Πειραµατική ιερεύνηση της Επίδρασης των Ιδιοτήτων του Καυσίµου στη Λειτουργία και στις Εκποµπές Ρύπων Κινητήρων Diesel

Transcript

1 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πειραµατική ιερεύνηση της Επίδρασης των Ιδιοτήτων του Καυσίµου στη Λειτουργία και στις Εκποµπές Ρύπων Κινητήρων Diesel Θεόδωρος Ζάννης a a Εργαστήριο Ναυτικών Μηχανών Εσωτερικής Καύσεως, Τοµέας Ναυπηγικής και Ναυτικής Μηχανολογίας, Σχολή Ναυτικών οκίµων, Tέρµα Λεωφ. Χατζηκυριακού 1539 Πειραιάς Abstract. An experimental investigation was performed to identify the effect of diesel fuel synthesis and its physical and chemical properties on DI diesel engine performance characteristics and pollutant emissions. Engine tests were made on a single cylinder naturally aspirated DI diesel engine () at various operating conditions using nine conventional diesel fuels. The test fuels indicate variable hydrocarbon composition, physical and chemical properties and they were prepared under a European research program aiming to identify future fuel formulations for use in modern DI diesel engines. Emphasis was given to the examination of the effect of diesel fuel density, viscosity and compressibility factor on fuel injection system, engine combustion characteristics and diesel emitted pollutants. The evaluation of experimental results showed that reductions of soot and NO emissions can be attained with reduction of distillation temperature and increase of paraffinics to napthenics ratio, which provide mainly reduction of fuel viscosity and secondarily, decrease of density and increase of compressibility factor. Περίληψη. Στην παρούσα εργασία πραγµατοποιείται µια λεπτοµερής πειραµατική διερεύνηση µε σκοπό τον προσδιορισµό της επίδρασης της χηµικής σύνθεσης και των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του καυσίµου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel άµεσης έγχυσης. Πειραµατικές δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν σε ένα µονοκύλινδρο κινητήρα άµεσης έγχυσης και φυσικής αναπνοής () σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας χρησιµοποιώντας εννέα διαφορετικά καύσιµα. Τα καύσιµα δοκιµής εµφανίζουν µεταβλητή σύνθεση σε υδρογονάνθρακες και διαφορετικές φυσικές και χηµικές ιδιότητες και παρασκευάσθηκαν στα πλαίσια ενός Ευρωπαικού ερευνητικού προγράµµατος. Το ερευνητικό πρόγραµµα είχε ως σκοπό τον προσδιορισµό της χηµικής σύστασης και των ιδιοτήτων των καυσίµων που θα χρησιµοποιηθούν στο άµεσο µέλλον στους σύγχρονους κινητήρες diesel. Κατά την διερεύνηση δόθηκε έµφαση στην µελέτη της επίδρασης της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συµπιεστότητας στο σύστηµα έγχυσης, στα χαρακτηριστικά της καύσης και στους εκπεµπόµενους ρύπους. Η αξιολόγηση των πειραµατικών αποτελεσµάτων φανέρωσε ότι µπορούν να επιτευχθούν µειώσεις στις εκποµπές αιθάλης και ΝΟ µε µείωση της θερµοκρασίας απόσταξης και αύξηση του λόγου παραφινών προς ναφθένες, οι οποίες οδηγούν κυρίως σε µείωση της συνεκτικότητας του καυσίµου και δευτερευόντως, σε µείωση της πυκνότητας και αύξηση του συντελεστή συµπιεστότητας. 1

2 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Λέξεις - κλειδιά: diesel, ιδιότητες καυσίµου, λειτουργικές επιδόσεις, εκποµπές ρύπων. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η επιδείνωση του φαινοµένου του θερµοκηπίου σε συνδυασµό µε τις υψηλές τιµές του πετρελαίου απαιτούν την λήψη δραστικών µέτρων για την περαιτέρω µείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου (bsfc) και των εκποµπών ρύπων που εκπέµπονται από πετρελαιοκινητήρες. Μια πολλά υποσχόµενη τεχνική για τη µείωση των αέριων και σωµατιδιακών ρύπων είναι η βελτιστοποίηση της χηµικής σύνθεσης και των φυσικών ιδιοτήτων των συµβατικών καυσίµων diesel [1,3]. Με τη χρήση αυτής της τεχνικής είναι δυνατή η επίτευξη σηµαντικών βελτιώσεων στην περιβαλλοντική συµπεριφορά του στόλου τόσο των νέων όσο και των υφιστάµενων πετρελαιοκίνητων οχηµάτων. Σύµφωνα µε την βιβλιογραφία [1,,-3], οι φυσικές και χηµικές ιδιότητες του καυσίµου επηρεάζουν µε διαφορετικό τρόπο καθένα από τους αερίους και σωµατιδιακούς ρύπους που εκπέµπονται από πετρελαιοκινητήρες. Για παράδειγµα έχει αναφερθεί ότι οι εκποµπές CO, HC και αλδευδών εξαρτώνται από τον αριθµό κετανίου του καυσίµου, οι εκποµπές NOx εξαρτώνται κυρίως από την πυκνότητα του καυσίµου ενώ οι πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες και η αιθάλη σχετίζονται άµεσα µε το αρωµατικό περιεχόµενο του καυσίµου [,9]. Η σύσταση του καυσίµου diesel σε µονοαρωµατικούς, διαρωµατικούς και τριαρωµατικούς υδρογονάνθρακες όπως επίσης και σε αρωµατικές ενώσεις επηρεάζει άµεσα τις φυσικές και χηµικές του ιδιότητες και έτσι διαµορφώνει την τάση του για παραγωγή αερίων και σωµατιδιακών ρύπων κατά την καύση του σε πετρελαιοκινητήρες [1,,-9,13,1,,17,-]. Γενικά, υπάρχει µια αλληλεπίδραση µεταξύ της µοριακής δοµής (παραφίνες, ολεφίνες, ναφθένες και αρωµατικοί υδρογονάνθρακες), των χηµικών (αριθµός κετανίου, σηµείο ανάφλεξης κ.λ.π.) και των φυσικών ιδιοτήτων (πυκνότητα, συνεκτικότητα, επιφανειακή τάση κ.λ.π.) του καυσίµου diesel [1,,- 9,13,1,,17,-7]. Συνεπώς είναι αρκετά δύσκολο αν όχι αδύνατο να αποδοθούν οι µεταβολές που παρατηρούνται στη λειτουργική συµπεριφορά και στις εκποµπές ρύπων κατά την αντικατάσταση ενός καυσίµου diesel από ένα άλλο, στη µεταβολή µιας και µόνο παραµέτρου του καυσίµου. Στο παρελθόν έχουν πραγµατοποιηθεί διάφορες θεωρητικές και πειραµατικές διερεύνησεις µε σκοπό την εξέταση της επίδρασης των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των συµβατικών καυσίµων στις εκποµπές ρύπων, οι οποίες εκπέµπονταν από διαφόρους τύπους πετρελαιοκινητήρων και πετρελαιοκίνητων οχηµάτων [1,,-]. Η εξέταση αυτών των διερευνήσεων κατέληξε στην διατύπωση των ακόλουθων γενικών συµπερασµάτων σχετικά µε την επίδραση των ιδιοτήτων των καυσίµων στις εκποµπές ρύπων: a. Η µείωση του ποσοστού σε θείο και του αρωµατικού περιεχοµένου (ειδικά των πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων) οδήγησε σε σηµαντική µείωση των εκπεµπόµενων σωµατιδίων. b. Οι εκποµπές NOx εµφάνισαν χαµηλή ευαισθησία στις µεταβολές των ιδιοτήτων του καυσίµου. Σύµφωνα µε την βιβλιογραφία [1,,-], το είδος και ο βαθµός επίδρασης του καυσίµου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων πετρελαιοκινητήρων µεταβάλλεται σηµαντικά ανάλογα µε τον τύπο του κινητήρα που χρησιµοποιείται στα πειράµατα, την πειραµατική διαδικασία που ακολουθείται και την µέθοδο που χρησιµοποιείται για την παρασκευή των καυσίµων. Ακόµη σε προηγούµενες διερευνήσεις χρησιµοποιήθηκαν διαφορετικές µέθοδοι για την στατιστική συσχέτιση των εκπεµπόµενων ρύπων και των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του καυσίµου [,7]. Παρολαυτά, αυτές οι προσεγγίσεις δεν κατάφεραν να περιγραψούν επαρκώς τις συσχετίσεις µεταξύ των εκποµπών ρύπων και της χηµικής σύστασης και των ιδιοτήτων του καυσίµου.

3 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Για το λόγο αυτό, πραγµατοποιείται µια αναλυτική πειραµατική διερεύνηση µε σκοπό την εξέταση της επίδρασης της χηµικής σύνθεσης και των ιδιοτήτων του καυσίµου στις λειτουργικές επιδόσεις και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel άµεσης έγχυσης. Στα πλαίσια αυτής της διερεύνησης πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές σε ένα µονοκύλινδρο κινητήρα φυσικής αναπνοής () στις και σε διάφορα φορτία χρησιµοποιώντας εννέα διαφορετικά καύσιµα. Τα καύσιµα δοκιµής παρασκευάσθηκαν στα πλαίσια ενός Ευρωπαικού ερευνητικού προγράµµατος το οποίο είχε στόχο την εξέταση της επίδρασης των φυσικών ιδιοτήτων του καυσίµου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel άµεσης έγχυσης. Τα εννέα αυτά καύσιµα εµφανίζουν διαφορετική επιφανειακή τάση, πυκνότητα, συνεκτικότητα και συντελεστή συµπιεστότητας. Η αξιολόγηση των πειραµατικών ευρηµάτων έδειξε ότι είναι εφικτή η ταυτόχρονη µείωση της αιθάλης, του µονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) και του µονοξειδίου του άνθρακα (CO) µε µείωση της συνεκτικότητας του καυσίµου και ταυτόχρονη αύξηση του συντελεστή συµπιεστότητας. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ιατάξεις για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των παραµέτρων λειτουργίας εγκαταστάθηκαν σε ένα µονοκύλινδρο πειραµατικό κινητήρα. Αυτός είναι ένας τετράχρονος, αερόψυκτος κινητήρας φυσικής αναπνοής και άµεσης έγχυσης µε θάλαµο καύσης του οποίου το έµβολο φέρει κοίλη διαµόρφωση. Ο κινητήρας έχει διάµετρο κυλίνδρου 5.73 mm, διαδροµή εµβόλου.55 mm και λόγος µήκους διωστήρα προς ακτίνα στροφάλου 3.. Η σχέση συµπίεσης του κινητήρα είναι 1:1 και το ονοµαστικό εύρος στροφών κυµαίνεται από 1 έως 3 σαλ. Το καύσιµο εγχύεται στον κύλινδρο µέσω ενός εγχυτήρα τριών οπών (διάµετρος οπής 5 µm), ο οποίος βρίσκεται κοντά στο κέντρο του θαλάµου καύσης και έχει πίεση ανοίγµατος 1 bar. Ο κινητήρας είναι συνεζευγµένος µε ένα υδραυλικό δυναµόµετρο Heenan & Froude [3,]. Τα βασικά µετρητικά όργανα ήταν: ένα παροχόµετρο αέρα Alcock (ιξώδους τύπου), δεξαµενές και ροόµετρα για το καύσιµο, αισθητήρες θερµοκρασίας για την µέτρηση της θερµοκρασίας καυσαερίων, αέρα εισαγωγής, λιπαντικού λαδιού και νερού ψύξης, ένας µαγνητικός ενδείκτης άνω νεκρού σηµείου, ένας ενδείκτης ταχύτητας περιστροφής και ένας πιεζοηλεκτρικός µετατροπέας για την µέτρηση της πίεσης στο θάλαµο καύσης [3,]. Ένας παρόµοιος πιεζοηλεκτρικός µετατροπέας τοποθετήθηκε στο σωλήνα υψηλής πίεσης του καυσίµου (µεταξύ αντλίας και εγχυτήρα) πλησίον του εγχυτήρα. Ακόµη χρησιµοποιήθηκε ένα σύστηµα ταχείας δειγµατοληψίας για την καταγραφή των σηµάτων πίεσης από τους πιεζοηλεκτρικούς µετατροπείς. Επιπρόσθετα, χρησιµοποιήθηκαν αναλυτές καυσαερίων για την µέτρηση της αιθάλης, του µονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ), των ακαύστων υδρογονανθράκων (HC) (ισοδύναµο προπάνιο) και του µονοξειδίου του άνθρακα (CO) στην εξαγωγή του κινητήρα. Ένας αναλυτής τύπου Bosch RTT1 χρησιµοποιήθηκε για την µέτρηση των επιπέδων αιθάλης στα καυσαέρια ενώ οι εκποµπές ΝΟ µετρήθηκαν µε έναν αναλυτή χηµικοφωταύγειας τύπου Signal και οι εκποµπές HC µετρήθηκαν µε έναν αναλυτή ιονισµού φλόγας. Οι δυο τελευταίες συσκευές ήταν εξοπλισµένες µε θερµοστατικά ελεγχόµενες θερµαινόµενες γραµµές. Τέλος, οι εκποµπές CO µετρήθηκαν µε έναν αναλυτή υπέρυθρης ακτινοβολίας τύπου Signal. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ Τα καύσιµα που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα µελέτη παρασκευάσθηκαν στα πλαίσια ενός Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράµµατος το οποίο είχε ως σκοπό τον προσδιορισµό καυσίµων, τα οποία θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν από µελλοντικούς πετρελαιοκινητήρες []. Ο βασικός σκοπός του προγράµµατος ήταν ο προσδιορισµός των βέλτιστων φυσικών 3

4 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy ιδιοτήτων καυσίµου έτσι ώστε να επιτευχθεί περαιτέρω µείωση των εκποµπών ρύπων χωρίς παράλληλα να επηρεασθεί ή αν είναι δυνατό να µειωθεί περαιτέρω η ειδική κατανάλωση καυσίµου στους σύγχρονους κινητήρες diesel. Κατά συνέπεια, παρασκευάσθηκαν επτά καύσιµα µε διαφορετικό µοριακό τύπο µε κύριο σκοπό την µελέτη της επίδρασης της επιφανειακής τάσης, της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συµπιεστότητας στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel. Αρχικά, επιλέγησαν οι προδιαγραφές ενός καυσίµου αναφοράς, το οποίο ονοµάσθηκε «βασικό καύσιµο». Αυτό το καύσιµο χρησιµοποιήθηκε και για την παρασκευή και των υπολοίπων καυσίµων. Τα βασικά χαρακτηριστικά του «βασικού καυσίµου», το οποίο επιλέχτηκε να είναι πετρέλαιο που διατίθεται εµπορικά στις πόλεις της Φινλανδίας κατά τους θερινούς µήνες (Finnish summer grade city diesel) είναι τα εξής: Πυκνότητα: kg/m 3. Συνεκτικότητα: mm /s. Αριθµό Κετανίου: µεγαλύτερο από 55. Συνολικό Αρωµατικό Περιεχόµενο: γύρω στο %κ.β. Πολυαρωµατικό Περιεχόµενο: λιγότερο από 5%κ.β. Ποσοστό σε Θείο: ppm. Θερµοκρασία Απόσταξης Καυσίµου 5%κ.ο: περί τους 5 ο C. Θερµοκρασία Απόσταξης Καυσίµου 95%κ.ο: περί τους 3 ο C. Είδους Πρόσθετου: Μόνο πρόσθετο αύξησης αριθµού κετανίου και βελτιωτικό λιπαντικής ικανότητας καυσίµου. Κατόπιν παρασκευάσθηκε µια σειρά από οκτώ συµβατικά καύσιµα µε τιµές πυκνότητας που κυµαίνονταν από ως 5 kg/m 3, τιµές συνεκτικότητας που κυµαίνονταν από 1.5 ως 5 mm /s και τιµές συντελεστή συµπιεστότητας που κυµαίνονταν από. ως 7.5x1-5 bar -1. Η χηµική σύνθεση, οι χηµικές και οι φυσικές ιδιότητες των καυσίµων δοκιµής παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Σε αυτό το σηµείο είναι απαραίτητο να εντοπίσουµε τις βασικές διαφορές στη χηµική σύνθεση και στις φυσικοχηµικές ιδιότητες µεταξύ των καυσίµων, DI-, DI- και DI-: 1) Τα καύσιµα DI και (συµπεριλαµβανοµένου του βασικού καυσίµου) παρασκευάσθηκαν µε σκοπό την εξέταση της επίδρασης της επιφανειακής τάσης στη λειτουργία και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel. Τα δυο νέα καύσιµα θα προέκυπταν από την ανάµιξη του βασικού καυσίµου µε το ειδικό πρόσθετο, το οποίο προκαλεί µείωση της επιφανειακής τάσης. ) Σύµφωνα µε το σχεδιασµό του ερευνητικού προγράµµατος NEDENEF, τα καύσιµα DI και ονοµάζονται «Καύσιµα Μεταβλητής Πυκνότητας» ( Density Fuels ) διότι παρασκευάσθηκαν κατά τρόπο ώστε να µεταβάλλεται η πυκνότητα τους και οι υπόλοιπες φυσικές και χηµικές τους ιδιότητες να παραµένουν σταθερές. Παρολαυτά, όπως φαίνεται στον Πίνακα 7.1, η αύξηση της πυκνότητας συνοδεύτηκε από αύξηση της συνεκτικότητας και µείωση του συντελεστή συµπιεστότητας. Υπεύθυνες για τις προαναφερθείσες µεταβολές των τριών φυσικών ιδιοτήτων είναι η αντικατάσταση ενός ποσοστού των παραφινών του καυσίµου DI από ναφθένες (καύσιµο ) και η αύξηση της θερµοκρασίας απόσταξης (distillation temperature) µέσω προσθήκης κατάλληλου πρόσθετου στο καύσιµο DI. 3) Τα καύσιµα DI και ονοµάζονται «Καύσιµα Μεταβλητής Συνεκτικότητας» ( Viscosity Fuels ) διότι παρασκευάσθηκαν ώστε να µεταβάλλεται µόνο η συνεκτικότητα τους. Παρολαυτά, και σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση της συνεκτικότητας συνοδεύτηκε από αύξηση της πυκνότητας και µείωση του συντελεστή συµπιεστότητας. Υπεύθυνη για τις προαναφερθείσες µεταβολές των τριών φυσικών ιδιοτήτων είναι η αύξηση της θερµοκρασίας απόσταξης αφού η µερική υποκατάσταση του παραφινικού περιεχοµένου του καυσίµου DI από ναφθένες ήταν πολύ πιο περιορισµένη (3% κ.β.) σε σχέση µε εκείνη του ζεύγους καυσίµων DI & (19% κ.β.).

5 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy ) Τα καύσιµα DI και ονοµάζονται «Καύσιµα Μεταβλητής Συµπιεστότητας» ( Compressibility Fuels ) διότι παρασκευάσθηκαν µε γνώµονα να µεταβάλλεται µόνο ο συντελεστής συµπιεστότητας τους. Εντούτοις, οι τιµές συµπιεστότητας και πυκνότητας των καυσίµων DI & είναι σχεδόν ίδιες. Η µετάβαση από το καύσιµο DI στο συνοδεύεται από µείωση της συνεκτικότητας κατά % περίπου και µερική αντικατάσταση κατά %κ.β του ποσοστού παραφινών από ναφθένες. Εποµένως, τα ζεύγη καυσίµων DI και DI µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την εξέταση της συνδυασµένης επίδρασης της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συµπιεστότητας στη λειτουργική συµπεριφορά και στις εκποµπές ρύπων αξιοποιώντας σχετικές πειραµατικές µετρήσεις από τον κινητήρα. Η εξέταση των πειραµατικών ευρηµάτων για το ζεύγος καυσίµων DI θα βοηθήσει στην κατανόηση της επίδρασης που έχει η µικρή µείωση της συνεκτικότητας λόγω της µερικής υποκατάστασης των παραφινών από ναφθένες. 5

6 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Χηµική σύνθεση και φυσικοχηµικές ιδιότητες συµβατικών καυσίµων µε µεταβλητές φυσικές ιδιότητες Καύσιµο DI DI DI DI Περιγραφή Μέθοδος «Βασικό» Μέτρησης καύσιµο «Βασικό» καύσιµο + πρόσθετο «Βασικό» καύσιµο + πρόσθετο Παραφίνες + Πρόσθετο χαµηλής θερµ. απόσταξης Ναφθενικοί + Πρόσθετο υψηλής θερµ. απόσταξης «Βασικό» καύσιµο + Πρόσθετο χαµηλής θερµ. απόσταξης Καύσιµο υψηλής θερµοκρασίας απόσταξης «Βασικό» καύσιµο + Πρόσθετο πλούσιο σε παραφίνες «Βασικό» καύσιµο + Πρόσθετο πλούσιο σε ναφθένες Μονοαρωµατικοί Υ/Α Τροπ [%κ.β] IP 391/95 ιαρωµατικοί Υ/Α Τροπ [%κ.β] ΙP 391/95 Πολυαρωµατικοί Υ/Α Τροπ [%κ.β] IP 391/95 Συνολικοί Τροπ Αρωµατικοί Υ/Α [%κ.β] ΙP 391/95 Παραφίνες [%κ.β] ASTM D5 Ναφθένες [%κ.β] ASTM D5 Αρωµατικοί Υ/Α ASTM [%κ.β] D59 Πυκνότητα, 15 ο C, ISO [kg/m 3 ] Θερµ. Απόσταξης ISO %κ.ο [ ο C] Θερµ. Απόσταξης ISO %κ.ο [ ο C] Θερµ. Απόσταξης ISO %κ.ο [ ο C] Αριθµός Κετανίου ISO Συνεκτικότητα, ο C, ISO [mm /s] Επιφανειακή Τάση, ASTM D ο C, [mn/m] 971 Θερµογόνος ύναµη ISO [MJ/kg] Συµπιεστότητα. 9 IFP bar, [x1-5 bar --1 ] Συµπιεστότητα, FEV bar, ο C [x1-5 bar --1 ] Λόγος C/H ASTM D

7 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής ίση µε 5 σαλ και σε τέσσερα διαφορετικά φορτία (,, και % του πλήρους φορτίου). Όλες οι µετρήσεις ελήφθησαν διατηρώντας σταθερή στατική προπορεία έγχυσης. Επίσης κατεβλήθη προσπάθεια να πραγµατοποιηθούν τα πειράµατα χωρίς σηµαντικές διακυµάνσεις στην θερµοκρασία του αέρα εισαγωγής και στην θερµοκρασία του λιπαντικού ελαίου ως µια µέθοδος αποφυγής της εµφάνισης διακυµάνσεων στη λειτουργία του κινητήρα και κυρίως, στην φόρτιση του κινητήρα. Η πειραµατική διαδικασία αποτελείται από τα ακόλουθα δυο βήµατα: 1) Αρχικά πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές στις και σε όλα τα φορτία που εξετάζονται εδώ χρησιµοποιώντας µόνο το «βασικό καύσιµο». Σε κάθε σηµείο λειτουργίας, καταγράφονταν οι τιµές διαφόρων παραµέτρων λειτουργίας του κινητήρα όπως η κατανάλωση καυσίµου, οι πιέσεις καύσης και έγχυσης όπως επίσης και οι εκποµπές ρύπων. Κατά αυτό τον τρόπο διαµορφώθηκε η «καµπύλη αναφοράς λειτουργίας» του κινητήρα (engine baseline operation). ) Η προηγούµενη διαδικασία επαναλήφθηκε για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας µε τον κινητήρα να τροφοδοτείται σταδιακά µε τα καύσιµα DI έως. Κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών, καταγράφονταν σε κάθε σηµείο λειτουργίας οι ακόλουθες παράµετροι: Πίεση καύσης. Πίεση έγχυσης στο σωλήνα υψηλής πίεσης του καυσίµου. Θερµοκρασία καυσαερίων. Κατανάλωση καυσίµου. Εκποµπές αιθάλης, NO, CO και HC. Οι µετρήσεις πίεσης καύσης (πολλοί επαναλαµβανόµενοι κύκλοι) και πίεσης έγχυσης αναλύθηκαν χρησιµοποιώντας ένα υπολογιστικό κώδικα επεξεργασίας, ο οποίος έχει αναπτυχθεί από τον συγγραφέα [3,]. Η ανάλυση των προαναφερθέντων µετρήσεων πίεσης παρείχε πληροφορίες σχετικά µε την µέγιστη πίεση καύσης, τον ρυθµό έκλυσης θερµότητας, το σηµείο ανάφλεξης και τη διάρκεια της καύσης. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ Επίδραση της Επιφανειακής Τάσης του Καυσίµου στη Λειτουργία & στις Εκποµπές Ρύπων Κινητήρων Diesel Για να εξετασθεί η επίδραση της επιφανειακής τάσης καυσίµου, αξιοποιούνται πειραµατικά αποτελέσµατα που ελήφθησαν για τα καύσιµα, DI και. Αυτά τα καύσιµα εµφανίζουν διαφορετικές τιµές επιφανειακής τάσης (.,.5 και 5.1 mn/m αντίστοιχα) ενώ η χηµική τους σύσταση (αναλογία παραφινικών, ναφθενικών και αρωµατικών υδρογονανθράκων) είναι ίδια και διατηρούν σταθερές τις υπόλοιπες φυσικές τους ιδιότητες. Στα Σχήµατα 1(α) και 1(β) παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα για την πίεση καύσης και τον καθαρό ρυθµό έκλυσης θερµότητας (net heat release rate) στις και στο % και % του πλήρους φορτίου για τα καύσιµα και, τα οποία και εµφανίζουν τις ακραίες τιµές επιφανειακής τάσης. Όπως παρατηρείται. η επίδραση της επιφανειακής τάσης στην πίεση καύσης και στο ρυθµό καύσης του καυσίµου είναι σχεδόν αµελητέα. 7

8 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % ΣΧΗΜΑ 1(α). Επίδραση της επιφανειακής τάσης καυσίµου στην µετρηµένη πίεση καύσης και στον ρυθµό έκλυσης θερµότητας. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις 5 σαλ και στο % του πλήρους φορτίου. Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) Φορτίο % ΣΧΗΜΑ 1(β). Επίδραση της επιφανειακής τάσης καυσίµου στην µετρηµένη πίεση καύσης και στο ρυθµό έκλυσης θερµότητας. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις 5 σαλ και στο % του πλήρους φορτίου. Στο Σχήµα 1(γ) δίνονται πειραµατικά αποτελέσµατα για την πίεση έγχυσης στις και σε δυο διαφορετικά φορτία του κινητήρα (% και % του πλήρους φορτίου). Όπως διαπιστώνεται η επιφανειακή τάση του καυσίµου δεν έχει σηµαντική επίδραση στη µετρηµένη πίεση έγχυσης. Η επίδραση της επιφανειακής τάσης στην ειδική κατανάλωση καυσίµου και στην καθυστέρηση ανάφλεξης παρουσιάζεται στο Σχήµα 1(δ). Παρατηρείται µια µικρή µείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου µε τη µείωση της επιφανειακής τάσης κυρίως στα χαµηλά φορτία του κινητήρα ενώ για υψηλότερες τιµές του φορτίου του κινητήρα (% και %) η επίδραση γίνεται αµελητέα. Όσον αφορά την καθυστέρηση ανάφλεξης, µπορεί να λεχθεί ότι η διαφορά µεταξύ των καυσίµων και µειώνεται προοδευτικά καθώς το φορτίο του κινητήρα αυξάνεται.

9 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % ΣΧΗΜΑ 1(γ). Επίδραση της επιφανειακής τάσης καυσίµου στη µετρηµένη πίεση έγχυσης. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % και % του πλήρους φορτίου. bsfc (g/kwh) DI Καθυστέρηση Ανάφλεξης ( o CA) 1 1 DI ΣΧΗΜΑ 1(δ). Επίδραση της επιφανειακής τάσης στην ειδική κατανάλωση καυσίµου και στην καθυστέρηση ανάφλεξης. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου (στην περίπτωση της καθυστέρησης ανάφλεξης παρουσιάζονται αποτελέσµατα στο %, % και % του πλήρους φορτίου). Τα Σχήµατα 1(ε) και 1(στ) χρησιµοποιούνται για την περιγραφή της επίδρασης της επιφανειακής τάσης στις µετρηµένες εκποµπές ρύπων. Όπως φαίνεται, δεν υπάρχει σηµαντική επίδραση της επιφανειακής τάσης του καυσίµου στις εκποµπές ΝΟ, CO και αµαύρωσης αιθάλης. Παρολαυτά, η µείωση της επιφανειακής τάσης οδηγεί σε αύξηση των εκποµπών ΗC για όλα τα φορτία που εξετάζονται εκτός από την περίπτωση του % του φορτίου, όπου η χαµηλότερη τιµή εκποµπών HC παρατηρείται για το καύσιµο µε τη µικρότερη τιµή επιφανειακής τάσης (). 9

10 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy NO (g/kwh) 1 1 DI Αιθάλη (g/kwh) DI ΣΧΗΜΑ 1(ε). Επίδραση της επιφανειακής τάσης στις εκποµπές ΝΟ και αιθάλης. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου. CO (g/kwh) DI HC (g/kwh) DI 1 ΣΧΗΜΑ 1(στ). Επίδραση της επιφανειακής τάσης στις εκποµπές CO και HC. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου. Επίδραση της Πυκνότητας, της Συνεκτικότητας & του Συντελεστή Συµπιεστότητας του Καυσίµου στη Λειτουργία & στις Εκποµπές Ρύπων Κινητήρων Diesel Πειραµατικά Αποτελέσµατα Κινητήρα για τα Καύσιµα DI & Τα Σχήµατα (α) και (β) παρατίθενται µε σκοπό την εξέταση της συνδυασµένης επίδρασης της πυκνότητας, συνεκτικότητας και του συντελεστή συµπιεστότητας στην πίεση καύσης και στο ρυθµό έκλυσης θερµότητας. Η µετάβαση από το καύσιµο DI στο συνοδεύεται από πιο έντονη αύξηση της πίεσης καύσης κοντά στο Α.Ν.Σ. Σύµφωνα µε τα Σχήµατα (α) και (β), παρατηρείται νωρίτερη ανάφλεξη για το καύσιµο µε την υψηλότερη πυκνότητα καυσίµου () λόγω του υψηλότερου του αριθµού κετανίου σε σύγκριση µε το DI. Στο % του πλήρους φορτίου (Σχήµα (α)), η υποκατάσταση του καυσίµου DI από το συνοδεύεται από πιο έντονη προαναµεµειγµένη καύση και µικρή αύξηση της πίεσης καύσης στην περιοχή γύρω από το Α.Ν.Σ. Αντίθετα, στο % του φορτίου, η αντίστοιχη επίδραση στην πίεση καύσης είναι αµελητέα. 1

11 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI Σχήµα (α). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ (β). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. Στο Σχήµα (γ) γίνεται σύγκριση πειραµατικών τιµών πίεσης έγχυσης για τα καύσιµα DI και στις και στο % και στο % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. Στο % του φορτίου, παρατηρείται αύξηση του ρυθµού ανόδου της πίεσης έγχυσης κατά την µετάβαση από το καύσιµο DI στο, η οποία οδηγεί σε αύξηση της µέγιστης πίεσης έγχυσης. Αντίθετα, στο % του πλήρους φορτίου, η επίδραση στην πίεση έγχυσης είναι αµελητέα. Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ (γ). Σύγκριση της πίεσης έγχυσης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % και στο % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. 11

12 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Στα Σχήµατα (δ) (στ) γίνεται σύγκριση των τιµών ειδικής κατανάλωσης καυσίµου, καθυστέρησης ανάφλεξης, ΝΟ, αιθάλης, CO και HC για τα καύσιµα DI και στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου. Όπως παρατηρείται, η ειδική κατανάλωση καυσίµου µειώνεται ελαφρώς καθώς αυξάνεται η πυκνότητα του καυσίµου. Παρατηρείται επίσης µείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης κατά τη µετάβαση από το καύσιµο DI στο καύσιµο λόγω της αύξησης του αριθµού κετανίου. Οι εκποµπές ΝΟ και οι τιµές αιθάλης τείνουν να αυξηθούν µε την αύξηση της πυκνότητας και της συνεκτικότητας του καυσίµου (DI ) ενώ οι εκποµπές ακαύστων υδρογονανθράκων µειώνονται κατά τη µετάβαση από το καύσιµο DI στο. Οι εκποµπές µονοξειδίου του άνθρακα (CO) δεν επηρεάζονται από τη µεταβολή της πυκνότητας και της συνεκτικότητας του καυσίµου για αυτό το ζεύγος καυσίµων. bsfc (g/kwh) DI Καθυστέρηση Ανάφλεξης ( ο CA) 1 1 DI ΣΧΗΜΑ (δ). Σύγκριση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου και της καθυστέρησης ανάφλεξης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις 5 σαλ και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου (στην περίπτωση της καθυστέρησης ανάφλεξης παρουσιάζονται αποτελέσµατα στο %, % και % του πλήρους φορτίου). NO (g/kwh) 1 DI Αιθάλη (g/kwh) 5 3 DI 1 ΣΧΗΜΑ (ε). Σύγκριση των εκποµπών NO και αιθάλης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου.

13 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy CO (g/kwh) DI HC (g/kwh) DI 1 ΣΧΗΜΑ (στ). Σύγκριση των εκποµπών CO και HC για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. Πειραµατικά Αποτελέσµατα Κινητήρα για τα Καύσιµα DI & Η συνδυασµένη επίδραση της πυκνότητας, συνεκτικότητας και συµπιεστότητας του καυσίµου στην πίεση καύσης και στο ρυθµό έκλυσης θερµότητας προσδιορίζεται από την εξέταση των πειραµατικών αποτελεσµάτων που εικονίζονται στα Σχήµατα 3(α) και 3(β) και έχουν ληφθεί χρησιµοποιώντας τα καύσιµα DI και. Σύµφωνα µε το Σχήµα 3(α), η αύξηση της συνεκτικότητας (DI ) (συνεπακόλουθη αύξηση της πυκνότητας και µείωση της συµπιεστότητας) του καυσίµου οδηγεί σε πιο έντονη αύξηση της πίεσης καύσης και έτσι σε υψηλότερες µέγιστες πιέσεις καύσης. Όµως, η αύξηση της συνεκτικότητας του καυσίµου φαίνεται να επηρεάζει λιγότερο την πίεση καύσης στα υψηλά φορτία σύµφωνα µε το Σχήµα 3(β). Επίσης η µεγάλη αύξηση του αριθµού κετανίου κατά την µετάβαση από το καύσιµο DI στο οδηγεί σε νωρίτερη έναρξη της καύσης. Παρολαυτά, παρατηρώντας τα Σχήµατα 3(α) και 3(β), προκύπτει ότι η µετάβαση από το καύσιµο DI στο οδηγεί σε λιγότερο έντονη προαναµεµειγµένη καύση (χαµηλότερη µέγιστη τιµή εκλυόµενης θερµότητας). Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ 3(α). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. 13

14 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ 3(β). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. Το Σχήµα 3(γ) βοηθά στην κατανόηση της συνδυασµένης επίδρασης της συνεκτικότητας, της πυκνότητας και της συµπιεστότητας του καυσίµου στην πίεση έγχυσης. Η αύξηση της συνεκτικότητας και η συνεπακόλουθη µείωση της συµπιεστότητας οδηγεί σε πιο έντονη αύξηση της πίεσης έγχυσης και αντίστοιχα, σε υψηλότερες τιµές µέγιστης πίεσης έγχυσης. Η επίδραση που έχει η αύξηση της συνεκτικότητας εντείνεται µε την αύξηση του φορτίου του κινητήρα. Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ 3(γ). Σύγκριση της πίεσης έγχυσης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % και στο % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. Στα Σχήµατα 3(δ) 3(στ) παρουσιάζονται πειραµατικές τιµές ειδικής κατανάλωσης καυσίµου, καθυστέρησης ανάφλεξης, ΝΟ, αιθάλης, CO και HC για τα καύσιµα DI και στις για όλα τα φορτία που εξετάσθηκαν στον κινητήρα. Σύµφωνα µε το Σχήµα 3(δ), η ειδική κατανάλωση καυσίµου δεν µεταβάλλεται σηµαντικά µε την αύξηση της συνεκτικότητας. Η καθυστέρηση ανάφλεξης εµφανίζει πτωτική τάση µε την αύξηση της συνεκτικότητας καυσίµου λόγω της συνεπακόλουθης αύξησης του αριθµού κετανίου. Όπως προκύπτει από το Σχήµα 3(ε), οι εκποµπές ΝΟ και η συγκέντρωση αιθάλης αυξάνονται µε την αύξηση της συνεκτικότητας του καυσίµου. Αντίθετα, σύµφωνα µε το Σχήµα 3(στ), οι εκποµπές CO παραµένουν σχεδόν ανεπηρέαστες µε την αλλαγή της συνεκτικότητας (DI ) ενώ οι εκποµπές ΗC παρουσιάζουν µια ελαφρά µείωση µε την αύξηση της συνεκτικότητας και του αριθµού κετανίου σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσθηκαν εκτός από εκείνη του % του φορτίου. 1

15 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy bsfc (g/kwh) DI Καθυστέρηση Ανάφλεξης ( ο CA) 1 1 DI ΣΧΗΜΑ 3(δ). Σύγκριση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου και της καθυστέρησης ανάφλεξης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου ((στην περίπτωση της καθυστέρησης ανάφλεξης παρουσιάζονται αποτελέσµατα στο %, % και % του πλήρους φορτίου). NO (g/kwh) 1 DI Αιθάλη (g/kwh) 5 3 DI 1 ΣΧΗΜΑ 3(ε). Σύγκριση των εκποµπών NO και αιθάλης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου. CO (g/kwh) 3 3 DI HC (g/kwh) DI ΣΧΗΜΑ 3(στ). Σύγκριση των εκποµπών CO και HC για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου. 15

16 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy Πειραµατικά Αποτελέσµατα Κινητήρα για τα Καύσιµα DI & Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα καύσιµα DI και είχαν αρχικά σχεδιασθεί ώστε να χρησιµοποιηθούν για την εξέταση της συµπιεστότητας στη λειτουργία και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel. Αλλά όπως διαπιστώθηκε από τις µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν στο IFP και στο FEV τα καύσιµα DI και δεν παρουσιάζουν ουσιώδεις διαφορές στη συµπιεστότητα. Τα καύσιµα µε τη µεγαλύτερη διαφορά στο συντελεστή συµπιεστότητας είναι τα καύσιµα DI και. Έτσι οι παρατηρούµενες µεταβολές στα πειραµατικά αποτελέσµατα για τις παραµέτρους λειτουργίας και τις εκποµπές ρύπων κατά τη µετάβαση από το καύσιµο DI στο µπορούν να αποδοθούν στη µικρή µείωση της συνεκτικότητας (περίπου %) αφού σύµφωνα µε τον Πίνακα 7.1 όλες οι υπόλοιπες φυσικοχηµικές τους ιδιότητες είναι σχεδόν ίδιες. Η µικρή µείωση της συνεκτικότητας οφείλεται στη µερική αντικατάσταση του παραφινικών από ναφθενικούς υδρογονάνθρακες. Από τα Σχήµατα όπου παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα για την πίεση καύσης, τον ρυθµό έκλυσης θερµότητας, την πίεση έγχυσης, την ειδική κατανάλωση καυσίµου, την καθυστέρηση ανάφλεξης, τις εκποµπές αιθάλης, ΝΟ, CO και HC προκύπτει ότι η µετάβαση από το καύσιµο DI στο οδηγεί σε: Μη ουσιαστική µεταβολή της πίεσης καύσης, της πίεσης έγχυσης, της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου. Λιγότερο έντονη προαναµεµειγµένη καύση. Τάση για αύξηση των εκποµπών ΝΟ. Τάση για µείωση της αιθάλης και των εκποµπών CO. Μείωση των ακαύστων υδρογονανθράκων σε όλα τα φορτία που εξετάσθηκαν. Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ (α). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. Πίεση Καύσης (bar) Φορτίο % DI Καθαρός Ρυθµός Έκλυσης Θερµότητας (J/deg) 3 Φορτίο % DI

17 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy ΣΧΗΜΑ (β). Σύγκριση της πίεσης καύσης και του ρυθµού έκλυσης θερµότητας για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % του πλήρους φορτίου. Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI Πίεση Έγχυσης (bar) Φορτίο % DI ΣΧΗΜΑ (γ). Σύγκριση της πίεσης έγχυσης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο % και στο % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. bsfc (g/kwh) DI Καθυστέρηση Ανάφλεξης ( o CA) 1 1 DI ΣΧΗΜΑ (δ). Σύγκριση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου και της καθυστέρησης ανάφλεξης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου (στην περίπτωση της καθυστέρησης ανάφλεξης παρουσιάζονται αποτελέσµατα στο %, % και % του πλήρους φορτίου). NO (g/kwh) 1 DI Αιθάλη (g/kwh) 5 3 DI 1 ΣΧΗΜΑ (ε). Σύγκριση των εκποµπών NO και αιθάλης για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. 17

18 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy CO (g/kwh) 3 3 DI ΗC (g/kwh) DI ΣΧΗΜΑ (στ). Σύγκριση των εκποµπών CO και HC για τα καύσιµα DI &. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν από τον κινητήρα στις και στο %, %, % και % του πλήρους φορτίου αντίστοιχα. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία πραγµατοποιήθηκε µια λεπτοµερής πειραµατική διερεύνηση µε σκοπό την εξέταση της επίδρασης των ιδιοτήτων του καυσίµου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel. Στα πλαίσια της διερεύνησης πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές σε έναν µονοκύλινδρο κινητήρα άµεσης έγχυσης () σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας χρησιµοποιώντας εννιά διαφορετικά καύσιµα τα οποία είχαν µεταβλητή σύσταση και µεταβλητές φυσικές και χηµικές ιδιότητες. Κατά την ανάλυση των αποτελεσµάτων δόθηκε έµφαση στην επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων του καυσίµου όπως η πυκνότητα, η συνεκτικότητα και ο συντελεστής συµπιεστότητας στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων. Αξιοποιώντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα εξήχθησαν τα ακόλουθα συµπεράσµατα σχετικά µε την επίδραση των ιδιοτήτων του καυσίµου στη λειτουργία και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel: 1) Η αύξηση της θερµοκρασίας απόσταξης και η µερική αντικατάσταση των παραφινών από ναφθένες οδήγησε κυρίως σε αύξηση της συνεκτικότητας και του αριθµού κετανίου και δευτερευόντως, σε αύξηση της πυκνότητας και µείωση του συντελεστή συµπιεστότητας. ) Η µεταβολή της επιφανειακής τάσης του καυσίµου δεν προκαλεί αξιοσηµείωτες µεταβολές στις παραµέτρους λειτουργίας και στις εκποµπές ρύπων κινητήρων diesel αµέσου έγχυσης. 3) Η αύξηση της συνεκτικότητας και της πυκνότητας σε συνδυασµό µε την µείωση του συντελεστή συµπιεστότητας οδήγησε σε: i. Νωρίτερη έναρξη της καύσης. ii. Μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης εξαιτίας της αύξησης του αριθµού κετανίου. iii. Αύξηση του ρυθµού ανόδου της πίεσης έγχυσης και σε ελαφρώς υψηλότερες µέγιστες τιµές της πίεσης έγχυσης στα υψηλά φορτία. iv. Μικρή αύξηση της µέγιστης πίεσης καύσης στα χαµηλά φορτία του κινητήρα. v. Αύξηση των εκποµπών αιθάλης. vi. Μείωση των εκποµπών ακαύστων υδρογονανθράκων. vii. Μικρή αύξηση των εκποµπών NO. viii. Μικρή µείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου. Κατά συνέπεια, είναι εφικτή η ταυτόχρονη µείωση των εκποµπών αιθάλης και NO χωρίς σηµαντικές αρνητικές επιδράσεις στην ειδική κατανάλωση καυσίµου µέσω της µείωσης της θερµοκρασίας απόσταξης και της αύξησης του λόγου παραφινικών προς ναφθενικούς 1

19 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy υδρογονάνθρακες, οι οποίες όπως αποδείχθηκε οδηγούν σε µείωση της πυκνότητας και της συνεκτικότητας και αύξηση του συντελεστή συµπιεστότητας των συµβατικών καυσίµων diesel. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ο συγγραφέας θα ήθελε να εκφράσει την ευγνωµοσύνη του προς την Ευρωπαϊκή Επιτροπή για την χρηµατοδότηση του ερευνητικού προγράµµατος NeDeNeF στα πλαίσια του οποίου πραγµατοποιήθηκε η παρούσα πειραµατική διερεύνηση και προς το Ινστιτούτο Πετρελαίων της Γαλλίας (Institut Francais du Petrole (IFP)) για τον συντονισµό του προγράµµατος. Επίσης θα ήθελε να ευχαριστήσει την εταιρεία Fortum Oil & Gas Oy για την παρασκευή των καυσίµων δοκιµής και την χορήγηση πειραµατικών τιµών για τις ιδιότητες των καυσίµων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1. G. Lepperhoff, G.; Baecker, H.; Pungs, A.; Petters, K-D. 9 th Int. Symposium for Transport and Air Pollution, Avignon, France,.. Baecker, H.; Pungs, A.; Pischinger, S.; Petters, K-D.; Lepperhoff, G. 3 rd Int. Fuels Colloquium, Esslingen, Germany, Zannis, T.C.; Hountalas, D.T. Energy & Fuels, 1(3), B. Martin, P. Aakko, D. Beckman, N. Del Giacomo and F. Giavazzi, F. Society of Automotive Engineers, No. 979 (1997). 5. K. Nakakita, H. Ban, S. Takasu, Y. Hotta, K. Inagaki, W. Weissman and J.T. Farrell, Society of Automotive Engineers, No (3).. K. Nakakita, S. Takasu, H. Ban, T. Ogawa, H. Naruse, Y. Tsukasaki and L.I. Yeh, Society of Automotive Engineers, No. 99 (199). 7. Y. Takatori, Y. Mandokoro, K. Akihama, K. Nakakita, Y. Tsukasaki, S. Igushi, L.I. Yeh and A.M. Dean, Society of Automotive Engineers, No. 995 (199).. S. Kobayashi, T. Nakajima and M. Hori, Society of Automotive Engineers, No. 951 (199). 9. M. Hublin, P.G. Gadd, D.E. Hall and K.P. Schindler, Society of Automotive Engineers, No. 9173, C.J.J. Den Ouden, W.W. Lange, C. Maillard, R.H. Clark, L.T. Cowley and R.J. Strandling, Society of Automotive Engineers, No. 9 (199). 11. C. Beatrice, C. Bertoli, N. Del Giacomo, M. na Migliaccio and C. Guido, Society of Automotive Engineers, No. -1- ().. C. Morley, R.J. Price and N.P. Tait and C.R. McDonald, th International Symposium COMODIA, 17-, (199). 13. T.L. Ullman, R.L. Mason and D.A. Montalvo, Society of Automotive Engineers, No (199). 1. N. Miyamoto, H. Ogawa, M. Shibuya, K. Arai and O. Esmilaire, Society of Automotive Engineers, No. 97, Y. Kidoguchi, C. Yang and K. Miwa, Society of Automotive Engineers, No ().. Y. Kidoguchi, C. Yang, R. Kato and K. Miwa, JSAE Review 1, 9-75 (). 17. E.J. Sienicki, R.E. Jass, W.J. Slodowske, C.I. McCarthy and A.L. Krodel, Society of Automotive Engineers, No. 917 (199). 1. N. Miyamoto, H. Ogawa, M. Shibuya, and T. Suda, Society of Automotive Engineers, No. 91 (199). 19. M. Arai, Society of Automotive Engineers, No. 955 (199).. S. Kobayashi, K. Akiyama, T. Nakajima and S. Sasaki, Japan Society of Automotive Engineers, No (199). 1. T. Ogawa, T. Araga, M. Okada and Y. Fujimoto, Society of Automotive Engineers, No (1995). Y. Kwon, N. Mann, D.J. Rickeard, R. Haugland, K.A. Ulvund, F. Kvinge and G. Wilson, Society of Automotive Engineers, No (). 3. T.L. Ullman, Society of Automotive Engineers, Νο. 97 (199).. N. Ladommatos, Z. Xiao and H. Zhao, Proc. Instn. Mech. Engrs, J. of Automobile Engineering, 1(D), (). 19

20 PaperID: NCH-1-C3, Nausivios Chora 1, Copyright -1: Hellenic Naval Academy 5. H. Richter and J.B. Howard, Prog. Energy Combust. Sci., 55- ().. T.C. Zannis and D.T. Hountalas, J. Energy Institute 77, -5 (). 7. D. Karonis, E. Lois, S. Stournas and F. Zannikos, Energy & Fuels, 3-3 (199).. NEDENEF, New Diesel Engines and New Diesel Fuels, GROWTH Programme, Final Technical Report, (3).