Abstract
het gebruik van vloeibaar petroleumgas (LPG) wordt geëxperimenteerd om de prestaties te verbeteren van een motor met dubbele brandstof met compressieontsteking (CI) die draait op Karanja-methylestermengsels (KOME). Diesel wordt gebruikt als referentiebrandstof voor de dual-fuelmotorresultaten. Tijdens de experimenten worden de prestaties van de motor gemeten in termen van de thermische efficiëntie van de rem (AHO) en het specifieke brandstofverbruik van de rem (bsfc), en wordt de uitlaatemissie gemeten in termen van koolmonoxide (CO), koolwaterstof (HC) en stikstofoxiden (). Dual-fuelmotor met LPG vertoonde een vermindering van en rookuitstoot; hij lijdt echter aan hoge HC-en CO-emissie, met name bij lagere belastingen als gevolg van slechte ontsteking. Vergelijking van prestaties en emissies wordt gedaan voor diesel en mengsels van KOME. De resultaten toonden aan dat het gebruik van KOME-mengsels (10% en 20%) de CI-motorprestaties heeft verbeterd met een vermindering van de HC-en CO-emissies.
1. Inleiding
de uitputtende reserves aan aardolie en de bezorgdheid over de hoge niveaus van verontreinigende stoffen in uitlaatgassen van voertuigen hebben de onderzoekers gemotiveerd om te zoeken naar alternatieve energiebronnen met een hernieuwbaar karakter en een minder vervuilend effect . Het gebruik van alternatieve gasvormige brandstof in compressieontstekingsmotoren in dual-fuelmodus neemt toe door hun schone verbranding in vergelijking met conventionele vloeibare brandstoffen en hun relatief grotere beschikbaarheid tegen aantrekkelijke prijzen . Voor de vervanging van petroleumbrandstoffen die in verbrandingsmotoren worden gebruikt, biedt brandstof van biologische oorsprong een haalbare oplossing voor de twee crises van “uitputting van fossiele brandstoffen” en “aantasting van het milieu.”Verschillende onderzoekers zijn actief bezig met het gebruik van niet-eetbare oliën voor de productie van biodiesel wereldwijd vanwege de schonere verbranding . Chemisch wordt biodiesel aangeduid als de mono-alkylesters van lange-keten-vetzuren afgeleid van hernieuwbare lipidebronnen. De belangrijkste voordelen van biodiesel is dat het onderdrukt de vorming van zwaveldioxide, CO, HC, en PM-emissies tijdens het verbrandingsproces als gevolg van laag zwavelgehalte, lage aromaten, en de aanwezigheid van zuurstofhoudende verbindingen. Bovendien heeft biodiesel een goede ontstekingscapaciteit in de motor vanwege het relatief hoge cetaangetal in vergelijking met conventionele diesel . Gebleken is dat de lagere concentraties biodieselmengsels de thermische efficiëntie verbeteren. Aangezien de parameters waarop de motoren in werking zijn, werkt een mengsel van maximaal 20% biodiesel met diesel goed zonder enige wijziging in de motor . De potentiële voordelen van het gebruik van LPG in dieselmotoren zijn zowel economisch als milieuvriendelijk . Met een lager Energieverbruik, de dual fuel Motor toont een aanzienlijke vermindering van de rookdichtheid,, en verbeterde AHO . Inlaatlucht throttling bij lage belastingen verbetert de rem thermische efficiëntie en HC emissie verslechtert met een toename van het percentage LPG substitutie . In deze studie werd het effect van biodieselmengsels op de prestaties en emissiekenmerken van een dieselmotor in dualfuelmodus experimenteel onderzocht met de variatie van het LPG-debiet.
2. Experimenten
het doel van de studie is een combinatie van biodieselmengsels met gasvormige brandstof in dualfuelmodus vast te stellen en de prestatie-en emissiekenmerken van de motor met LPG als gasvormige brandstof te bestuderen.
2.1. Experimentele opstelling
de in deze studie gebruikte motor is een door Kirolskar vervaardigde ééncilinder, viertakt, watergekoelde dieselmotor. De specificaties van de motor zijn weergegeven in Tabel 1. Aan de opstelling zijn twee aparte brandstoftanks bevestigd om diesel en biodieselmengsels op te slaan. De motor is gekoppeld aan een hydraulische dynamometer om de bedrijfsbelasting te meten. De motor wordt aangepast aan dual fuel mode door het aanbrengen van een verdamper tussen de LPG tank en LPG passage in het inlaatspruitstuk. Het inlaatspruitstuk van de motor is 3 voet lang en het gasmondstuk wordt in het spruitstuk geboord. De LPG-stroom wordt geregeld door een naaldventiel. De druk van het gas bij de inlaat van de verdamper wordt gemeten met een manometer. AVL 444 gas analyzer is bevestigd aan de uitlaat om de emissieparameters te meten. Het meetbereik en de nauwkeurigheid van de gasanalysator zijn vermeld in Tabel 2. Een waterkoelsysteem met gesloten circuit onder druk wordt gebruikt om de motor te koelen. Een digitale platformweegmachine met een nauwkeurigheid van 1 mg wordt gebruikt om het LPG-debiet te meten met een gewichtsverschilmethode met een onzekerheid van 1,2%. Het lay-out diagram van de experimentele opstelling is weergegeven in Figuur 1. In eerste instantie wordt de motor Getest met standaarddiesel bij alle belastingen om de motorprestaties en emissiekenmerken te bepalen. Dezelfde procedure wordt herhaald in dual-fuelmodus met een toename van het LPG-debiet voor alle belastingen. De massa fractie van LPG () wordt berekend door
|
||||||||||||||||||||||||||
Tabel 1
Motor specificaties.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tabel 2
meetbereik en nauwkeurigheid van de gasanalysator AVL 444.
figuur 1
experimenteel lay-out diagram.
2.2. De productie van Karanjaolie methylester
methylester van Karanjaolie (KOME) wordt in het laboratorium bereid uit zuivere karanjaolie (Pongamia pinnata). De geëxtraheerde plantaardige olie wordt verkregen uit een lokale oliemolen. Voor zuivere Karanjaolie is het vrije vetzuur (FFA) meer dan 5%. Zo wordt de FFA verminderd door zuur gekatalyseerde esterificatie gebruikend methanol in aanwezigheid van zwavelzuur () gevolgd door transesterificatie gebruikend methanol in aanwezigheid van kaliumhydroxide (KOH). Na scheiding van glycerol wordt de ester gewassen met water om niet-gereageerde methoxide te verwijderen. Het wordt vervolgens verhit om de watersporen te verwijderen om de schone biodiesel te verkrijgen. De methylester van Karanja, ook wel biodiesel genoemd, die door dit proces wordt geproduceerd, is in elke verhouding volledig mengbaar met diesel.
3. Resultaten en bespreking
de variaties van prestatie-en emissieparameters met LPG-debiet worden in dit deel besproken. Zoals uit eerdere onderzoeken is gebleken dat mengsels van biodiesel tot 20% betere prestaties en betere emissiekenmerken vertonen, terwijl bij hogere mengsels de vermindering van de calorische waarde de prestaties van de motor belemmert . De eigenschappen van de brandstoffen zijn weergegeven in Tabel 3.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tabel 3
Brandstof eigenschappen.
3.1. Remspecifiek brandstofverbruik
Remspecifiek brandstofverbruik in de dualfuelmodus wordt geregistreerd met diesel en biodieselmengsels. Een vergelijking van BSFC bij 70% belasting voor diesel en mengsels van KOME tot 20% werd weergegeven in Figuur 2. Het wordt waargenomen dat door het verhogen van de belasting bsfc daalt, zoals met verhoging van de druk van de ladingscilinder en temperatuurstijgingen, die het verbrandingsproces verbetert resulterend in daling van BSFC. De bsfc stijgt met een toenemend percentage LPG-substitutie bij deelbelastingen kan het gevolg zijn van onvolledige verbranding van de gasvormige brandstof, terwijl BSFC bij hogere belastingen verbetert met de toename van LPG-substitutie. Anderzijds neemt BSFC geleidelijk af met de toename van het percentage van het mengsel. Dit kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van extra moleculaire zuurstof in biodiesel die het verbrandingsproces verbetert. Een vergelijking van BSFC met een toename van de belasting wordt gemaakt bij 4 g/min debiet van LPG werd getoond in Figuur 3. Opgemerkt wordt dat de BSFC afneemt met een toename van de belasting. 20% blend van KOME (B-20) toont laagste BSFC gevolgd door 10% blend van KOME (B-10) en diesel over het gehele belastingsbereik. Aangezien het LPG-debiet constant werd gehouden, tonen B-10 en B-20 een betere BSFC dan diesel.
Figuur 2
vergelijking van de variatie van BSFC met het substitutiepercentage van LPG.
Figuur 3
vergelijking van BSFC met toename van het percentage van de belasting.
3.2. Thermische efficiëntie van de rem
thermische efficiëntie van de rem (AHO) van alle proefbrandstoffen wordt waargenomen in dualfuelmodus. De vergelijking van de AHO voor diesel B-10 en B-20 bij 70% belasting is weergegeven in Figuur 4. Het blijkt dat B-10 en B-20 geven betere AHO bij alle belastingen in vergelijking met standaard diesel. Dit kan worden toegeschreven aan het extra zuurstofgehalte van biodieselmengsels, waardoor het verbrandingsproces verbetert en de AHO van de motor toeneemt. Maar met de toename van de vervanging van LPG de AHO geleidelijk daalt voor alle pilot brandstoffen bij deellading omstandigheden, omdat bij lage belastingen minder pilot brandstof wordt ingeslagen in de cilinder, en als gevolg van de overtollige lucht en lage cilindertemperatuur, mager hoeveelheid brandstofmengsel ontsnapt in de uitlaat. Bij diesel neemt de AHO bij hogere belasting toe tot 35% van de LPG-substitutie. Bij hogere belasting heeft de stijging van de gemiddelde gastemperatuur het effect van het verminderen van de brandstof ontsteking vertraging resulterend in een verbeterde AHO. Figuur 5 toont een vergelijking van de AHO met de toename van de belasting voor alle proefbrandstof bij een LPG-debiet van 4 g/min. Opgemerkt wordt dat de AHO toeneemt met de toename van de belasting, terwijl mengsels van B-10 en B-20 betere AHO geven bij alle belastingen in vergelijking met standaard diesel. Dit kan worden toegeschreven aan het extra zuurstofgehalte van biodieselmengsels, waardoor het verbrandingsproces verbetert en de AHO van de motor toeneemt.
Figuur 4
vergelijking van de variatie AHO met het substitutiepercentage van LPG.
Figuur 5
vergelijking van AHO met toename van het beladingspercentage.
3.3. HC-emissies
HC-emissies bestaan uit brandstof die volledig of gedeeltelijk is verbrand. Typisch, HC-emissies zijn ernstige problemen bij lichte belastingen voor dieselmotoren. De vergelijking van de HC-emissies van alle proefbrandstoffen in dual-fuelmodus is weergegeven in Figuur 6. In dual-fuelmodus met een toename van de vervanging van LPG neemt de HC-emissie toe. Dit kan het gevolg zijn van een vermindering van de verse lucht met een toename van het LPG-debiet, waardoor het rijkere mengsel onvolledig wordt verbrand. HC – emissie daalt met de toename van biodieselmengsels. De daling van de HC-emissies in vergelijking met dieselbrandstof kan te wijten zijn aan de aanwezigheid van zuurstofmoleculen in biodiesel, die hielpen bij de volledige verbranding. Bij een LPG-debiet van 4 g/min bleek uit de observatie dat de HC-emissie geleidelijk afneemt naarmate de belasting toeneemt. Het kan te wijten zijn aan de lage motortemperatuur en mager mengsel als deelbelastingen invloed op de verbranding van lucht brandstof mengsel en weinig van het ontsnapt in de uitlaat. Terwijl bij hogere belasting met verhoging van de piekcilindertemperatuur, vindt een goede verbranding plaats die de HC-emissie vermindert. Het resultaat werd geïllustreerd in Figuur 7. De HC-emissie was het hoogst voor diesel, gevolgd door B-10 en B-20.
Figuur 6
vergelijking van de variatie HC-emissie met het percentage LPG-substitutie.
Figuur 7
vergelijking van de HC-emissie met de toename van het percentage van de belasting.
3.4. Emissies
zijn de meest schadelijke gasemissies van motoren. formatiesnelheid is sterk afhankelijk van de temperatuur van het gas in de cilinder. Vandaar dat de brandstofverdeling binnen de cilinder en het verbrandingsproces de vorming beïnvloeden. Over het algemeen vormt bij de hoge temperatuur verbrand gas regio ‘ s. De vergelijking van de variaties van de emissie met de vervanging van LPG is weergegeven in Figuur 8. De emissie neemt af met de toename van het LPG-debiet. Dit kan worden toegeschreven aan de vermindering van de verse lucht en de hoge Zelfontbrandingstemperatuur van LPG, waardoor de ontstekingsvertraging toeneemt en de piekcilindertemperatuur wordt verlaagd. Aan de andere kant neemt de emissie toe met een toename van het mengpercentage biodiesel, omdat het zuurstofgehalte van biodiesel zorgt voor een hoge lokale temperatuur, wat het verbrandingsproces verbetert. De variatie van de emissie bij een belasting van 4 g/min van het LPG-debiet voor diesel, B-10 en B-20, is weergegeven in Figuur 9. Er werd vastgesteld dat B-20 de hoogste emissie vertoont, gevolgd door B-10 en standaard diesel.
Figuur 8
vergelijking van de variatie van de emissie met het percentage LPG-substitutie.
figuur 9
vergelijking van de emissie met de toename van het percentage van de belasting.
3.5. CO-emissies
in het algemeen treedt CO-emissies van de motor op als gevolg van gedeeltelijke oxidatie van het brandstofmengsel. Zoals bekend is de snelheid van co-vorming een functie van onverbrande brandstof en mengtemperatuur tijdens de verbranding, aangezien beide factoren de afbraak en oxidatie van de brandstof regelen. De variaties van de CO-emissie met LPG-substitutie zijn weergegeven in Figuur 10. Er wordt opgemerkt dat met de toename van de vervanging van LPG, in eerste instantie de CO-emissie daalt tot 25% van de vervanging van alle drie de pilotbrandstoffen. Maar met een verdere toename van de LPG-debiet de co-emissie toeneemt; kan te wijten zijn aan vermindering van verse zuurstof leidt tot gedeeltelijke oxidatie van het brandstofmengsel. Met de toename van het aandeel van het mengsel blijkt de CO-uitstoot te verminderen. Dit toont aan dat door de aanwezigheid van extra zuurstof in mengsels in vergelijking met neat diesel een goede oxidatie van de mengsels resulteert in een lagere Co-emissie. Bij een LPG-debiet van 4 g/min blijkt uit de waarneming dat de CO-emissie geleidelijk afneemt door de belasting te verhogen. Het kan te wijten zijn aan de lage motortemperatuur en mager mengsel bij deelbelastingen, de hele lucht brandstof mengsel niet volledig branden en weinig van het ontsnapt in de uitlaat. De CO-emissie was het hoogst voor diesel, gevolgd door B-10 en B-20. Het resultaat is weergegeven in Figuur 11.
Figuur 10
vergelijking van de variatie van de CO-emissie met het percentage LPG-substitutie.
Figuur 11
vergelijking van de CO-emissie met de toename van het percentage van de belasting.
4. Conclusie
in het kader van deze werkzaamheden is een experimenteel onderzoek uitgevoerd naar de effecten van de inductie van LPG in het motorspruitstuk (net naast de inlaatklep) met KOME als proefinstallatiebrandstof. Uit de analyse van de experimentele gegevens blijkt dat BSFC en BTE verbeterd zijn voor de CI-motor met B-10 en B-20 in vergelijking met diesel. Terwijl bij deellast, de BSFC stijgt evenals BTE daalt met een toename van LPG substitutie, maar een verbetering werd waargenomen voor beide parameters bij hogere belastingen. De HC-en CO-emissies werden verhoogd in dual-fuelmodus. Maar mengsels van KOME hebben aangetoond dat de HC-en CO-emissies in dual fuelmodus in vergelijking met diesel. De emissie werd voor alle drie de pilotbrandstoffen in dual-fuelmodus verminderd, terwijl met een toename van het blendpercentage van KOME een toename van de emissie werd waargenomen. De hogere mengsels van KOME hebben hogere viscositeit, die de verstuiving van de proefbrandstof beà nvloedt. Verdere verbetering van de prestaties en emissiekenmerken in dual-fuelmodus met hogere mengsels kan mogelijk zijn door de injectiedruk te verhogen.
