Α. Κυριακίδης, Β. Δήμος, Ε. Λυμπεροπούλου, Δ. Καρώνης, Ε. Λόης Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα

Transcript

1 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΡΙΑΔΙΚΩΝ ΜΕΙΓΜΑΤΩΝ ΒΕΝΖΙΝΗΣ-ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ-ΝΕΡΟΥ ΩΣ ΚΑΥΣΙΜΑ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΑ OTTO Α. Κυριακίδης, Β. Δήμος, Ε. Λυμπεροπούλου, Δ. Καρώνης, Ε. Λόης Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκε ένυδρη αιθανόλη ως συστατικό μείγματος καυσίμου. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκε η σταθερότητα μειγμάτων βενζίνης-ένυδρης αιθανόλης, ή αλλιώς τριαδικών μειγμάτων βενζίνης-αιθανόλης-νερού, με μεταβλητές τα ποσοστά των συστατικών, την θερμοκρασία, την ποιότητα του νερού, την σύσταση της βενζίνης και την χρήση συγκεκριμένων προσθέτων. Όπως ήταν αναμενόμενο, το νερό με την βενζίνη ήταν πλήρως αδιάλυτα αλλά η παρουσία αιθανόλης όπως και άλλων οξυγονούχων συστατικών μπορούσε αν αυξήσει δραματικά την ανοχή στο νερό. Και η θερμοκρασία παρουσίασε θετικό αντίκτυπο όπως και η χρήση παλμιτικού οξέως ως πρόσθετου. Η ποιότητα του νερού δεν φάνηκε να επηρεάζει το αποτέλεσμα με εύρος δοκιμών από θαλασσινό νερό μέχρι απιονισμένο. Για τις μετρήσεις στο κινητήρα επιλέχθηκε ένα μείγμα βενζίνης-ένυδρης (10%) αιθανόλης 60:40 και έγινε σύγκριση με το αντίστοιχο μείγμα με άνυδρη αιθανόλη όπως και με το 100% βενζίνη σε ρύπους, κατανάλωση, απόδοση και φθορά των εξαρτημάτων του συστήματος τροφοδοσίας καυσίμου. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αιθανόλη ως αλκοόλη παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα. Είναι ανανεώσιμη, βιώσιμη και δεν ρυπαίνει, το ποίο σημαίνει ότι δεν είναι τόση επιβλαβείς για το περιβάλλον κατά την παραγωγή και χρήση της. Επίσης η παραγωγή αιθανόλης μπορεί να ενισχύσει τις αγροτικές καλλιέργειες όπως αυτές του καλαμποκιού του κριθαριού και του σιταριού και να μειώσει την εξάρτηση από τις εισαγωγές αργού πετρελαίου. Επίσης έχει ψηλότερο αριθμό οκτανίου και μεγαλύτερη λανθάνουσα θερμότητα με αποτέλεσμα την αυξημένη συγκέντρωση ισχύος λόγω χρήση υψηλότερης συμπίεσης και βελτιωμένης πλήρωσης του θαλάμου καύσης. Τέλος η αιθανόλη παράγει λιγότερους ρύπους άνθρακα λόγω της ύπαρξης του οξυγόνου και του χαμηλότερου λόγου H/C στο μόριο της. Η αιθανόλη όμως έχει και κάποια μειονεκτήματα. Χαμηλότερη θερμογόνος δύναμη, δηλαδή μεγαλύτερη ογκομετρική κατανάλωση και χαμηλότερο σημείο βρασμού δηλαδή αυξημένοι ρύποι λόγω εξάτμισης. Επίσης είναι ιδιαίτερα υδρόφιλη με αποτέλεσμα να απορροφά υγρασία κατά την μεταφορά και να αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά της. Τέλος το κόστος παραγωγής της είναι υψηλό, ειδικά για την καθαρή 99,9% λόγω της απαιτούμενης ενέργειας κατά της απόσταξη. Λόγω των παραπάνω, θα ήταν δυνατή υπό ορισμένες συνθήκες η αντικατάσταση την άνυδρης αιθανόλης με ένυδρη. Παρόλο όμως που η αιθανόλη με το νερό και η αιθανόλη με τη βενζίνη είναι πλήρως αναμίξιμα, ακριβώς το αντίθετο συμβαίνει με την βενζίνη και το νερό. Το οποίο σημαίνει ότι ένα τριοδικό μείγμα βενζίνης-αιθανόλης-νερού είναι σταθερό σε κάποιες αναλογίες ανάμιξης και ασταθές σε άλλες εξαρτώμενο από διάφορους παράγοντες. Επίσης, ένα τέτοιο μείγμα ακόμα και σε αναλογίες που παραμένει σταθερό έχει διαφορετική συμπεριφορά σε ένα κινητήρα, τόσο σε σχέση με το μείγμα βενζίνης-άνυδρης αιθανόλης όσο και με την βενζίνη εμπορίου. [1-4]

2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Σταθερότητα τριαδικών μειγμάτων Οι συγκεκριμένες μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια ενός αναδευτήρα, ενός θερμομέτρου και της κατάλληλης ογκομετρικής διάταξης. Ξεκινώντας από συγκεκριμένο δυαδικό μείγμα βενζίνης αιθανόλης, ακολουθούσε προσθήκη νερού μέχρι να αποσταθεροποιηθεί-διαχωριστεί το μείγμα και μετά αιθανόλης μέχρι να σταθεροποιηθεί εκ νέου. Επαναλαμβάνοντας το παραπάνω προέκυπτε η καμπύλη σταθερότητας του τριαδικού μείγματος. Ολόκληρη η διαδικασία χρησιμοποιήθηκε για διαφορετικές θερμοκρασίες, διαφορετικές συστάσεις βενζίνης, διαφορετικές ποιότητες νερού και διάφορα σταθεροποιητικά πρόσθετα. 2. Μετρήσεις στον κινητήρα Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε ήταν κατασκευής TOYOTA, τύπος 1SZ-FE VVTi, κυβισμού 997κ.ε.τετράχρονος, τετρακύλινδρος, με συμπίεση 10:1 και μέγιστη ισχύ 69 ίππων και διέθετε ηλεκτρονικό ψεκασμό τεσσάρων σημείων και ηλεκτρονική ανάφλεξη. Η κεντρική μονάδα ελέγχου αντικαταστάθηκε από την MOTEC M800 για να υπάρχει δυνατότητα ρύθμισης όλων των παραμέτρων λειτουργίας και καταγραφή τους σε πραγματικό χρόνο, αλλά και σύνδεσης με υπολογιστή συνεχή έλεγχο από το χρήστη. Ο κινητήρας συνδέθηκε στο δυναμόμετρο νερού της Go-power τύπος D-100 και με 2 αναλυτές καυσαερίων. Τον Horiba MEXA-574 GE για μέτρηση CO, CO 2, O2 και HC, και το TEI NOx 42C High level για μέτρηση ΝΟx και NO. Το σύστημα τροφοδοσίας που κατασκευάστηκε μπορούσε να παρέχει συνεχή ένδειξη της βαρυμετρικής κατανάλωσης με ακρίβεια 0,1gr/s. Τα συστήματα εξαγωγής καυσαερίων και ψύξης κατασκευάστηκαν για να υποστηρίξουν την εργαστηριακή χρήση του εν λόγω αυτοκινητιστικού κινητήρα. Όλες οι μετρήσεις κατευθύνονταν στην κεντρική μονάδα ελέγχου για αποθήκευση και μελλοντική επεξεργασία Κατά την πειραματική διαδικασία έγινε σύγκριση 3 διαφορετικών καυσίμων σε 2 διαφορετικές σταθερές συνθήκες λειτουργίας. 100% βενζίνη εμπορίου, βενζίνη εμπορίου-άνυδρη αιθανόλη και ένυδρη(10%) αιθανόλη δοκιμάστηκαν στις 4000RPM με σταθερό φορτίο 40Nm και στις 4000RPM με σταθερό γκάζι 20%. Λήφθηκαν μετρήσεις σε όλη την κλίμακα του λ από 0,87 έως 1,25 ενώ Οι συνθήκες λειτουργίας διατηρήθηκαν απολύτως σταθερές (~1%) καθ όλη τη διάρκεια των πειραμάτων για να απομονωθούν οι παράγοντες προς διερεύνηση. Η διαδικασία ξεκινούσε με σταδιακή αύξηση του φορτίου του κινητήρα και του δυναμόμετρου διαδοχικά μέχρι να ισορροπήσουν στα επιθυμητά επίπεδα. Ακολούθως μέσω της κεντρική μονάδας ελέγχου οριζόταν ο εκάστοτε λ και το σύστημα ξαναρυθμιζόταν σε ισορροπία. Στη συνέχεια οριζόταν διαφορετικό λ και η διαδικασία επαναλαμβανόταν. Όλες οι σειρές μετρήσεων επαναλήφθηκαν και επιβεβαιώθηκαν. Τα αποτελέσματα προέκυψαν ως μέσος όρος 2 σειρών μέτρησης με απόκλιση μεταξύ τους <1% Στο τέλος όλων των πειραμάτων με καύσιμο που περιείχε αιθανόλη η αντλία καυσίμου αφαιρέθηκε και αποσυναρμολογήθηκε για να συγκριθεί ως προς την φθορά με μια ίδια που προέκυψε από τη χρήση στα πειράματα με σκέτη βενζίνη. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 1. Σταθερότητα τριαδικών μειγμάτων Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η σύγκριση της ανοχής σε νερό μείγματος εμπορικής βενζίνης με αιθανόλη έναντι μείγματος βενζίνης χωρίς οξυγονούχα συστατικά και αιθανόλης. Είναι σαφές ότι τα οξυγονούχα συστατικά επιδρούν θετικά στην ικανότητα του μείγματος να σταθεροποιείται παρουσία νερού.

3 Σχήμα 1. Μεταβολή της ανοχής σε νερό με βάση την σύσταση της βενζίνης. Στο σχήμα 2 γίνεται σύγκριση της ανοχής σε νερό μειγμάτων αιθανόλης με εμπορική βενζίνη σε 3 διαφορετικές θερμοκρασίες. Εδώ παρατηρούμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας επίσης επιδρά θετικά στην ικανότητα του μείγματος να σταθεροποιείται παρουσία νερού. Το συγκεκριμένο γεγονός σημαίνει επίσης ότι σταθερά μείγματα, γίνονται ασταθή με την μείωση της θερμοκρασίας γεγονός που δεν μπορεί να παραβλεφθεί. Σχήμα 2. Μεταβολή ανοχής σε νερό βάση της θερμοκρασίας

4 Στο σχήμα 3 παρατηρούμε την θετική επίδραση που έχει η προσθήκη παλμιτικού οξέος στο μείγμα ως πρόσθετο σταθεροποίησης. Δοκιμάστηκαν επίσης ισοπροπανόλη και 2-βουτανόλη χωρίς να παρουσιάσουν κάποια αξιόλογη μεταβολή Επίσης δοκιμάστηκαν 3 ποιότητες νερού, αποσταγμένο, εμφιαλωμένο και θαλασσινό και δεν παρατηρήθηκε καμία μεταβολή στη σταθερότητα του τριαδικού μείγματος μεταξύ τους. Σχήμα 3. Μεταβολή της ανοχής σε νερό με βάση την προσθήκη παλμιτικού οξέως 2. Μετρήσεις στον κινητήρα Στο σχήμα 4 παρατηρούμε δραματική μείωση τον παραγόμενο ΝΟ και ΝΟx από την ένυδρη αιθανόλη. Αυτό δικαιολογείται από την μειωμένη ταχύτητα καύσης λόγω της παρουσίας του νερού όπως και την χαμηλότερη μέγιστη θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης λόγω απορρόφησης θερμότητας από το νερό που δεν συμμετέχει στην καύση αλλά απορροφά θερμότητα για να εξατμιστεί. Σχήμα 4. Σύγκριση ρύπων οξειδίων του Αζώτου

5 Στο σχήμα 5 παρουσιάζονται οι υπόλοιποι ρύποι CO, CO 2 και HC και οι διαφορές ανάμεσα στα καύσιμα είναι αρκετά μικρές με την ένυδρη αιθανόλη να παράγει τους χαμηλότερους. Σχήμα 5. Σύγκριση ρύπων οξειδίων του άνθρακα και υδρογονανθράκων Στο σχήμα 6 φαίνονται η κατανάλωση και η αντίστοιχη θέση της πεταλούδας. Εδώ υπάρχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο εξής γεγονός. Ενώ στην βαρυμετρική κατανάλωση η οποία αντιπροσωπεύει την αυτονομία του κινητήρα η βενζίνη παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα με διαφορά από την άνυδρη αιθανόλη, και ακόμα χειρότερη παρουσιάζεται η ένυδρη αιθανόλη, στην θερμιδική κατανάλωση η οποία εκφράζει την αποδοτικότητα της λειτουργίας του κινητήρα η σειρά αντιστρέφεται έστω και αν οι διαφορές ελαχιστοποιούνται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η βενζίνη έχει την μεγαλύτερη θερμογόνο δύναμη αλλά και την χειρότερη ποιότητα (βαθμό απόδοσης) καύσης. Σχήμα 6. Σύγκριση κατανάλωσης

6 Συνολικά σε σχέση με το λόγο λ δεν υπήρχε κάποια ενδιαφέρουσα ανομοιομορφία μεταξύ των καυσίμων, δηλαδή δεν φάνηκε κάποιο από τα καύσιμα να έχει προτίμηση καθοιονδήποτε τρόπο σε διαφορετικό λόγο λ από τα υπόλοιπα. Τέλος στο σχήμα 7 βλέπουμε τη σύγκριση της φθοράς των μεταλλικών μερών της αντλίας βενζίνης. Είναι σαφές ότι η συγκεκριμένη αντλία δεν είναι συμβατή με την αιθανόλη ειδικά σε τόσο μεγάλα ποσοστά και παρουσιάζει φθορά στο υλικό της Σχήμα 7. Φθορά μεταλλικών μερών αντλίας καυσίμου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Η ανοχή του τριαδικού μείγματος στο νερό έχει συγκεκριμένα όρια, τα οποία είναι ανάλογα της περιεκτικότητας σε αιθανόλης, της περιεκτικότητας σε άλλα οξυγονούχα συστατικά του καυσίμου, της θερμοκρασίας και της προσθήκης παλμιτικού οξέως. 2. Η ποιότητα του νερού δεν φάνηκε να έχει οποιαδήποτε επίπτωση στη σταθερότητα του μείγματος. 3. Ο κινητήρας δεν χρειάστηκε καμία μετατροπή για αν λειτουργήσει με Ε40 και Ε40h 4. Η βαρυμετρική κατανάλωση για τα Ε40 και Ε40h ήταν αυξημένη λόγο της χαμηλής θερμογόνου δύναμης της αιθανόλης και της μηδενικής του νερού, αλλά η θερμιδική κατανάλωση ήταν ελαφρώς μειωμένη. 5. Η απόδοση της μηχανής δεν είχε αξιοσημείωτη αλλαγή 6. Οι εκπομπές ΝΟ και ΝΟx έδειξαν εντυπωσιακή μείωση με Ε40h λόγω της παρουσίας του νερού που υποβίβαζε την μέγιστη θερμοκρασία καύσης και ελάττωνε την ταχύτητα της. 7. Οι εκπομπές CO, CO2 και HC έδειξαν ελαφρές μειώσεις 8. Τα συγκεκριμένα μεταλλικά (χάλυβας, αλουμίνιο) εξαρτήματα της αντλίας καυσίμου δεν ήταν πλήρως συμβατά με τα καύσιμα που περιείχαν αιθανόλη

7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Osten DW, Sell NJ. Methanol-gasoline blends: blending agents to prevent phase separation. Fuel 1983;62: [2] Letcher TM, Heyward C, Wootton S, Shuttleworth B. Ternary phase diagrams for gasoline-wateralcohol mixtures. Fuel 1986;65: [3] Lojkásek M, Růžička V,Kohoutová A. Solubility of water in blends of gasoline, methanol and a solubilizer. Fluid Phase Equilibria 1992;71(1-2): [4] Johansen T, Schramm J. Low-Temperature Miscibility of Ethanol-Gasoline-Water Blends in Flex Fuel Applications. Energy Sources 2009;31(Pt A): [5] Rajan S, Saniee FF. Water-ethanol-gasoline blends as spark ignition engine fuels. Fuel 1983;62: