Τεχνολογία Καυσίμων. Πετρέλαιο Diesel

Transcript

1 Πετρέλαιο Diesel Το πετρέλαιο Diesel είναι γενικά οποιοδήποτε υγρό καύσιμο που χρησιμοποιείται σε κινητήρες Diesel, όπου η ανάφλεξη γίνεται χωρίς σπινθήρα. Ανάφλεξη στους κινητήρες αυτούς υπάρχει λόγω της συμπίεσης του εισερχόμενου αέρα μέχρι να ξεπεράσει την θερμοκρασία αυτανάφλεξης του πετρελαίου και στη συνέχεια έγχυση καυσίμου στο υπέρθερμο αέρα και αυτανάφλεξή του. Για την εκκίνηση του κρύου κινητήρα χρησιμοποιούνται προθερμαντήρες ή άλλα συστήματα προθέρμανσης τα οποία ζεσταίνουν τον αέρα για εκκίνηση χωρίς προβλήματα. Οι κινητήρες Diesel έχουν ευρεία χρήση ως αποτέλεσμα της υψηλότερης θερμοδυναμικής απόδοσης και επομένως της αποδοτικότητας καυσίμου. Αυτό παρατηρείται ιδιαίτερα όταν οι κινητήρες Diesel λειτουργούν με μερικό φορτίο, καθώς ο εισερχόμενος αέρα δεν στραγγαλίζεται όπως σε βενζινοκινητήρα.

2 Τύποι Πετρελαίου Diesel Ο πιο κοινός τύπος καυσίμου Diesel είναι αυτός που προέρχεται από την κλασματική απόσταξη του ορυκτού πετρελαίου. Αναπτύσσονται και υιοθετούνται όλο και περισσότερο εναλλακτικές λύσεις παραγωγής Diesel που δεν προέρχονται από πετρέλαιο, όπως: - το βιοντίζελ, - η μετατροπή βιομάζας σε υγρό (Biomass To Liquid (BTL)) - η μετατροπή αερίου σε υγρό (Gas To Liquid (GTL)). Για να υπάρχει διάκριση αυτών των τύπων, το diesel που προέρχεται από το ορυκτό πετρέλαιο καλείται όλο και περισσότερο petrodiesel. Με δεδομένη την ρύπανση λόγω της ύπαρξης θείου στα καύσιμα, το diesel εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο (Ultra-Low-Sulfur Diesel (ULSD)) είναι ένα πρότυπο για τον ορισμό του καυσίμου diesel με ουσιαστικά μειωμένη περιεκτικότητα σε θείο. Από το 2016, σχεδόν όλα τα καύσιμα ντίζελ πετρελαίου που διατίθενται στο Ηνωμένο Βασίλειο, την Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική είναι τύπου ULSD.

3 Rudolf Diesel Η χρησιμότητα και η τεχνική χρησιμοποίησής του diesel προήλθε από πειράματα που διεξήγαγε ο Γερμανός επιστήμονας και ο εφευρέτης Rudolf Diesel, του οποίου το όνομα έχει δοθεί και στο καύσιμο, για τον κινητήρα αυτανάφλεξης του καυσίμου μέσω συμπίεσης που εφευρέθηκε το Ο Diesel σχεδίασε αρχικά τη μηχανή του για να χρησιμοποιήσει σκόνη άνθρακα ως καύσιμο αλλά πειραματίστηκε και με άλλα καύσιμα, συμπεριλαμβανομένων των φυτικών ελαίων όπως το φυστικέλαιο. Φυστικέλαιο χρησιμοποιούσαν οι κινητήρες που παρουσίασε στην Έκθεση του Παρισιού το 1900 και στην Παγκόσμια Έκθεση του 1911 επίσης στο Παρίσι.

4 Φυσιολογία Πετρελαίου Diesel Το πετρέλαιο Diesel, που ονομάζεται πετροdiesel και προέρχεται από την κλασματική απόσταξη του ορυκτού πετρελαίου είναι ο πιο κοινός τύπος καυσίμου diesel. Παράγεται από την κλασματική απόσταξη αργού πετρελαίου μεταξύ 200 C και 350 C σε ατμοσφαιρική πίεση. Αποτελείται από μίγμα αλυσίδων άνθρακα, με μόρια που περιέχουν από 8 έως και το πολύ 21 άτομα άνθρακα ανά μόριο. Το καθαρό diesel είναι άχρωμο. Χρωματίζεται τεχνητά, ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση, για να ελέγχεται η διακίνησή του και η διάθεσή του. Η πυκνότητα του παραγόμενου Diesel είναι περίπου 0,832kg/L Tο 86,1% της μάζας καυσίμου είναι άνθρακας και όταν καίγεται παράγει θερμογόνο δύναμη 43,1 MJ/kg και 35,86MJ/L Οι εκπομπές CO 2 από το ντίζελ είναι 73,25g/MJ Περιέχει υδρογονάνθρακες με σημείο βρασμού της τάξης των C. Το Petrodiesel παγώνει γύρω από θερμοκρασίες -8,1 C, ενώ το βιοντίζελ παγώνει μεταξύ θερμοκρασιών 2 C και 15 C. Το ιξώδες του χρησιμοποιούμενου πετρελαίου αυξάνεται αισθητά καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, και αρχίζει να πήζει σε θερμοκρασίες από -19 C έως -15 C, με αποτέλεσμα να μη μπορεί να υπάρχει ροή στα συστήματα τροφοδοσίας καυσίμων. Εξατμίζεται σε θερμοκρασίες μεταξύ 149 C και 371 C. Τα σημεία ανάφλεξής του κυμαίνονται μεταξύ 52 C και 96 C

5 Θερμοδυναμικός Κύκλος Diesel Θεωρητικός κύκλος λειτουργίας κινητήρα diesel.

6 ίχρονος Κινητήρας Diesel Λειτουργία ίχρονου Κινητήρα diesel.

7 Τετράχρονος Κινητήρας Diesel Λειτουργία Τετράχρονου Κινητήρα diesel.

8 Αριθμός κετανίου Ο αριθμός κετανίου (Cetane number ή CN), αποτελεί μία ένδειξη της ταχύτητας καύσης του καύσιμου diesel, ενώ αποτελεί κύριο παράγοντα που καθορίζει την ποιότητα του καυσίμου. Προσπάθειες καθορισμού διαδικασίας προσδιορισμού της ποιότητας ενός καυσίμου diesel έγιναν κατά τη δεκαετία του 1930 στην Ολλανδία από τους ο Boerlage και ο Βroege στο εργαστήριο τους. Σχηματική μορφή μορίου 1-δεκαεξένιο ή κετένιο Χρησιμοποιήθηκαν δύο καύσιμα υδρογονανθράκων, το 1- δεκαεξένιο ή κετένιο με χημικό τύπο C 16 H 32 που αποτελεί μία ανοικτή αλυσίδα γραμμικού υδρογονάνθρακα και την α- μεθυλοναφθαλίνη με χημικό τύπο C 11 H 12 που αποτελεί μία Σχηματική μορφή κλειστή αλυσίδα κυκλικού υδρογονάνθρακα. μορίου α-μεθυλοναφθαλίνης γραμμική και μεγάλου μήκους δομή αλυσίδας, δόθηκε ο αριθμός Στον υδρογονάνθρακα, που είναι γνωστός και ως κετένιο και έχει κετανίου CN=100 λόγω της ευκολίας καύσης του. Στην μεθυλοναφθαλίνη, η οποία έχει δύο αρωματικούς δακτυλίους και έχει υψηλή αντίσταση στην αυτανάφλεξη, δόθηκε ο αριθμός κετανίου CN=0. Συνεπώς ο αριθμός κετανίου θεωρείται πως ορίζει το ποσοστό κετανίου σε ένα μείγμα δεκαεξεανίου και μεθυλοναφθαλίνης.

9 Αριθμός κετανίου Τα σύγχρονα πετρελαιοκίνητα οχήματα αποδίδουν καλύτερα με καύσιμο που έχει ονομαστική τιμή αριθμού κετανίου μεταξύ 45 και 55. Τα παραγόμενα σήμερα καύσιμα για κινητήρες diesel έχουν αριθμό κετανίου: Κανονικό diesel : 48 Βελτιωμένο diesel : 55 Καθαρό Biodiesel (B100) : 55 Μείγμα diesel με biodiesel 20% (Β20) : 50 Συνθετικό diesel : 55

10 Σύγχρονη τεχνολογία τροφοδοσίας κινητήρα Diesel

11 Σύγχρονη τεχνολογία τροφοδοσίας κινητήρα Diesel

12 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις καύσης Diesel Οι κινητήρες ντήζελ, όπως και με άλλες μορφές καύσης, παράγουν μονοξείδιο του αζώτου NO και NO 2, συλλογικά γνωστό ως NOx. Το NOx αντιδρά με την αμμωνία, την υγρασία και άλλες ενώσεις για να σχηματίσει ατμούς νιτρικού οξέος και συναφή σωματίδια, γνωστό ως φωτοχημικό νέφος. Στους σύγχρονους κινητήρες diesel (Euro 6) για την μείωση των εκπεμπόμενων NΟx χρησιμοποιείται η τεχνική της έγχυσης ουρίας στα καυσαέρια ώστε να μετατραπούν τα NOx σε Ν 2 και νερό. CO(NH 2 ) 2 + 2NO CO 2 + 2Ν 2 + 2Η 2 Ο 4CO(NH 2 ) 2 + 6NO 2 4CO 2 + 7Ν 2 + 8Η 2 Ο

13 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις καύσης Diesel Οι εκπομπές σωματιδίων από κινητήρα diesel είναι γνωστές ως PM 10 ή PM 2,5 ανάλογα με το μέγεθος των εκπεμπόμενων σωματιδίων. Μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στον ιστό των πνευμόνων και να τα βλάψουν, προκαλώντας πρόωρο θάνατο σε ακραίες περιπτώσεις. Η εισπνοή τέτοιων σωματιδίων μπορεί να προκαλέσει ή να επιδεινώσει ασθένειες του αναπνευστικού ως εμφύσημα ή βρογχίτιδα, ή μπορεί επίσης να επιδεινώσει την υπάρχουσα καρδιακή νόσο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος οι σύγχρονοι κινητήρες diesel είναι εφοδιασμένοι με παγίδες σωματιδίων, που συμβάλλουν στην εξάλειψη των PM 10 και PM 2,5. Τομή καταλυτικού μετατροπέα και φίλτρου σωματιδίων κινητήρα diesel Οι παγίδες αυτές διαθέτουν τεχνολογία αναζωογόνησης που επιτρέπουν την καύση των συγκεντρωμένων σωματιδίων ώστε να ελευθερώνεται η ροή των καυσαερίων μέσα από την παγίδα

14 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις καύσης Diesel Το θείο στο καύσιμο οξειδώνεται κατά τη διάρκεια της καύσης, δημιουργώντας διοξείδιο του θείου και τριοξείδιο του θείου. Η παρουσία νερού το μετατρέπει σε θειικό οξύ, που στη συνέχεια γίνεται όξινη βροχή. Υψηλά επίπεδα θείου στο καύσιμο δρουν αρνητικά στη χρήση καταλυτικών μετατροπέων, φίλτρων σωματιδίων καθώς και των συστημάτων εξουδετέρωσης των οξειδίων του αζώτου (NOx)

15 Νομοθετημένα όρια για οχήματα με κινητήρα Diesel Ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρεπόμενων εκπομπών ρύπων για: επιβατικά οχήματα (Κατηγορίας M), ελαφρά εμπορικά οχήματα μάζας μικρότερης από 1305kg (Κατηγορίας N 1 -I) Οι τιμές του πίνακα σε [g/km] Tier Date CO THC NMHC NO x HC+NO x PM Euro 1 July 1992 Diesel 2.72 (3.16) (1.13) 0.14 (0.18) PN [#/km] Euro 2 January Euro 3 January Euro 4 January Euro 5a September Euro 5b September Euro 6 September Οι τιμές σε παρενθέσεις είναι τα όρια που επετεύχθησαν κατά την παραγωγή στα οχήματα κατηγορίας Μ -

16 Νομοθετημένα όρια για οχήματα με κινητήρα Diesel Ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρεπόμενων εκπομπών ρύπων για: ελαφρά εμπορικά οχήματα μάζας από kg (Κατηγορίας N 1 -IΙ) Οι τιμές του πίνακα σε [g/km] Tier Date CO THC NMHC NO x HC+NO x PM PN [#/km] Diesel Euro 1 October Euro 2 January Euro 3 January Euro 4 January Euro 5a September Euro 5b September Euro 6 September

17 Νομοθετημένα όρια για οχήματα με κινητήρα Diesel Ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρεπόμενων εκπομπών ρύπων για: ελαφρά εμπορικά οχήματα μάζας από kg (Κατηγορίας N 1 -III & N 2 ) Οι τιμές του πίνακα σε [g/km] Tier Date CO THC NMHC NO x HC+NO x PM PN [#/km] Diesel Euro 1 October Euro 2 January Euro 3 January Euro 4 January Euro 5a September Euro 5b September Euro 6 September

18 Νομοθετημένα όρια για οχήματα με κινητήρα Diesel Ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρεπόμενων εκπομπών ρύπων για: Φορτηγά & Λεωφορεία με κινητήρα diesel Οι τιμές του πίνακα σε [g/kwh] (smoke σε [m 1 ]) Tier Date Test cycle CO HC NO x PM Smoke 1992, < 85 kw Euro I 1992, > 85 kw ECE R-49 October Euro II October October 1999 EEVs only ESC & ELR Euro III 0.10 October * 0.8 Euro IV October 2005 ESC & ELR Euro V October Euro VI 31 December * για κινητήρες με όγκο εμβολισμού μικρότερο από 750cm 3 ανά κύλινδρο και με αριθμό περιστροφής μεγαλύτερο των 3.000rpm. Το EEV είναι ένα Ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον όχημα "Enhanced Environmentally friendly Vehicle".

19 Νομοθετημένα όρια για οχήματα με κινητήρα Diesel Ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρεπόμενων εκπομπών ρύπων για: Μεγάλα φορτηγά οχήματα Euro norm emissions for category N3, EDC cycle, (2000 and up) Standard Date CO (g/kwh) NO x (g/kwh) HC (g/kwh) PM (g/kwh) Euro NA Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro norm emissions for (older) ECE R49 cycle Standard Date CO (g/kwh) NO x (g/kwh) HC (g/kwh) PM (g/kwh) Euro NA Euro I Euro II

20 Τυποποιημένοι Κύκλοι Μέτρησης Κινητήρων Για την αξιολόγηση των παραγόμενων κινητήρων στην διάρκεια των ετών, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα σύγκρισης των κινητήρων εξελίχθηκαν και τυποποιήθηκαν διαδικασίες ελέγχου των κινητήρων, που εφαρμόζονται είτε πριν αυτοί τοποθετηθούν πάνω στο όχημα που θα λειτουργήσουν είτε τοποθετημένοι πάνω σε όχημα. Οι τυποποιημένοι αυτοί κύκλοι στην πράξη είναι διαγράμματα ταχύτητας κινητήρα (στροφές) ή οχήματος, σε σχέση με το χρόνο. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί τοποθετημένος στη δυναμομετρική εξέδρα ή πάνω σε όχημα, καταγράφονται η ενεργειακή τους κατανάλωση, οι εκπομπές τους και τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά. Τυποποιήθηκαν δύο τύποι κύκλων: Όσοι ακολουθούνται με τον κινητήρας να λειτουργεί πάνω σε δυναμομετρική εξέδρα και Όσοι προσομοιώνουν την κίνηση ενός οχήματος σε αστική περιοχή αλλά και αυτοκινητόδρομο, οι οποίοι ονομάζονται «Τυποποιημένοι Κύκλοι Οδήγησης»

21 Ευρωπαϊκοί νομοθετημένοι κύκλοι μέτρησης Table 1ECE R49 and US 13 Mode Cycles Mode No. Speed Load, % Weighting Factors R49 US 1 idle 0.25/3 0.20/ maximum torque speed idle 0.25/3 0.20/ rated power speed idle 0.25/3 0.20/3 Φάσεις μέτρηση απόδοσης κινητήρα και καταγραφής εκπεμπόμενων ρύπων από κινητήρα σε δυναμομετρική εξέδρα. Χρησιμοποιήθηκε μέχρι τον Οκτώβριο του 2000 που ξεκίνησε το Euro III. Aντικαταστάθηκε από τον κύκλο ESC (European Stationary Cycle)

22 Ευρωπαϊκοί νομοθετημένοι κύκλοι μέτρησης ESC Test Modes Mode Engine Speed Load, % Weight, % Duration 1 Low idle minutes 2 A minutes 3 B minutes 4 B minutes 5 A minutes 6 A minutes 7 A minutes 8 B minutes 9 B minutes 10 C minutes 11 C minutes 12 C minutes 13 C minutes Φάσεις μέτρηση με τον κινητήρα σε δυναμομετρική εξέδρα. Η χρήση του ξεκίνησε με την εφαρμογή του Euro III, τον Οκτώβριο του Χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των εκπομπών από βαρέως τύπου κινητήρες diesel

23 Ευρωπαϊκοί νομοθετημένοι κύκλοι μέτρησης Φάσεις μέτρηση κινητήρα τοποθετημένου σε δυναμομετρική εξέδρα. Η χρήση του κύκλου ελέγχου (European Load Response (ELR)), για τον έλεγχο της ρύπανσης από κάπνα από τους βαρέως τύπου κινητήρες diesel ξεκίνησε το 2000 με την οδηγία 1999/96/EC.

24 Ευρωπαϊκός νομοθετημένος κύκλος οδήγησης Ο Ευρωπαϊκός κύκλος ελέγχου των οχημάτων για μέτρηση των εκπεμπόμενων ρύπων με οδήγηση του οχήματος πάνω σε δυναμομετρική εξέδρα.