Absztrakt
használatát, hogy cseppfolyósított ásványolaj-gáz (LPG) az kísérletezett, hogy javítsa a teljesítményét, kettős tüzelőanyag-kompressziós gyújtású (CI) motor Karanja olaj metil-észter (KOME) keverékek. Dízel használt referencia-üzemanyagként használt a kettős tüzelőanyag-motor eredmények. A kísérlet során a motor teljesítményét a fék termikus hatásfoka (BTE) és a fék fajlagos üzemanyag-fogyasztása (BSFC), a kipufogógáz-kibocsátást pedig szén-monoxid (CO), szénhidrogén (HC) és nitrogén-oxidok () tekintetében mérik. A PB-gázzal működő kettős üzemű motor csökkentette a füstkibocsátást és a füstkibocsátást; azonban magas HC-és CO-kibocsátással szenved, különösen alacsonyabb terhelés esetén a gyenge gyújtás miatt. A teljesítmény és a károsanyag-kibocsátás összehasonlítása a dízel és a KOME keverékei esetében történik. Az eredmények azt mutatták, hogy a KOME keverékek használata (10% és 20%) javította a CI motor teljesítményét a HC és CO kibocsátás csökkentésével.
1. Bevezetés
a kőolajkészletek kimerülése és a járművek kipufogógázában lévő magas szennyezőanyag-tartalom miatti aggodalom arra ösztönözte a kutatókat, hogy megújuló természetű és kevésbé szennyező alternatív energiaforrásokat keressenek . Az alternatív gáznemű tüzelőanyagok használata a kompressziós gyújtású motorokban kettős üzemű üzemmódban növekszik, mivel a hagyományos folyékony tüzelőanyagokhoz képest tiszta égésűek, valamint viszonylag megnövekedett elérhetőségük vonzó áron . A belső égésű motorokban használt kőolaj-üzemanyagok helyettesítésére a bio eredetű üzemanyag megvalósítható megoldást kínál a “fosszilis tüzelőanyagok kimerülése” és a “környezetromlás” kettős válságára.”Számos kutató aktívan folytatja a nem ehető olajok felhasználását a biodízel előállításához világszerte, tisztább égési jellege miatt . Kémiailag a biodízelt megújuló lipidforrásokból származó hosszú láncú zsírsavak mono-alkil-észtereinek nevezik. A biodízel fő előnye, hogy elnyomja a kén-dioxid, a CO, a HC és a PM kibocsátást az égési folyamat során az alacsony kéntartalom, az alacsony aromás anyagok és az oxigéntartalmú vegyületek jelenléte miatt. Ezenkívül a biodízel jó gyújtóképességgel rendelkezik a motorban, mivel viszonylag magas cetánszáma van a hagyományos dízelüzemanyaghoz képest . Megállapítást nyert, hogy a biodízel-keverékek alacsonyabb koncentrációja javítja a termikus hatékonyságot. A motorok működési paramétereként a biodízel legfeljebb 20% – ának dízellel történő keveréke jól működik a motor módosítása nélkül . Az LPG dízelmotorokban történő használatának lehetséges előnyei gazdaságosak és környezetbarátak . A csökkentett energiafogyasztás mellett a kettős üzemanyagú motor jelentősen csökkenti a füst sűrűségét, és javítja a BTE-t . A beszívott levegő fojtása alacsony terhelés mellett javítja a fék hőhatékonyságát, a HC-kibocsátás pedig az LPG-helyettesítés százalékos arányának növekedésével romlik . Ebben a tanulmányban a biodízel keverékeknek a kettős üzemű dízelmotorok teljesítményére és károsanyag-kibocsátási jellemzőire gyakorolt hatását kísérletileg a PB-gáz áramlási sebességének változásával vizsgálták.
2. Kísérlet
a vizsgálat célja a biodízel-keverékek gáz-halmazállapotú tüzelőanyaggal való kombinációjának meghatározása kettős üzemű üzemmódban, valamint a motor teljesítményének és kibocsátási jellemzőinek tanulmányozása gáz-halmazállapotú tüzelőanyagként PB-gázzal.
2.1. Kísérleti beállítás
a tanulmányban használt motor egy Kirolskar gyártmányú egyhengeres, négyütemű, vízhűtéses dízelmotor. A motor specifikációit az 1.táblázat tartalmazza. A gázolaj és a biodízel-keverékek tárolására két különálló üzemanyagtartály van csatlakoztatva a berendezéshez. A motor hidraulikus fékpaddal van összekapcsolva az üzemi terhelés mérésére. A motort úgy módosítják kettős üzemanyag-üzemmódra, hogy egy párologtatót csatlakoztatnak az LPG-tartály és az LPG-átjáró közé a szívócsatornában. A motor szívócsonkja 3 láb hosszú, a gázfúvókát pedig az elosztóba fúrják. Az LPG áramlását egy tűszelep vezérli. A gáz nyomását a párologtató bemeneténél nyomásmérővel mérjük. Az AVL 444 gázelemző készülék a kipufogógázhoz van csatlakoztatva a kibocsátási paraméterek mérésére. A gázelemző készülék mérési tartományát és pontosságát a 2. táblázat tartalmazza. A motor hűtésére nyomás alatt álló zárt áramkörű vízhűtő rendszert használnak. A PB-gáz áramlási sebességének súlykülönbség szerinti mérésére 1 mg pontosságú, digitális típusú platformmérleget használnak, 1,2% – os bizonytalansággal. A kísérleti beállítás elrendezési diagramját az 1. ábra mutatja. Kezdetben a motort szabványos dízellel tesztelik minden terhelésnél, hogy meghatározzák a motor teljesítményét és károsanyag-kibocsátási jellemzőit. Ugyanezt az eljárást megismételjük kettős üzemanyag üzemmódban, az LPG áramlási sebességének növekedésével minden terhelésnél. Az LPG tömeghányadát () a következőképpen számítjuk ki
|
||||||||||||||||||||||||||
1. táblázat
motor specifikációk.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. táblázat
az AVL 444 gázelemző mérési tartománya és pontossága.
ábra 1
kísérleti elrendezési diagram.
2.2. Karanja olaj előállítása metil-észter
Karanja olaj metil-észter (KOME) a laboratóriumban tiszta Karanja (Pongamia pinnata) növényi olajból készül. Az extrahált növényi olajat egy helyi olajmalomból nyerik. A tiszta Karanja olaj esetében a szabad zsírsav (FFA) több mint 5%. Tehát az FFA-t savval katalizált észterezéssel redukáljuk metanollal kénsav () jelenlétében, majd metanollal kálium-hidroxid (KOH) jelenlétében végzett átészterezéssel. A glicerin elválasztása után az észtert vízzel mossuk a nem reagált metoxid eltávolítására. Ezután melegítjük, hogy eltávolítsuk a víznyomokat, hogy tiszta biodízelt kapjunk. A Karanja olaj metil-észter ismert biodízel, így, által termelt ez a folyamat teljesen elegyíthető dízel bármilyen arányban .
3. Eredmények és megbeszélés
a teljesítmény és a kibocsátási paraméterek PB-gázárammal való változásait ebben a részben tárgyaljuk. A korábbi kutatások szerint a legfeljebb 20% – os biodízel-keverékek jobb teljesítményt és jobb kibocsátási jellemzőket mutatnak, míg a magasabb keverékek esetében a fűtőérték csökkenése gátolja a motor teljesítményét . Az üzemanyagok tulajdonságait a 3.táblázat mutatja.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3. táblázat
üzemanyag tulajdonságai.
3.1. Fék fajlagos üzemanyag-fogyasztás
fék fajlagos üzemanyag-fogyasztás a kettős üzemű üzemmódban a dízel és a biodízel keverékei esetén kerül rögzítésre. A BSFC 70% – os terhelés mellett történő összehasonlítását dízel és kome keverékek esetében 20% – ig a 2. ábra mutatja be. Megfigyelhető, hogy a terhelés növelésével a BSFC csökken, mint a terhelés növekedésével hengernyomás és hőmérséklet növekszik, ami javítja az égési folyamatot, ami a BSFC csökkenését eredményezi. A BSFC növekszik az LPG szubsztitúció százalékának növekedésével részterheléseknél a gáznemű tüzelőanyag hiányos elégetése lehet, míg nagyobb terheléseknél a BSFC javul az LPG szubsztitúció növekedésével. Másrészt a BSFC fokozatosan csökken a keverék százalékának növekedésével. Ez annak tulajdonítható, hogy a biodízelben további molekuláris oxigén van jelen, ami javítja az égési folyamatot. A BSFC összehasonlítása a terhelés növekedésével 4 g / perc áramlási sebességgel történik az LPG-ben a 3. ábrán látható. Megfigyelhető, hogy a BSFC a terhelés növekedésével csökken. A kome (B-20) 20%-os keveréke a legalacsonyabb BSFC-t mutatja, amelyet a KOME (B-10) és a dízel 10% – os keveréke követ a teljes terhelési tartományban. Mivel az LPG áramlási sebessége állandó maradt, így a B-10 és a B-20 jobb BSFC-t mutat, mint a dízel.
ábra 2
a BSFC változásának összehasonlítása az LPG helyettesítésének százalékával.
ábra 3
a BSFC összehasonlítása a terhelés százalékos növekedésével.
3.2. A fékhőhatékonyság
az összes kísérleti üzemanyag Fékhőhatékonysága (BTE) kettős üzemű üzemmódban figyelhető meg. A BTE B-10 és B-20 dízel 70% – os terhelés mellett történő összehasonlítását a 4.ábra mutatja. Megállapították, hogy a B-10 és a B-20 minden terhelésnél jobb BTE-t ad, mint a szokásos dízel. Ez a biodízel-keverékek extra oxigéntartalmának tulajdonítható, amely javítja az égési folyamatot, amely hajlamos a motor BTE-jének növekedésére. Az LPG helyettesítésének növekedésével azonban a BTE részterhelési körülmények között fokozatosan csökken az összes kísérleti üzemanyagra, mivel alacsony terhelés esetén kevesebb kísérleti üzemanyag kerül a hengerbe, és a felesleges levegő és az alacsony hengerhőmérséklet miatt sovány mennyiségű üzemanyag-keverék távozik a kipufogógázba. Míg a dízel esetében a BTE nagyobb terhelés mellett növekszik, akár az LPG-helyettesítés 35% – áig. Nagyobb terhelésnél az átlagos gázhőmérséklet növekedése csökkenti az üzemanyag gyújtási késleltetését, ami jobb BTE-t eredményez. A BTE és az összes kísérleti üzemanyag terhelésének növekedése közötti összehasonlítást 4 g / perc PB-gáz áramlási sebesség mellett az 5.ábra mutatja. Megfigyelhető, hogy a BTE a terhelés növekedésével növekszik, míg a B-10 és a B-20 keverékei minden terhelésnél jobb BTE-t adnak a szokásos dízelhez képest. Ez a biodízel-keverékek extra oxigéntartalmának tulajdonítható, amely javítja az égési folyamatot, amely hajlamos a motor BTE-jének növekedésére.
ábra 4
a BTE variáció összehasonlítása az LPG helyettesítésének százalékával.
ábra 5
a BTE összehasonlítása a terhelés százalékos növekedésével.
3.3. A szénhidrogén-Kibocsátás
a szénhidrogén-kibocsátás teljesen el nem égett vagy részben elégetett tüzelőanyagból áll. A HC-kibocsátás általában súlyos problémákat jelent a dízelmotorok könnyű terhelése esetén. Az összes kísérleti üzemanyag szénhidrogén-kibocsátásának összehasonlítását kettős üzemű üzemmódban a 6.ábra mutatja. Kettős üzemanyag-üzemmódban az LPG helyettesítésének növekedésével a HC-kibocsátás növekszik. Ennek oka lehet a friss levegő csökkenése az LPG áramlási sebességének növekedésével, ami a gazdagabb keverék hiányos elégetését eredményezi. A szénhidrogén-kibocsátási szint a biodízel-keverékek növekedésével csökken. A szénhidrogén-kibocsátás csökkent tendenciája a dízelüzemanyaghoz képest az oxigénmolekulák jelenlétének tudható be a biodízelben, ami elősegítette a teljes égést. Az LPG 4 g/perc áramlási sebességénél a megfigyelés azt mutatta, hogy a HC-kibocsátás fokozatosan csökken a terhelés növekedésével. Ennek oka lehet az alacsony motorhőmérséklet és a sovány keverék, mivel a részterhelés befolyásolja a levegő üzemanyag-keverékének égését, és kevés távozik a kipufogógázba. Míg nagyobb terhelés mellett, a henger csúcshőmérsékletének növekedésével, megfelelő égés történik, amely csökkenti a HC-kibocsátást. Az eredményt a 7. ábra szemlélteti. A HC-kibocsátás a dízel esetében volt a legmagasabb, ezt követte a B-10 és a B-20.
ábra 6
a HC-kibocsátás változásának összehasonlítása az LPG-helyettesítés százalékával.
ábra 7
a HC-kibocsátás összehasonlítása a terhelés százalékos növekedésével.
3.4. Kibocsátás
a motorok legkárosabb gáznemű kibocsátása. a képződési sebesség erősen függ a palackban lévő gáz hőmérsékletétől. Ezért a hengeren belüli üzemanyag-Eloszlás és égési folyamata befolyásolja a képződést. Általában a magas hőmérsékleten égetett gázrégiókban képződik. A kibocsátás változásainak az LPG-helyettesítéssel való összehasonlítását a 8.ábra mutatja. A kibocsátás az LPG áramlási sebességének növekedésével csökken. Ez a friss levegő csökkenésének és az LPG magas Öngyulladási hőmérsékletének tulajdonítható, ami növeli a gyújtási késleltetést, ami a henger csúcshőmérsékletének csökkenéséhez vezet. Másrészt a kibocsátás növekszik a biodízel keverékszázalékának növekedésével, mivel a biodízel oxigéntartalma magas helyi hőmérsékletet biztosít, ami javítja az égési folyamatot. A B-10 és B-20 dízelüzemanyagok esetében a 4 g/perc PB-gázáram mellett a kibocsátás változása a 9.ábrán látható. Megfigyelték, hogy a B-20 mutatja a legmagasabb emissziót, amelyet a B-10 és a standard dízel követ.
ábra 8
a kibocsátás változásának összehasonlítása az LPG-helyettesítés százalékával.
ábra 9
a kibocsátás összehasonlítása a terhelés százalékos növekedésével.
3.5. CO-kibocsátás
általában a motor CO-kibocsátása az üzemanyag-keverék részleges oxidációja miatt következik be. Mivel jól ismert, hogy a co képződésének sebessége az égés során el nem égett üzemanyag és a keverék hőmérsékletének függvénye, mivel mindkét tényező szabályozza az üzemanyag bomlását és oxidációját. A CO-kibocsátás LPG-szubsztitúcióval való eltéréseit a 10. ábra mutatja be. Megfigyelhető, hogy az LPG helyettesítésének növekedésével kezdetben a CO-kibocsátás mind a három kísérleti üzemanyag helyettesítésének 25% – áig csökken. De az LPG áramlási sebességének további növekedésével a CO-kibocsátás növekszik; lehet, hogy a friss oxigén csökkenése az üzemanyag-keverék részleges oxidációjához vezet. A keverék arányának növekedésével a CO-kibocsátás csökken. Ez azt mutatja, hogy talán az extra oxigén jelenléte miatt a keverékekben a tiszta dízelhez képest a keverékek megfelelő oxidációja alacsonyabb CO-kibocsátást eredményez. 4 g / perc PB-gáz áramlási sebességnél a megfigyelés azt mutatja, hogy a CO-kibocsátás fokozatosan csökken a terhelés növelésével. Ennek oka lehet az alacsony motorhőmérséklet és a sovány keverék részterhelés esetén, a teljes levegő-üzemanyag-keverék nem ég el teljesen, és kevés távozik a kipufogógázba. A CO-kibocsátás a dízel esetében volt a legmagasabb, ezt követte a B-10 és a B-20. Az eredményt a 11.ábra mutatja.
ábra 10
a CO-kibocsátás változásának összehasonlítása az LPG-helyettesítés százalékával.
ábra 11
a CO-kibocsátás összehasonlítása a terhelés százalékos növekedésével.
4. Következtetés
ebben a munkában kísérleti vizsgálatot végeztek annak vizsgálatára, hogy az LPG-t a motorcsonkba (közvetlenül a bemeneti szelep mellett) indukciója milyen hatással van a kome-ra, mint kísérleti üzemanyagra. A kísérleti adatok elemzéséből megállapítható, hogy a BSFC és a BTE A B-10 és B-20 kompressziós gyújtású motor esetében javult a dízelüzeműekhez képest. Részterhelés mellett a BSFC növekszik, valamint a BTE csökken az LPG-helyettesítés növekedésével, de nagyobb terhelésnél mindkét paraméternél javulást figyeltek meg. A HC-és CO-kibocsátást kettős üzemanyag-üzemmódban növelték. De a KOME keverékei csökkent HC és CO kibocsátást mutattak kettős üzemanyag-üzemmódban a dízelhez képest. A kibocsátást mind a három kísérleti üzemanyag esetében kettős üzemanyag üzemmódban csökkentették, míg a kome keverék százalékának növekedésével a kibocsátás növekedése figyelhető meg. A KOME magasabb keverékei nagyobb viszkozitással rendelkeznek, ami befolyásolja a kísérleti üzemanyag porlasztását. A befecskendezési nyomás növelésével tovább javítható a teljesítmény és a károsanyag-kibocsátási jellemzők kettős üzemű üzemmódban, magasabb keverékek mellett.
