Leistungs- und Emissionsanalyse eines CI-Motors im Dual-Modus mit LPG und Karanja-Ölmethylester

Zusammenfassung

Es wird mit der Verwendung von Flüssiggas (LPG) experimentiert, um die Leistung eines Dual-Fuel-Kompressionszündungsmotors (CI) zu verbessern, der mit Karanja-Ölmethylester (KOME) -Mischungen betrieben wird. Diesel wird als Bezugskraftstoff für die Dual-Fuel-Motorergebnisse verwendet. Während des Versuchs wird die Motorleistung in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad der Bremse (BTE) und den spezifischen Kraftstoffverbrauch der Bremse (BSFC) gemessen, und die Abgasemission wird in Bezug auf Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxide () gemessen. Dual-Fuel-Motor mit LPG zeigte eine Verringerung der und Rauchemission; es leidet jedoch unter hohen HC- und CO-Emissionen, insbesondere bei niedrigeren Lasten aufgrund schlechter Zündung. Der Vergleich von Leistung und Emissionen erfolgt für Diesel und Mischungen von KOME. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verwendung von KOME-Mischungen (10% und 20%) die CI-Motorleistung mit einer Verringerung der HC- und CO-Emissionen verbessert hat.

1. Einleitung

Die erschöpfenden Erdölreserven und die Besorgnis über hohe Schadstoffgehalte in Fahrzeugabgasen haben die Forscher dazu motiviert, nach alternativen Energiequellen mit erneuerbarer Natur und weniger umweltschädlicher Wirkung zu suchen . Der Einsatz alternativer gasförmiger Brennstoffe in Dieselmotoren im Dual-Fuel-Modus nimmt aufgrund ihrer sauberen Verbrennung im Vergleich zu herkömmlichen flüssigen Brennstoffen sowie ihrer relativ erhöhten Verfügbarkeit zu attraktiven Preisen zu . Für den Ersatz von Erdölkraftstoffen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, Kraftstoff biologischen Ursprungs bietet eine praktikable Lösung für die Doppelkrisen „Erschöpfung fossiler Brennstoffe“ und „Umweltzerstörung“.“ Mehrere Forscher verfolgen weltweit aktiv die Nutzung von nicht essbaren Ölen für die Herstellung von Biodiesel, da diese sauberer verbrennen . Chemisch wird Biodiesel als Monoalkylester langkettiger Fettsäuren bezeichnet, die aus erneuerbaren Lipidquellen stammen. Der Hauptvorteil von Biodiesel besteht darin, dass er die Bildung von Schwefeldioxid-, CO-, HC- und PM-Emissionen während des Verbrennungsprozesses aufgrund des geringen Schwefelgehalts, der geringen Aromaten und der Anwesenheit sauerstoffhaltiger Verbindungen unterdrückt. Darüber hinaus hat Biodiesel eine gute Zündfähigkeit im Motor aufgrund seiner relativ hohen Cetanzahl im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff . Es wird festgestellt, dass die niedrigeren Konzentrationen von Biodieselmischungen die thermische Effizienz verbessern. Als Parameter, bei denen die Motoren arbeiten, funktioniert eine Mischung von bis zu 20% Biodiesel mit Diesel gut, ohne dass der Motor modifiziert wird . Die potenziellen Vorteile der Verwendung von Flüssiggas in Dieselmotoren sind sowohl wirtschaftlich als auch umweltfreundlich . Bei reduziertem Energieverbrauch zeigt der Dual-Fuel-Motor eine signifikante Verringerung der Rauchdichte und eine verbesserte HDO . Die Ansaugluftdrosselung bei niedrigen Lasten verbessert den thermischen Wirkungsgrad der Bremse, und die HC-Emission verschlechtert sich mit zunehmendem Prozentsatz der LPG-Substitution . In der vorliegenden Studie wurde die Wirkung von Biodieselmischungen auf die Leistungs- und Emissionseigenschaften eines Dieselmotors im Dual-Fuel-Modus experimentell mit der Variation der LPG-Durchflussrate untersucht.

2. Experimente

Ziel der Studie ist es, eine Kombination von Biodieselmischungen mit gasförmigem Kraftstoff im Dual-Fuel-Modus zu etablieren und die Leistungs- und Emissionseigenschaften des Motors mit LPG als gasförmigem Kraftstoff zu untersuchen.

2.1. Versuchsaufbau

Der in dieser Studie verwendete Motor ist ein wassergekühlter Einzylinder-Viertakt-Dieselmotor von Kirolskar. Die Spezifikationen des Motors sind in Tabelle 1 angegeben. Zwei separate Kraftstofftanks sind an der Einrichtung angebracht, um Diesel und Biodieselmischungen zu lagern. Der Motor ist mit einem hydraulischen Dynamometer gekoppelt, um die Betriebslast zu messen. Der Motor wird auf Dual-Fuel-Modus umgestellt, indem ein Verdampfer zwischen dem LPG-Tank und dem LPG-Durchgang im Ansaugkrümmer angebracht wird. Der Einlasskrümmer des Motors ist um 3 Fuß verlängert und die Gasdüse ist in den Krümmer gebohrt. Der LPG-Durchfluss wird durch ein Nadelventil gesteuert. Der Druck des Gases am Einlass des Verdampfers wird durch ein Manometer gemessen. Der Gasanalysator AVL 444 ist am Auspuff angebracht, um die Emissionsparameter zu messen. Der Messbereich und die Genauigkeit des Gasanalysators sind in Tabelle 2 angegeben. Zur Kühlung des Motors wird ein unter Druck stehendes Wasserkühlsystem mit geschlossenem Kreislauf verwendet. Eine digitale Plattformwaage mit einer Genauigkeit von 1 mg wird verwendet, um die LPG-Durchflussrate nach der Gewichtsdifferenzmethode mit einer Unsicherheit von 1,2% zu messen. Das Layoutdiagramm des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst wird der Motor mit Standarddiesel bei allen Lasten getestet, um die Motorleistung und die Emissionseigenschaften zu bestimmen. Das gleiche Verfahren wird im Dual-Fuel-Modus mit Erhöhung der LPG-Durchflussrate für alle Lasten wiederholt. Der Massenanteil von LPG () wird berechnet durch

Abbildung 1

Experimentelles Layout-Diagramm.

2.2. Herstellung von Karanja-Ölmethylester

Karanja-Ölmethylester (KOME) wird im Labor aus reinem Karanja-Pflanzenöl (Pongamia pinnata) hergestellt. Das extrahierte Pflanzenöl wird aus einer lokalen Ölmühle gewonnen. Für reines Karanja-Öl beträgt die freie Fettsäure (FFA) mehr als 5%. So wird die FFA durch säurekatalysierte Veresterung mit Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure () und anschließende Umesterung mit Methanol in Gegenwart von Kaliumhydroxid (KOH) reduziert. Nach Abtrennung von Glycerin wird der Ester mit Wasser gewaschen, um nicht umgesetztes Methoxid zu entfernen. Es wird dann erhitzt, um die Wasserspuren zu entfernen, um den sauberen Biodiesel zu erhalten. Der als Biodiesel bekannte Karanjaölmethylester, der somit nach diesem Verfahren hergestellt wird, ist in jedem Verhältnis vollständig mit Diesel mischbar .

3. Ergebnisse und Diskussion

Die Variationen der Leistungs- und Emissionsparameter mit der LPG-Durchflussrate werden in diesem Abschnitt diskutiert. Wie frühere Untersuchungen gezeigt haben, zeigen Mischungen von Biodiesel bis zu 20% eine bessere Leistung sowie verbesserte Emissionseigenschaften, während bei höheren Mischungen die Verringerung des Heizwerts die Leistung des Motors beeinträchtigt . Die Eigenschaften der Brennstoffe sind in Tabelle 3 dargestellt.

3.1. Bremsspezifischer Kraftstoffverbrauch

Der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch des Dual-Fuel-Modus wird mit Diesel und Biodieselmischungen erfasst. Ein Vergleich von BSFC bei 70% Last für Diesel und Mischungen von KOME bis zu 20% wurde in Abbildung 2 dargestellt. Es wird beobachtet, dass mit zunehmender Last BSFC abnimmt, wie mit zunehmender Last Zylinderdruck und Temperatur steigt, was den Verbrennungsprozess, was zu einer Abnahme der BSFC verbessert. Der BSFC-Anstieg mit zunehmendem Prozentsatz der LPG-Substitution bei Teillasten kann auf eine unvollständige Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs zurückzuführen sein, während sich bei höheren Lasten der BSFC mit zunehmender LPG-Substitution verbessert. Auf der anderen Seite nimmt BSFC allmählich mit zunehmendem Prozentsatz der Mischung ab. Dies kann auf das Vorhandensein von zusätzlichem molekularem Sauerstoff in Biodiesel zurückzuführen sein, der den Verbrennungsprozess verbessert. Ein Vergleich von BSFC mit Erhöhung der Last erfolgt bei 4 g /min Durchflussrate von LPG wurde in Abbildung 3 gezeigt. Es wird beobachtet, dass die BSFC mit zunehmender Belastung abnimmt. 20% Mischung von KOME (B-20) zeigt niedrigste BSFC gefolgt von 10% Mischung von KOME (B-10) und Diesel über den gesamten Lastbereich. Da die LPG-Durchflussrate konstant gehalten wurde, zeigen B-10 und B-20 eine verbesserte BSFC als Diesel.

Abbildung 2

Vergleich der Variation von BSFC mit dem Prozentsatz der Substitution von LPG.

Abbildung 3

Vergleich von BSFC mit Erhöhung des Prozentsatzes der Last.

3.2. Bremsthermischer Wirkungsgrad

Der bremsthermische Wirkungsgrad (BTE) aller Pilotkraftstoffe wird im Dual-Fuel-Modus beobachtet. Der Vergleich von BTE für Diesel B-10 und B-20 bei 70% Last wurde in Abbildung 4 gezeigt. Es wird festgestellt, dass B-10 und B-20 im Vergleich zu Standarddiesel bei allen Lasten eine bessere BTE liefern. Dies kann auf einen zusätzlichen Sauerstoffgehalt von Biodieselmischungen zurückzuführen sein, der den Verbrennungsprozess verbessert und dazu neigt, die BTE des Motors zu erhöhen. Aber mit zunehmender Substitution von LPG sinkt die BTE allmählich für alle Pilotkraftstoffe bei Teillastbedingungen, weil bei niedrigen Lasten weniger Pilotkraftstoff in den Zylinder aufprallt, und aufgrund der überschüssigen Luft und der niedrigen Zylindertemperatur entweicht eine magere Menge an Kraftstoffgemisch in das Abgas. Bei Diesel steigt die BTE bei höherer Last um bis zu 35% der LPG-Substitution. Bei höherer Last hat die Erhöhung der mittleren Gastemperatur den Effekt, dass die Kraftstoffzündverzögerung verringert wird, was zu einer verbesserten HDO führt. Ein Vergleich von BTE mit Erhöhung der Last für den gesamten Pilotkraftstoff bei 4 g / min Durchflussrate von LPG wurde in Abbildung 5 gezeigt. Es wird beobachtet, dass die HDO mit zunehmender Last zunimmt, während Mischungen von B-10 und B-20 im Vergleich zu Standarddiesel bei allen Lasten eine bessere HDO ergeben. Dies kann auf einen zusätzlichen Sauerstoffgehalt von Biodieselmischungen zurückzuführen sein, der den Verbrennungsprozess verbessert und dazu neigt, die BTE des Motors zu erhöhen.

Abbildung 4

Vergleich der Variation BTE mit Prozentsatz der Substitution von LPG.

Abbildung 5

Vergleich der HDO mit Erhöhung des Prozentsatzes der Belastung.

3.3. HC-Emissionen

HC-Emissionen bestehen aus vollständig unverbranntem oder teilweise verbranntem Kraftstoff. Typischerweise sind HC-Emissionen bei leichten Lasten für Dieselmotoren ernsthafte Probleme. Der Vergleich der HC-Emissionen aller Pilotkraftstoffe im Dual-Fuel-Modus wurde in Abbildung 6 gezeigt. Im Dual-Fuel-Modus mit zunehmender Substitution von LPG steigt die HC-Emission. Dies kann auf eine Verringerung der Frischluft mit einer Erhöhung der LPG-Durchflussrate zurückzuführen sein, was zu einer unvollständigen Verbrennung des Gasgemisches führt. Der HC-Emissionsgrad nimmt mit der Zunahme von Biodieselmischungen ab. Der verringerte Trend der HC-Emissionen im Vergleich zu Dieselkraftstoff könnte auf das Vorhandensein von Sauerstoffmolekülen in Biodiesel zurückzuführen sein, die zur vollständigen Verbrennung beitrugen. Bei einer Durchflussrate von 4 g / min LPG zeigte die Beobachtung, dass die HC-Emission mit zunehmender Last allmählich abnimmt. Es kann aufgrund der niedrigen Motortemperatur und mageres Gemisch als Teillasten wirkt sich auf die Verbrennung von Luft-Kraftstoff-Gemisch und nur wenige davon entweicht in den Auspuff. Während bei höherer Last mit Erhöhung der Spitzenzylindertemperatur eine ordnungsgemäße Verbrennung stattfindet, die die HC-Emission reduziert. Das Ergebnis ist in Abbildung 7 dargestellt. Die HC-Emission war am höchsten für Diesel, gefolgt von B-10 und B-20.

Abbildung 6

Vergleich der Variation der HC-Emission mit dem Prozentsatz der LPG-Substitution.

Abbildung 7

Vergleich der HC-Emission mit Erhöhung des Prozentsatzes der Belastung.

3.4. Emissionen

sind die schädlichsten gasförmigen Emissionen von Motoren. die Formationsrate hängt stark von der Gastemperatur im Zylinder ab. Daher beeinflussen die Kraftstoffverteilung innerhalb des Zylinders und sein Verbrennungsprozess die Bildung. Im Allgemeinen bildet sich bei der hohen Temperatur gebranntes Gas Regionen. Der Vergleich der Emissionsschwankungen mit der LPG-Substitution wurde in Abbildung 8 gezeigt. Die Emission nimmt mit zunehmender LPG-Durchflussrate ab. Dies kann auf eine Verringerung der Frischluft und eine hohe Selbstzündtemperatur von LPG zurückzuführen sein, was die Zündverzögerung erhöht, was zu einer verringerten Spitzenzylindertemperatur führt. Andererseits nimmt die Emission mit zunehmendem Anteil an Biodiesel zu, da der Sauerstoffgehalt von Biodiesel eine hohe lokale Temperatur liefert, die den Verbrennungsprozess verbessert. Die Variation der Emission mit Last bei 4 g / min LPG-Durchflussrate für Diesel, B-10 und B-20, wurde in Abbildung 9 gezeigt. Es wurde beobachtet, dass B-20 die höchsten Emissionen aufweist, gefolgt von B-10 und Standarddiesel.

Abbildung 8

Vergleich der Variation der Emission mit dem Prozentsatz der LPG-Substitution.

Abbildung 9

Vergleich der Emission mit Erhöhung des Prozentsatzes der Last.

3.5. CO-Emissionen

Im Allgemeinen tritt die CO-Emission des Motors aufgrund einer partiellen Oxidation des Kraftstoffgemisches auf. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der CO-Bildung eine Funktion des unverbrannten Kraftstoffs und der Gemischtemperatur während der Verbrennung ist, da beide Faktoren die Zersetzung und Oxidation des Kraftstoffs steuern. Die Variationen der CO-Emission mit LPG-Substitution wurden in Abbildung 10 gezeigt. Es wird beobachtet, dass mit zunehmender Substitution von LPG zunächst die CO-Emission bis zu 25% der Substitution für alle drei Pilotkraftstoffe abnimmt. Aber mit weiterem Anstieg der LPG-Durchflussrate steigt die CO-Emission; kann aufgrund der Reduktion von Frischsauerstoff zu einer partiellen Oxidation des Kraftstoffgemisches führen. Mit zunehmendem Anteil der Mischung nimmt die CO-Emission ab. Dies zeigt, dass möglicherweise aufgrund des Vorhandenseins von zusätzlichem Sauerstoff in Mischungen im Vergleich zu reinem Diesel eine ordnungsgemäße Oxidation der Mischungen zu einer geringeren CO-Emission führt. Bei einer Durchflussrate von 4 g / min LPG zeigt die Beobachtung, dass die CO-Emission mit zunehmender Belastung allmählich abnimmt. Es kann sein, dass aufgrund der niedrigen Motortemperatur und des mageren Gemisches bei Teillasten das gesamte Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht vollständig verbrennt und nur wenig davon in den Auspuff entweicht. Die CO-Emission war am höchsten für Diesel, gefolgt von B-10 und B-20. Das Ergebnis ist in Abbildung 11 dargestellt.

Abbildung 10

Vergleich der Variation der CO-Emission mit dem Prozentsatz der LPG-Substitution.

Abbildung 11

Vergleich der CO-Emission mit Erhöhung des Prozentsatzes der Belastung.

4. Schlussfolgerung

In der vorliegenden Arbeit wurde eine experimentelle Untersuchung durchgeführt, um die Auswirkungen der Induktion von Flüssiggas in den Motorkrümmer (direkt neben dem Einlassventil) mit KOME als Pilotkraftstoff zu untersuchen. Aus der Analyse der experimentellen Daten geht hervor, dass sich BSFC und BTE für den CI-Motor mit B-10 und B-20 im Vergleich zu Diesel verbessert haben. Während bei Teillast die BSFC mit zunehmender LPG-Substitution sowohl zunimmt als auch abnimmt, wurde bei höheren Lasten eine Verbesserung für beide Parameter beobachtet. Die HC- und CO-Emissionen wurden im Dual-Fuel-Modus erhöht. Mischungen von KOME haben jedoch im Dual-Fuel-Modus im Vergleich zu Diesel geringere HC- und CO-Emissionen gezeigt. Die Emission wurde im Dual-Fuel-Modus für alle drei Pilotkraftstoffe reduziert, während mit zunehmendem Mischungsprozentsatz von KOME eine Zunahme der Emission beobachtet wurde. Höhere Mischungen von KOME haben eine höhere Viskosität, was sich auf die Zerstäubung des Pilotkraftstoffs auswirkt. Eine weitere Verbesserung der Leistungs- und Emissionseigenschaften im Dual-Fuel-Modus mit höheren Mischungen kann durch Erhöhung des Einspritzdrucks möglich sein.