analiza wydajności i emisji silnika CI w trybie podwójnym z LPG i estrem metylowym oleju Karanja

Streszczenie

eksperymentowano z wykorzystaniem gazu płynnego (LPG) w celu poprawy wydajności silnika z zapłonem samoczynnym (CI) działającego na mieszankach estru metylowego oleju Karanja (KOME). Olej napędowy jest używany jako paliwo wzorcowe dla silników dwupaliwowych. Podczas eksperymentów wydajność silnika jest mierzona w kategoriach sprawności cieplnej hamulca (BTE) i jednostkowego zużycia paliwa Hamulca (BSFC), a emisja spalin jest mierzona w kategoriach tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (). Silnik dwupaliwowy z LPG wykazał zmniejszenie emisji dymu i dymu, jednak cierpi na wysoką emisję HC i CO, szczególnie przy mniejszych obciążeniach z powodu słabego zapłonu. Porównanie wydajności i emisji odbywa się dla oleju napędowego i mieszanek KOME. Wyniki pokazały, że zastosowanie mieszanek KOME (10% i 20%) poprawiło osiągi silnika CI dzięki zmniejszeniu emisji HC i CO.

1. Wprowadzenie

wyczerpujące się rezerwy ropy naftowej i obawy dotyczące wysokiego poziomu zanieczyszczeń w spalinach pojazdów zmotywowały naukowców do poszukiwania alternatywnych źródeł energii o charakterze odnawialnym i mniejszym zanieczyszczeniu. Zastosowanie alternatywnego paliwa gazowego w silnikach CI w trybie dwupaliwowym wzrasta ze względu na ich czyste spalanie w porównaniu z konwencjonalnymi paliwami płynnymi, a także ich stosunkowo większą dostępność po atrakcyjnych cenach . W przypadku zastąpienia paliw ropopochodnych stosowanych w silnikach spalinowych paliwo pochodzenia biologicznego stanowi realne rozwiązanie bliźniaczych kryzysów „wyczerpywania się paliw kopalnych”i” degradacji środowiska.”Kilku badaczy aktywnie dąży do wykorzystania niedyspozycyjnych olejów do produkcji biodiesla na całym świecie ze względu na jego czystszy charakter spalania . Chemicznie biodiesel jest określany jako mono-alkilowe estry długołańcuchowych kwasów tłuszczowych pochodzące z odnawialnych źródeł lipidowych. Głównymi zaletami biodiesla jest to, że hamuje powstawanie dwutlenku siarki, co, HC i emisji PM podczas procesu spalania ze względu na niską zawartość siarki, niską zawartość związków aromatycznych i obecność związków zawierających tlen. Ponadto biodiesel ma dobrą zdolność zapłonu w silniku ze względu na stosunkowo wysoką liczbę cetanów w porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym . Stwierdzono, że niższe stężenia mieszanek biodiesla poprawiają wydajność cieplną. Jako parametry, przy których pracują silniki, mieszanka do 20% biodiesla z olejem napędowym działa dobrze bez żadnych modyfikacji w silniku . Potencjalne korzyści płynące z zastosowania LPG w silnikach wysokoprężnych są zarówno ekonomiczne, jak i przyjazne dla środowiska. Dzięki zmniejszonemu zużyciu energii, silnik dwupaliwowy wykazuje znaczne zmniejszenie gęstości dymu i poprawę BTE . Dławienie powietrza dolotowego przy małych obciążeniach poprawia sprawność cieplną hamulca, a emisja HC pogarsza się wraz ze wzrostem odsetka zastępowania LPG . W niniejszym badaniu eksperymentalnie zbadano wpływ mieszanek biodiesla na wydajność i charakterystykę emisji silnika wysokoprężnego w trybie dwupaliwowym ze zmianą natężenia przepływu LPG.

2. Eksperymenty

celem badania jest ustalenie połączenia mieszanek biodiesla z paliwem gazowym w trybie dwupaliwowym oraz zbadanie wydajności i charakterystyki emisji silnika z LPG jako paliwem gazowym.

2.1. Konfiguracja eksperymentalna

silnik użyty w tym badaniu to jednocylindrowy, czterosuwowy, chłodzony Wodą Silnik wysokoprężny kirolskar. Dane techniczne silnika podano w tabeli 1. Dwa oddzielne zbiorniki paliwa są dołączone do instalacji do przechowywania oleju napędowego i mieszanek biodiesla. Silnik jest sprzężony z hamownią hydrauliczną do pomiaru obciążenia roboczego. Silnik jest modyfikowany do trybu dwupaliwowego poprzez podłączenie parownika między zbiornikiem LPG a przejściem LPG w kolektorze dolotowym. Kolektor wlotowy silnika jest wydłużony o 3 stopy, a dysza gazu jest wiercona w kolektorze. Przepływ LPG jest kontrolowany przez zawór iglicowy. Ciśnienie gazu na wlocie parownika mierzy się za pomocą manometru. Analizator gazów AVL 444 jest dołączony do spalin w celu pomiaru parametrów emisji. Zakres pomiarowy i dokładność analizatora gazu podano w tabeli 2. Do chłodzenia silnika stosuje się ciśnieniowy zamknięty układ chłodzenia wodą. Cyfrowa Waga platformowa o dokładności 1 mg służy do pomiaru natężenia przepływu LPG metodą różnicy wagowej z niepewnością 1,2%. Schemat układu instalacji Doświadczalnej przedstawiono na fig.1. Początkowo silnik jest testowany przy użyciu standardowego oleju napędowego przy wszystkich obciążeniach w celu określenia wydajności silnika i charakterystyki emisji. Tę samą procedurę powtarza się w trybie dwupaliwowym ze zwiększeniem natężenia przepływu LPG dla wszystkich obciążeń. Ułamek masowy LPG () oblicza się przez

Rysunek 1

eksperymentalny schemat układu.

2.2. Produkcja estru metylowego oleju Karanja

estru metylowego oleju Karanja (KOME) jest przygotowywana w laboratorium z czystego oleju roślinnego Karanja (Pongamia pinnata). Ekstrahowany olej roślinny pozyskiwany jest z lokalnej olejarni. Dla czystego oleju Karanja wolny kwas tłuszczowy (FFA) wynosi więcej niż 5%. Tak więc FFA jest redukowana przez katalizowaną kwasem estryfikację przy użyciu metanolu w obecności kwasu siarkowego (), a następnie transestryfikację przy użyciu metanolu w obecności wodorotlenku potasu (KOH). Po oddzieleniu glicerolu ester przemywa się wodą w celu usunięcia nieprzetworzonego metoksydanu. Następnie podgrzewa się go w celu usunięcia śladów wody w celu uzyskania czystego biodiesla. Ester metylowy oleju Karanja znany jako biodiesel, wytwarzany w tym procesie jest całkowicie mieszalny z olejem napędowym w dowolnej proporcji .

3. Wyniki i omówienie

zmiany parametrów wydajności i emisji z natężeniem przepływu LPG są omówione w tej sekcji. Jak poprzednie badania wykazały, że mieszanki biodiesla do 20% wykazują lepsze osiągi, a także lepszą charakterystykę emisji, podczas gdy przy wyższych mieszankach zmniejszenie wartości opałowej utrudnia działanie silnika . Właściwości paliw przedstawiono w tabeli 3.

3.1. Jednostkowe zużycie paliwa Hamulca

jednostkowe zużycie paliwa Hamulca w trybie dwupaliwowym jest rejestrowane w przypadku oleju napędowego i mieszanek biodiesla. Porównanie BSFC przy obciążeniu 70% dla oleju napędowego i mieszanek KOME do 20% przedstawiono na rysunku 2. Obserwuje się, że poprzez zwiększenie obciążenia BSFC zmniejsza się, podobnie jak przy wzroście ciśnienia w cylindrze i temperatury obciążenia, co poprawia proces spalania, powodując spadek BSFC. BSFC zwiększa się wraz ze wzrostem odsetka substytucji LPG przy częściowym obciążeniu może być spowodowany niepełnym spalaniem paliwa gazowego, podczas gdy przy wyższych obciążeniach BSFC poprawia się wraz ze wzrostem substytucji LPG. Z drugiej strony BSFC stopniowo maleje wraz ze wzrostem odsetka mieszanki. Można to przypisać obecności dodatkowego tlenu cząsteczkowego obecnego w biodieslu, co poprawia proces spalania. Porównanie BSFC ze wzrostem obciążenia odbywa się przy 4 g / min natężenie przepływu LPG pokazano na rysunku 3. Zaobserwowano, że BSFC zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia. 20% mieszanki KOME (B-20) wykazuje najniższy BSFC, a następnie 10% mieszanki KOME (B-10) i Diesla w całym zakresie obciążenia. Ponieważ natężenie przepływu LPG było utrzymywane na stałym poziomie, więc B-10 i B-20 wykazują bardziej ulepszony BSFC niż diesel.

Rysunek 2

porównanie zmienności BSFC z odsetkiem substytucji LPG.

Rysunek 3

porównanie BSFC ze wzrostem procentowym obciążenia.

3.2. Sprawność cieplna hamulca

sprawność cieplna hamulca (BTE) wszystkich paliw pilotowych jest obserwowana w trybie dwupaliwowym. Porównanie BTE dla oleju napędowego B-10 i B-20 przy 70% obciążeniu pokazano na rysunku 4. Stwierdzono, że B-10 i B-20 dają lepsze BTE przy wszystkich obciążeniach w porównaniu do standardowego oleju napędowego. Można to przypisać dodatkowej zawartości tlenu w mieszankach biodiesla, co poprawia proces spalania, dążąc do zwiększenia BTE silnika. Jednak wraz ze wzrostem zastępowania LPG BTE stopniowo spada dla wszystkich paliw pilotowych w Warunkach częściowego obciążenia, ponieważ przy niskich obciążeniach mniej paliwa pilotowego jest uderzane w cylinder, a ze względu na nadmiar powietrza i niską temperaturę cylindra, chuda ilość mieszanki paliwowej ucieka do spalin. Podczas gdy w przypadku oleju napędowego, BTE zwiększa się przy większym obciążeniu do 35% zastępowania LPG. Przy większym obciążeniu wzrost średniej temperatury gazu powoduje zmniejszenie opóźnienia zapłonu paliwa, co skutkuje poprawą BTE. Porównanie BTE ze wzrostem obciążenia dla całego paliwa pilotowego przy natężeniu przepływu LPG 4 g / min pokazano na rysunku 5. Obserwuje się, że BTE rośnie wraz ze wzrostem obciążenia, podczas gdy mieszanki B-10 i B-20 dają lepsze BTE przy wszystkich obciążeniach w porównaniu do standardowego oleju napędowego. Można to przypisać dodatkowej zawartości tlenu w mieszankach biodiesla, co poprawia proces spalania, dążąc do zwiększenia BTE silnika.

Rysunek 4

porównanie zmienności BTE z odsetkiem substytucji LPG.

Rysunek 5

porównanie BTE ze wzrostem procentowym obciążenia.

3.3. Emisje HC

emisje HC składają się z paliwa całkowicie niespalonego lub częściowo spalonego. Zazwyczaj emisje HC są poważnymi problemami przy lekkich obciążeniach silników wysokoprężnych. Porównanie emisji HC wszystkich paliw pilotowych w trybie dwupaliwowym przedstawiono na rysunku 6. W trybie dwupaliwowym wraz ze wzrostem zastępowania LPG wzrasta emisja HC. Może to być spowodowane redukcją świeżego powietrza wraz ze wzrostem natężenia przepływu LPG, co skutkuje niepełnym spalaniem bogatszej mieszanki. Poziom emisji HC zmniejsza się wraz ze wzrostem mieszanek biodiesla. Zmniejszona tendencja emisji HC w porównaniu do oleju napędowego może być spowodowana obecnością cząsteczek tlenu w biodieslu, co pomogło w całkowitym spalaniu. Przy natężeniu przepływu LPG 4 g/min obserwacja wykazała, że emisja HC stopniowo zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia. Może to być spowodowane niską temperaturą silnika i chudą mieszanką, ponieważ częściowe obciążenia wpływają na spalanie mieszanki paliwowej powietrza i niewiele z niej ucieka do spalin. Przy większym obciążeniu ze wzrostem szczytowej temperatury butli następuje właściwe spalanie, co zmniejsza emisję HC. Wynik został zilustrowany na rysunku 7. Emisja HC była najwyższa dla oleju napędowego, a następnie B-10 i B-20.

Rysunek 6

porównanie zmienności emisji HC z odsetkiem substytucji LPG.

Rysunek 7

porównanie emisji HC ze wzrostem procentowym obciążenia.

3.4. Emisje

to najbardziej szkodliwe emisje gazowe z silników. szybkość tworzenia silnie zależy od temperatury gazu w butli. Stąd dystrybucja paliwa w cylindrze i jego proces spalania wpływają na powstawanie. Na ogół tworzy w wysokiej temperaturze spalone obszary gazowe. Porównanie zmian emisji z substytucją LPG przedstawiono na Rys. 8. Emisja zmniejsza się wraz ze wzrostem natężenia przepływu LPG. Można to przypisać redukcji świeżego powietrza i wysokiej temperaturze samozapłonu LPG, co zwiększa opóźnienie zapłonu, powodując obniżenie szczytowej temperatury butli. Z drugiej strony, emisja wzrasta wraz ze wzrostem mieszanki procent biodiesla, ponieważ zawartość tlenu w biodieslu zapewnia wysoką temperaturę lokalną, co poprawia proces spalania. Zmienność emisji z obciążeniem przy 4 g/min natężenia przepływu LPG dla oleju napędowego, B-10 i B-20, pokazano na rysunku 9. Zaobserwowano, że B-20 wykazuje najwyższą emisję, a następnie B-10 i Standardowy olej napędowy.

Rysunek 8

porównanie zmienności emisji z odsetkiem substytucji LPG.

Rysunek 9

porównanie emisji ze wzrostem procentowym obciążenia.

3.5. Emisja CO

zasadniczo emisja CO z silnika następuje w wyniku częściowego utleniania mieszanki paliwowej. Jak powszechnie wiadomo, szybkość powstawania CO jest funkcją niespalonego paliwa i temperatury mieszanki podczas spalania, ponieważ oba czynniki kontrolują rozkład paliwa i utlenianie. Zmiany emisji co z substytucją LPG przedstawiono na rysunku 10. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem substytucji LPG, początkowo emisja CO zmniejsza się do 25% substytucji dla wszystkich trzech paliw pilotowych. Jednak wraz z dalszym wzrostem natężenia przepływu LPG zwiększa się emisja CO; może to być spowodowane redukcją świeżego tlenu, co prowadzi do częściowego utleniania mieszanki paliwowej. Wraz ze wzrostem proporcji mieszanki stwierdzono, że emisja CO maleje. Pokazuje to, że być może ze względu na obecność dodatkowego tlenu w mieszankach w porównaniu do czystego oleju napędowego właściwe utlenianie mieszanek skutkuje niższą emisją CO. Przy natężeniu przepływu LPG 4 g/min obserwacja pokazuje, że emisja CO stopniowo zmniejsza się poprzez zwiększenie obciążenia. Może to być spowodowane niską temperaturą silnika i chudą mieszanką przy częściowym obciążeniu, Cała powietrzna mieszanka paliwowa nie pali się całkowicie i niewiele z niej ucieka do spalin. Emisja CO była najwyższa dla oleju napędowego, a następnie B-10 i B-20. Wynik pokazano na fig. 11.

Rysunek 10

porównanie zmienności emisji co z odsetkiem substytucji LPG.

Rysunek 11

porównanie emisji CO ze wzrostem procentowym obciążenia.

4. Wniosek

W niniejszej pracy przeprowadzono eksperymentalne badanie w celu zbadania skutków wprowadzenia LPG do kolektora silnika (tuż obok zaworu wlotowego) z kome jako paliwem pilotowym. Z analizy danych eksperymentalnych wynika, że BSFC i BTE poprawiły silnik CI z B-10 i B-20 w porównaniu z silnikiem wysokoprężnym. Podczas gdy przy częściowym obciążeniu, BSFC rośnie, a BTE maleje wraz ze wzrostem zastępowania LPG, ale zaobserwowano poprawę zarówno dla parametrów przy wyższych obciążeniach. Zwiększono emisję HC i CO w trybie dwupaliwowym. Ale mieszanki KOME wykazały zmniejszoną emisję HC i CO w trybie dwupaliwowym w porównaniu z olejem napędowym. Emisja została zmniejszona w trybie dwupaliwowym dla wszystkich trzech paliw pilotowych, natomiast wraz ze wzrostem procentowego udziału KOME zaobserwowano wzrost emisji. Wyższe mieszanki KOME mają większą lepkość, co wpływa na rozpylanie paliwa pilotowego. Dalsza poprawa osiągów i charakterystyki emisji w trybie dwupaliwowym przy wyższych mieszankach może być możliwa poprzez zwiększenie ciśnienia wtrysku.