Analyse des performances et des émissions d’un moteur CI en mode double avec du GPL et de l’ester méthylique d’huile de Karanja

Résumé

L’utilisation de gaz de pétrole liquéfié (GPL) est expérimentée pour améliorer les performances d’un moteur à allumage par compression à double carburant (CI) fonctionnant sur des mélanges d’ester méthylique d’huile de Karanja (KOME). Le diesel est utilisé comme carburant de référence pour les résultats du moteur bicarburant. Au cours de l’expérimentation, les performances du moteur sont mesurées en termes d’efficacité thermique des freins (BTE) et de consommation de carburant spécifique aux freins (BSFC), et les émissions d’échappement sont mesurées en termes de monoxyde de carbone (CO), d’hydrocarbures (HC) et d’oxydes d’azote (). Le moteur bicarburant au GPL a montré une réduction des émissions de fumée et de fumée; cependant, il souffre d’émissions élevées de HC et de CO, en particulier à des charges plus faibles en raison d’un mauvais allumage. La comparaison des performances et des émissions est effectuée pour le diesel et les mélanges de KOME. Les résultats ont montré que l’utilisation de mélanges KOME (10% et 20%) a amélioré les performances du moteur CI avec une réduction des émissions de HC et de CO.

1. Introduction

L’épuisement des réserves de pétrole et l’inquiétude suscitée par les niveaux élevés de polluants dans les gaz d’échappement des véhicules ont motivé les chercheurs à rechercher des sources d’énergie alternatives de nature renouvelable et moins polluantes. L’utilisation de carburant gazeux alternatif dans les moteurs à allumage commandé en mode bicarburant augmente en raison de leur combustion propre par rapport aux carburants liquides conventionnels ainsi que de leur disponibilité relativement accrue à des prix attractifs. Pour remplacer les carburants pétroliers utilisés dans les moteurs à combustion interne, le carburant d’origine biologique offre une solution réalisable aux crises jumelles de « l’épuisement des combustibles fossiles » et de « la dégradation de l’environnement ». »Plusieurs chercheurs poursuivent activement l’utilisation d’huiles non comestibles pour la production de biodiesel dans le monde entier en raison de sa nature de combustion plus propre. Chimiquement, le biodiesel est appelé mono-alkyl-esters d’acides gras à longue chaîne dérivés de sources de lipides renouvelables. Les principaux avantages du biodiesel sont qu’il supprime la formation d’émissions de dioxyde de soufre, de CO, de HC et de particules pendant le processus de combustion en raison de la faible teneur en soufre, de la faible teneur en aromatiques et de la présence de composés contenant de l’oxygène. De plus, le biodiesel a une bonne capacité d’allumage dans le moteur en raison de son indice de cétane relativement élevé par rapport à celui du carburant diesel conventionnel. On constate que les concentrations plus faibles de mélanges de biodiesel améliorent l’efficacité thermique. Comme les paramètres auxquels les moteurs fonctionnent, un mélange jusqu’à 20% de biodiesel avec du diesel fonctionne bien sans aucune modification du moteur. Les avantages potentiels de l’utilisation du GPL dans les moteurs diesel sont à la fois économiques et respectueux de l’environnement. Avec une consommation d’énergie réduite, le moteur bicarburant présente une réduction significative de la densité de fumée et un BTE amélioré. L’étranglement de l’air d’admission à faible charge améliore l’efficacité thermique des freins et les émissions de HC se détériorent avec l’augmentation du pourcentage de substitution du GPL. Dans la présente étude, l’effet des mélanges de biodiesel sur les performances et les caractéristiques d’émission d’un moteur diesel en mode bicarburant a été étudié expérimentalement avec la variation du débit de GPL.

2. Expérimentation

L’objectif de l’étude est d’établir une combinaison de mélanges de biodiesel avec du carburant gazeux en mode bicarburant et d’étudier les performances et les caractéristiques d’émission du moteur avec du GPL comme carburant gazeux.

2.1. Configuration expérimentale

Le moteur utilisé dans cette étude est un moteur diesel monocylindre à quatre temps refroidi à l’eau fabriqué par Kirolskar. Les spécifications du moteur sont données dans le tableau 1. Deux réservoirs de carburant séparés sont fixés à la configuration pour stocker le diesel et les mélanges de biodiesel. Le moteur est couplé à un dynamomètre hydraulique pour mesurer la charge de fonctionnement. Le moteur est modifié en mode bicarburant en fixant un vaporisateur entre le réservoir de GPL et le passage de GPL dans le collecteur d’admission. Le collecteur d’admission du moteur est allongé de 3 pieds et la buse de gaz est percée dans le collecteur. Le débit de GPL est contrôlé par une vanne à pointeau. La pression du gaz à l’entrée du vaporisateur est mesurée par un manomètre. L’analyseur de gaz AVL 444 est fixé à l’échappement pour mesurer les paramètres d’émission. La plage de mesure et la précision de l’analyseur de gaz sont indiquées dans le tableau 2. Un système de refroidissement par eau en circuit fermé sous pression est utilisé pour refroidir le moteur. Une machine de pesage à plate-forme de type numérique ayant une précision de 1 mg est utilisée pour mesurer le débit de GPL par méthode de différence de poids avec une incertitude de 1,2%. Le schéma de configuration de la configuration expérimentale est illustré à la figure 1. Initialement, le moteur est testé avec du diesel standard à toutes les charges pour déterminer les performances du moteur et les caractéristiques d’émission. La même procédure est répétée en mode bicarburant avec augmentation du débit de GPL pour toutes les charges. La fraction massique de GPL () est calculée par

Figure 1

Schéma de mise en page expérimental.

2.2. Production d’Ester méthylique d’huile de Karanja

L’ester méthylique d’huile de Karanja (KOME) est préparé en laboratoire à partir d’huile végétale pure de Karanja (Pongamia pinnata). L’huile végétale extraite est obtenue à partir d’un moulin à huile local. Pour l’huile de Karanja pure, l’acide gras libre (FFA) est supérieur à 5%. Ainsi, le FFA est réduit par estérification catalysée par l’acide au méthanol en présence d’acide sulfurique () suivie d’une transestérification au méthanol en présence d’hydroxyde de potassium (KOH). Après séparation du glycérol, l’ester est lavé à l’eau pour éliminer le méthylate n’ayant pas réagi. Il est ensuite chauffé pour éliminer les traces d’eau afin d’obtenir le biodiesel propre. L’ester méthylique d’huile de Karanja connu sous le nom de biodiesel, ainsi, produit par ce procédé est totalement miscible avec le diesel dans n’importe quelle proportion.

3. Résultats et discussion

Les variations des paramètres de performance et d’émission avec le débit de GPL sont examinées dans cette section. Comme les recherches précédentes ont indiqué que les mélanges de biodiesel jusqu’à 20% présentent de meilleures performances ainsi que des caractéristiques d’émission améliorées, tandis qu’avec des mélanges plus élevés, la réduction du pouvoir calorifique entrave les performances du moteur. Les propriétés des carburants sont indiquées dans le tableau 3.

3.1. Consommation de carburant spécifique au frein

La consommation de carburant spécifique au frein du mode bicarburant est enregistrée avec du diesel et des mélanges de biodiesel. La figure 2 présente une comparaison entre le BSFC à 70 % de charge pour le diesel et les mélanges de KOME jusqu’à 20 %. On observe qu’en augmentant la charge, la BSFC diminue, comme avec l’augmentation de la pression et de la température du cylindre de charge, ce qui améliore le processus de combustion entraînant une diminution de la BSFC. Le BSFC augmente avec l’augmentation du pourcentage de substitution du GPL à des charges partielles peut être dû à une combustion incomplète du combustible gazeux, tandis qu’à des charges plus élevées, le BSFC s’améliore avec l’augmentation de la substitution du GPL. D’autre part, le BSFC diminue progressivement avec l’augmentation du pourcentage de mélange. Ceci peut être attribué à la présence d’oxygène moléculaire supplémentaire présent dans le biodiesel qui améliore le processus de combustion. Une comparaison du BSFC avec l’augmentation de la charge est effectuée à un débit de GPL de 4 g / min a été illustrée à la figure 3. On observe que le BSFC diminue avec l’augmentation de la charge. Le mélange à 20% de KOME (B-20) affiche le BSFC le plus bas suivi par le mélange à 10% de KOME (B-10) et de diesel sur toute la plage de charge. Comme le débit de GPL était maintenu constant, B-10 et B-20 montrent un BSFC plus amélioré que le diesel.

Figure 2

Comparaison de la variation du BSFC avec le pourcentage de substitution du GPL.

Figure 3

Comparaison du BSFC avec l’augmentation du pourcentage de charge.

3.2. Efficacité thermique des freins

L’efficacité thermique des freins (BTE) de tous les carburants pilotes est observée en mode bicarburant. La comparaison du BTE pour le diesel B-10 et B-20 à 70% de charge a été illustrée à la figure 4. On constate que B-10 et B-20 donnent un meilleur BTE à toutes les charges par rapport au diesel standard. Ceci peut être attribué à la teneur en oxygène supplémentaire des mélanges de biodiesel qui améliore le processus de combustion tendant à augmenter le BTE du moteur. Mais avec l’augmentation de la substitution du GPL, le BTE diminue progressivement pour tous les carburants pilotes dans des conditions de charge partielle, car à faible charge, moins de carburant pilote est impacté dans le cylindre, et en raison de l’excès d’air et de la basse température du cylindre, une quantité maigre de mélange de carburant s’échappe dans les gaz d’échappement. Alors que pour le diesel, le BTE augmente à une charge plus élevée jusqu’à 35% du remplacement du GPL. À une charge plus élevée, l’augmentation de la température moyenne du gaz a pour effet de réduire le retard d’allumage du carburant, ce qui se traduit par une amélioration du BTE. Une comparaison du BTE avec l’augmentation de la charge pour tout le carburant pilote à un débit de GPL de 4 g / min a été illustrée à la figure 5. On observe que le BTE augmente avec l’augmentation de la charge, tandis que les mélanges de B-10 et de B-20 donnent un meilleur BTE à toutes les charges par rapport au diesel standard. Ceci peut être attribué à la teneur en oxygène supplémentaire des mélanges de biodiesel qui améliore le processus de combustion tendant à augmenter le BTE du moteur.

Figure 4

Comparaison de la variation BTE avec le pourcentage de substitution du GPL.

Figure 5

Comparaison du BTE avec l’augmentation du pourcentage de charge.

3.3. Émissions de HC

Les émissions de HC sont constituées de carburant complètement imbrûlé ou partiellement brûlé. En règle générale, les émissions de HC posent de graves problèmes à des charges légères pour les moteurs diesel. La comparaison des émissions de HC de tous les carburants pilotes en mode bicarburant est illustrée à la figure 6. En mode bicarburant avec augmentation de la substitution du GPL, les émissions de HC augmentent. Cela peut être dû à une réduction de l’air frais avec une augmentation du débit de GPL, ce qui entraîne une combustion incomplète du mélange plus riche. Le niveau d’émission de HC diminue avec l’augmentation des mélanges de biodiesel. La tendance à la baisse des émissions de HC par rapport au carburant diesel pourrait être due à la présence de molécules d’oxygène dans le biodiesel, ce qui a contribué à la combustion complète. À un débit de GPL de 4 g / min, l’observation a montré que les émissions de HC diminuent progressivement avec l’augmentation de la charge. Cela peut être dû à la basse température du moteur et au mélange pauvre, car les charges partielles affectent la combustion du mélange air-carburant et peu de celui-ci s’échappe dans les gaz d’échappement. Alors qu’à une charge plus élevée avec une augmentation de la température maximale du cylindre, une combustion appropriée a lieu, ce qui réduit les émissions de HC. Le résultat a été illustré à la figure 7. Les émissions de HC étaient les plus élevées pour le diesel, suivies des B-10 et B-20.

Figure 6

Comparaison de la variation des émissions de HC avec le pourcentage de substitution du GPL.

Figure 7

Comparaison des émissions de HC avec l’augmentation du pourcentage de charge.

3.4. Les émissions

sont les émissions gazeuses les plus nocives des moteurs. le taux de formation dépend fortement de la température du gaz dans la bouteille. Par conséquent, la distribution du carburant dans le cylindre et son processus de combustion affectent la formation. Se forme généralement dans les régions de gaz brûlés à haute température. La comparaison des variations des émissions avec la substitution du GPL est illustrée à la figure 8. Les émissions diminuent avec l’augmentation du débit de GPL. Cela peut être attribué à la réduction de l’air frais et à la température élevée d’auto-inflammation du GPL, ce qui augmente le délai d’allumage, ce qui réduit la température maximale des bouteilles. D’autre part, les émissions augmentent avec l’augmentation du pourcentage de mélange de biodiesel, car la teneur en oxygène du biodiesel fournit une température locale élevée qui améliore le processus de combustion. La variation des émissions avec une charge à 4 g / min de débit de GPL pour le diesel, B-10 et B-20, a été illustrée à la figure 9. Il a été observé que le B-20 présente les émissions les plus élevées, suivi du B-10 et du diesel standard.

Figure 8

Comparaison de la variation des émissions avec le pourcentage de substitution du GPL.

Figure 9

Comparaison des émissions avec l’augmentation du pourcentage de charge.

3.5. Émissions de CO

Généralement, les émissions de CO du moteur sont dues à l’oxydation partielle du mélange de carburant. Comme il est bien connu, le taux de formation de CO est fonction du combustible imbrûlé et de la température du mélange lors de la combustion, ces deux facteurs contrôlant la décomposition et l’oxydation du combustible. Les variations des émissions de CO avec la substitution du GPL ont été illustrées à la figure 10. On observe qu’avec l’augmentation de la substitution du GPL, l’émission de CO diminue initialement jusqu’à 25% de substitution pour les trois carburants pilotes. Mais avec une augmentation supplémentaire du débit de GPL, les émissions de CO augmentent; peut-être en raison de la réduction de l’oxygène frais conduit à une oxydation partielle du mélange de carburant. Avec l’augmentation de la proportion de mélange, les émissions de CO diminuent. Cela montre que peut-être en raison de la présence d’oxygène supplémentaire dans les mélanges par rapport au diesel propre, une oxydation appropriée des mélanges entraîne une réduction des émissions de CO. À un débit de GPL de 4 g/min, l’observation montre que les émissions de CO diminuent progressivement en augmentant la charge. Cela peut être dû à la basse température du moteur et au mélange pauvre à charges partielles, tout le mélange air-carburant ne brûle pas complètement et peu d’entre eux s’échappent dans les gaz d’échappement. Les émissions de CO étaient les plus élevées pour le diesel, suivies des B-10 et B-20. Le résultat a été montré à la figure 11.

Figure 10

Comparaison de la variation des émissions de CO avec le pourcentage de substitution du GPL.

Figure 11

Comparaison des émissions de CO avec l’augmentation du pourcentage de charge.

4. Conclusion

Dans le présent travail, une étude expérimentale a été menée pour examiner les effets de l’induction du GPL dans le collecteur du moteur (juste à côté de la soupape d’admission) avec KOME comme carburant pilote. De l’analyse des données expérimentales, il est observé que BSFC et BTE se sont améliorés pour le moteur CI avec B-10 et B-20 par rapport au diesel. En charge partielle, le BSFC augmente ainsi que le BTE diminue avec l’augmentation de la substitution du GPL, mais une amélioration a été observée pour les deux paramètres à des charges plus élevées. Les émissions de HC et de CO ont augmenté en mode bicarburant. Mais les mélanges de KOME ont montré une réduction des émissions de HC et de CO en mode bicarburant par rapport au diesel. Les émissions ont été réduites en mode bicarburant pour les trois carburants pilotes, tandis qu’avec l’augmentation du pourcentage de mélange de KOME, une augmentation des émissions a été observée. Les mélanges plus élevés de KOME ont une viscosité plus élevée, ce qui affecte l’atomisation du carburant pilote. Une amélioration supplémentaire des performances et des caractéristiques d’émissions en mode bicarburant avec des mélanges plus élevés peut être possible en augmentant la pression d’injection.