Analisi delle prestazioni e delle emissioni di un motore ad accensione spontanea in modalità doppia con GPL e estere metilico dell’olio di Karanja

Abstract

L’uso di gas di petrolio liquefatto (GPL) è sperimentato per migliorare le prestazioni di un motore ad accensione spontanea a doppia alimentazione (CI) funzionante su miscele di estere metilico dell’olio di Karanja (KOME). Il diesel è utilizzato come carburante di riferimento per i risultati del motore a doppia alimentazione. Durante la sperimentazione, le prestazioni del motore sono misurate in termini di efficienza termica del freno (BTE) e consumo di carburante specifico del freno (BSFC), e le emissioni di scarico sono misurate in termini di monossido di carbonio (CO), idrocarburi (HC) e ossidi di azoto (). Il motore dual fuel con GPL ha mostrato una riduzione delle emissioni di fumo e fumo; tuttavia, soffre di elevate emissioni di HC e CO, in particolare, a carichi inferiori a causa della scarsa accensione. Il confronto tra prestazioni ed emissioni è fatto per diesel e miscele di KOME. I risultati hanno mostrato che l’utilizzo di miscele KOME (10% e 20%) ha migliorato le prestazioni del motore CI con una riduzione delle emissioni di HC e CO.

1. Introduzione

L’esaurimento delle riserve di petrolio e la preoccupazione per gli alti livelli di inquinanti nei gas di scarico dei veicoli hanno motivato i ricercatori verso la ricerca di fonti di energia alternative con natura rinnovabile e meno effetto inquinante . L’uso di combustibili gassosi alternativi nei motori CI in modalità dual fuel è in aumento a causa della loro combustione pulita rispetto ai combustibili liquidi convenzionali e della loro disponibilità relativamente maggiore a prezzi interessanti . Per sostituire i combustibili petroliferi utilizzati nei motori a combustione interna, il combustibile di origine biologica fornisce una soluzione fattibile alle crisi gemelle di “esaurimento dei combustibili fossili” e ” degrado ambientale.”Diversi ricercatori stanno attivamente perseguendo l’utilizzo di oli non commestibili per la produzione di biodiesel in tutto il mondo a causa della sua natura bruciante più pulita . Chimicamente, il biodiesel è indicato come mono-alchil-esteri di acidi grassi a catena lunga derivati da fonti lipidiche rinnovabili. I principali vantaggi del biodiesel sono che sopprime la formazione di emissioni di anidride solforosa, CO, HC e PM durante il processo di combustione a causa del basso tenore di zolfo, dei bassi aromi e della presenza di composti contenenti ossigeno. Inoltre, il biodiesel ha una buona capacità di accensione nel motore a causa del suo numero di cetano relativamente elevato rispetto a quello del gasolio convenzionale . Si è constatato che le concentrazioni più basse di miscele di biodiesel migliorano l’efficienza termica. Come i parametri a cui i motori sono in funzione, una miscela fino al 20% di biodiesel con diesel funziona bene senza alcuna modifica nel motore . I potenziali vantaggi dell’utilizzo del GPL nei motori diesel sono sia economici che rispettosi dell’ambiente . Con ridotto consumo di energia, il motore a doppia alimentazione mostra una significativa riduzione della densità di fumo,, e migliorato BTE . La limitazione dell’aria di aspirazione a bassi carichi migliora l’efficienza termica del freno e l’emissione di HC si deteriora con l’aumento della percentuale di sostituzione del GPL . Nel presente studio, l’effetto delle miscele di biodiesel sulle prestazioni e sulle caratteristiche di emissione di un motore diesel in modalità dual fuel è stato studiato sperimentalmente con la variazione della portata del GPL.

2. Sperimentazione

Lo scopo dello studio è stabilire una combinazione di miscele di biodiesel con combustibile gassoso in modalità dual fuel e studiare le prestazioni e le caratteristiche di emissione del motore con GPL come combustibile gassoso.

2.1. Configurazione sperimentale

Il motore utilizzato in questo studio è un Kirolskar fatto monocilindrico, quattro tempi, motore diesel raffreddato ad acqua. Le specifiche del motore sono riportate nella tabella 1. Due serbatoi di carburante separati sono collegati al setup per immagazzinare diesel e miscele di biodiesel. Il motore è accoppiato con un dinamometro idraulico per misurare il carico di funzionamento. Il motore viene modificato in modalità dual fuel collegando un vaporizzatore tra il serbatoio GPL e il passaggio GPL nel collettore di aspirazione. Il collettore di aspirazione del motore è allungato di 3 piedi e l’ugello del gas viene forato nel collettore. Il flusso di GPL è controllato da una valvola a spillo. La pressione del gas all’ingresso del vaporizzatore è misurata da un manometro. L’analizzatore di gas AVL 444 è collegato allo scarico per misurare i parametri di emissione. Il campo di misura e la precisione dell’analizzatore di gas sono riportati nella tabella 2. Un sistema di raffreddamento ad acqua a circuito chiuso pressurizzato viene utilizzato per raffreddare il motore. Una pesatrice a piattaforma di tipo digitale con una precisione di 1 mg viene utilizzata per misurare la portata del GPL in base al metodo della differenza di peso con un’incertezza dell ‘ 1,2%. Il diagramma di layout del setup sperimentale è mostrato in Figura 1. Inizialmente il motore viene testato utilizzando diesel standard a tutti i carichi per determinare le prestazioni del motore e le caratteristiche di emissione. La stessa procedura viene ripetuta in modalità dual fuel con aumento della portata GPL per tutti i carichi. La frazione di massa di GPL () viene calcolata

Figura 1

Schema di layout sperimentale.

2.2. Produzione di olio di Karanja Estere metilico

L’estere metilico dell’olio di Karanja (KOME) viene preparato in laboratorio dall’olio vegetale di Karanja (Pongamia pinnata). L’olio vegetale estratto è ottenuto da un frantoio locale. Per l’olio di Karanja pulito, l’acido grasso libero (FFA) è superiore al 5%. Quindi l’FFA viene ridotto mediante esterificazione catalizzata dall’acido con metanolo in presenza di acido solforico () seguita da transesterificazione con metanolo in presenza di idrossido di potassio (KOH). Dopo la separazione del glicerolo, l’estere viene lavato con acqua per rimuovere il metossido non reagito. Viene quindi riscaldato per rimuovere le tracce di acqua per ottenere il biodiesel pulito. L’estere metilico dell’olio di Karanja noto come biodiesel, quindi, prodotto da questo processo è totalmente miscibile con il diesel in qualsiasi proporzione .

3. Risultati e discussione

Le variazioni dei parametri di prestazione ed emissione con portata GPL sono discusse in questa sezione. Come ricerche precedenti hanno indicato che miscele di biodiesel fino al 20% mostrano prestazioni migliori e caratteristiche di emissione migliorate, mentre con miscele più elevate la riduzione del potere calorifico ostacola le prestazioni del motore . Le proprietà dei combustibili sono illustrate nella tabella 3.

3.1. Consumo di carburante specifico per freni

Il consumo di carburante specifico per freni della modalità dual fuel è registrato con diesel e miscele di biodiesel. Un confronto tra BSFC al 70% di carico per diesel e miscele di KOME fino al 20% è stato presentato nella figura 2. Si osserva che aumentando il carico BSFC diminuisce, come con l’aumento della pressione del cilindro di carico e aumenti di temperatura, che migliora il processo di combustione con conseguente diminuzione in BSFC. Il BSFC aumenta con l’aumentare della percentuale di sostituzione del GPL a carichi parziali può essere dovuto alla combustione incompleta del combustibile gassoso, mentre a carichi più elevati BSFC migliora con l’aumento della sostituzione del GPL. D’altra parte, BSFC diminuisce gradualmente con l’aumento della percentuale di miscela. Ciò può essere attribuito alla presenza di ossigeno molecolare aggiuntivo presente nel biodiesel che migliora il processo di combustione. Un confronto di BSFC con aumento del carico è fatto a 4 g / min portata di GPL è stato mostrato in Figura 3. Si osserva che il BSFC diminuisce con l’aumento del carico. 20% miscela di KOME (B-20) mostra BSFC più basso seguito da 10% miscela di KOME (B-10) e diesel su tutta la gamma di carico. Poiché la portata del GPL è stata mantenuta costante, B-10 e B-20 mostrano un BSFC più migliorato rispetto al diesel.

Figura 2

Confronto della variazione di BSFC con la percentuale di sostituzione del GPL.

Figura 3

Confronto di BSFC con aumento della percentuale di carico.

3.2. Efficienza termica del freno

Efficienza termica del freno (BTE) di tutti i combustibili pilota sono osservati in modalità dual fuel. Il confronto di BTE per diesel B-10 e B-20 al 70% di carico è stato mostrato nella figura 4. Si è constatato che B-10 e B-20 danno una migliore BTE a tutti i carichi rispetto al diesel standard. Ciò può essere attribuito al contenuto di ossigeno supplementare delle miscele di biodiesel che migliora il processo di combustione tendente ad aumentare in BTE del motore. Ma con l’aumento della sostituzione del GPL, il BTE diminuisce gradualmente per tutti i combustibili pilota in condizioni di carico parziale, perché a bassi carichi meno carburante pilota viene impinto nel cilindro e, a causa dell’aria in eccesso e della bassa temperatura del cilindro, una quantità magra di miscela di carburante fuoriesce nello scarico. Mentre per il diesel, il BTE aumenta a carico più elevato fino al 35% della sostituzione del GPL. A carico più elevato l’aumento della temperatura media del gas ha l’effetto di ridurre il ritardo di accensione del carburante con conseguente miglioramento del BTE. Un confronto tra BTE e aumento del carico per tutto il carburante pilota alla portata di 4 g/min di GPL è stato mostrato nella figura 5. Si osserva che il BTE aumenta con l’aumento del carico, mentre le miscele di B-10 e B-20 danno una migliore BTE a tutti i carichi rispetto al diesel standard. Ciò può essere attribuito al contenuto di ossigeno supplementare delle miscele di biodiesel che migliora il processo di combustione tendente ad aumentare in BTE del motore.

Figura 4

Confronto della variazione BTE con la percentuale di sostituzione del GPL.

Figura 5

Confronto di BTE con aumento della percentuale di carico.

3.3. Emissioni di HC

Le emissioni di HC sono costituite da combustibile completamente incombusto o parzialmente bruciato. In genere, le emissioni di HC sono gravi problemi a carichi leggeri per i motori diesel. Il confronto delle emissioni di HC di tutti i combustibili pilota in modalità dual fuel è stato mostrato nella figura 6. In modalità dual fuel con aumento della sostituzione del GPL, l’emissione di HC aumenta. Ciò può essere dovuto alla riduzione dell’aria fresca con aumento della portata del GPL che si traduce in una combustione incompleta della miscela più ricca. Il livello di emissione di HC diminuisce con l’aumento delle miscele di biodiesel. La tendenza alla diminuzione delle emissioni di HC rispetto al gasolio potrebbe essere dovuta alla presenza di molecole di ossigeno nel biodiesel che ha contribuito alla combustione completa. Alla portata di 4 g/min di GPL, l’osservazione ha mostrato che l’emissione di HC diminuisce gradualmente con l’aumento del carico. Può essere dovuto alla bassa temperatura del motore e miscela magra come carichi parte influenza la combustione della miscela di carburante aria e pochi di esso sfugge nello scarico. Mentre al più alto carico con l’aumento della temperatura del cilindro di punta, la combustione adeguata ha luogo che riduce l’emissione di HC. Il risultato è stato illustrato nella Figura 7. L’emissione di HC era più alta per il diesel seguito da B-10 e B-20.

Figura 6

Confronto delle variazioni di emissione di HC con la percentuale di sostituzione del GPL.

Figura 7

Confronto delle emissioni di HC con aumento della percentuale di carico.

3.4. Le emissioni

sono le emissioni gassose più dannose dei motori. il tasso di formazione dipende fortemente dalla temperatura del gas nel cilindro. Quindi, la distribuzione del carburante all’interno del cilindro e il suo processo di combustione influenzano la formazione. Generalmente si forma alle regioni di gas bruciate ad alta temperatura. Il confronto delle variazioni di emissione con la sostituzione del GPL è stato mostrato nella figura 8. L’emissione diminuisce con l’aumento della portata del GPL. Ciò può essere attribuito alla riduzione dell’aria fresca e all’elevata temperatura di autoaccensione del GPL, che aumenta il ritardo di accensione con conseguente riduzione della temperatura di picco del cilindro. D’altra parte, le emissioni aumentano con l’aumento della percentuale di miscela di biodiesel perché il contenuto di ossigeno del biodiesel fornisce un’elevata temperatura locale che migliora il processo di combustione. La variazione di emissione con carico a 4 g / min di portata GPL per diesel, B-10 e B-20, è stata mostrata nella figura 9. È stato osservato che B-20 mostra la più alta emissione seguita da B-10 e diesel standard.

Figura 8

Confronto tra variazione di emissione e percentuale di sostituzione del GPL.

Figura 9

Confronto delle emissioni con aumento della percentuale di carico.

3.5. Emissioni di CO

Generalmente, le emissioni di CO del motore si verificano a causa dell’ossidazione parziale della miscela di carburante. Poiché è ben noto che il tasso di formazione di CO è una funzione del combustibile incombusto e della temperatura della miscela durante la combustione, poiché entrambi i fattori controllano la decomposizione e l’ossidazione del carburante. Le variazioni delle emissioni di CO con sostituzione del GPL sono state illustrate nella figura 10. Si osserva che con l’aumento della sostituzione del GPL, inizialmente l’emissione di CO diminuisce fino al 25% della sostituzione per tutti e tre i combustibili pilota. Ma con un ulteriore aumento della portata di GPL aumenta l’emissione di CO; può essere dovuto alla riduzione di ossigeno fresco porta ad ossidazione parziale della miscela di carburante. Con l’aumento della proporzione di miscela, l’emissione di CO è risultata in diminuzione. Ciò dimostra che forse a causa della presenza di ossigeno extra nelle miscele rispetto al diesel pulito, la corretta ossidazione delle miscele provoca una minore emissione di CO. Alla portata di 4 g/min di GPL l’osservazione mostra che l’emissione di CO diminuisce gradualmente aumentando il carico. Può essere dovuto alla bassa temperatura del motore e alla miscela magra a carichi parziali, l’intera miscela di carburante non brucia completamente e pochi di essi fuoriescono nello scarico. L’emissione di CO era più alta per il diesel seguito da B-10 e B-20. Il risultato è stato mostrato in Figura 11.

Figura 10

Confronto della variazione dell’emissione di CO con la percentuale di sostituzione del GPL.

Figura 11

Confronto delle emissioni di CO con l’aumento della percentuale di carico.

4. Conclusione

Nel presente lavoro, è stata condotta un’indagine sperimentale per esaminare gli effetti dell’induzione del GPL nel collettore del motore (appena adiacente alla valvola di ingresso) con KOME come carburante pilota. Dall’analisi dei dati sperimentali, si osserva che BSFC e BTE sono migliorati per il motore CI con B-10 e B-20 rispetto al diesel. Mentre a carico parziale, il BSFC aumenta e il BTE diminuisce con l’aumento della sostituzione del GPL, ma è stato osservato un miglioramento per entrambi i parametri a carichi più elevati. Le emissioni di HC e CO sono state aumentate in modalità dual fuel. Ma le miscele di KOME hanno mostrato emissioni ridotte di HC e CO in modalità dual fuel rispetto al diesel. L’emissione è stata ridotta in modalità dual fuel per tutti e tre i combustibili pilota, mentre con l’aumento della percentuale di miscela di KOME è stato osservato un aumento delle emissioni. Miscele più elevate di KOME hanno una maggiore viscosità, che influisce sull’atomizzazione del carburante pilota. Un ulteriore miglioramento delle prestazioni e delle caratteristiche di emissione in modalità dual fuel con miscele più elevate può essere possibile aumentando la pressione di iniezione.