Lpgとカランジャ油メチルエステルを用いたデュアルモードのCIエンジンの性能と排出量分析

概要

カランジャ油メチルエステル（KOME）ブレンド上で実行されているデュアル燃料圧縮点火（CI）エンジンの性能を向上させるために、液化石油ガス（LPG）の使用が実験されている。 ディーゼルは二重燃料エンジンの結果のために参照の燃料として使用される。 実験中、エンジン性能はブレーキ熱効率（BTE）とブレーキ比燃料消費量（BSFC）で測定され、排気ガスは一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物（）で測定されます。 ＬＰＧを用いたデュアル燃料エンジンは，排煙の低減と排煙の低減を示したが，特に低負荷では点火不良による高Ｈ ｃおよびＣＯ排出に苦しんでいた。 性能と排出量の比較は、ディーゼルとコメのブレンドのために行われます。 結果はKOMEのブレンド（10%および20%）を使用することがHCおよびCOの放出の減少のCIエンジンの性能を改善したことを示した。

1. はじめに

石油の枯渇と車両排気中の高レベルの汚染物質に対する懸念は、再生可能な性質と汚染の少ない代替エネルギー源の探索に向けた研究者 二重燃料モードのCIエンジンの代わりとなる気体燃料の使用は魅力的な価格の比較的高められた供給と同様、慣習的な液体燃料と比較されるきれい 内燃機関に使用される石油燃料を代替するために、バイオ起源の燃料は、”化石燃料の枯渇”と”環境劣化”の双子の危機に実現可能な解決策を提供します。”いくつかの研究者は、そのクリーンな燃焼性質のために、世界中のバイオディーゼルの生産のための非食用油の利用を積極的に追求しています。 化学的には、バイオディーゼルは、再生可能な脂質源に由来する長鎖脂肪酸のモノアルキルエステルと呼ばれています。 バイオディーゼルの主な利点は、低硫黄、低芳香族化合物、および酸素含有化合物の存在のために、燃焼プロセス中に二酸化硫黄、CO、HC、およびPM排出の形成 さらに、バイオディーゼルは、従来のディーゼル燃料と比較して比較的高いセタン数のために、エンジン内で良好な点火能力を有する。 バイオディーゼルのブレンドのより低い集中が熱効率を改善することが分りました。 エンジンが作動している変数として、ディーゼルが付いているバイオディーゼルの20%までブレンドはエンジンの修正なしでよく働く。 ディーゼルエンジンにLPGを使用することの潜在的な利点は、経済的で環境に優しい両方です。 減らされたエネルギー消費によって、二重燃料エンジンは煙密度の重要な減少を、および改善されたBTE示す。 低負荷時の吸気スロットルはブレーキ熱効率を改善し，ＨＣ排出量はＬＰＧ置換率の増加とともに劣化する。 本研究では，二重燃料モードにおけるディーゼルエンジンの性能と排出特性に対するバイオディーゼルブレンドの効果を，ＬＰＧ流量の変化を用いて実験的に調べた。

2. 実験

この研究の目的は、バイオディーゼルとガス燃料の組み合わせをデュアル燃料モードで確立し、LPGをガス燃料としてエンジンの性能と排出特性を研究することである。

2.1. 実験セットアップ

本研究で使用されるエンジンは、キロルスカール製の単気筒、四ストローク、水冷ディーゼルエンジンです。 エンジンの仕様を表1に示します。 二つの別々の燃料タンクは、ディーゼルとバイオディーゼルのブレンドを格納するために、セットアップに接続されています。 エンジンは油圧力量計によって作動の負荷を測定するためにつながれる。 エンジンは、インテークマニホールド内のLPGタンクとLPG通路の間に気化器を取り付けることにより、デュアル燃料モードに変更されます。 エンジンの入口マニホールドは3フィート伸びており、ガスノズルはマニホールドに穿孔されている。 LPGの流れは針弁によって制御されます。 気化器の入口のガスの圧力は圧力計によって測定されます。 AVL444のガス検光子は排気に放出変数を測定するために付す。 ガス分析器の測定範囲と精度を表2に示します。 加圧閉回路水冷システムは、エンジンを冷却するために使用されます。 1mgの正確さを持っているデジタルタイププラットホームの重量を量る機械が1.2%の不確実性の重量の相違方法によってLPGの流動度を測定するの 実験セットアップのレイアウト図を図1に示します。 最初にエンジンはすべての負荷で標準的なディーゼルを使用してエンジンの性能および放出特徴を定めるためにテストされる。 同じ手順は、すべての負荷のためのLPG流量の増加とデュアル燃料モードで繰り返されます。 LPG()の質量分率は次のように計算されます

フィギュア1

実験的なレイアウト図。

2.2. Karanja油メチルエステルの製造

Karanja油メチルエステル（KOME）は、neat Karanja（Pongamia pinnata）植物油から実験室で調製されます。 抽出された植物油は、地元の油工場から得られる。 きれいなKaranja油の場合、遊離脂肪酸（FFA）は5％以上です。 そのため，硫酸（）存在下でメタノールを用いた酸触媒エステル化，水酸化カリウム（ＫＯ ｈ）存在下でメタノールを用いたエステル交換によりｆｆａを還元する。 グリセロールの分離の後で未反応のメトキシドを取除くために、エステルは水と洗浄されます。 それはきれいなバイオディーゼルを得るために水跡を取除くためにそれから熱されます。 従ってバイオディーゼルとして知られているkaranjaオイルのメチルのエステルはこのプロセスによって作り出されてあらゆる割合のディーゼルと全く混和

3. 結果と考察

LPG流量による性能と排出パラメータの変化については、このセクションで説明します。 以前の研究では、20％までのバイオディーゼルのブレンドは、より高いブレンドで発熱量の減少はエンジンの性能を妨げるが、より良い性能と改善された排出特性を示すことが示されていた。 燃料の特性を表３に示す。

3.1. ブレーキ特定燃料消費量

デュアルフューエルモードのブレーキ特定燃料消費量は、ディーゼルとバイオディーゼルのブレンドで記録されます。 ディーゼルの70％負荷でのBSFCと20％までのKOMEのブレンドの比較を図2に示しました。 負荷シリンダ圧力および温度の増加の増加と同様に、負荷ＢＳＦＣを増加させることにより、燃焼プロセスを改善し、ＢＳＦＣの減少をもたらすことが観察される。 ＢＳＦＣは部分負荷でのＬＰＧ置換の割合の増加とともに増加し，ガス状燃料の不完全燃焼によるものと考えられるが，より高い負荷ではＢＳＦＣはＬＰＧ置換の増加とともに改善する。 一方，ｂｓｆｃはブレンド率の増加とともに徐々に減少した。 これは、燃焼プロセスを改善するバイオディーゼル中に存在する追加の分子酸素の存在に起因する可能性がある。 負荷の増加とBSFCの比較は、LPGの4g/分流量で行われ、図3に示されています。 ＢＳＦＣは負荷の増加とともに減少することが観察された。 KOMEの20%のブレンド（B-20）は全負荷範囲上のKOMEの10%のブレンド（B-10）およびディーゼルに先行している最も低いBSFCを示します。 LPG流量が一定に保たれたので、B-10とB-20はディーゼルよりも改善されたBSFCを示しています。

フィギュア2

BSFCの変動とLPGの置換率の比較。

フィギュア3

負荷の割合の増加とBSFCの比較。

3.2. ブレーキ熱効率

すべてのパイロット燃料のブレーキ熱効率（BTE）は、デュアル燃料モードで観察されます。 ディーゼルB-10とB-20の70%負荷でのBTEの比較を図4に示しました。 B-10およびB-20が標準的なディーゼルと比較してすべての負荷でよりよいBTEを与えることが分ります。 これは、エンジンのBTEの増加傾向にある燃焼プロセスを改善するバイオディーゼルブレンドの余分な酸素含有量に起因する可能性があります。 しかし、LPGの置換の増加に伴い、bteは、低負荷ではパイロット燃料がシリンダ内に衝突することが少なく、過剰な空気と低いシリンダ温度のために、燃料混合物の希薄な量が排気に逃げるため、部分負荷状態ですべてのパイロット燃料に対して徐々に低下する。 ディーゼルのために、BTEはLPGの取り替えの35%までより高い負荷で増加する間。 より高い負荷で平均ガスの温度の増加は改善されたBTEに終って燃料の点火の遅れを減らす効果をもたらす。 LPGの4g/min流量でのすべてのパイロット燃料の負荷の増加とBTEの比較を図5に示しました。 BTEは負荷の増加と増加するが、B-10およびB-20のブレンドは標準的なディーゼルと比較してすべての負荷でよりよいbteを与えることが観察される。 これは、エンジンのBTEの増加傾向にある燃焼プロセスを改善するバイオディーゼルブレンドの余分な酸素含有量に起因する可能性があります。

フィギュア4

LPGの置換の割合と変動BTEの比較。

フィギュア5

負荷の割合の増加とBTEの比較。

3.3. HC排出量

HC排出量は、完全に未燃焼または部分的に燃焼した燃料で構成されています。 典型的には、ディーゼルエンジンの軽負荷時のHC排出量は深刻な問題です。 デュアルフューエルモードでのすべてのパイロット燃料のHC排出量の比較を図6に示しました。 ＬＰＧの置換の増加に伴う二重燃料モードでは，ＨＣ排出量が増加する。 これは、より豊富な混合物の不完全燃焼をもたらすＬＰＧ流量の増加に伴う新鮮な空気の減少に起因する可能性がある。 Ｈ ｃ排出レベルはバイオディーゼル混合物の増加とともに減少した。 ディーゼル燃料と比較してHC排出量の減少傾向は、完全燃焼を助けたバイオディーゼル中の酸素分子の存在によるものである可能性がある。 LPGの4g/min流量では、観察は、HC放出が負荷の増加とともに徐々に減少することを示した。 それは部分の負荷が空気燃料の混合物の燃焼に影響を与え、排気に脱出する少数として低いエンジンの温度および細い混合物が原因であるかもし ピークシリンダ温度の上昇に伴って負荷が高くなると，適切な燃焼が起こり，ＨＣ放出が減少する。 その結果を図7に示します。 Hc排出量は、b-10とB-20に続いてディーゼルのために最も高かったです。

フィギュア6

lpg置換の割合と変動HC排出量の比較。

フィギュア7

負荷の割合の増加とHC排出量の比較。

3.4. 排出量

は、エンジンからの最も有害なガス排出量です。 生成速度はシリンダ内ガス温度に強く依存する。 したがって、シリンダ内の燃料分布およびその燃焼プロセスは、形成に影響を与える。 一般に高温燃焼ガス領域で形成される。 LPG置換による排出量の変動の比較を図8に示しました。 排出量はＬＰＧ流量の増加とともに減少した。 これは，新鮮な空気の減少とＬＰＧの高い自己着火温度に起因すると考えられ，これは点火遅延を増加させ，ピークシリンダ温度を低下させる。 一方，バイオディーゼルの酸素content有量は燃焼プロセスを改善する高い局所温度を提供するため，バイオディーゼルのブレンド割合の増加とともに排出量が増加する。 ディーゼルb-10およびB-20のLPG流量の4g/minにおける負荷による排出量の変化を図9に示しました。 これは、B-20がB-10と標準ディーゼルに続いて最高の排出量を示すことが観察されました。

フィギュア8

排出量の変動とＬＰＧ置換率の比較。

フィギュア9

負荷の割合の増加との排出量の比較。

3.5. CO排出量

一般的に、エンジンからのCO排出量は、燃料混合物の部分酸化によって発生します。 ＣＯ生成速度は未燃燃料と燃焼中の混合物温度の関数であることはよく知られているように，両方の要因が燃料の分解と酸化を制御するので，ＣＯ生成速度は燃焼中の未燃燃料と混合物温度の関数である。 LPG置換によるCO排出量の変動を図10に示しました。 LPGの置換の増加に伴い、最初にCO排出量はすべての三つのパイロット燃料の置換の25％まで減少することが観察されている。 しかしLPGの流動度のそれ以上の増加とCOの放出は増加します;新しい酸素の減少が燃料の混合物の部分的な酸化をもたらすことが原因であるか ブレンドの割合の増加に伴い，ＣＯ排出量は減少していることが分かった。 これは多分ブレンドの端正なディーゼル適切な酸化と比較してブレンドの余分酸素の存在が原因でより低いCOの放出で起因することを示します。 LPGの4g/min流量では、負荷を増加させることによってCO排出量が徐々に減少することが観察されている。 これは、エンジン温度が低く、部品負荷時の希薄混合物が原因である可能性があり、空気燃料混合物全体が完全に燃焼せず、そのうちのいくつかが排気 Co排出量はディーゼルで最も高く、B-10とB-20が続いた。 その結果を図11に示しました。

フィギュア10

ＣＯ排出量の変動とＬＰＧ置換率の比較。

フィギュア11

負荷の割合の増加とCO排出量の比較。

4. 結論

本研究では、KOMEをパイロット燃料としたエンジンマニホールド（入口バルブに隣接する）へのLPGの誘導の影響を調べるための実験的調査が行われてい 実験データの分析から、bsfcとbteはディーゼルと比較してB-10とB-20とCIエンジンのために改善されていることが観察されます。 部品負荷では，ＢＳＦＣはｌｐｇ置換の増加とともに増加し，ＢＴＥは減少するが，より高い負荷では両方のパラメータについて改善が観察された。 二重燃料モードではＨ ｃおよびＣＯ排出量が増加した。 しかし、KOMEのブレンドは、ディーゼルと比較して、デュアル燃料モードでhcとCO排出量が減少していることを示しています。 ３種のパイロット燃料についてはデュアル燃料モードでは排出量が減少したが，ｋｏｍｅのブレンド率の増加とともに排出量の増加が観察された。 KOMEのより高いブレンドに試験燃料の霧化に影響を与えるより高い粘着性があります。 より高いブレンドを用いる二重燃料モードの性能および放出特徴のそれ以上の改善は注入圧力を高めることによって可能である場合もある。