinę, z której olej pozwoli na wytworzenie biodiesla II generacji. Dodatkowo ważne było ustalenie, czy wpłynie on korzystnie na parametry pracy silnika i/lub emisję zanieczyszczeń. W ramach analizy wytypowano roślinę – palmę Babassu, której olej nie nadaje się na cele żywieniowe oraz w dodatku różni się w około
60% [m/m] składem i układem kwasów tłuszczowych od roślin uprawianych w Europie i Ameryce Północnej, z których aktualnie są produkowane biopaliwa I generacji. Spodziewano
się, że odmienny skład kwasów tłuszczowych pozwoli na wytworzenie biodiesla, który będzie się różnił parametrami od biodiesla referencyjnego RME oraz wpłynie korzystnie na parametry pracy i skład spalin silnika ZS. Następnie zostały podjęte próby wytworzenia biodiesla, który swoją czystością spełni wymogi normy PN-EN 14214, czyli w którym zawartość estrów będzie wynosiła co najmniej 96,5% [m/m]. Dodatkowo postawiono sobie za cel, wytworzenia biodiesla z udziałem korzystniejszego niż obecnie używanego, alkoholu. Po badaniach wstępnych tym alkoholem okazał się n-butanol. W procesie transestryfikacji, podczas której rozkładana jest i przebudowywana każda cząstka oleju na cztery mniejsze, wchodzi on do struktury trzech cząstek estrów (dla nas biodiesla) oraz jednej odpadowej cząsteczki - gliceryny. W kolejnym etapie przeprowadzono analizy obejmujące określenie parametrów wytworzonego biodiesla II generacji z oleju babassu (BBuE) i porównanie ich z parametrami dla referencyjnego biodiesla RME oraz dodatkowo dla porównania z handlowym olejem napędowym. W następnym etapie przeprowadzono badania silnikowe na hamowni silnikowej, których celem było określenie wpływu zasilania silnika biodieslem BBuE na parametry efektywne pracy Ne i Mo oraz na emisję składników spalin oraz jednostkowe i godzinowe zużycie paliwa. Analogiczne badania przeprowadzono dla RME i oleju napędowego. Spodziewano się że biodiesel BBuE, który zawiera 60% [m/m] estrów kwasów tłuszczowych o krótkich łańcuchach węglowych, czyli od C-6 do C-14, wpłynie korzystnie na parametry zapłonowe, temperaturę początku destylacji, liczbę cetanową, może wartość opałową, a więc kluczowe parametry paliwowe. Badania miały pokazać, jak się zmieniają poszczególne parametry, które są lepsze niż biodiesla RME obecnie
Jako narzędzia badawcze została wykorzystana aparatura badawcza pochodząca z różnych laboratoriów. Badania parametrów paliwowych wykonano w laboratoriach następujących jednostek: Uniwersytet Ekonomiczny w Krakowie, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Małopolskie Centrum Odnawialnych Źródeł Energii „BioEnergia”. Natomiast badania silnikowe wykonano w laboratorium w Politechnice Świętokrzyskiej w Kielcach. Aparatura oraz opracowana metodyka pozwoliły na ocenę parametrów fizykochemicznych wytworzonego biopaliwa BBuE oraz parametrów efektywnych silnika i toksyczność spalin i porównaniu ich z parametrami RME i oleju napędowego, zgodnie z obowiązującymi normami oraz procedurami.
W pracy sformułowano następujące cele szczegółowe:
1. Znalezienie rośliny o innym składzie i układzie kwasów tłuszczowych niż powszechnie używany w Europie olej rzepakowy czy olej słonecznikowy.
2. Wytworzenie biodiesla nowej, czyli II generacji z rośliny nieżywieniowej (oleju babassu), spełniającego normę PN-EN 14214 na ilość estrów w biodieslu. Spełnienie wymienionego założenia pozwala na stwierdzenie, że uzyskane biopaliwo jest rzeczywiście biodieslem.
3. Określenie, czy i ewentualnie w jaki sposób odmienny skład i układ kwasów tłuszczowych w stosunku do olejów z roślin pierwszej generacji wpłynie na zmianę właściwości fizykochemicznych wytworzonego biodiesla oraz parametry pracy silnika. Co z kolei, może przyczynić się do wytworzenia w przyszłości, nowej rośliny na paliwo II i wyższych generacji o polepszonych parametrach.
4. Znalezienie innego alkoholu w stosunku do obecnie używanych do produkcji biodiesla, tak aby uzyskać biopaliwo o polepszonych właściwościach przeciwdziałających anomaliom podczas spalania, które mają miejsce, jeżeli w FAME zostanie pewna ilość nieprzereagowanego alkoholu.
5. Wykonanie badań silnikowych na hamowni silnikowej określających wpływ zasilania II generacji biodieslem na parametry pracy silnika z zapłonem samoczynnym oraz toksyczność spalin. W ramach badań zostaną porównane ww. parametry z parametrami silnika zasilanego estrami metylowymi oleju rzepakowego RME oraz handlowym olejem napędowym.
W pracy postawiono następujące hipotezy:
H1: Jest możliwe wyprodukowanie biodiesla II generacji z oleju rośliny babassu, który spełni, ze względu na sumaryczną ilość estrów w BBuE, wymogi normy PN-EN 14214:2014.
H2: Odmienny skład i układ kwasów tłuszczowych występujący w oleju babassu (zawiera 60%
kwasów od C6 - C14, których nie ma w RME) wpłynie korzystnie na wybrane parametry fizykochemiczne wytworzonego biodiesla BBuE.
H3: Zasilanie silnika biodieslem BBuE w stosunku do zasilania RME i oleju napędowego wpłynie korzystnie na efektywne parametry pracy silnika i/lub emisję niepożądanych składników spalin.
Cel pracy należy uznać za osiągnięty jeżeli uzyska się pozytywne odpowiedzi na postawione hipotezy, czyli:
1. Uda się wytworzyć z oleju babassu (o odmiennym składzie i układzie kwasów tłuszczowych od obecnie używanych do produkcji FAME) biodiesel, który spełni ze względu na ilość estrów w BBuE wymogi normy PN-EN 14214. Gdy parametry paliw uzyskane w wyniku analiz będą mieścić się w granicach dopuszczalnych przedstawionych w stosownych normach. W celu określenia jakości wytworzonych BBuE i dla porównania RME zostaną zostaną przeprowadzone następujące analizy: liczba kwasowa, liczba jodowa, stabilność oksydacyjna, gęstość w temperaturze 15oC, temperatura zapłonu, liczba cetanowa, ciepło spalania i wartość opałowa. Dla lepszej oceny parametrów reologicznych zostanie określona lepkość dynamiczna, której wartości dodatkowo zostaną wyznaczone w funkcji temperatury.
Jeżeli lepkość dynamiczna BBuE będzie miała niższe wartości od RME, to okaże się, że charakteryzuje się mniejszymi oporami przepływu i będzie korzystnie wpływał na polepszenie wtrysku, rozpylenia strugi i przyczyni się do skrócenia fizycznego i chemicznego okresu opóźnienia zapłonu.
2. Po przeanalizowaniu 13 parametrów paliwowych, okaże się, że spośród badanych paliw, biodiesel II generacji BBuE będzie charakteryzował się lepszymi wartościami w więcej niż połowie (co najmniej 8) parametrów niż biodiesel I generacji RME.
3. Zasilanie silnika biodieslem II generacji wpłynie korzystnie na efektywne parametry pracy silnika i/lub emisję przez niego niepożądanych składników spalin.