ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΥΣΗΣ ΚΑΙ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ OTTO ΑΕΡΙΩΝ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΕΞΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΩΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΥΣΗΣ ΚΑΙ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ OTTO ΑΕΡΙΩΝ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΕΞΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Ν. ΜΙΧΟΣ Διπλ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε.Μ.Π. ΑΘΗΝΑ 2010

2

3 Επιβλέπων Καθηγητής Δρ. Κ.Δ. Ρακόπουλος, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Συμβουλευτική Επιτροπή Δρ. Δ.Θ. Χουντάλας, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Δρ. Ε.Γ. Γιακουμής, Λέκτορας Ε.Μ.Π. Η έγκριση της Διδακτορικής Διατριβής από τη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. δε σημαίνει και αποδοχή των απόψεων του συγγραφέα Άρθρο 202, Νόμος 5343/1932.

4

5 Αφιερώνεται στη μνήμη του πατέρα μου Νικολάου

6

7 Prediction is very difficult, especially about the future. Niels Bohr

8

9 Πρόλογος Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια της περιόδου Μάιος 2004 Σεπτέμβριος 2009 στο Εργαστήριο Μηχανών Εσωτερικής Καύσης του Τομέα Θερμότητας της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Κ.Δ. Ρακόπουλου. Καταρχάς, θα ήθελα να εκφράσω τις ιδιαίτερες ευχαριστίες μου στον Επιβλέποντα Καθηγητή κ. Κ.Δ. Ρακόπουλο για την ευκαιρία που μου προσέφερε να γίνω μέλος του Εργαστηρίου Μ.Ε.Κ. και την πίστη που πάντα εξέφραζε για την επιτυχή έκβαση αυτής της εργασίας. Οι κατευθύνσεις και συμβουλές που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια της έρευνάς μου, καθώς και η πολύτιμη βοήθειά του κάθε φορά που ανέκυπτε ένα πρόβλημα, συνετέλεσαν καθοριστικά στην ομαλή διεξαγωγή της εργασίας. Θερμές ευχαριστίες οφείλονται επίσης στο μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγητή κ. Δ.Θ. Χουντάλα για τις πολυάριθμες χρήσιμες συμβουλές του σε διάφορα θέματα προσομοίωσης και επιλογής μοντέλων, καθώς και για την προθυμία που πάντα έδειχνε στη λύση οποιασδήποτε απορίας μου. Παράλληλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά το άλλο μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής Λέκτορα κ. Ε.Γ. Γιακουμή για την επιτυχή και συγχρόνως ευχάριστη συνεργασία μας σε όλα τα χρόνια της παρουσίας μου στο εργαστήριο. Η αμέριστη βοήθειά του σε θέματα εξεργειακής ανάλυσης συνέβαλε αποφασιστικά στη διεύρυνση των ορίων του ερευνητικού μου πεδίου. Ακόμα, ευχαριστίες οφείλονται στον Καθηγητή κ. Ε.Κ. Κακαρά, ο οποίος υπήρξε αρχικό μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής και του οποίου το πλούσιο ερευνητικό έργο σε θέματα βιοκαυσίμων αποτέλεσε πηγή έμπνευσης για την εργασία αυτή. Αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω τον Καθηγητή του Πανεπιστημίου του Illinois των ΗΠΑ κ. Δ. Κυρίτση για τις εξειδικευμένες και στοχευμένες κατευθύνσεις που μου παρείχε σε θέματα καύσης, καθώς και για την απεριόριστη προθυμία του να συμβάλλει στην ποιοτική αναβάθμιση της εργασίας μου. i

10 Πρόλογος Στο σημείο αυτό, οφείλω επίσης να ευχαριστήσω το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών για την οικονομική ενίσχυση που μου πρόσφερε μέσω υποτροφίας μεταπτυχιακών σπουδών κατά τη διάρκεια των πρώτων τριών ετών της διδακτορικής μου διατριβής. Τέλος, θα ήθελα να εκφράσω τη βαθιά μου ευγνωμοσύνη στην οικογένειά μου για την αμέριστη ηθική της συμπαράσταση και τις θυσίες που πραγματοποίησε προκειμένου να ολοκληρωθούν απρόσκοπτα οι πολυετείς σπουδές μου στο Ε.Μ.Π. Κωνσταντίνος Ν. Μίχος Αθήνα, Απρίλιος 2010 ii

11 Περιεχόμενα Περίληψη...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή Σύγχρονη Τεχνολογική Πραγματικότητα Κινητήρων Otto Εκπομπές Ρύπων και Θεσμοθετημένα Όριά τους Εκπομπές Διοξειδίου του Άνθρακα και Μελλοντικοί Στόχοι Σύγχρονες και Μελλοντικές Τεχνολογίες Μείωσης Εκπομπών Ρύπων και Αύξησης Βαθμού Απόδοσης Σύντομη Περιγραφή Μηχανισμού Καύσης και Μηχανισμών Σχηματισμού Ρύπων Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Μηχανισμός Καύσης Μηχανισμοί Σχηματισμού Ρύπων Μονοξείδιο του Αζώτου Μονοξείδιο του Άνθρακα Υδρογονάνθρακες Από τα Συμβατικά Καύσιμα στα Βιοκαύσιμα Περίπτωση Κινητήρων Otto Κυριότερα Βιοκαύσιμα Κινητήρων Otto Πηγές Προέλευσης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραση στη Λειτουργική Συμπεριφορά και τις Εκπομπές Ρύπων Κινητήρων Otto Πηγές Προέλευσης και Μέθοδοι Παραγωγής Βιομεθανόλη Βιοαιθανόλη Βιοϋδρογόνο Συνθετικά Βιοκαύσιμα Βιοαέριο Κατασκευή Χώρων Υγειονομικής Ταφής Παραγωγή Αερίου Υγειονομικής Ταφής Αντιδραστήρες Βιοαερίου Πλούσιου σε Υδρογόνο Αέριο Σύνθεσης Βασική Χημεία Προεπεξεργασία Πρώτης Ύλης Ιδιότητες Πρώτης Ύλης Τύποι Αεριοποιητών Επίδραση στη Λειτουργική Συμπεριφορά και τις Εκπομπές Ρύπων Κινητήρων Otto Βιομεθανόλη...47 iii

12 Περιεχόμενα Βιοαιθανόλη Βιοϋδρογόνο Βιοαέριο Αέριο Σύνθεσης Στόχοι και Μεθοδολογία Παρούσας Εργασίας Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Εισαγωγή Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου Μονοζωνικά Μοντέλα Διζωνικά Μοντέλα Διζωνικά Μοντέλα Έμμεσης Θερμοκρασιακής Στρωμάτωσης Καμένου Αερίου Τριζωνικά Μοντέλα Τριζωνικά Μοντέλα Έμμεσης Θερμοκρασιακής Στρωμάτωσης Καμένου Αερίου Πολυζωνικά Μοντέλα Μοντέλα Καύσης Διαστατικά Μοντέλα Καύσης Συνημιτονοειδής Συνάρτηση Συνάρτηση Wiebe Τριγωνική Συνάρτηση Οιονεί-Διαστατικά Μοντέλα Καύσης Μοντέλα Καύσης Προδιαγραφής Τυρβώδους Ταχύτητας Καύσης Μοντέλο των Benson et al Μοντέλο των Fagelson et al Μοντέλο των Hiroyasu και Kadota και των Lucas και Brunt Μοντέλο των Heikal et al Μοντέλο των Herweg και Maly Συσχέτιση των Groff και Matekunas Συσχέτιση των Hires et al Μοντέλα Καύσης Τυρβώδους Διείσδυσης Μοντέλο των Blizard και Keck Βελτίωση των Tabaczynski et al Μοντέλο των Keck et al. (1) Μοντέλο των Keck et al. (2) Μοντέλο των Morel et al Μοντέλο των Brehob και Newman iv

13 Περιεχόμενα Μοντέλο των Dai et al Μοντέλο των Mugele et al Μοντέλο των Merdjani και Sheppard Μοντέλο των Verhelst και Sierens Μοντέλα Καύσης Τύπου Fractal Μοντέλο των Mantzaras et al Μοντέλο των Santavicca et al Μοντέλο των Chin et al Μοντέλο των Wu et al Μοντέλο των Yoshiyama et al Μοντέλο των Matthews et al Μοντέλο των Bozza et al Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ανάλυση Ρυθμού Καύσης Εισαγωγή Τυπική Μέθοδος των Rassweiler και Withrow Γενική Περιγραφή Περιορισμοί Παραδοχές Αβεβαιότητες Εναλλακτικοί Τρόποι Προσδιορισμού Πολυτροπικού Εκθέτη και Τέλους της Καύσης Πολυτροπικός Εκθέτης Τέλος της Καύσης Παραλλαγές Ανάλυσης Ρυθμού Καύσης Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης Εισαγωγή Πολυζωνικό Μοντέλο Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Συστατικών Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Ζωνών Σύσταση Ζωνών Σύσταση Άκαυστης Ζώνης Σύσταση Μείγματος Αέρα-Καυσίμου Σύσταση Κατάλοιπου Καυσαερίου Σύσταση Καμένων Ζωνών v

14 Περιεχόμενα Κατάστρωση Συστήματος Εξισώσεων Χημικής Ισορροπίας Επίλυση Συστήματος Εξισώσεων Χημικής Ισορροπίας Υπολογισμός Σταθερών Ισορροπίας Μεταβολή Σύστασης Ζωνών ως προς τη Θερμοκρασία και την Πίεση Άκαυστη Ζώνη Καμένες Ζώνες Μοντέλο Καύσης Περιοχές Προαναμειγμένης Τυρβώδους Καύσης Αναλυτική Περιγραφή της Φυσικής της Διεργασίας της Καύσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Διαστατικό Μοντέλο Καύσης Οιονεί-Διαστατικό Μοντέλο Καύσης Εξισώσεις Νόμου Καύσης Στάδιο Αρχικής Ανάπτυξης και Στάδιο Διάδοσης της Φλόγας Μοντέλο Τάσης Φλόγας Στάδιο Τερματισμού της Φλόγας Μοντέλο Τύρβης Συσχετίσεις Στρωτής Ταχύτητας Καύσης Μείγμα Βιοαερίου-Κατάλοιπου Καυσαερίου-Αέρα Μείγμα Υδρογόνου-Κατάλοιπου Καυσαερίου-Αέρα Μείγμα Βιοαερίου-Υδρογόνου-Κατάλοιπου Καυσαερίου-Αέρα Μοντέλο Γεωμετρίας Μετώπου Φλόγας Μοντέλο Μεταφοράς Θερμότητας Μοντέλο Υπολογισμού Εμβαδού Επιφάνειας Μεταφοράς Θερμότητας Ζωνών Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Οιονεί-Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Μοντέλο Σχηματισμού Μονοξειδίου του Αζώτου Χαρακτηριστικές Ταχύτητες Καύσης Μαθηματική Επεξεργασία Βασικών Εξισώσεων Πολυζωνικού Μοντέλου Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Εξεργειακή Ανάλυση Εισαγωγή Γενικές Έννοιες Διαθεσιμότητας Ορισμοί Όρων Διαθεσιμότητας Εξίσωση Ισοζυγίου Διαθεσιμότητας Εξεργειακός Βαθμός Απόδοσης Καύσης Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου vi

15 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Αριθμητική Μέθοδος Επίλυσης Διαφορικών Εξισώσεων και Διάρθρωση Προγράμματος Η/Υ Εισαγωγή Αριθμητική Μέθοδος Επίλυσης Διαφορικών Εξισώσεων Διάρθρωση Προγράμματος Η/Υ Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Οιονεί-Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Εφαρμογή 0-Διαστατικού Μοντέλου Προσομοίωσης και Εξεργειακής Ανάλυσης για Λειτουργία με Αέριο Σύνθεσης Εισαγωγή Περιγραφή Κινητήρα, Καυσίμου και Εξεταζόμενων Σημείων Λειτουργίας Εκτίμηση Σταθερών Βαθμονόμησης Επιμέρους Μοντέλων Προσδιορισμός Πειραματικού Διαγράμματος Κλάσματος Καμένης Μάζας Ανάλυση Αποτελεσμάτων Αξιολόγηση Προβλεπτικής Ικανότητας Μοντέλου Προσομοίωσης Εξέταση Θερμοκρασίας και Συγκέντρωσης Μονοξειδίου του Αζώτου Καμένου Αερίου Εφαρμογή Εξεργειακής Ανάλυσης Εξέταση Ισοζυγίου Διαθεσιμότητας Κατανόηση Ισοζυγίου Διαθεσιμότητας Σύγκριση Ισοζυγίου Διαθεσιμότητας Εξέταση Εξεργειακού Περιεχομένου Καμένου Αερίου Εξέταση Μη-Αντιστρεψιμοτήτων Καύσης Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: Εφαρμογή Οιονεί-Διαστατικού Μοντέλου Προσομοίωσης και Εξεργειακής Ανάλυσης για Λειτουργία με Μείγματα Βιοαερίου-Υδρογόνου Μεταβλητής Συγκέντρωσης Υδρογόνου Εισαγωγή Περιγραφή Κινητήρα, Καυσίμου και Εξεταζόμενων Σημείων Λειτουργίας Εκτίμηση Σταθερών Βαθμονόμησης Επιμέρους Μοντέλων Ανάλυση Αποτελεσμάτων Αξιολόγηση Προβλεπτικής Ικανότητας Μοντέλου Προσομοίωσης Διαγράμματα Πίεσης Κυλίνδρου Διαγράμματα Κλάσματος Καμένης Μάζας vii

16 Περιεχόμενα Εκπομπές Μονοξειδίου του Αζώτου Εξέταση Γεωμετρικής Αλληλεπίδρασης μεταξύ Διαδιδόμενης Φλόγας και Θαλάμου Καύσης Εξέταση Παραμέτρων Ρυθμού Καύσης Εξέταση Παραμέτρων Διάδοσης Φλόγας και Χαρακτηριστικών Ταχυτήτων Καύσης Εξέταση Απόκρισης Φλόγας σε Ρυθμούς Τάσης και Περιοχής Προαναμειγμένης Τυρβώδους Καύσης Εξέταση Θερμοκρασίας και Συγκέντρωσης Μονοξειδίου του Αζώτου Καμένου Αερίου Εφαρμογή Εξεργειακής Ανάλυσης Εξεταζόμενα Σημεία Λειτουργίας Σύγκριση Ισοζυγίου Διαθεσιμότητας Εξέταση Μη-Αντιστρεψιμοτήτων Καύσης Ορολογία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: Συμπεράσματα Στοιχεία Πρωτοτυπίας Μελλοντική Εργασία Δημοσιεύσεις Συμπεράσματα Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Λειτουργία με Αέριο Σύνθεσης Οιονεί-Διαστατικό Μοντέλο Προσομοίωσης Λειτουργία με Μείγματα Βιοαερίου- Υδρογόνου Μεταβλητής Συγκέντρωσης Υδρογόνου Στοιχεία Πρωτοτυπίας Μελλοντική Εργασία Δημοσιεύσεις ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: Προωθημένο Μοντέλο Γεωμετρίας Μετώπου Φλόγας Α.1 Εισαγωγή Α.2 Περιγραφή Μοντέλου Α.2.1 Προσομοίωση Γεωμετρίας Θαλάμου Καύσης Α.2.2 Υπολογισμός Εμβαδού Μετώπου Φλόγας Α.2.3 Υπολογισμός Όγκου Κυλίνδρου Πίσω από Μέτωπο Φλόγας Α.2.4 Υπολογισμός Εμβαδού Επιφάνειας Τοιχωμάτων Θαλάμου Καύσης σε Επαφή με Όγκο Κυλίνδρου Πίσω από Μέτωπο Φλόγας Α.3 Ενδεικτική Εφαρμογή Μοντέλου Α.3.1 Εξεταζόμενες Γεωμετρίες Θαλάμου Καύσης Α.3.2 Ανάλυση Αποτελεσμάτων Α.3.3 Συμπεράσματα viii

17 Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη ενός προωθημένου θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης με σκοπό την πρόβλεψη της λειτουργικής τους συμπεριφοράς και των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου. Επίσης, εφαρμογή εξεργειακής ανάλυσης πραγματοποιείται στο περιεχόμενο του κυλίνδρου για τη βαθύτερη κατανόηση σε θεωρητικό επίπεδο της θερμοδυναμικής των διαφόρων διεργασιών που εξελίσσονται σε αυτόν. Ο συνδυασμός μοντέλου προσομοίωσης εξεργειακής ανάλυσης εφαρμόζεται ειδικά στην ενδιαφέρουσα περίπτωση λειτουργίας κινητήρων Otto με αέρια βιοκαύσιμα. Το μοντέλο προσομοίωσης αναπτύσσεται σε δύο στάδια. Αρχικά, κατασκευάζεται η πρώτη εκδοχή του, η οποία αποτελεί το λεγόμενο 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης και έχει ως στόχο την πρόβλεψη των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου του κινητήρα. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό βασίζεται σε ένα πολυζωνικό μοντέλο για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου, το οποίο διαμορφώνεται διαιρώντας το καμένο αέριο σε πολλαπλές ζώνες. Με τον τρόπο αυτό, προσομοιώνεται η στρωμάτωση θερμοκρασιών και συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου που λαμβάνει χώρα στο καμένο αέριο κατά τη διάρκεια της καύσης. Το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης περιλαμβάνει ένα 0-διαστατικό μοντέλο καύσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την περιγραφή προκαθορισμένων χρονικών ιστορικών καύσης, με σκοπό να επιτευχθεί καλή προσαρμογή, μέσω βαθμονόμησης, της θεωρητικά υπολογισμένης λειτουργικής συμπεριφοράς του κινητήρα (διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου) με την αντίστοιχη πειραματικά μετρημένη. Επιμέρους μοντέλα για την προσομοίωση των διεργασιών της μεταφοράς θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου και του σχηματισμού μονοξειδίου του αζώτου περιέχονται επίσης στο 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης. Εφαρμογή του 0-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης, καθώς και της εξεργειακής ανάλυσης, πραγματοποιείται σε έναν κινητήρα Otto που λειτουργεί με αέριο σύνθεσης (μείγμα υδρογόνου, μονοξειδίου του άνθρακα, μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου). Κατόπιν, κατασκευάζεται η δεύτερη και τελική εκδοχή του μοντέλου προσομοίωσης, η οποία αποτελεί το λεγόμενο οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης και έχει ως στόχο την πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς και των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου του κινητήρα. Το οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης αποτελεί ουσιαστικά αναβάθμιση του αντίστοιχου 0-διαστατικού μέσω συγκεκριμένων αντικαταστάσεων και 1

18 Περίληψη τροποποιήσεων επιμέρους μοντέλων. Συγκεκριμένα, το 0-διαστατικό μοντέλο καύσης αντικαθίσταται από ένα οιονεί-διαστατικό για την πρόβλεψη του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, της διάδοσης και ταχύτητας της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης και της απόκρισης της φλόγας στους ρυθμούς τάσης που αυτή υφίσταται λόγω της καμπυλότητάς της και της αεροδυναμικής (τυρβώδους) τάσης από το τυρβώδες πεδίο ροής στη γενική περίπτωση καυσίμων μειγμάτων με αριθμό Lewis διαφορετικό της μονάδας. Επίσης, μέσω του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης, παρέχονται εκτιμήσεις της δομής της φλόγας και, συνεπώς, της φαινομενολογίας της καύσης. Αυτό το μοντέλο καύσης περιλαμβάνει ένα μοντέλο τάσης φλόγας, ενώ, για την εφαρμογή του, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο τύρβης, συσχετίσεις της στρωτής ταχύτητας καύσης του καυσίμου μείγματος και ένα μοντέλο της γεωμετρίας του μετώπου της φλόγας. Επίσης, με βάση μία σφαιρική κατανομή για τις καμένες ζώνες, κατασκευάζεται ένα μοντέλο για τον υπολογισμό των εμβαδών των επιφανειών επαφής των ζωνών με τα τοιχώματα του κυλίνδρου, πραγματοποιώντας τροποποίηση, σε σχέση με το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, του τρόπου υπολογισμού των εμβαδών αυτών για μετέπειτα χρήση τους στο μοντέλο μεταφοράς θερμότητας. Μέσω της πρόβλεψης του ρυθμού καύσης και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του καμένου αερίου, πραγματοποιείται ο υπολογισμός διαφόρων χαρακτηριστικών ταχυτήτων καύσης. Το οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, καθώς και η εξεργειακή ανάλυση, εφαρμόζονται σε έναν κινητήρα Otto που λειτουργεί με μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου. Το τελικό αποτέλεσμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή ενός υπολογιστικού εργαλείου ικανού να πραγματοποιήσει τόσο πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς και των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης, μέσω του προωθημένου θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας (οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης), όσο και εξεργειακή ανάλυση της λειτουργίας τους. Τέτοια υπολογιστικά εργαλεία προσομοίωσης για την πρόβλεψη και ανάλυση της λειτουργίας μηχανών εσωτερικής καύσης είναι πολύ χρήσιμα για τη συνεχή εξέλιξη και βελτίωσή τους, καθώς, εκτός από το ότι μπορούν να πραγματοποιήσουν άπειρα αριθμητικά πειράματα με μηδενικό κόστος, οδηγούν επιπλέον στην εξαγωγή πληροφοριών που είναι εξαιρετικά δύσκολο ή ακόμα και αδύνατο να προκύψουν από πειραματικές μετρήσεις. Παρακάτω, παρουσιάζεται με συνοπτικό τρόπο η δομή της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί την εισαγωγή της διδακτορικής διατριβής. Αρχικά, δίνεται η σύγχρονη τεχνολογική πραγματικότητα των κινητήρων Otto από πλευράς εκπομπών ρύπων και εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Παρουσιάζονται τα διάφορα κατά καιρούς 2

19 Περίληψη θεσμοθετημένα όρια εκπομπών ρύπων κινητήρων Otto στην Ευρωπαϊκή Ένωση, οι μελλοντικοί στόχοι εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και οι σύγχρονες και μελλοντικές τεχνολογίες μείωσης των εκπομπών ρύπων και αύξησης του βαθμού απόδοσης των κινητήρων Otto. Κατόπιν, περιγράφονται με σύντομο τρόπο οι μηχανισμοί της καύσης και του σχηματισμού των τριών ελεγχόμενων ρύπων, δηλαδή του μονοξειδίου του αζώτου, του μονοξειδίου του άνθρακα και των (ακαύστων) υδρογονανθράκων, κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Στη συνέχεια, εξηγούνται οι λόγοι βάσει των οποίων προωθείται η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων κινητήρων Otto από βιοκαύσιμα, ενώ παρουσιάζονται τα κυριότερα βιοκαύσιμα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε κινητήρες Otto. Προκειμένου να αναδειχθεί το κατά πόσον είναι εφικτό να γίνει χρήση αυτών των βιοκαυσίμων σε κινητήρες Otto σε μεγάλη κλίμακα και με ευνοϊκά αποτελέσματα, παρουσιάζονται αναλυτικά τόσο οι πηγές προέλευσης και οι μέθοδοι παραγωγής τους όσο και η επίδρασή τους στη λειτουργική συμπεριφορά και τις εκπομπές ρύπων κινητήρων Otto. Το κεφάλαιο αυτό ολοκληρώνεται παρουσιάζοντας τους στόχους της παρούσας εργασίας και τη μεθοδολογία που ακολουθείται προκειμένου να επιτευχθούν. Το Κεφάλαιο 2 παρέχει μία αντιπροσωπευτική ανασκόπηση των θερμοδυναμικών μοντέλων προσομοίωσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου (μοντέλα γόμωσης κυλίνδρου) και στα μοντέλα καύσης. Τονίζονται τα κύρια χαρακτηριστικά τους, οι παραδοχές που περιλαμβάνουν, οι στόχοι τους και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Ειδικά για τα μοντέλα καύσης, παρουσιάζονται αναλυτικά οι εξισώσεις τους. Με τον τρόπο αυτό, για τα περιγραφικά (0-διαστατικά) μοντέλα καύσης, αναδεικνύεται η ευελιξία τους για προσαρμογή σε πειραματικά δεδομένα, ενώ, για τα προβλεπτικά (οιονεί-διαστατικά) μοντέλα καύσης, αναδεικνύονται τα φυσικά μεγέθη από τα οποία θεωρείται ότι ελέγχεται η διεργασία της καύσης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η μέθοδος της ανάλυσης ρυθμού καύσης που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή του πειραματικού διαγράμματος του κλάσματος καμένης μάζας κατά τη διάρκεια της καύσης μετά από επεξεργασία του πειραματικά μετρημένου διαγράμματος πίεσης κυλίνδρου. Αρχικά, περιγράφεται η τυπική μέθοδος των Rassweiler και Withrow, η οποία αποτελεί τη συνηθέστερη μέθοδο ανάλυσης ρυθμού καύσης. Έπειτα, εντοπίζονται οι διάφορες αδυναμίες (περιορισμοί παραδοχές αβεβαιότητες) της μεθόδου αυτής με σκοπό να αναδειχθούν τα πιθανά αίτια σφάλματος στην υπολογιζόμενη τιμή του κλάσματος καμένης μάζας. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι εναλλακτικοί τρόποι που έχουν προταθεί για τον προσδιορισμό των δύο κρίσιμων στοιχείων της συγκεκριμένης μεθόδου (πολυτροπικός εκθέτης, τέλος της καύσης) με σκοπό να επιτευχθεί βελτίωση της ακρίβειας 3

20 Περίληψη και αξιοπιστίας των υπολογισμών της. Τέλος, παρατίθενται διάφορες παραλλαγές ανάλυσης ρυθμού καύσης, πέραν της τυπικής μεθόδου των Rassweiler και Withrow, που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία για τον υπολογισμό του κλάσματος καμένης μάζας. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται με αναλυτικό τρόπο τα διάφορα επιμέρους μοντέλα, καθώς και τα αναγκαία συμπληρωματικά δομικά στοιχεία, που αναπτύσσονται και χρησιμοποιούνται συνολικά στην παρούσα εργασία, από το συνδυασμό των οποίων προκύπτουν τελικά οι δύο διαφορετικές εκδοχές του θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Διατυπώνονται οι εξισώσεις διατήρησης και ισοζυγίου και οι καταστατικές εξισώσεις του πολυζωνικού μοντέλου και αναγνωρίζεται το σύστημα των βασικών εξισώσεων του μοντέλου αυτού, το οποίο αργότερα λύνεται ως προς τους αγνώστους του προβλήματος. Κατόπιν, παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των διαφόρων συστατικών, καθώς και των ζωνών (άκαυστη ζώνη, καμένες ζώνες) του πολυζωνικού μοντέλου. Προσδιορίζονται οι συστάσεις του μείγματος αέρακαυσίμου και του κατάλοιπου καυσαερίου, βάσει των οποίων υπολογίζεται η σύσταση της άκαυστης ζώνης, και παρουσιάζεται η κατάστρωση και επίλυση του μη-γραμμικού αλγεβρικού συστήματος των εξισώσεων χημικής ισορροπίας για τον υπολογισμό της σύστασης των καμένων ζωνών. Επίσης, αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού της μεταβολής της σύστασης των διαφόρων ζωνών ως προς τη θερμοκρασία και την πίεση. Έπειτα, περιγράφεται αναλυτικά το 0-διαστατικό και το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης, αφού προηγηθεί η παρουσίαση κάποιων γενικών εισαγωγικών εννοιών της προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης καθώς και η αναλυτική περιγραφή της φυσικής της διεργασίας της καύσης σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης, με σκοπό την ευχερέστερη κατανόηση των εξισώσεων του νόμου καύσης του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης. Για την εφαρμογή του συγκεκριμένου μοντέλου καύσης, παρουσιάζεται το μοντέλο τάσης φλόγας, το μοντέλο τύρβης, οι συσχετίσεις της στρωτής ταχύτητας καύσης του καυσίμου μείγματος και το μοντέλο της γεωμετρίας του μετώπου της φλόγας. Στη συνέχεια, περιγράφεται το μοντέλο μεταφοράς θερμότητας, καθώς και ο υπολογισμός των εμβαδών των επιφανειών μεταφοράς θερμότητας των ζωνών με τα τοιχώματα του κυλίνδρου στα πλαίσια του 0-διαστατικού και του οιονεί-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης. Ακολουθεί η περιγραφή του μοντέλου σχηματισμού μονοξειδίου του αζώτου. Εν συνεχεία, ορίζονται οι διάφορες χαρακτηριστικές ταχύτητες καύσης που υπολογίζει το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης. Το κεφάλαιο αυτό ολοκληρώνεται με την αναλυτική παρουσίαση της μαθηματικής επεξεργασίας που υφίστανται οι βασικές εξισώσεις του πολυζωνικού μοντέλου για την εξαγωγή του τελικού συστήματος των εξισώσεων των αγνώστων του προβλήματος. 4

21 Περίληψη Το Κεφάλαιο 5 πραγματεύεται την εξεργειακή ανάλυση του περιεχομένου του κυλίνδρου. Για λόγους κατανόησης, αρχικά εξηγούνται διάφορες γενικές έννοιες διαθεσιμότητας, ενώ στη συνέχεια παρέχονται οι εξισώσεις με βάση τις οποίες ορίζονται οι όροι διαθεσιμότητας ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Η εξίσωση ισοζυγίου διαθεσιμότητας διατυπώνεται και εξηγείται στη γενική της μορφή, ενώ αργότερα δίνεται η έκφρασή της για κάθε ζώνη του πολυζωνικού μοντέλου ξεχωριστά. Για την ποσοτικοποίηση του βαθμού της αντιστρεψιμότητας της διεργασίας της καύσης, παρουσιάζονται δύο διαφορετικοί ορισμοί του εξεργειακού βαθμού απόδοσης καύσης. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η αριθμητική μέθοδος που επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση των διαφορικών εξισώσεων των δύο εκδοχών του μοντέλου προσομοίωσης, ενώ δίνεται επίσης το λογικό διάγραμμα του κυρίου προγράμματος Η/Υ ξεχωριστά για κάθε μία εκδοχή με σκοπό να κατανοηθεί η διάρθρωσή του. Παρουσιάζεται, επιπλέον, ο τρόπος προσδιορισμού των αρχικών τιμών των διαφόρων μεγεθών των οποίων η διαφορική εξίσωση επιλύεται, καθώς και τα δεδομένα εισόδου του προγράμματος Η/Υ για κάθε μία εκδοχή του μοντέλου προσομοίωσης. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η εφαρμογή του 0-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης και της εξεργειακής ανάλυσης σε έναν κινητήρα Otto που λειτουργεί με αέριο σύνθεσης σε διάφορες περιπτώσεις φορτίου. Αφού περιγραφεί ο κινητήρας, το καύσιμο και τα εξεταζόμενα σημεία λειτουργίας, εξηγείται η διαδικασία εκτίμησης των διαφόρων σταθερών βαθμονόμησης των επιμέρους μοντέλων, ενώ παρέχονται επίσης κάποιες χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του πειραματικού διαγράμματος του κλάσματος καμένης μάζας. Η αξιολόγηση της προβλεπτικής ικανότητας του 0-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης πραγματοποιείται συγκρίνοντας τις πειραματικά μετρημένες εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου για τις διάφορες περιπτώσεις φορτίου με τις αντίστοιχες θεωρητικά υπολογισμένες χρησιμοποιώντας απλό διζωνικό και πολυζωνικό μοντέλο για τη γόμωση του κυλίνδρου. Κατόπιν, τα αποτελέσματα για τη χρονική εξέλιξη των θερμοκρασιών και των συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου των διαφόρων καμένων ζωνών χρησιμοποιούνται για την ερμηνεία του μηχανισμού της ανάπτυξης στρωμάτωσης θερμοκρασιών και συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου στο καμένο αέριο κατά τη διάρκεια της καύσης. Από την άλλη πλευρά, με βάση τα αποτελέσματα της εξεργειακής ανάλυσης, κατανοείται αρχικά η συνεισφορά των διαφόρων όρων διαθεσιμότητας στο ισοζύγιο διαθεσιμότητας της γόμωσης του κυλίνδρου. Επίσης, πραγματοποιείται σύγκριση του ισοζυγίου διαθεσιμότητας για τις διάφορες περιπτώσεις φορτίου. Κατόπιν, εξετάζεται το εξεργειακό περιεχόμενο του καμένου αερίου όπως προκύπτει λόγω της θερμοκρασιακής του στρωμάτωσης. Τέλος, 5

22 Περίληψη εξετάζεται η χρονική εξέλιξη των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης στις διάφορες περιπτώσεις φορτίου, συνολικά αλλά και ανά καμένη ζώνη. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η εφαρμογή του οιονεί-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης και της εξεργειακής ανάλυσης σε έναν κινητήρα Otto που λειτουργεί με μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου. Αφού περιγραφεί ο κινητήρας, το καύσιμο και τα εξεταζόμενα σημεία λειτουργίας, εξηγείται η διαδικασία εκτίμησης των διαφόρων σταθερών βαθμονόμησης των επιμέρους μοντέλων. Η αξιολόγηση της προβλεπτικής ικανότητας του οιονεί-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης πραγματοποιείται συγκρίνοντας τα πειραματικά μετρημένα διαγράμματα πίεσης κυλίνδρου, τα πειραματικά διαγράμματα κλάσματος καμένης μάζας και τις πειραματικά μετρημένες εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου για τις διάφορες περιπτώσεις συγκέντρωσης υδρογόνου με τα αντίστοιχα θεωρητικά υπολογισμένα μεγέθη. Η αξιολόγηση ως προς τις εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου γίνεται χρησιμοποιώντας απλό διζωνικό και πολυζωνικό μοντέλο για τη γόμωση του κυλίνδρου. Κατόπιν, εξετάζοντας για τις διάφορες περιπτώσεις συγκέντρωσης υδρογόνου: α) τη γεωμετρική αλληλεπίδραση μεταξύ της διαδιδόμενης φλόγας και του θαλάμου καύσης, β) τις παραμέτρους του ρυθμού καύσης, γ) τις παραμέτρους της διάδοσης της φλόγας και τις χαρακτηριστικές ταχύτητες καύσης και δ) την απόκριση της φλόγας σε ρυθμούς τάσης και την περιοχή της προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης, εξάγονται χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση του ποσοστού του υδρογόνου σε διάφορες πτυχές της διεργασίας της καύσης. Επίσης, μέσω της εξέτασης των χωρικών κατανομών της συγκέντρωσης του μονοξειδίου του αζώτου εντός του καμένου αερίου για τις διάφορες περιπτώσεις συγκέντρωσης υδρογόνου σε διάφορες χρονικές στιγμές, προκύπτουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο η καύση μειγμάτων βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου καθορίζει χωρικά και χρονικά το σχηματισμό του μονοξειδίου του αζώτου εντός του κυλίνδρου, μέσω του αναπτυσσόμενου θερμοκρασιακού πεδίου. Από την άλλη πλευρά, με βάση τα αποτελέσματα της εξεργειακής ανάλυσης, πραγματοποιείται σύγκριση του ισοζυγίου διαθεσιμότητας για τις διάφορες περιπτώσεις συγκέντρωσης υδρογόνου. Τέλος, εξετάζεται η χρονική και χωρική εξέλιξη των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης στις διάφορες περιπτώσεις συγκέντρωσης υδρογόνου, συνολικά αλλά και ανά καμένη ζώνη. Στο Κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή των δύο εκδοχών του μοντέλου προσομοίωσης στις ιδιαίτερες περιπτώσεις λειτουργίας των κινητήρων Otto που εξετάσθηκαν. Επίσης, παρατίθενται τα κυριότερα στοιχεία πρωτοτυπίας της παρούσας εργασίας, καθώς και ορισμένες ενδεικτικές προτάσεις για μελλοντική εργασία, οι οποίες αφορούν αποκλειστικά την τελική εκδοχή του μοντέλου προσομοίωσης (οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης) με σκοπό την 6

23 Περίληψη περαιτέρω βελτίωσή της. Τέλος, παρουσιάζονται οι δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια με πρακτικά και κρίση στο πλήρες κείμενο που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Η παρούσα εργασία ολοκληρώνεται με το Παράρτημα Α, στο οποίο παρουσιάζεται η περιγραφή, καθώς και μία ενδεικτική εφαρμογή, ενός επιπρόσθετα κατασκευασμένου, προωθημένου μοντέλου της γεωμετρίας του μετώπου της φλόγας. Το μοντέλο αυτό αφορά θαλάμους καύσης τυχαίας μορφής, με τυχαία θέση σπινθηριστή. Από την εφαρμογή του μοντέλου σε δέκα διαφορετικές γεωμετρίες θαλάμου καύσης, οι οποίες αποτελούν τυπικές περιπτώσεις για κινητήρες Otto, προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα που αφορούν την επίδραση της γεωμετρίας του θαλάμου: α) στο εμβαδό του μετώπου της φλόγας, το οποίο καθορίζει σε μεγάλο βαθμό το ρυθμό καύσης, και β) στο εμβαδό της επιφάνειας των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης που βρίσκεται σε επαφή με το καμένο αέριο πίσω από το μέτωπο της φλόγας, το οποίο επιδρά σημαντικά στο ρυθμό απωλειών θερμότητας. 7

24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Δηζαγωγή 1.1 ύγρξνλε Σερλνινγηθή Πξαγκαηηθόηεηα Κηλεηήξωλ Otto Μία απυ ηζξ ζπμοδαζυηενεξ πνμηθήζεζξ ηδξ αζμιδπακίαξ ηαηαζηεοήξ ηζκδηήνςκ Otto, υπςξ ηαζ ηάεε άθθδξ εενιζηήξ ιδπακήξ, απμηεθεί δ ιείςζδ ηυζμ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο υζμ ηαζ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ. ημ πνυαθδια ηδξ νφπακζδξ ημο αηιμζθαζνζημφ αένα ηαζ ηδξ παβηυζιζαξ εένιακζδξ ημο πθακήηδ ζδζαίηενδ ζοκεζζθμνά έπεζ μ ηζκδηήναξ Otto, αθμφ αοηυκ ημκ ηζκδηήνα πνδζζιμπμζεί ημ 90% πενίπμο ημο ζοκμθζημφ ανζειμφ μπδιάηςκ ζε παβηυζιζα ηθίιαηα ζημκ ημιέα ηςκ ιεηαθμνχκ [1]. Απυ ηδ δεηαεηία ημο 70, μ παβηυζιζμξ ζηυθμξ μπδιάηςκ αολάκεηαζ ιε έκακ πενίπμο ζηαεενυ νοειυ ηδξ ηάλδξ ηςκ 16 εηαημιιονίςκ μπδιάηςκ ακά έημξ. Αοηή δ αφλδζδ έπεζ μδδβήζεζ ζε ιία ακηίζημζπδ βναιιζηή αφλδζδ ηδξ παβηυζιζαξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο βζα ηδκ ηάθορδ ηςκ ακαβηχκ ημο ημιέα ηςκ ιεηαθμνχκ. Δάκ δ ίδζα ηάζδ ζοκεπζζεεί ηαζ ηα επυιεκα πνυκζα, εηηζιάηαζ υηζ βφνς ζημ 2025 εα οπάνπμοκ πενζζζυηενα ημο εκυξ δζζεηαημιιονίμο μπδιάηςκ παβημζιίςξ [2]. Η ηαηάζηαζδ αοηή ακαιέκεηαζ κα επζδεζκςεεί ζημ ιέθθμκ εάκ μζ ηάημζημζ ηςκ ακαπηοζζυιεκςκ πςνχκ, υπςξ π.π. ηδξ Κίκαξ ηαζ ηδξ Ικδίαξ, ανπίζμοκ κα βίκμκηαζ ηάημπμζ αοημηζκήηςκ ζε ιεβαθφηενμ ααειυ απυ υηζ είκαζ ηχνα. Όπςξ θαίκεηαζ ζημ πήια 1.1, ημ μπμίμ πανμοζζάγεζ ημκ ανζειυ ηςκ ζδζςηζηήξ πνήζδξ μπδιάηςκ ακά 1000 ηαημίημοξ ηαηά ιέζμ υνμ ζε δζάθμνα ηνάηδ ηαζ δπείνμοξ ημ 1994 [2], δ ζδζμηηδζία μπδιάηςκ είκαζ ζδζαίηενα ορδθή ζηα πθμοημπαναβςβζηά ηνάηδ, υπςξ ηζξ ΗΠΑ, ηδκ Αοζηναθία, ηδκ Ιαπςκία ηαζ ηα ηνάηδ ηζξ Δονχπδξ, εκχ είκαζ αηυια πμθφ παιδθή ζηα ηνάηδ ηςκ ακαπηοζζυιεκςκ μζημκμιζχκ, υπςξ ηδκ Κίκα ηαζ ηδκ Ικδία. Δάκ, επζπνυζεεηα, θδθεεί οπυρδ μ ιεβάθμξ πθδεοζιυξ ηςκ ακαπηοζζυιεκςκ αοηχκ ηναηχκ, ημ πθήεμξ ηςκ μπδιάηςκ παβημζιίςξ ζε απυθοημοξ ανζειμφξ εκδέπεηαζ κα αολδεεί ηαηά πμθφ πενζζζυηενμ απυ ημ ακαιεκυιεκμ, ηαεζζηχκηαξ ημ πενζααθθμκηζηυ πνυαθδια πθέμκ δοζεπίθοημ. 9

26 ΗΠΑ Απζηξαιία Ιαπωλία Δπξώπε Βξαδηιία Νόηηνο Ακεξηθή Χνλγθ Κνλγθ Αθξηθή Κίλα Ιλδία Αξηζκόο νρεκάηωλ ηδηωηηθήο ρξήζεο αλά 1000 θαηνίθνπο 1.1 ύγτρονη Σετνολογική Πραγμαηικόηηηα Κινηηήρων Otto Έηνο: ρήκα 1.1. Αξηζκόο νρεκάηωλ ηδηωηηθήο ρξήζεο αλά 1000 θαηνίθνπο ζε δηάθνξα θξάηε θαη επείξνπο ην Δθπνκπέο Ρύπωλ θαη Θεζκνζεηεκέλα Όξηά ηνπο φιθςκα ιε ζπεηζηέξ ιεθέηεξ [3], μζ ηζκδηήνεξ Otto ηςκ πνδζζιμπμζμφιεκςκ μπδιάηςκ ζηζξ πχνεξ ηδξ δοηζηήξ Δονχπδξ ζοκεζζθένμοκ ηαηά ιέζμ υνμ ηαηά 63%, 69% ηαζ 47% ζηζξ ζοκμθζηέξ αηιμζθαζνζηέξ εηπμιπέξ μλεζδίςκ ημο αγχημο ( NO ) (ιείβια ιμκμλεζδίμο ημο αγχημο (NO ), δζμλεζδίμο ημο αγχημο (NO 2 ) ηαζ, εκδεπμιέκςξ, κζηνχδμοξ μλεζδίμο (N 2 O) [4]) *, ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα ( CO ) ηαζ (αηαφζηςκ) οδνμβμκακενάηςκ (HC ), ακηίζημζπα. Ο θυβμξ βζα ημκ μπμίμ μζ παναπάκς νφπμζ έπμοκ ιεβάθδ ζδιαζία βζα ηδκ ακενχπζκδ οβεία είκαζ υηζ ηα NO x, εζδζηά ζηδ ιμνθή ημο δζμλεζδίμο ημο αγχημο, πνμηαθμφκ ακαπκεοζηζηά πνμαθήιαηα, ημ CO ζε ορδθέξ ζοβηεκηνχζεζξ είκαζ ημλζηυ ηαζ, ηέθμξ, μζ HC, ζημοξ μπμίμοξ ζοιπενζθαιαάκμκηαζ δζάθμνεξ πηδηζηέξ μνβακζηέξ εκχζεζξ εηηυξ ημο ιεεακίμο, δδιζμονβμφκ ηανηζκμβεκέζεζξ. Γζα ημ θυβμ αοηυ, ζοβηεηνζιέκα υνζα εηπμιπχκ νφπςκ απυ ηζκδηήνεξ Otto μπδιάηςκ έπμοκ εεζιμεεηδεεί ζε δζάθμνεξ πχνεξ, υπςξ ηζξ ΗΠΑ, ηα ηνάηδ ηδξ Δονςπασηήξ Έκςζδξ ηαζ ηδκ Ιαπςκία. ημκ Πίκαηα 1.1, πανμοζζάγμκηαζ ηα παθαζά υνζα εηπμιπχκ ζηδκ Δονςπασηή Έκςζδ [4], εκχ ζημκ Πίκαηα 1.2 δίκμκηαζ ηα ακηίζημζπα υνζα x * Καηά ηακυκα, ζημ ιείβια ηςκ εηπειπυιεκςκ NO x απυ ηάεε εενιζηή ιδπακή, ημ πμζμζηυ ημο NO είκαζ πμθφ ιεβαθφηενμ απυ αοηυ ημο NO 2, εκχ ημ NO 2 ζοιιεηέπεζ ζε εθάπζζηα πμζμζηά. 10

27 1. Ειζαγωγή πμο ανίζημκηαζ ζήιενα ζε ζζπφ [5] (Πνυηοπμ (Standards) Euro 5) *. φιθςκα ιε ημ Πνυηοπμ Euro 4, πνμαθέπεηαζ ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ NO x, CO ηαζ HC ηαηά 47%, 57% ηαζ 50%, ακηίζημζπα, ζε ζπέζδ ιε ημ πνμδβμφιεκμ ζε ζζπφ Πνυηοπμ Euro 3, εκχ ημ Πνυηοπμ Euro 5 ζημπεφεζ ζε πεναζηένς ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ NO x ηαηά 60% ζε ζπέζδ ιε ημ Πνυηοπμ Euro 3. Απυ αοημφξ ημοξ δφμ πίκαηεξ, βίκεηαζ θακενυ υηζ δ ακάβηδ ιείςζδξ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ απυ ηζκδηήνεξ Otto είκαζ ζοκεπήξ ηαζ εκηεζκυιεκδ ιε ηδκ πάνμδμ ηςκ εηχκ. Πίλαθαο 1.1. Ρφπμξ Παιαηά όξηα εθπνκπώλ ξύπωλ θηλεηήξωλ Otto νρεκάηωλ ζηελ Δπξωπαϊθή Έλωζε Όνζμ (g/km) (Euro 2) 1996 Όνζμ (g/km) (Euro 3) 2000 Όνζμ (g/km) (Euro 4) 2005 CO HC HC NO x 0.5 NO x Πίλαθαο 1.2. ύγρξνλα (Πξόηππν Euro 5) όξηα εθπνκπώλ ξύπωλ θηλεηήξωλ Otto επηβαηηθώλ νρεκάηωλ θαη νρεκάηωλ εκπνξηθήο ρξήζεο ζηελ Δπξωπαϊθή Έλωζε ηενεά Καηδβμνία / Κθάζδ Βάνμξ ακαθμνάξ (ΒΑ) CO HC NO x ζςιαηίδζα μπήιαημξ (kg) (g/km) (g/km) (g/km) (g/km) Δπζααηζηά μπήιαηα Όθα Οπήιαηα ειπμνζηήξ πνήζδξ ΒΑ < ΒΑ ΒΑ > Δθπνκπέο Γηνμεηδίνπ ηνπ Άλζξαθα θαη Μειινληηθνί ηόρνη Η αολακυιεκδ ζοβηέκηνςζδ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζηδκ αηιυζθαζνα έπεζ, ςξ βκςζηυκ, ανκδηζηέξ επζπηχζεζξ ζημ πνυαθδια ηδξ παβηυζιζαξ εένιακζδξ ημο πθακήηδ. Σμ δζμλείδζμ ημο άκεναηα δεκ απμηεθεί ηδ ιυκδ εηπμιπή αενίμο ημο εενιμηδπίμο απυ ηζκδηήνεξ Otto, ηαεχξ ημ κζηνχδεξ μλείδζμ, ημ μπμίμ απμηεθεί ιένμξ ηςκ εηπειπυιεκςκ * φιθςκα ιε ημ Πνυηοπμ Euro 6, ημ μπμίμ πνυηεζηαζ κα ηεεεί ζε ζζπφ ζημ ιέθθμκ, ηα υνζα εηπμιπχκ νφπςκ ηζκδηήνςκ Otto εα παναιείκμοκ ζηα επίπεδα ημο Πνμηφπμο Euro 5 [5]. 11

28 1.1 ύγτρονη Σετνολογική Πραγμαηικόηηηα Κινηηήρων Otto NO x, είκαζ 270 θμνέξ ζζπονυηενμ ςξ αένζμ εενιμηδπίμο απυ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα [3]. Ωζηυζμ, δ ζοκεζζθμνά ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ θαζκυιεκμ ημο εενιμηδπίμο ζε παβηυζιζα ηθίιαηα ηονζανπεί έκακηζ ηςκ άθθςκ αενίςκ εενιμηδπίμο, υπςξ θαίκεηαζ ζημ πήια 1.2, ημ μπμίμ απεζημκίγεζ ηα πμζμζηά ζοκεζζθμνάξ ηςκ δζαθυνςκ αενίςκ εενιμηδπίμο ζημ πνυαθδια ηδξ παβηυζιζαξ εένιακζδξ ημο πθακήηδ [3]. ρήκα 1.2. Πνζνζηηαία θαηαλνκή ζπλεηζθνξάο δηαθόξωλ αεξίωλ ζεξκνθεπίνπ ζην πξόβιεκα ηεο παγθόζκηαο ζέξκαλζεο ηνπ πιαλήηε. Όηακ πνδζζιμπμζμφκηαζ ζοιααηζηά ηαφζζια οδνμβμκακενάηςκ ζε ηζκδηήνεξ Otto, μζ εηπμιπέξ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, μζ μπμίεξ είκαζ άννδηηα ζοκδεδειέκεξ ιε ηδκ εζδζηή ηαηακάθςζδ ηαοζίιμο, ελανηχκηαζ απυ ημ ααειυ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα. Η ακάβηδ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, δδθαδή αφλδζδξ ημο ααειμφ απυδμζδξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto, πδβάγεζ ηυζμ απυ πενζααθθμκηζημφξ θυβμοξ υζμ ηαζ απυ μζημκμιζημφξ, ιε ημοξ ηεθεοηαίμοξ κα μθείθμκηαζ ζηζξ αολακυιεκεξ ηζιέξ ημο ανβμφ πεηνεθαίμο. ηα πθαίζζα αοηά, δ Δονςπασηή Οιμζπμκδία Καηαζηεοαζηχκ Αοημηζκήηςκ (Association des Constructeurs Européens d Automobiles (ACEA)) ηαευνζζε ςξ ζηυπμ βζα ημ 2008 ηα 140 gco 2 /km, ιε ηα επίπεδα ηςκ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ημ 2002 κα ανίζημκηαζ ζηα 165 gco 2 /km [6], εκχ ςξ ιεθθμκηζηυξ ζηυπμξ πνμηάεδηε ημ υνζμ ηςκ 120 gco 2 /km έςξ ημ ε ιία πανυιμζα πνμζπάεεζα, δζάθμνμζ εονςπασημί μνβακζζιμί ηαζ κμιμεεηζηά ζχιαηα έπμοκ εέζεζ ζηυπμοξ ηαζ ηίκδηνα βζα πεναζηένς ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, υπςξ θαίκεηαζ ζημ πήια 1.3, ημ μπμίμ πανμοζζάγεζ ηζξ επζεοιδηέξ ιέζεξ εηπμιπέξ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ημο ιεθθμκηζημφ ζηυθμο μπδιάηςκ [7]. Οζ ζηυπμζ αοημί ιπμνμφκ κα επζηεοπεμφκ αεθηζχκμκηαξ ηδκ ηεπκμθμβία ηςκ οθζζηάιεκςκ ηζκδηήνςκ Otto, μδδβχκηαξ ηεθζηά ζε αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζήξ ημοξ, ή/ηαζ πνδζζιμπμζχκηαξ 12

29 Μέζεο εθπνκπέο δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα κειινληηθνύ ζηόινπ νρεκάηωλ (g/km) 1. Ειζαγωγή ηαφζζια ιε ορδθυηενμ θυβμ αηυιςκ οδνμβυκμο πνμξ άημια άκεναηα ζημ ιυνζυ ημοξ ζοβηνζηζηά ιε ημοξ ζοιααηζημφξ οδνμβμκάκεναηεξ. Η ηεθεοηαία επζθμβή ζημ υνζυ ηδξ (H C) ζοκεπάβεηαζ ηδ θεζημονβία ηςκ ηζκδηήνςκ Otto απμηθεζζηζηά ιε οδνμβυκμ ςξ ηαφζζιμ Ορήκαηα θηλεηήξωλ βελδίλεο Όια ηα θαύζηκα Ορήκαηα θηλεηήξωλ ACEA θαπζίκνπ ληίδει Toyota Hybrid Synergy Drive Ministry for Traffic (D) EU UBA (D) Foresight Vehicle (UK) ρήκα Ορήκαηα θηλεηήξωλ πδξνγόλνπ (0 g/km) ηόρνη εθπνκπώλ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα κειινληηθνύ ζηόινπ νρεκάηωλ ύγρξνλεο θαη Μειινληηθέο Σερλνινγίεο Μείωζεο Δθπνκπώλ Ρύπωλ θαη Αύμεζεο Βαζκνύ Απόδνζεο Απυ ηδκ επμπή ηδξ εζζαβςβήξ ημο Πνμηφπμο Euro 1 ημ 1992, μζ εηπμιπέξ νφπςκ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto ιεζχεδηακ ηαζ ζοκεπίγμοκ κα ιεζχκμκηαζ ζδιακηζηά. Αοηυ έπεζ πναβιαημπμζδεεί ιε ηδκ ακάπηολδ ηαζ δζανηή αεθηίςζδ ηςκ ηαηαθοηζηχκ ιεηαηνμπέςκ (ηαηαθοηχκ). Οζ ηαηαθφηεξ μλεζδχκμοκ ημ CO ηαζ ημοξ HC πνμξ δζμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ οδναηιυ ηαζ ακάβμοκ ηα NO x πνμξ άγςημ [8-9]. Ο ααειυξ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ηςκ ηαηαθοηχκ λεπενκά ζήιενα ημ 99%. Ωζηυζμ, βζα ηδκ πεναζηένς ζοιιυνθςζδ πνμξ ηα αοζηδνυηενα, ιεθθμκηζηά Πνυηοπα ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ νφπςκ, πνέπεζ λεπεναζεμφκ μζ παναηάης πενζμνζζιμί ηςκ ηαηαθοηχκ: μ ααειυξ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ηςκ ηαηαθοηχκ ιεηααάθθεηαζ έκημκα ιε ημ θυβμ αένα-ηαοζίιμο, ιε απμηέθεζια ημ υνζμ ημο 80% ααειμφ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ κα επζηνέπεζ εθάπζζηεξ ιυκμ ιεηααμθέξ βφνς απυ ηδ ζημζπεζμιεηνζηή ηζιή, υπςξ δείπκεζ ημ πήια 1.4 [8] μζ ηζιέξ ηςκ πνδζζιμπμζμφιεκςκ βζα ηδκ ηαηάθοζδ εοβεκχκ ιεηάθθςκ (νυδζμ, θεοηυπνοζμξ, παθθάδζμ) αολάκμκηαζ δζανηχξ κα 13

30 Βαζκόο απόδνζεο κεηαηξνπήο (%) 1.1 ύγτρονη Σετνολογική Πραγμαηικόηηηα Κινηηήρων Otto δ εενιμηναζία έκαοζδξ ημο ηαηαθφηδ, μνζγυιεκδ ςξ δ εενιμηναζία βζα ηδκ μπμία μ ααειυξ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ημο βίκεηαζ ιεβαθφηενμξ ημο 50%, απαζηεί ηδ δζέθεοζδ πενίπμο 40 δεοηενμθέπηςκ απυ ηδκ έκανλδ ηδξ θεζημονβίαξ ημο, ιε απμηέθεζια μζ εηπμιπέξ νφπςκ κα είκαζ πμθφ ορδθέξ πνζκ ηδκ επίηεολδ αοηήξ ηδξ εενιμηναζίαξ NO x 60 HC CO 'Παράθυρο' ιόγνπ αέξα-θαπζίκνπ γηα όξην βαζκνύ απόδνζεο κεηαηξνπήο 80% Σηνηρεηνκεηξηθόο ιόγνο αέξα-θαπζίκνπ Λόγνο αέξα-θαπζίκνπ ρήκα 1.4. Βαζκνί απόδνζεο κεηαηξνπήο NO x, CO θαη HC ηξηνδηθνύ θαηαιύηε ζπλαξηήζεη ηνπ ιόγνπ αέξα-θαπζίκνπ. Όπςξ θαίκεηαζ ζημ πήια 1.4, μζ ααειμί απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ημο CO ηαζ ηςκ HC αολάκμκηαζ ηαεχξ ημ ιείβια βίκεηαζ πηςπυηενμ, εκχ ηδκ ίδζα ζηζβιή μ ααειυξ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ηςκ NO x ιεζχκεηαζ δναζηζηά. Αοηή δ ζοιπενζθμνά ημο ηνζμδζημφ ηαηαθφηδ εοκμεί ηδ θεζημονβία ηςκ ηζκδηήνςκ Otto ιε πηςπά ιείβιαηα, δ μπμία μδδβεί ζε ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ NO x (θυβς αζηζχκ εκηυξ ημο ηοθίκδνμο) ηαζ αφλδζδ ηςκ εηπμιπχκ HC ζοβηνζηζηά ιε ηδ ζημζπεζμιεηνζηή θεζημονβία. Καεχξ μζ εηπμιπέξ νφπςκ απυ μπήιαηα εθμδζαζιέκα ιε ηζκδηήνεξ Otto είκαζ δφζημθμ ηαζ μζημκμιζηά αζφιθμνμ κα ιεζςεμφκ πεναζηένς πνδζζιμπμζχκηαξ ηαηαθφηεξ, μζ μπμίμζ απαζημφκ ζημζπεζμιεηνζηά ή πενίπμο ζημζπεζμιεηνζηά ιείβιαηα, μζ ζφβπνμκεξ ενεοκδηζηέξ δναζηδνζυηδηεξ πνμζακαημθίγμκηαζ πθέμκ ζε ηεπκζηέξ πμο μδδβμφκ ζε ιείςζδ ημο ζπδιαηζζιμφ ηςκ νφπςκ αοηχκ εκηυξ ημο ηοθίκδνμο (internal measures). Ακάιεζα ζηζξ ζδιακηζηυηενεξ ηεπκζηέξ πμο επζθένμοκ ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ ηζκδηήνςκ Otto, αθθά ηαζ αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζήξ ημοξ, ζοβηαηαθέβεηαζ δ επακαηοηθμθμνία ηαοζαενίςκ (exhaust gas recirculation (EGR)), δ άιεζδ έβποζδ (direct injection (DI)) ηαζ δ πηςπή ηαφζδ (lean burn). ημ πήια 1.5, απεζημκίγεηαζ δ πμζμζηζαία ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα (αφλδζδ ααειμφ απυδμζδξ) ηςκ δζαθυνςκ κέςκ ηεπκμθμβζχκ πμο εθανιυγμκηαζ ζε ηζκδηήνεξ Otto ςξ πνμξ ημ ζοιααηζηυ ηζκδηήνα ιε 14

31 Πνζνζηηαία κείωζε εθπνκπώλ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα (%) 1. Ειζαγωγή έβποζδ ημο ηαοζίιμο θίβμ πνζκ ηδ εονίδα εζζαβςβήξ (port fuel injection (PFI)) ζοκανηήζεζ ηδξ ακηίζημζπδξ πμζμζηζαίαξ αφλδζδξ ημο ηυζημοξ ηδξ ιμκάδαξ εθέβπμο ηζκδηήνα ηαζ εηπμιπχκ πμο επζθένμοκ αοηέξ μζ κέεξ ηεπκμθμβίεξ [7] PFI ή DI H 2 (100% κείωζε) Υπεξπιεξωκέλνο DI ζηνηρεηνκεηξηθήο θαύζεο Σηξωκαηηθήο γόκωζεο DI Υπεξπιεξωκέλνο DI ζηξωκαηηθήο γόκωζεο Υπεξπιεξωκέλνο DI κε EGR Υπεξπιεξωκέλνο DI πηωρήο θαύζεο ρήκα Σπκβαηηθόο PFI Πνζνζηηαία αύμεζε θόζηνπο κνλάδαο ειέγρνπ θηλεηήξα θαη εθπνκπώλ (%) πγθξηηηθή αλάιπζε θόζηνπο ηερλνινγηώλ θηλεηήξωλ Otto ρακειώλ εθπνκπώλ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα. Η επακαηοηθμθμνία ηαοζαενίςκ απμηεθεί ιία απμηεθεζιαηζηή ιέεμδμ ιείςζδξ ημο ζπδιαηζζιμφ ηςκ NO x δζαηδνχκηαξ ζημζπεζμιεηνζηή ηαφζδ ηαζ, ζοκεπχξ, ζοιααηυηδηα ιε ημοξ ηαηαθφηεξ. Ο ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα αολάκεηαζ εθαθνχξ ηονίςξ θυβς ιείςζδξ ηςκ απςθεζχκ ζηναββαθζζιμφ, εκχ ζοκδείγεηαζ δ αφλδζδ ηδξ πνμπμνείαξ έκαοζδξ. Ωζηυζμ, δ εενιμηναζία ηςκ ηαοζαενίςκ ιεζχκεηαζ. Γζα ημ θυβμ αοηυ, απαζηείηαζ πνμζμπή ζηδ θεζημονβία ημο ηαηαθφηδ ελαζηίαξ ηδξ εοαζζεδζίαξ ημο ααειμφ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ημο ζηδ εενιμηναζία [8]. Οζ ηζκδηήνεξ Otto άιεζδξ έβποζδξ πανμοζζάγμοκ ιείςζδ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο έςξ ηαζ 15% έκακηζ αοηχκ ιε έβποζδ ημο ηαοζίιμο θίβμ πνζκ ηδ εονίδα εζζαβςβήξ [10]. Δκημφημζξ, δ ζηνςιαημπμίδζδ ηδξ βυιςζδξ μδδβεί ζε πνμαθήιαηα νφπςκ πμο ηαηά ηακυκα ειθακίγμκηαζ ζημοξ ηζκδηήνεξ Diesel, υπςξ π.π. εηπμιπέξ ζηενεχκ ζςιαηζδίςκ (particulate matter (PM)). Δπζπνυζεεηα, ζηα ορδθά θμνηία ηαζ ηζξ ορδθέξ ηαπφηδηεξ πενζζηνμθήξ, μ ηζκδηήναξ πνέπεζ κα θεζημονβεί λακά οπυ μιμβεκέξ ιείβια, ιε ζημπυ κα απμθεοπεεί δ αφλδζδ ηςκ εηπμιπχκ νφπςκ ηαζ δ ιείςζδ ηδξ εοζηάεεζαξ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα. Σέθμξ, εθπζδμθυνμζ απυ ηδκ πθεονά ηδξ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ νφπςκ θαίκεηαζ κα είκαζ μζ ηζκδηήνεξ Otto πηςπμφ, μιμβεκμφξ ιείβιαημξ, μζ μπμίμζ, ιε ηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ ζοιπίεζήξ ημοξ, ιπμνμφκ ηαοηυπνμκα κα πνμζεββίζμοκ ημ ααειυ απυδμζδξ ηςκ 15

32 1.1 ύγτρονη Σετνολογική Πραγμαηικόηηηα Κινηηήρων Otto ηζκδηήνςκ Diesel. Ωζηυζμ, ελαζηίαξ ηςκ ζηεκχκ μνίςκ ακαθθελζιυηδηαξ ηςκ πενζζζμηένςκ ηαοζίιςκ, ζδζαίηενμ πνυαθδια ζημοξ ηζκδηήνεξ αοημφξ απμηεθεί δ επίηεολδ εοζηάεεζαξ ηδξ ηαφζδξ. Δπίζδξ, ηαεχξ ημ πνδζζιμπμζμφιεκμ ιείβια είκαζ πάκηα πηςπυ, μ ααειυξ απυδμζδξ ιεηαηνμπήξ ημο ηαηαθφηδ ζε υ,ηζ αθμνά ηα πήια 1.4). Έηζζ, μ ιυκμξ ηνυπμξ βζα κα ιεζςεμφκ μζ εηπμιπέξ NO x ιεζχκεηαζ ζδιακηζηά (αθέπε NO x είκαζ κα ιεζςεεί μ ζπδιαηζζιυξ ημοξ εκηυξ ημο ηοθίκδνμο. Γζα ημ θυβμ αοηυ, πνδζζιμπμζμφκηαζ ηα θεβυιεκα ππεξ-πηωρά (ultra-lean) ιείβιαηα, ζηα μπμία μ θυβμξ ζζμδοκαιίαξ αένα είκαζ ιεβαθφηενμξ ημο Δκημφημζξ, ζε αοηή ηδκ πενίπηςζδ, ηα ζοκήεδ ζοζηήιαηα έκαοζδξ πανμοζζάγμοκ δοζημθίεξ ζημ κα ηαηαζηήζμοκ ηδ δζενβαζία ηδξ ηαφζδξ εοζηαεή. 16

33 1.2 ύληνκε Πεξηγξαθή Μεραληζκνύ Καύζεο θαη 1. Ειζαγωγή Μεραληζκώλ ρεκαηηζκνύ Ρύπωλ Κηλεηήξωλ Otto Πξναλακεηγκέλεο Γόκωζεο Η ηαφζδ ζημοξ ηζκδηήνεξ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ απμηεθεί ιία πενίπθμηδ δζενβαζία. Αοηυ μθείθεηαζ ζημ υηζ αοηή: α) ελεθίζζεηαζ ζε έκα ηνζζδζάζηαημ, πνμκζηά ιεηαααθθυιεκμ, ηοναχδεξ πεδίμ νμήξ, α) αθμνά έκα ηαφζζιμ πμο απμηεθείηαζ ζηδκ πναβιαηζηυηδηα απυ έκακ πμθφ ιεβάθμ ανζειυ ζοζηαηζηχκ, ηςκ μπμίςκ δ πδιεία ηδξ ηαφζδξ πενζθαιαάκεζ έκακ αηυια ιεβαθφηενμ ανζειυ ακηζδνάζεςκ, ηαζ β) πναβιαημπμζείηαζ ζε έκα πχνμ, πενζμνζγυιεκμ απυ ηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ, ημο μπμίμο δ ιμνθή ιεηααάθθεηαζ πνμκζηά ηαζ ηα ημζπχιαηα επζδνμφκ έκημκα ζηζξ δζάθμνεξ πηοπέξ ηδξ δζενβαζίαξ. ε υ,ηζ αθμνά ημο δζάθμνμοξ νφπμοξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ, μζ ιδπακζζιμί ζπδιαηζζιμφ αοηχκ, μζ μπμίμζ είκαζ άννδηηα ζοκδεδειέκμζ ιε ηδκ ίδζα ηδ δζενβαζία ηδξ ηαφζδξ, ελανηχκηαζ απυ ιία ζεζνά θοζζηχκ, πδιζηχκ ηαζ βεςιεηνζηχκ παναβυκηςκ. Γζα ηδ δζεοηυθοκζδ ηδξ πενζβναθήξ ημο ιδπακζζιμφ ηδξ ηαφζδξ ηαζ ηςκ ιδπακζζιχκ ζπδιαηζζιμφ νφπςκ, πανμοζζάγεηαζ ημ πήια 1.6 [11]. ε αοηυ, απεζημκίγεηαζ ζπδιαηζηά δ δζενβαζία ηδξ ηαφζδξ ζημκ ηφθζκδνμ εκυξ ηζκδηήνα Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ, ηαεχξ ηαζ μζ ααζζηέξ πενζμπέξ ζπδιαηζζιμφ ηςκ εκδζαθενυιεκςκ νφπςκ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ ηαφζδξ υηακ ςξ ηαφζζιμ πνδζζιμπμζείηαζ έκαξ ηθαζζζηυξ οδνμβμκάκεναηαξ, δδθαδή ημο NO (ιένμξ ηςκ NO x ), ημο CO ηαζ ηςκ HC. ηνχια ζαέζδξ θθυβαξ ζημ ημίπςια ημο εαθάιμο ηαφζδξ: HC Δλςηενζηή επζθάκεζα ζηνχιαημξ ζαέζδξ θθυβαξ: CO Άηαοζημ αένζμ Γζάηεκμ: HC Καιέκμ αένζμ: NO, CO Γζαδζδυιεκδ ηοναχδδξ θθυβα ρήκα 1.6. ρεκαηηθή απεηθόληζε ηεο δηεξγαζίαο ηεο θαύζεο θαη ηωλ βαζηθώλ πεξηνρώλ ζρεκαηηζκνύ ξύπωλ ζηνλ θύιηλδξν θηλεηήξα Otto πξναλακεηγκέλεο γόκωζεο. 17

34 1.2 ύνηομη Περιγραθή Μητανιζμού Καύζης και Μητανιζμών τημαηιζμού Ρύπων Κινηηήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωζης Μεραληζκόο Καύζεο Η δζενβαζία ηδξ ηαφζδξ λεηζκά ιε ηδκ δθεηηνζηή εηηέκςζδ ημο ζπζκεδνζζηή. Δηείκδ ηδ πνμκζηή ζηζβιή, δ βυιςζδ ημο ηοθίκδνμο δζαηδνεί αηυια απυ ηζξ πνμδβμφιεκεξ θάζεζξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα έκα ιέζμ ηαζ έκα ηοναχδεξ πεδίμ νμήξ. Η θθυβα ανπίγεζ κα ακαπηφζζεηαζ απυ ημ ιζηνυ πονήκα ηαιέκμο αενίμο πμο ζπδιαηίγεηαζ ακάιεζα ζηα δθεηηνυδζα ημο ζπζκεδνζζηή θυβς ηδξ εηηέκςζήξ ημο. Καεχξ ημ ιέβεεμξ ηδξ ανπζηά ζηνςηήξ θθυβαξ αολάκεηαζ, αοηή αθθδθεπζδνά υθμ ηαζ πενζζζυηενμ ιε ημ ηοναχδεξ πεδίμ νμήξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ απμιάηνοκζήξ ηδξ απυ ημ ζπζκεδνζζηή. Έηζζ, δ θθυβα ιεηααάθθεηαζ ζηαδζαηά ζε ηοναχδδ. Η ηφναδ αολάκεζ ηδκ ηαπφηδηα ηδξ θθυβαξ ζε ηζιέξ πμθφ ιεβαθφηενεξ ηδξ ηαπφηδηαξ ηδξ ακηίζημζπδξ ζηνςηήξ θθυβαξ, δδιζμονβχκηαξ πηοπέξ ηαζ αοθαηχζεζξ ζημ ιέηςπυ ηδξ. Οζ ηεθεοηαίεξ θαίκμκηαζ ηαεανά ζημ πήια 1.7, ημ μπμίμ πανμοζζάγεζ δζδζάζηαηεξ εζηυκεξ, πμο έπμοκ θδθεεί ιε ηεπκζηέξ θςημβνάθδζδξ, ημο πενζβνάιιαημξ ηδξ (ηνζζδζάζηαηδξ) ηοναχδμοξ θθυβαξ ζε δζάθμνεξ πνμκζηέξ ζηζβιέξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ δζάδμζήξ ηδξ ηαζ ζε δζάθμνα επίπεδα ηαηά ιήημξ ημο άλμκα ημο ηοθίκδνμο εκυξ ηζκδηήνα Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ ιε μπηζηή πνυζααζδ [12]. Οζ πηοπέξ ηαζ αοθαηχζεζξ ημο ιεηχπμο ηδξ θθυβαξ αολάκμοκ ηαηά πμθφ ηδκ επζθάκεζά ημο ηαζ, ζοκεπχξ, ηδκ επζθάκεζα ζηδκ μπμία θαιαάκμοκ πχνα μζ πδιζηέξ ακηζδνάζεζξ. Όηακ δ θθυβα ένεεζ ζε επαθή ιε ηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ, εηηζκεί δ ζαέζδ ηδξ Μεραληζκνί ρεκαηηζκνύ Ρύπωλ ηδκ ζδακζηή πενίπηςζδ ηδξ πθήνμοξ ηαφζδξ εκυξ οδνμβμκάκεναηα ιε ζημζπεζμιεηνζηυ αένα, ηα ηαοζαένζα εα απμηεθμφκηακ ιυκμ απυ δζμλείδζμ ημο άκεναηα, οδναηιυ ηαζ άγςημ, εκχ ζηδκ πενίπηςζδ πηςπήξ ηαφζδξ, μλοβυκμ εα ζοιπενζθαιαακυηακ, επίζδξ, ακάιεζα ζηα πνμσυκηα ηδξ ηαφζδξ. Ωζηυζμ, ζηδκ πναβιαηζηυηδηα, πθήνδξ ηαφζδ δεκ πναβιαημπμζείηαζ πμηέ ελαζηίαξ ηςκ δφμ επυιεκςκ θυβςκ [13]: α) μζ ζημζπεζχδεζξ πδιζηέξ ακηζδνάζεζξ δεκ ελεθίζζμκηαζ πμηέ πνμξ ιία ιυκμ ηαηεφεοκζδ, αθθά πνμζεββίγμοκ πάκηα ιία ηαηάζηαζδ ζζμννμπίαξ ακάιεζα ζηα ακηζδνχκηα ηαζ ηα πνμσυκηα, αθήκμκηαξ, ιε αοηυ ημκ ηνυπμ, ιία ιζηνή ημοθάπζζημκ πμζυηδηα ακηζδνχκηςκ πάκηα άηαοζηδ, ηαζ α) ημπζηέξ μνζαηέξ ζοκεήηεξ, υπςξ δ μιμζμβέκεζα ημο ηαοζίιμο ιείβιαημξ, δ εενιμηναζία ηαζ δ ηφναδ, είκαζ ζοπκά ιδ-ζδακζηέξ, μδδβχκηαξ ζηδ ζαέζδ ηδξ θθυβαξ, δ μπμία ζοκμδεφεηαζ απυ ηδκ ειθάκζζδ άηαοζηςκ ή ιενζηχξ ηαιέκςκ ζοζηαηζηχκ, ή ηδ δδιζμονβία κέςκ πνμσυκηςκ, υπςξ π.π. NO x. 18

35 mm 1. Ειζαγωγή Απυ ημ ηαηχηαημ ζημ ακχηαημ επίπεδμ ημο εαθάιμο ηαφζδξ Θέζδ ζπζκεδνζζηή 10.5 μ CA π. ΑΝ 5.5 μ CA π. ΑΝ 0.5 μ CA ι. ΑΝ 4.5 μ CA ι. ΑΝ 9.5 μ CA ι. ΑΝ Καφζζιμ: ζζμμηηάκζμ οκεήηεξ θεζημονβίαξ: ζημζπεζμιεηνζηυ ιείβια, 1500 rpm, έκαοζδ 30 μ CA π. ΑΝ mm ρήκα 1.7. Γηδηάζηαηεο εηθόλεο ηνπ πεξηγξάκκαηνο ηεο ηπξβώδνπο θιόγαο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο δηάδνζήο ηεο ζηνλ θύιηλδξν θηλεηήξα Otto πξναλακεηγκέλεο γόκωζεο. 19

36 1.2 ύνηομη Περιγραθή Μητανιζμού Καύζης και Μητανιζμών τημαηιζμού Ρύπων Κινηηήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωζης ημ πήια 1.8, πανμοζζάγεηαζ δ ηοπζηή ηαη υβημ ζφζηαζδ ηςκ ηαοζαενίςκ ζημζπεζμιεηνζηήξ ηαφζδξ εκυξ ηζκδηήνα Otto [4], πςνίξ αοηά κα έπμοκ οπμζηεί ηάπμζα επελενβαζία ιεηά ηδκ έλμδυ ημοξ απυ ημκ ηφθζκδνμ. Όπςξ παναηδνείηαζ, μζ νφπμζ απμηεθμφκ έκα πμθφ ιζηνυ πμζμζηυ (ηδξ ηάλδξ ημο 1%) ημο ζοκμθζημφ νεφιαημξ ηαοζαενίςκ, ιε ημ CO κα είκαζ ημ ηονίανπμ ζοζηαηζηυ, εκχ ηα NO x ηαζ μζ HC ειθακίγμκηαζ ζε ιζηνέξ αθθά αζζεδηέξ πμζυηδηεξ. ε ακηίεεζδ ιε ημοξ ηζκδηήνεξ Diesel, ηα επίπεδα ηςκ εηπμιπχκ ζηενεχκ ζςιαηζδίςκ (particulate matter (PM)) απυ ηζκδηήνεξ Otto είκαζ αιεθδηέα. ρήκα 1.8. Σππηθή θαη όγθν ζύζηαζε θαπζαεξίωλ ζηνηρεηνκεηξηθήο θαύζεο θηλεηήξα Otto. ημ ζδιείμ αοηυ ηαζ πνζκ πενζβναθμφκ μζ ιδπακζζιμί ζπδιαηζζιμφ ηςκ ηνζχκ νφπςκ (NO, CO, HC ) ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ, αλίγεζ κα ακαθενεεί ιία πμθφ ζδιακηζηή ηαζ βεκζηήξ ζζπφμξ ζοιπενζθμνά αοηχκ. Σμ ααζζηυ ζοιπέναζια πμο έπεζ πνμηφρεζ ηυζμ απυ πεζναιαηζηέξ υζμ ηαζ εεςνδηζηέξ ιεθέηεξ είκαζ υηζ μ ηφνζμξ πανάβμκηαξ πμο ηαεμνίγεζ ηα επίπεδα ηςκ εηπμιπχκ αοηχκ ηςκ νφπςκ απυ ηζκδηήνεξ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ είκαζ μ θυβμξ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο. Σμ πήια 1.9 απεζημκίγεζ πμζμηζηά ηδ ιεηααμθή ηςκ επζπέδςκ ηςκ εηπμιπχκ ηςκ νφπςκ αοηχκ ζοκανηήζεζ αοημφ ημο θεζημονβζημφ πανάβμκηα [8]. Οζ ζοιααηζημί ηζκδηήνεξ Otto πνδζζιμπμζμφκ ηαηά ηακυκα ζημζπεζμιεηνζηά ή εθαθνχξ πθμφζζα ιείβιαηα πνμηεζιέκμο κα ελαζθαθζζεεί δ μιαθή ηαζ αλζυπζζηδ θεζημονβία ημοξ. Ωζηυζμ, απυ ημ πήια 1.9 θαίκεηαζ υηζ ηα πηςπά ιείβιαηα μδδβμφκ ζοβηνζηζηά ζε παιδθυηενεξ εηπμιπέξ, έςξ υημο δ πμζυηδηα ηδξ ηαφζδξ ιεζςεεί ηαηά πμθφ ηαζ ηεθζηά δ αζημπία έκαοζδξ μδδβήζεζ ζε απυημιδ αφλδζδ ηςκ HC, ηαεζζηχκηαξ ηαοηυπνμκα ηδ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα αζηαεή. Σμ παναηηδνζζηζηυ ζοιπέναζια πμο πνμηφπηεζ θυβς ηςκ ιμνθχκ ηςκ απεζημκζγυιεκςκ ηαιποθχκ είκαζ υηζ μ έθεβπμξ ημο ηζκδηήνα βζα ηαοηυπνμκδ ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ ηαζ ηςκ ηνζχκ αοηχκ νφπςκ απμηεθεί ιία πμθφπθμηδ δζαδζηαζία. 20

37 Σπγθεληξώζεηο NO, CO θαη HC (ρωξίο θιίκαθα) 1. Ειζαγωγή Πηωρό κείγκα Πινύζην κείγκα Σηνηρεηνκεηξία NO HC CO Λόγνο ηζνδπλακίαο θαπζίκνπ ρήκα 1.9. Μεηαβνιή ζπγθέληξωζεο NO, CO θαη HC ζηα θαπζαέξηα ηνπ θπιίλδξνπ θηλεηήξα Otto πξναλακεηγκέλεο γόκωζεο ζπλαξηήζεη ηνπ ιόγνπ ηζνδπλακίαο θαπζίκνπ Μνλνμείδην ηνπ Αδώηνπ Όπςξ έπεζ ήδδ πνμακαθενεεί, ζηδ δζεεκή αζαθζμβναθία έπεζ επζηναηήζεζ ημ NO, ημ ΝΟ 2 ηαζ (εκδεπμιέκςξ) ημ Ν 2 Ο πμο πενζέπμκηαζ ζηα ηαοζαένζα εκυξ ηζκδηήνα κα ηαθμφκηαζ εκζαία ςξ NO x. Ωζηυζμ, ημ ηονίανπμ μλείδζμ ημο αγχημο πμο πανάβεηαζ ιέζα ζημ εάθαιμ ηαφζδξ εκυξ ηζκδηήνα είκαζ ημ NO [8, 14]. Θεςνήζεζξ πδιζηήξ ζζμννμπίαξ οπμδεζηκφμοκ υηζ, ζε ηοπζηέξ εενιμηναζίεξ θθυβαξ, μ θυβμξ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο ΝΟ 2 πνμξ ηδ ζοβηέκηνςζδ ημο NO ζημ ηαιέκμ αένζμ είκαζ αιεθδηέμξ [8]. Αοηή δ εεχνδζδ έπεζ επζαεααζςεεί πεζναιαηζηά εζδζηά ζηδκ πενίπηςζδ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto [8], ζημοξ μπμίμοξ έπεζ ανεεεί υηζ ημ ΝΟ 2 απμηεθεί πενίπμο ημ 1-2% ηςκ ζοκμθζηχκ NO x, ακελανηήηςξ θμνηίμο θεζημονβίαξ [9]. Ωζηυζμ, υηακ ημ NO ανεεεί ζημκ αηιμζθαζνζηυ αένα, μλεζδχκεηαζ πεναζηένς πνμξ ΝΟ 2 [14]. Σνεζξ είκαζ μζ ιδπακζζιμί μζ μπμίμζ ιπμνμφκ κα μδδβήζμοκ ζημ ζπδιαηζζιυ NO ζημκ ηφθζκδνμ εκυξ ηζκδηήνα Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ: μ εενιζηυξ ιδπακζζιυξ (thermal mechanism), μ άιεζμξ ιδπακζζιυξ (prompt mechanism) ηαζ μ ιδπακζζιυξ ημο κζηνχδμοξ μλεζδίμο (nitrous oxide mechanism) [14]. φιθςκα ιε ημ εενιζηυ ιδπακζζιυ [8-9, 14-15], NO ανπίγεζ κα ζπδιαηίγεηαζ απυ ημ άγςημ ημο αηιμζθαζνζημφ αένα ιέζα ζημ ορδθήξ εενιμηναζίαξ ηαιέκμ αένζμ, ημ μπμίμ ανίζηεηαζ πίζς απυ ημ ιέηςπμ ηδξ θθυβαξ (αθέπε πήια 1.6), ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ ηαφζδξ. Αοηή δ δζενβαζία πναβιαημπμζείηαζ ιέζς πδιζηχκ ακηζδνάζεςκ πμο πενζθαιαάκμοκ άημια ηαζ ιυνζα αγχημο ηαζ μλοβυκμο ηαζ μζ μπμίεξ δεκ θηάκμοκ ζε πδιζηή ζζμννμπία. Όζμ ορδθυηενδ είκαζ δ εενιμηναζία ημο ηαιέκμο αενίμο, ηυζμ ορδθυηενμξ είκαζ μ νοειυξ ζπδιαηζζιμφ ημο NO. Δλαζηίαξ ημο υηζ, βζα ηδκ πναβιαημπμίδζδ αοηχκ ηςκ 21

38 1.2 ύνηομη Περιγραθή Μητανιζμού Καύζης και Μητανιζμών τημαηιζμού Ρύπων Κινηηήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωζης ακηζδνάζεςκ απαζηείηαζ επανηήξ πμζυηδηα μλοβυκμο, μ ζπδιαηζζιυξ ημο NO εοκμείηαζ ζε εθαθνχξ πηςπέξ ζοκεήηεξ ηαφζδξ (αθέπε πήια 1.9). Καεχξ δ εενιμηναζία ημο ηαιέκμο αενίμο ιεζχκεηαζ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ θάζδξ ηδξ απμηυκςζδξ, μζ ακηζδνάζεζξ ζηζξ μπμίεξ ζοιιεηέπεζ ημ NO παγώλνπλ. Έηζζ, δ ζοβηέκηνςζδ ημο NO παναιέκεζ ηεθζηά ζε πμθφ ορδθυηενα επίπεδα απυ αοηά πμο ακηζζημζπμφκ ζηδκ ηαηάζηαζδ ζζμννμπίαξ ζηζξ ζοκεήηεξ ηδξ ελαβςβήξ ηςκ ηαοζαενίςκ. Δπμιέκςξ, πνμηφπηεζ ημ ζδιακηζηυ ζοιπέναζια υηζ μ ζπδιαηζζιυξ ημο NO εθέβπεηαζ απυ ηδ πδιζηή ηζκδηζηή ηςκ ακηζδνάζεςκ πανά ηδ πδιζηή ζζμννμπία [8-9]. Μεηνήζεζξ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο NO ζημ ηαιέκμ αένζμ έπμοκ δείλεζ υηζ αοηή δεκ ηείκεζ ζε ιδδεκζηέξ ηζιέξ πθδζζάγμκηαξ ζηδκ πενζμπή ηδξ θθυβαξ [14]. Αοηυ ζδιαίκεζ υηζ NO ζπδιαηίγεηαζ, εηηυξ απυ ηδκ πενζμπή ημο ηαιέκμο αενίμο, ζηδκ ίδζα ηδ θθυβα. Ο ααζζηυξ ιδπακζζιυξ πμο ελδβεί ημ θαζκυιεκμ αοηυ είκαζ μ άιεζμξ ιδπακζζιυξ ζπδιαηζζιμφ NO [8, 14-15]. Καηά ηακυκα, μ ιδπακζζιυξ αοηυξ είκαζ ζδιακηζηυξ υηακ ζημ ιυνζμ ημο ηαοζίιμο πενζέπεηαζ άγςημ ηαζ, ηδκ ίδζα ζηζβιή, μζ εενιμηναζίεξ είκαζ ανηεηά παιδθέξ βζα ηδκ ακάπηολδ ημο εενιζημφ ιδπακζζιμφ. Καηά ηδ δζάνηεζα ηδξ ηαφζδξ, ηα ζοζηαηζηά ημο ηαοζίιμο πμο πενζέπμοκ άγςημ οθίζηακηαζ εενιζηή δζάζπαζδ θίβμ πνζκ εζζέθεμοκ ζηδκ πενζμπή ηδξ θθυβαξ. ηδ ζοκέπεζα, ζοιιεηέπμοκ ζε ιία ζεζνά πδιζηχκ ακηζδνάζεςκ, μζ μπμίεξ ηαηαθήβμοκ ζημ ζπδιαηζζιυ NO. Οζ ηφνζεξ εκχζεζξ πμο εοκμμφκ ηδ δδιζμονβία NO ιέζς ημο άιεζμο ιδπακζζιμφ είκαζ δ αιιςκία ηαζ ημ οδνμηοάκζμ. διεζχκεηαζ υηζ ημ ηεθεοηαίμ ιπμνεί κα ζπδιαηζζεεί, εηηυξ απυ ημ άγςημ ημο ηαοζίιμο, ηαζ απυ ημ άγςημ ημο αηιμζθαζνζημφ αένα ιε ηδ αμήεεζα ηδξ δδιζμονβμφιεκδξ ηαηά ηδκ ηαφζδ ηςκ οδνμβμκακενάηςκ εθεφεενδξ νίγαξ CH [15]. ε ακηίεεζδ ιε ημ εενιζηυ ιδπακζζιυ, μ άιεζμξ ιδπακζζιυξ πανμοζζάγεζ πμθφ αζεεκή ελάνηδζδ απυ ηδ εενιμηναζία, εκχ εοκμείηαζ ιε ηδκ ηαφζδ πηςπχκ ηαζ ζημζπεζμιεηνζηχκ ιεζβιάηςκ. ε ηοπζηέξ ζοκεήηεξ ηαφζδξ ηζκδηήνςκ, πενίπμο 5-10% ημο ζπδιαηζγυιεκμο NO μθείθεηαζ ζημκ άιεζμ ιδπακζζιυ, εκχ ημ οπυθμζπμ 90-95% απμδίδεηαζ ζημ εενιζηυ ιδπακζζιυ [15]. Σέθμξ, NO ιπμνεί κα ζπδιαηζζεεί ζημκ ηφθζκδνμ εκυξ ηζκδηήνα Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ απυ ημ άγςημ ημο αηιμζθαζνζημφ αένα ζφιθςκα ιε ημ ιδπακζζιυ ημο κζηνχδμοξ μλεζδίμο [14-16]. Ο ιδπακζζιυξ αοηυξ ηαείζηαηαζ ζδιακηζηυξ ηαηά ηδκ ηαφζδ οπεν-πηςπχκ ιεζβιάηςκ, εκχ εοκμείηαζ ζε παιδθέξ εενιμηναζίεξ. Σέημζεξ ζοκεήηεξ δδιζμονβμφκηαζ υηακ πνδζζιμπμζείηαζ ζε ηζκδηήνεξ Otto δ ηεπκζηή ηδξ πηςπήξ ηαφζδξ. Ο ζπδιαηζζιυξ ημο κζηνχδμοξ μλεζδίμο, ημ μπμίμ ζηδ ζοκέπεζα μλεζδχκεηαζ πνμξ NO, πναβιαημπμζείηαζ αάζεζ ιίαξ ηνζιμνζαηήξ ακηίδναζδξ ηαζ, ζοκεπχξ, εοκμείηαζ ζε ορδθέξ πζέζεζξ (πενίπηςζδ οπενπθδνςιέκςκ ηζκδηήνςκ). 22

39 Μνλνμείδην ηνπ Άλζξαθα 1. Ειζαγωγή Ο ζπδιαηζζιυξ CO απμηεθεί έκα απυ ηα ααζζηά ζηάδζα ημο ιδπακζζιμφ ηαφζδξ ηςκ οδνμβμκακενάηςκ [8-9]. Η ζοβηέκηνςζδ ημο CO αολάκεηαζ απυημια ζηδκ πενζμπή ηδξ θθυβαξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ. Ανβυηενα, ημ δδιζμονβμφιεκμ CO μλεζδχκεηαζ πνμξ δζμλείδζμ ημο άκεναηα ιε αναδφηενμοξ νοειμφξ εκηυξ ημο ηαιέκμο αενίμο, πμο απμηεθεί ηδκ πενζμπή ζηδκ μπμία ανίζηεηαζ ηεθζηά εκημπζζιέκμ ημ CO (αθέπε πήια 1.6). Αιέζςξ ιεηά ηδκ πενζμπή ηδξ θθυβαξ, δ ζοβηέκηνςζδ ημο CO ανίζηεηαζ ημκηά ζηδ ζοβηέκηνςζδ ζζμννμπίαξ ζηζξ ημπζηέξ ζοκεήηεξ ορδθήξ εενιμηναζίαξ ηαζ πίεζδξ. Ωζηυζμ, ηαεχξ ημ ηαιέκμ αένζμ ρφπεηαζ ηαηά ηδ θάζδ ηδξ απμηυκςζδξ, μζ ακηζδνάζεζξ μλείδςζδξ ημο CO απμιαηνφκμκηαζ πθέμκ απυ ηδκ ηαηάζηαζδ πδιζηήξ ζζμννμπίαξ. Έπεζ ανεεεί υηζ δ ζοβηέκηνςζδ ημο CO ζηα ηαοζαένζα ηζκδηήνςκ Otto είκαζ παιδθυηενδ απυ ηζξ ιεηνδιέκεξ ιέβζζηεξ ζοβηεκηνχζεζξ ημο εκηυξ ημο εαθάιμο ηαφζδξ ηαζ ζδιακηζηά ορδθυηενδ απυ ηζξ ζοβηεκηνχζεζξ πδιζηήξ ζζμννμπίαξ ζηζξ ζοκεήηεξ ηδξ ελαβςβήξ ηςκ ηαοζαενίςκ. Έηζζ, ζοιπεναίκεηαζ υηζ μ ζπδιαηζζιυξ ημο CO ηαεμνίγεηαζ απυ ηδ πδιζηή ηζκδηζηή [8-9]. ηζξ πενζπηχζεζξ ηαφζδξ πθμφζζςκ ιεζβιάηςκ, οπάνπεζ έθθεζρδ μλοβυκμο βζα ηδκ πθήνδ ηαφζδ ημο άκεναηα ημο ηαοζίιμο πνμξ δζμλείδζμ ημο άκεναηα, ιε ζοκέπεζα δ ζοβηέκηνςζδ ημο CO ζημ ηαιέκμ αένζμ κα είκαζ ορδθή (αθέπε πήια 1.9). Δπίζδξ, αηυια ηαζ ζηα πηςπά ιείβιαηα, ακηζδνάζεζξ δζάζηαζδξ ζημ ορδθήξ εενιμηναζίαξ ηαιέκμ αένζμ ζοκηεθμφκ ζημ ζπδιαηζζιυ πμζμηήηςκ CO. οκμθζηά, ηα επίπεδα ζπδιαηζζιμφ ημο CO ζημκ ηφθζκδνμ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ ελανηχκηαζ μοζζαζηζηά απυ ημ θυβμ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο. πδιαηζζιυξ CO εκηυξ ημο ηοθίκδνμο ηζκδηήνςκ Otto ιπμνεί, επίζδξ, κα πναβιαημπμζδεεί αάζεζ δφμ δεοηενμβεκχκ ιδπακζζιχκ. φιθςκα ιε ημκ πνχημ ελ αοηχκ, ζδζαίηενα ζηζξ πενζπηχζεζξ πηςπχκ ιεζβιάηςκ, CO ζπδιαηίγεηαζ θυβς αηεθμφξ ηαφζδξ υηακ δ θθυβα ένεεζ ζε επαθή ιε ηα ροπνά ημζπχιαηα ημο εαθάιμο (αθέπε πήια 1.6) ηαζ εηηζκήζεζ, ηυηε, δ ζαέζδ ηδξ [15]. φιθςκα, ηχνα, ιε ημ δεφηενμ ιδπακζζιυ, έκα ιζηνυ πμζμζηυ ημο ηαοζίιμο, ημ μπμίμ δζέθοβε ηδξ ηαφζδξ ελαζηίαξ είηε εβηθςαζζιμφ ημο ζηα δζάθμνα δζάηεκα ημο εαθάιμο είηε απμννυθδζήξ ημο απυ ημ ζηνχια ημο θζπακηζημφ εθαίμο ζηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο, επακένπεηαζ ζημ εάθαιμ ηαφζδξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηςκ θάζεςκ ηδξ απμηυκςζδξ ηαζ ηδξ ελαβςβήξ, υπμο ηαζ μλεζδχκεηαζ ιενζηχξ θυβς παιδθχκ εενιμηναζζχκ, ζπδιαηίγμκηαξ CO [17]. 23

40 1.2 ύνηομη Περιγραθή Μητανιζμού Καύζης και Μητανιζμών τημαηιζμού Ρύπων Κινηηήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωζης Τδξνγνλάλζξαθεο Ο ζπδιαηζζιυξ ηαζ δ εηπμιπή HC απυ ηζκδηήνεξ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ απμηεθεί ιία πμθφπθμηδ δζενβαζία, ιε πμθθά πζεακά βεκεζζμονβά αίηζα, δ μπμία ζπεηίγεηαζ ηαζ ηαεμνίγεηαζ απυ δζάθμνα θαζκυιεκα πμο θαιαάκμοκ πχνα ηαηά ηδ δζάνηεζα ημο πθήνμοξ ηφηθμο θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα. φιθςκα ιε ηδ ζπεηζηή αζαθζμβναθία [8-9, 14], ηέζζενζξ πζεακμί ιδπακζζιμί ζπδιαηζζιμφ ηαζ εηπμιπήξ HC έπμοκ πνμηαεεί: ζαέζδ ηδξ θθυβαξ ιεηά απυ πνυζπηςζδ ή πνμζέββζζή ηδξ ζηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ, αθήκμκηαξ εηεί πνμζημθθδιέκμ έκα θεπηυ ζηνχια άηαοζημο ιείβιαημξ (αθέπε πήια 1.6) αδοκαιία δζάδμζδξ ηδξ θθυβαξ ζηα δζάθμνα δζάηεκα (π.π. πενζμπή ιεηαλφ ειαυθμο, εθαηδνίςκ ειαυθμο ηαζ ημζπχιαημξ ηοθίκδνμο) ημο εαθάιμο ηαφζδξ, αθήκμκηαξ ημ εηεί εβηθςαζζιέκμ ιείβια κα δζαθφβεζ ηδξ ηαφζδξ (αθέπε πήια 1.6) απμννυθδζδ αηιχκ ηαοζίιμο ηυζμ απυ ημ θεπηυ ζηνχια ημο θζπακηζημφ εθαίμο υζμ ηαζ απυ ηζξ δζάθμνεξ επζηαείζεζξ (ελακεναηχιαηα) πμο ανίζημκηαζ ζηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο ηαηά ηδ δζάνηεζα ηςκ θάζεςκ ηδξ εζζαβςβήξ ηαζ ηδξ ζοιπίεζδξ, αημθμοεμφιεκδ απυ ιεηέπεζηα απμδέζιεοζή ημοξ εκηυξ ημο ηοθίκδνμο ηαηά ηδ δζάνηεζα ηςκ θάζεςκ ηδξ απμηυκςζδξ ηαζ ηδξ ελαβςβήξ αηεθήξ (ηαηήξ πμζυηδηαξ) ηαφζδ (ιενζηή ηαφζδ, αζημπία έκαοζδξ) μνζζιέκμο πμζμζημφ ηςκ ηφηθςκ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα ςξ απμηέθεζια είηε πμθφ ανβήξ ηαφζδξ, είηε πμθφ ηαεοζηενδιέκδξ έκαοζδξ, είηε ζαέζδξ ηδξ θθυβαξ ζηδκ πενζμπή ηςκ αενίςκ ημο ηοθίκδνμο θυβς ορδθχκ νοειχκ (αενμδοκαιζηήξ) ηάζδξ ηδξ θθυβαξ. διεζχκεηαζ υηζ δ εηηίιδζδ ηδξ ζπεηζηήξ ζοκεζζθμνάξ ζηζξ μθζηέξ εηπμιπέξ HC ηαεεκυξ εη ηςκ ηεζζάνςκ πνμδβμοιέκςξ ακαθενεέκηςκ ιδπακζζιχκ δεκ είκαζ δοκαηή. Όθμζ αοημί μζ ιδπακζζιμί, εηηυξ ηδξ αηεθμφξ ηαφζδξ, μδδβμφκ ζηδκ αφλδζδ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ηςκ HC ημκηά ζηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ. Αοημί μζ ζοβηεηνζιέκμζ HC ελένπμκηαζ ηεθζηά απυ ημκ ηφθζκδνμ ημο ηζκδηήνα αθμφ πνχηα ακαιεζπεμφκ ιε ημ ηονίςξ αένζμ ημο ηοθίκδνμο ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ πενζυδμο ηδξ εηνμήξ ηαζ ηδξ ηεθζηήξ πενζυδμο ηδξ θάζδξ ηδξ ελαβςβήξ, ηαεχξ ημ έιαμθμ, ηονίςξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ πενζυδμο ηδξ ελχεδζδξ, ζαξώλεη ημοξ HC απυ ηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο. Ωζηυζμ, ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ θάζδξ ηδξ απμηυκςζδξ ηαζ, ζε ιζηνυηενμ ααειυ, ηδξ ελαβςβήξ, μζ HC πμο δζέθοβακ ηδξ ηαφζδξ ιε έκακ απυ ημοξ πνμδβμφιεκμοξ ηέζζενζξ ιδπακζζιμφξ ιπμνμφκ κα οπμζημφκ ζδιακηζηή μλείδςζδ. Ο ααειυξ ηδξ ζπεηζηήξ μλείδςζδξ ελανηάηαζ απυ ηα πνμκζηά ζζημνζηά εενιμηναζίαξ ηαζ ζοβηέκηνςζδξ μλοβυκμο ηςκ HC ηαεχξ αοημί ακαιεζβκφμκηαζ ιε ημ ηονίςξ αένζμ ημο ηοθίκδνμο. 24

41 1.3 Από ηα πκβαηηθά Καύζηκα ζηα Βηνθαύζηκα Πεξίπηωζε Κηλεηήξωλ Otto 1. Ειζαγωγή ηζξ ιένεξ ιαξ, δ μθμέκα αολακυιεκδ ακάβηδ βζα ηδ ιείςζδ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο ηαζ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ηονίςξ ζημκ ημιέα ηςκ ιεηαθμνχκ ηαζ ημκ ημιέα ηδξ παναβςβήξ δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ έπεζ ζηνέρεζ ημ εκδζαθένμκ ηςκ ηαηαζηεοαζηχκ ηυζμ ζηδκ ακάπηολδ ηαζκμηυιςκ ηεπκμθμβζχκ βζα ηζκδηήνεξ αεκγίκδξ, ιε ηφνζμ εηπνυζςπμ ηδκ ηεπκμθμβία άιεζδξ έβποζδξ αεκγίκδξ (gasoline direct injection (GDI)) [10, 18] ζε ζοκδοαζιυ ιε ηεπκζηέξ υπςξ δ οπενπθήνςζδ [19-20] ηαζ μ ιεηααθδηυξ πνμκζζιυξ ααθαίδςκ [21-22], υζμ ηαζ ζηδ δζενεφκδζδ ηδξ δοκαηυηδηαξ πνήζδξ εκαθθαηηζηχκ ηαοζίιςκ ςξ ααζζηχκ πδβχκ εκένβεζαξ [23-26]. Δζδζηυηενα, δ δεφηενδ πνμμπηζηή θαίκεηαζ κα είκαζ πμθφ εθπζδμθυνα, ηαεχξ ζοιαάθεζ επζπνυζεεηα ζηδκ απελάνηδζδ απυ ηα ζοιααηζηά πεηνεθαζμεζδή ηαφζζια, ηα μπμία, ζδζαίηενα ζηδκ επμπή ιαξ, παναηηδνίγμκηαζ απυ ιεβάθεξ ααεααζυηδηεξ ζπεηζηά ιε ηα δζαεέζζια απμεέιαηά ημοξ [27-28], ηαεχξ ηαζ απυ αζηάεεζα ηςκ ηζιχκ ημοξ ζηδ δζεεκή αβμνά [29-30]. Με ημκ υνμ ελαιιαθηηθά θαύζηκα κμμφκηαζ εηείκεξ μζ πδβέξ εκένβεζαξ μζ μπμίεξ δεκ απμηεθμφκ απμζηάβιαηα ημο ανβμφ πεηνεθαίμο, έπμοκ ζπεηζηά ορδθή εενιμβυκμ δφκαιδ ηαζ δ ηαφζδ ημοξ μδδβεί βεκζηά ζε παιδθυηενεξ εηπμιπέξ νφπςκ απυ υηζ δ ηαφζδ ηςκ παναβχβςκ ημο πεηνεθαίμο [24]. Έκα αηυια πθεμκέηηδια ηςκ εκαθθαηηζηχκ ηαοζίιςκ είκαζ δ ιεβάθδ πμζηζθία ηςκ πδβχκ πνμέθεοζήξ ημοξ. Σα εκαθθαηηζηά ηαφζζια, ακάθμβα ιε ηδκ πνμέθεοζή ημοξ, πςνίγμκηαζ ζηα ακακεχζζια ηαφζζια, μνζγυιεκα ςξ ηα ηαφζζια πμο πνμένπμκηαζ απυ ακακεχζζιεξ πδβέξ εκένβεζαξ, υπςξ αοηέξ μνίγμκηαζ ζηδ ζπεηζηή Οδδβία ημο Δονςπασημφ Κμζκμαμοθίμο ηαζ ημο οιαμοθίμο ηδξ Δονςπασηήξ Έκςζδξ [31], ηαζ ηα ιδ-ακακεχζζια ηαφζζια. Σα ηονίανπα ιδ-ακακεχζζιδξ θφζδξ εκαθθαηηζηά ηαφζζια ηζκδηήνςκ Otto πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ζηζξ ιεηαθμνέξ ηαζ ηδκ παναβςβή δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ εδχ ηαζ ανηεηά πνυκζα είκαζ [24]: α) ημ μνοηηυ θοζζηυ αένζμ [32-34], ημο μπμίμο ημ ηφνζμ ζοζηαηζηυ είκαζ ημ ιεεάκζμ, είηε ζηδκ αένζα θάζδ ημο ζε εενιμηναζία πενζαάθθμκημξ ηαζ πμθφ ορδθή πίεζδ ( 20 MPa ), πμο απμηεθεί ημ θεβυιεκμ ζπκπηεζκέλν θπζηθό αέξην (compressed natural gas (CNG)), είηε ζηδκ οβνή θάζδ ημο ζε πίεζδ πενζαάθθμκημξ ηαζ πμθφ παιδθή εενιμηναζία ( 161 o C ), πμο απμηεθεί ημ θεβυιεκμ πγξνπνηεκέλν θπζηθό αέξην (liquefied natural gas (LNG)), ηαζ α) ημ οβναένζμ (liquefied petroleum gas (LPG)) [35-37], ειθακζγυιεκμ ςξ παναπνμσυκ ηδξ δζαδζηαζίαξ ηαεανζζιμφ ημο μνοηημφ θοζζημφ αενίμο βζα ακααάειζζδ ηδξ πμζυηδηάξ ημο, ιε ααζζηά ζοζηαηζηά ημ πνμπάκζμ ηαζ ημ αμοηάκζμ. 25

42 1.3 Από ηα σμβαηικά Καύζιμα ζηα Βιοκαύζιμα Περίπηωζη Κινηηήρων Otto Σα πθεμκεηηήιαηα ημο θοζζημφ αενίμο έκακηζ ηδξ αεκγίκδξ ςξ ηαοζίιμο ηζκδηήνςκ Otto έπμοκ ακαδεζπεεί ζε πμθθέξ πεζναιαηζηέξ ενβαζίεξ. Δκδεζηηζηά, ακαθένμκηαζ μζ Παναπμιπέξ [38-39], ζηζξ μπμίεξ δζαπζζηχεδηε βζα έκα ιεβάθμ εφνμξ ηαποηήηςκ πενζζηνμθήξ ηαζ θμνηίςκ ημο ηζκδηήνα υηζ δ πνήζδ ημο θοζζημφ αενίμο μδδβεί βεκζηά υπζ ιυκμ ζε ιείςζδ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο, αθθά ηαζ ζε ζδιακηζηή ιείςζδ υθςκ ηςκ εεζιμεεηδιέκςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ, δδθαδή ηςκ NO x, ημο CO ηαζ ηςκ HC. Δπίζδξ, δ ακηζηαηάζηαζδ ηδξ αεκγίκδξ ιε θοζζηυ αένζμ έπεζ ςξ απμηέθεζια ηδκ επέηηαζδ ημο πηςπμφ μνίμο ακαθθελζιυηδηαξ ηαζ, ζοκεπχξ, ηδ δοκαηυηδηα θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα ιε πηςπυηενα ιείβιαηα, ιε εοενβεηζηέξ ζοκέπεζεξ ηυζμ ζημ ααειυ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα υζμ ηαζ ζηζξ εηπμιπέξ νφπςκ. Ακηίζημζπεξ ζοβηνίζεζξ ζε πεζναιαηζηυ επίπεδμ έπμοκ επίζδξ πναβιαημπμζδεεί ιεηαλφ οβναενίμο ηαζ αεκγίκδξ, υπςξ βζα πανάδεζβια ζηζξ Παναπμιπέξ [40-41]. Σμ ζοιπέναζια ηςκ ιεθεηχκ αοηχκ ήηακ υηζ δ ακηζηαηάζηαζδ ηδξ αεκγίκδξ ιε οβναένζμ έπεζ ςξ ααζζηή ζοκέπεζα ηδ ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ ημο ηζκδηήνα. Ωζηυζμ, ημ ααζζηυ ιεζμκέηηδια πμο πνμηφπηεζ απυ ηδ πνήζδ ηυζμ ημο θοζζημφ αενίμο υζμ ηαζ ημο οβναενίμο ζε ηζκδηήνεξ Otto, ζημοξ μπμίμοξ δ ακάιεζλδ ημο ηαοζίιμο ιε ημκ αένα θαιαάκεζ πχνα εηηυξ ημο ηοθίκδνμο, είκαζ δ ιείςζδ ηδξ παναβυιεκδξ ζζπφμξ ημο ηζκδηήνα θυβς ηδξ εηηυπζζδξ ιένμοξ ημο εζζενπυιεκμο αένα απυ ημ αένζμ ηαφζζιμ. διακηζηυ, επίζδξ, εηπνυζςπμ ηςκ εκαθθαηηζηχκ ηαοζίιςκ απμηεθμφκ ηα αζμηαφζζια, ηα μπμία ακήημοκ ζηδκ ηαηδβμνία ηςκ ακακεχζζιςκ ηαοζίιςκ. φιθςκα ιε ηδ ζπεηζηή Δθθδκζηή Νμιμεεζία [42], ςξ αζμηαφζζιμ μνίγεηαζ ημ οβνυ ή αένζμ ηαφζζιμ πμο πανάβεηαζ απυ αζμιάγα, εκχ ςξ αζμιάγα μνίγεηαζ ημ αζμαπμζημδμιήζζιμ ηθάζια πνμσυκηςκ, απμαθήηςκ ηαζ ηαηαθμίπςκ πμο πνμένπμκηαζ απυ ηζξ βεςνβζηέξ, ζοιπενζθαιαακμιέκςκ θοηζηχκ ηαζ γςζηχκ μοζζχκ, ηζξ δαζμημιζηέξ ηαζ ηζξ ζοκαθείξ αζμιδπακζηέξ δναζηδνζυηδηεξ, ηαεχξ ηαζ ημ αζμαπμζημδμιήζζιμ ηθάζια αζμιδπακζηχκ απμαθήηςκ ηαζ αζηζηχκ θοιάηςκ ηαζ απμννζιιάηςκ. Όπςξ εθέπεδ, ηα εκαθθαηηζηά ηαφζζια ηδξ ηαηδβμνίαξ ημο μνοηημφ θοζζημφ αενίμο δεκ απμηεθμφκ ακακεχζζια ηαφζζια. Ακηίεεηα, ηα αζμηαφζζια είκαζ ηαηελμπήκ ακακεχζζια ηαφζζια ελαζηίαξ ηδξ ακακεχζζιδξ θφζδξ ηςκ θοηζηχκ, βεςνβζηχκ ηαζ αζηζηχκ απμννζιιάηςκ ηαζ απμαθήηςκ πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ςξ πνχηεξ φθεξ. ε βεκζηέξ βναιιέξ, ηα πθεμκεηηήιαηα ηςκ αζμηαοζίιςκ έκακηζ ηςκ ιδ-ακακεχζζιςκ εκαθθαηηζηχκ ηαοζίιςκ, ηαεχξ θοζζηά ηαζ ηςκ ζοιααηζηχκ πεηνεθαζμεζδχκ ηαοζίιςκ, είκαζ ηα ελήξ ηνία [43-44]: α) πνμένπμκηαζ απυ ακακεχζζιεξ πδβέξ (αζμιάγα), μζ μπμίεξ ιπμνμφκ κα ακαπηοπεμφκ ιε αζχζζιμ ηνυπμ ζημ ιέθθμκ ηαζ κα ζοκεζζθένμοκ ζε ιεβάθμ ααειυ ζηδκ παβηυζιζα εκενβεζαηή αζθάθεζα, α) δ πνήζδ ημοξ μδδβεί ζε ιδδεκζηέξ θαζαξέο 26

43 1. Ειζαγωγή (net) εηπμιπέξ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζηδκ αηιυζθαζνα * ηαζ πμθφ παιδθέξ εηπμιπέξ μλεζδίςκ ημο εείμο (θυβς ημο πμθφ ιζηνμφ πενζεπμιέκμο ημοξ ζε εείμ) ηαζ β) πανέπμοκ ζδιακηζηά μζημκμιζηά μθέθδ, ηαεχξ, απυ ηδ ιία πθεονά, μζ ηζιέξ υθςκ ηςκ μνοηηχκ ηαοζίιςκ αολάκμκηαζ ζοκεπχξ ηαζ, απυ ηδκ άθθδ πθεονά, μζ πνχηεξ φθεξ ηςκ αζμηαοζίιςκ είκαζ ιδδεκζηήξ ή ηαζ ανκδηζηήξ αλίαξ. ηα πθαίζζα αοηά, ακαθένεηαζ εκδεζηηζηά υηζ μ Γζεεκήξ Ονβακζζιυξ Δκένβεζαξ (International Energy Agency (IEA)) [45] έπεζ ακαπηφλεζ ζεκάνζα βζα ηζξ ΗΠΑ ηαζ ηδκ Δονςπασηή Έκςζδ πμο οπμδεζηκφμοκ υηζ αναποπνυεεζιμζ ζηυπμζ ακηζηαηάζηαζδξ έςξ ηαζ 6% πεηνεθαζμεζδχκ ηαοζίιςκ ιε αζμηαφζζια ιπμνμφκ κα επζηεοπεμφκ, δεδμιέκδξ αέααζα ηδξ δζαεεζζιυηδηαξ ηςκ απαζημφιεκςκ εηηάζεςκ ηαθθζένβεζαξ. οβηεηνζιέκα, εηηζιάηαζ υηζ ακηζηαηάζηαζδ αεκγίκδξ ηδξ ηάλδξ ημο 5% απαζηεί ημ 5% ηςκ δζαεέζζιςκ ηαθθζενβήζζιςκ εηηάζεςκ ζηδκ Δονςπασηή Έκςζδ ηαζ ημ 8% ζηζξ ΗΠΑ, εκχ ηα ακηίζημζπα πμζμζηά βζα ακηζηαηάζηαζδ 5% ηαοζίιμο κηίγεθ είκαζ 15% ηαζ 13% βζα ηδκ Δονςπασηή Έκςζδ ηαζ ηζξ ΗΠΑ, ακηίζημζπα. Δζηζάγμκηαξ, ηχνα, ζηδκ πενίπηςζδ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto, ακαθένμκηαζ παναηάης ηα ηονζυηενα αζμηαφζζια, υπςξ αοηά μνίγμκηαζ ζηδ ζπεηζηή Δθθδκζηή Νμιμεεζία [42], πμο ζοκήεςξ πνδζζιμπμζμφκηαζ ζε αοημφξ: αζμιεεακυθδ: δ ιεεακυθδ πμο πανάβεηαζ απυ αζμιάγα αζμαζεακυθδ: δ αζεακυθδ πμο πανάβεηαζ απυ αζμιάγα ή απυ ημ αζμαπμζημδμιήζζιμ ηθάζια απμαθήηςκ αζμτδνμβυκμ: ημ οδνμβυκμ πμο πανάβεηαζ απυ αζμιάγα ή απυ ημ αζμαπμζημδμιήζζιμ ηθάζια αζμιδπακζηχκ ηαζ αζηζηχκ απμαθήηςκ ζοκεεηζηά αζμηαφζζια: μζ ζοκεεηζημί οδνμβμκάκεναηεξ ή ηα ιείβιαηα ζοκεεηζηχκ οδνμβμκακενάηςκ πμο πανάβμκηαζ απυ αζμιάγα αζμαένζμ (biogas): ημ ηαφζζιμ αένζμ πμο πανάβεηαζ απυ αζμιάγα ή απυ ημ αζμαπμζημδμιήζζιμ ηθάζια αζμιδπακζηχκ ηαζ αζηζηχκ απμαθήηςκ, ημ μπμίμ ιπμνεί κα ηαεανζζεεί ηαζ ακαααειζζεεί ζε πμζυηδηα θοζζημφ αενίμο, ή ημ λοθαένζμ (woodgas). ημ ζδιείμ αοηυ, δζεοηνζκίγεηαζ υηζ ημ λοθαένζμ απμηαθείηαζ ζοκδεέζηενα αέξην ζύλζεζεο (synthesis gas (syngas)) ηαζ ιε αοηή ηδκ μκμιαζία εα ακαθένεηαζ απυ εδχ ηαζ ζημ ελήξ. Δπίζδξ, μνζζιέκεξ θμνέξ απακηάηαζ ηαζ ςξ αέξην αεξηνγόλνπ (producer gas). Δπζπνυζεεηα, ημκίγεηαζ υηζ, βζα ηζξ ακάβηεξ ηδξ πανμφζαξ ενβαζίαξ, ημ αένζμ ζφκεεζδξ ςξ * Αοηυ ιπμνεί κα ελδβδεεί, π.π. βζα ηδκ πενίπηςζδ ηδξ αζμιάγαξ θοηζηήξ πνμέθεοζδξ, εάκ θδθεεί οπυρδ ημ βεβμκυξ υηζ, ηαεχξ μζ θοηζηέξ ηαθθζένβεζεξ ακαπηφζζμκηαζ, παναηναηείηαζ δζμλείδζμ ημο άκεναηα απυ ηδκ αηιυζθαζνα ιέζς ηδξ δζενβαζίαξ ηδξ θςημζφκεεζδξ. Έηζζ, εάκ δ πμζυηδηα ηδξ παναβυιεκδξ κέαξ αζμιάγαξ ελζζμννμπεί ηδκ πμζυηδηα ηδξ αζμιάγαξ πμο πνδζζιμπμζείηαζ βζα ηδκ παναβςβή εκένβεζαξ, δ αζμεκένβεζα, ςξ ιμνθή εκένβεζαξ, ηαείζηαηαζ ζοκμθζηά μοδέηενδ απυ πθεονάξ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα. 27

44 1.3 Από ηα σμβαηικά Καύζιμα ζηα Βιοκαύζιμα Περίπηωζη Κινηηήρων Otto αζμηαφζζιμ δζαπςνίγεηαζ απυ ηδ βεκζηυηενδ ηαηδβμνία ημο αζμαενίμο, ηαεχξ, υπςξ εα δεζπεεί παναηάης, ηυζμ δ πνχηδ φθδ υζμ ηαζ δ ζφζηαζή ημο δζαθένμοκ απυ ηζξ ακηίζημζπεξ ημο αζμαενίμο. 28

45 1. Ειζαγωγή 1.4 Κπξηόηεξα Βηνθαύζηκα Κηλεηήξωλ Otto Πεγέο Πξνέιεπζεο, Μέζνδνη Παξαγωγήο θαη Δπίδξαζε ζηε Λεηηνπξγηθή πκπεξηθνξά θαη ηηο Δθπνκπέο Ρύπωλ Κηλεηήξωλ Otto ηδκ πανάβναθμ αοηή πανέπεηαζ ιία ζοκμπηζηή πανμοζίαζδ ηςκ ααζζηυηενςκ πδβχκ πνμέθεοζδξ ηαζ ηςκ ζπεηζηχκ ιεευδςκ παναβςβήξ [43, 46-52] ηςκ ηονζμηένςκ αζμηαοζίιςκ ηζκδηήνςκ Otto, ηα μπμία πανμοζζάζηδηακ ζηδκ πνμδβμφιεκδ πανάβναθμ. Δπίζδξ, παναηίεεκηαζ ηα απμηεθέζιαηα ιενζηχκ εκδεζηηζηχκ πεζναιαηζηχκ ιεθεηχκ πμο αθμνμφκ ηδκ εθανιμβή ηςκ ζοβηεηνζιέκςκ αζμηαοζίιςκ ζε ηζκδηήνεξ Otto, βζα ηδκ ελέηαζδ ηδξ επίδναζήξ ημοξ ζηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ηαζ ηζξ εηπμιπέξ νφπςκ ηςκ ηζκδηήνςκ αοηχκ. ε ηαιία πενίπηςζδ δ πανμοζίαζδ αοηή δε ζημπεφεζ ζημ κα ελακηθήζεζ υθδ ηδ ζπεηζηή αζαθζμβναθία ηαζ κα πνμζθένεζ υθδ ηδκ πανμφζα βκχζδ ζημ ζδιακηζηυηαημ ηαζ ζδζαίηενα εηηεηαιέκμ εέια ηδξ πνήζδξ αζμηαοζίιςκ δζαθυνςκ πνμεθεφζεςκ ζε ηζκδηήνεξ Otto. Ακηίεεηα, αοηυ πμο επζδζχηεηαζ είκαζ, ηαηανπήκ, κα πανμοζζαζεεί δ δζαδζηαζία παναζηεοήξ ηςκ ηαοζίιςκ αοηχκ απυ ηδ αζμιάγα ηαζ, ηαηυπζκ, κα εκημπζζεμφκ ηα πθεμκεηηήιαηα ηαζ ιεζμκεηηήιαηα πμο πνμηφπημοκ απυ ηδ πνήζδ ημοξ ζε ηζκδηήνεξ Otto, ζε ζπέζδ πάκηα ιε ηα ζοιααηζηά ηαφζζια. Πενζζζυηενεξ πθδνμθμνίεξ πανμοζζάγμκηαζ βζα ημ αζμαένζμ ηαζ ημ αένζμ ζφκεεζδξ, αθμφ αοηά απμηεθμφκ ηα ελεηαγυιεκα αζμηαφζζια ηδξ πανμφζαξ ενβαζίαξ Πεγέο Πξνέιεπζεο θαη Μέζνδνη Παξαγωγήο Βηνκεζαλόιε Η αζμιεεακυθδ παναζηεοάγεηαζ ηαηά ηφνζμ θυβμ ιέζς ιίαξ δζαδζηαζίαξ δφμ δζαδμπζηχκ αδιάηςκ. Ανπζηά, πναβιαημπμζείηαζ αενζμπμίδζδ αζμιάγαξ βζα ηδκ παναβςβή αενίμο ζφκεεζδξ (αένζμ ιείβια ιε ηφνζα ζοζηαηζηά ημ οδνμβυκμ ηαζ ημ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα). Καηυπζκ, ημ αένζμ αοηυ ιεηαηνέπεηαζ ζε ιεεακυθδ ιέζς ηαηαθοηζηχκ ακηζδνάζεςκ: 2H2 CO CH3OH (1.4.1) Σδκ ηφνζα πδβή αζμιάγαξ βζα ηδκ παναβςβή αζμιεεακυθδξ ιε ηδκ παναπάκς δζαδζηαζία απμηεθμφκ ζοκήεςξ ηα απμννίιιαηα ηαζ ηαηάθμζπα ηςκ δζαθυνςκ αζμιδπακζηχκ δναζηδνζμηήηςκ. 29

46 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto Μία εκαθθαηηζηή ιέεμδμ παναζηεοήξ αζμιεεακυθδξ απμηεθεί δ πονυθοζδ ημο λφθμο. Σμ μλεσηυ μλφ πμο πανάβεηαζ ιε ημκ ηνυπμ αοηυ πενζέπεζ πενίπμο 50% ιεεακυθδ. Σέθμξ, αζμιεεακυθδ ιπμνεί κα παναπεεί απυ ημοξ οδαηάκεναηεξ, ιε βεκζηυ πδιζηυ ηφπμ (CH 2 O) n, πμο πενζέπμκηαζ ζηα θζβκμηοηηανζκμφπα ηαηάθμζπα. Ανπζηά, μζ οδαηάκεναηεξ αενζμπμζμφκηαζ ηαζ μλεζδχκμκηαζ ιενζηχξ ιε ηδ αμήεεζα μλοβυκμο ηαζ οδναηιμφ ζε ζοκεήηεξ ορδθήξ εενιμηναζίαξ. Σμ αένζμ ιείβια πμο πνμηφπηεζ ιε ημκ ηνυπμ αοηυ, ημ μπμίμ απμηεθείηαζ απυ οδνμβυκμ, ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα, δζμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ οδναηιυ, ιεηαηνέπεηαζ ζε ιεεακυθδ ιέζς ηαηαθοηζηχκ ακηζδνάζεςκ. Μία ηέημζα ακηίδναζδ ζφκεεζδξ ιεεακυθδξ είκαζ αοηή πμο πενζβνάθεηαζ απυ ηδκ Δλίζςζδ (1.4.1), ηαεχξ ηαζ δ επυιεκδ ακηίδναζδ: CO2 3H2 CH3OH H2O (1.4.2) Βηναηζαλόιε Οζ ηφνζεξ πδβέξ πνμέθεοζδξ ηδξ αζμαζεακυθδξ είκαζ μνζζιέκμζ θοηζημί μνβακζζιμί, υπςξ ημ ζζηάθεονμ, ημ γαπανυηεοηθμ, ημ ηαθαιπυηζ, ημ άπονμ ηαζ ημ λφθμ. Ανπζηά, μζ οδαηάκεναηεξ πμο πενζέπμκηαζ ζηα θοηά αοηά (διζηοηηανίκδ ηαζ ηοηηανίκδ) ιεηαηνέπμκηαζ ζε ζάηπανα ιέζς οδνυθοζδξ. οβηεηνζιέκα, δ ζπεηζηή ακηίδναζδ πμο πναβιαημπμζείηαζ είκαζ δ εκγοιαηζηή οδνυθοζδ ηδξ ζαηπανυγδξ ζε βθοηυγδ ηαζ θνμοηηυγδ, απεζημκζγυιεκδ ζπδιαηζηά ςξ ελήξ: έκγοιμ C H O C H O C H O (1.4.3) ζαηπανυγδ βθοηυγδ θνμοηηυγδ Καηυπζκ, ηα ζάηπανα αοηά ιεηαηνέπμκηαζ ζε αζεακυθδ ιέζς γφιςζδξ ιε ηδ αμήεεζα ιζηνμμνβακζζιχκ, ζοκήεςξ ιοηήηςκ: ιφηδηεξ C H O 2C H OH 2CO (1.4.4) Βηνϋδξνγόλν Η παναβςβή αζμτδνμβυκμο απυ αζμιάγα ιπμνεί κα πναβιαημπμζδεεί ιέζς δφμ εενιμπδιζηχκ δζενβαζζχκ: α) αενζμπμίδζδ, αημθμοεμφιεκδ απυ ακαιυνθςζδ ημο παναβυιεκμο αενίμο ζφκεεζδξ, ηαζ α) ηαπεία πονυθοζδ, αημθμοεμφιεκδ απυ ακαιυνθςζδ ημο ηθάζιαημξ οδαηακενάηςκ ημο παναβυιεκμο αζμεθαίμο. ε ηάεε ιία απυ ηζξ πνμδβμφιεκεξ δζενβαζίεξ, ακηζδνάζεζξ ιεηαηυπζζδξ αενίμο ιε αηιυ (water-gas shift (WGS) reactions) θαιαάκμοκ πχνα βζα ηδ ιεηαηνμπή ημο αενίμο ζφκεεζδξ ζε οδνμβυκμ, εκχ 30

47 1. Ειζαγωγή πνμζνυθδζδ εκαθθαβήξ πίεζδξ (pressure swing adsorption) ζοκήεςξ πνδζζιμπμζείηαζ βζα ημκ ηαεανζζιυ ημο ηεθζημφ πνμσυκημξ. Καηά ηφνζμ θυβμ, δ αζμιάγα πμο πνμμνίγεηαζ βζα αενζμπμίδζδ απμηεθείηαζ απυ δζάθμνα ζηενεά οπμθείιιαηα, πενζθαιαάκμκηαξ μνβακζηά αζηζηά απυαθδηα, οπμθείιιαηα εθαίμο, αμενμθφιαηα ηαζ οπμθείιιαηα ηδξ αζμιδπακίαξ λφθμο ηαζ ηδξ βεςνβζηήξ αζμιδπακίαξ. Η παναβςβή οδνμβυκμο απυ ηα πνμδβμφιεκα, πθμφζζα ζε άκεναηα, ζηενεά οπμθείιιαηα απαζηεί πμθθαπθά αήιαηα ηαηαθοηζηχκ ακηζδνάζεςκ. Γζα ηδκ παναβςβή εκυξ ηεθζημφ πνμσυκημξ ορδθήξ πενζεηηζηυηδηαξ ζε οδνμβυκμ, δ αενζμπμίδζδ αημθμοεείηαζ απυ δφμ ζηάδζα ακηζδνάζεςκ ιεηαηυπζζδξ αενίμο ιε αηιυ: CO H2O CO2 H2 (1.4.5) έκα ζηάδζμ ηαεανζζιμφ ημο ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα ηαζ έκα ζηάδζμ παναηνάηδζδξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα. Δηηυξ ηδξ ζοκήεμοξ αενζμπμίδζδξ ιε αένα ή αηιυ, ζδζαίηενμ εκδζαθένμκ πανμοζζάγεζ δ αενζμπμίδζδ ιε αηιυ ζε οπενηνίζζιδ ηαηάζηαζδ, δ μπμία εθανιυγεηαζ απεοεείαξ ζηδκ οβνή αζμιάγα, πςνίξ ηδκ ακάβηδ πνμδβμφιεκδξ λήνακζήξ ηδξ, επζηοβπάκμκηαξ ορδθμφξ ααειμφξ απυδμζδξ αενζμπμίδζδξ ζε ζπεηζηά παιδθέξ εενιμηναζίεξ. Η αενζμπμίδζδ αοημφ ημο ηφπμο ελεθίζζεηαζ ζε δζάθμνα ζηάδζα εενιμηναζίαξ ηαζ πίεζδξ ιε δζαθμνεηζημφξ ηάεε θμνά πνυκμοξ παναιμκήξ, ζπδιαηίγμκηαξ ηεθζηά έκα αένζμ ιείβια απμηεθμφιεκμ ηονίςξ απυ οδνμβυκμ, δζμλείδζμ ημο άκεναηα, ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ ιεεάκζμ, εκχ εκδέπεηαζ κα οπάνπμοκ επίζδξ ιζηνέξ πμζυηδηεξ αζεεκίμο ηαζ αζεακίμο. Καηά ηδκ ηαπεία πονυθοζδ ηδξ αζμιάγαξ, θαιαάκεζ πχνα δζάζπαζδ ηςκ δζαθυνςκ ιμνίςκ ηδξ πνχηδξ φθδξ ζε πμθθά ιζηνυηενα απμοζία αένα ηαζ ζε ζοκεήηεξ ορδθήξ εενιμηναζίαξ (ηδξ ηάλδξ ηςκ 550 o C ) ιε έκακ (ορδθυ) νοειυ εένιακζδξ πενίπμο ίζμ ιε 300 o C /min, ιε ζηυπμ κα απμθεοπεεί δ δδιζμονβία ιεβάθςκ πμζμηήηςκ ζηενεμφ άκεναηα, μ μπμίμξ ζοκήεςξ ζπδιαηίγεηαζ ηαηά ηδ αναδεία πονυθοζδ. Η δζενβαζία ηδξ ηαπείαξ πονυθοζδξ απεζημκίγεηαζ ζπδιαηζηά ςξ αημθμφεςξ: ηαπεία πονυθοζδ Βζμιάγα H ιέζς ορδθχκ νοειχκ εένιακζδξ 2 CO2 CO αζμέθαζμ ζηενεά οπμθείιιαηα (1.4.6) Δηηυξ απυ ημ οδνμβυκμ πμο πενζέπεηαζ ζημ παναβυιεκμ αένζμ ιείβια, ημ ζπδιαηζγυιεκμ αζμέθαζμ ιπμνεί εκ ζοκεπεία κα οπμζηεί επελενβαζία βζα ηδκ παναβςβή επζπθέμκ οδνμβυκμο. Ανπζηά, ημ πμζμζηυ ημο αζμεθαίμο πμο είκαζ πθήνςξ δζαθοηυ ζημ κενυ δζαπςνίγεηαζ ηαζ απμιαηνφκεηαζ. ηδ ζοκέπεζα, οθίζηαηαζ ηαηαθοηζηή ακαιυνθςζδ ιε ηδ 31

48 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto αμήεεζα οδναηιμφ, πανάβμκηαξ, ηεθζηά, έκα αένζμ ιείβια πθμφζζμ ζε οδνμβυκμ ηαζ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα πλζεηηθά Βηνθαύζηκα Σα ζοκεεηζηά αζμηαφζζια είκαζ ζηδκ μοζία οβνμί οδνμβμκάκεναηεξ, μζ μπμίμζ ηαηά ηακυκα ακήημοκ ζηδκ ηαηδβμνία ηςκ παναθζκχκ ηαζ μθεθζκχκ. Σδκ πνχηδ φθδ ηςκ ζοκεεηζηχκ αζμηαοζίιςκ απμηεθεί ηάεε είδμξ αζμιάγαξ πμο ιπμνεί κα οπμζηεί αενζμπμίδζδ. Σα ζοκεεηζηά αζμηαφζζια παναζηεοάγμκηαζ απυ ημ παναβυιεκμ αένζμ ζφκεεζδξ ιέζς ηδξ επμκμιαγυιεκδξ Fischer-Tropsch ζύλζεζεο (Fischer-Tropsch synthesis (FTS)). Δλαζηίαξ ημο υηζ ηα οβνά αοηά ηαφζζια απμηεθμφκ ηα πνμσυκηα ιεηαηνμπήξ εκυξ αενίμο, πμθθέξ θμνέξ απακηχκηαζ ζηδ αζαθζμβναθία ςξ θαύζηκα GTL (gas-to-liquid (GTL) fuels). Οζ ααζζηέξ ακηζδνάζεζξ πμο πενζβνάθμοκ ηδ Fischer-Tropsch ζφκεεζδ είκαζ μζ αηυθμοεεξ: nco 2nH2 n CH2 nh2o nco 2n 1 H C H nh O 2 n 2n2 2 nco n m 2 H C H nh O 2 n m 2 (1.4.7) υπμο CH2 ημ δμιζηυ ζημζπείμ ημο ιμνίμο ηςκ παναθζκχκ, εκχ n ηαζ m μ ανζειυξ ηςκ αηυιςκ άκεναηα ηαζ οδνμβυκμο, ακηίζημζπα, ζημ ιυνζμ ηςκ οδνμβμκακενάηςκ. Σμ θάζια ηςκ πνμσυκηςκ ηδξ Fischer-Tropsch ζφκεεζδξ ελανηάηαζ απυ ηδ ζφζηαζδ ηδξ αενζμπμζμφιεκδξ αζμιάγαξ, ηδ εενιμηναζία ηαζ ηδκ πίεζδ ζηδκ μπμία θαιαάκεζ πχνα δ δζενβαζία ηαζ ημκ ηφπμ ημο πνδζζιμπμζμφιεκμο ηαηαθφηδ. Γεκζηά, ορδθέξ εενιμηναζίεξ (>320 o C ) ηαζ ηαηαθφηεξ πμο έπμοκ ςξ αάζδ ημ ζίδδνμ εοκμμφκ ηδκ παναβςβή εθαθνφηενςκ οδνμβμκακενάηςκ (αεκγίκδ), εκχ παιδθέξ εενιμηναζίεξ (<250 o C ) ηαζ ηαηαθφηεξ πμο έπμοκ ςξ αάζδ ημ ημαάθηζμ μδδβμφκ ζημ ζπδιαηζζιυ αανφηενςκ παναθζκχκ (ηαφζζιμ κηίγεθ). πεδυκ πάκηα, δ παναβςβή οβνχκ οδνμβμκακενάηςκ ιε ηδκ παναπάκς δζαδζηαζία ζοκμδεφεηαζ απυ ημ ζπδιαηζζιυ μλοβμκμφπςκ εκχζεςκ, υπςξ αθημμθχκ, αθδετδχκ ηαζ ηεημκχκ. Δλαζηίαξ ημο υηζ ημ αένζμ ζφκεεζδξ οθίζηαηαζ ηαεανζζιυ πνζκ ηδκ έκανλδ ηδξ Fischer-Tropsch ζφκεεζδξ, ηα ιυνζα ηςκ παναβυιεκςκ οδνμβμκακενάηςκ είκαζ απαθθαβιέκα απυ άημια εείμο ηαζ αγχημο. Γζα ημ θυβμ αοηυ, μζ ζοκεεηζημί οδνμβμκάκεναηεξ εεςνμφκηαζ ηαφζζια θζθζηά πνμξ ημ πενζαάθθμκ. Δπίζδξ, θυβς ημο υηζ ζοκήεςξ απμηεθμφκηαζ απυ βναιιζηά ιυνζα, δ πμζυηδηά ημοξ είκαζ ζδζαζηένςξ ορδθή. 32

49 1. Ειζαγωγή Βηναέξην Βζμαένζμ μκμιάγεηαζ ημ ιείβια ηςκ αενίςκ πμο πανάβεηαζ απυ ηδκ ακαενυαζα γφιςζδ μνβακζηχκ απμαθήηςκ. Ακάιεζα ζηζξ ααζζηέξ πδβέξ πνμέθεοζδξ ημο αζμαενίμο ζοβηαηαθέβμκηαζ ηα βεςνβζηά οπμθείιιαηα ηαζ απυαθδηα, ηα αζηζηά απμννίιιαηα, ηα απυαθδηα ηδξ γςζηήξ αζμιδπακίαξ, ηα αμενμθφιαηα ηςκ αζμθμβζηχκ ηαεανζζιχκ ηαζ ηςκ οπμκυιςκ, ηα απμννίιιαηα ηςκ πχνςκ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ ηαζ ηα απυαθδηα ηδξ αζμιδπακίαξ ηνμθίιςκ ηαζ πμηχκ. Η παναβςβή ημο αζμαενίμο πναβιαημπμζείηαζ είηε ζε ακαενυαζμοξ ακηζδναζηήνεξ-πςκεοηήνζα αζμαενίμο είηε ζε πχνμοξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ, μπυηε ηαζ ημ ζπδιαηζγυιεκμ αένζμ ηαθείηαζ αέξην πγεηνλνκηθήο ηαθήο (landfill gas (LFG)). Γεκζηά, μζ ακαενυαζμζ ακηζδναζηήνεξ αζμαενίμο ηαθφπημοκ ημπζηέξ ακάβηεξ δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ ηαζ εενιυηδηαξ ζπεηζηά ιζηνχκ εβηαηαζηάζεςκ. οκήεςξ, πνδζζιμπμζμφκηαζ ζε αβνμηηήιαηα ηαζ ζε αζμιδπακίεξ ηνμθίιςκ, πανηζμφ, πμθημφ ηαζ βάθαηημξ, ιε ζημπυ κα ιεηαηνέρμοκ ζε αζμαένζμ απυαθδηα πθμφζζα ζε μνβακζηυ οθζηυ. ημ πήια 1.10, πανμοζζάγεηαζ δ εβηαηάζηαζδ παναβςβήξ αζμαενίμο ιίαξ αζμιδπακίαξ ηνμθίιςκ, ηαεχξ ηαζ δ ιεηέπεζηα πνδζζιμπμίδζή ημο ζε έκακ ηζκδηήνα αενίμο βζα ηδ ζοιπαναβςβή δθεηηνζζιμφ ηαζ εενιυηδηαξ. Καοζαένζα Πονζυξ ηαφζδξ Βζμαένζμ Γελαιεκή αζμαενίμο Δκαθθάηηδξ εενιυηδηαξ Ακηζδναζηήναξ αζμαενίμο Καηακάθςζδ εενιυηδηαξ Βζμιάγα Λίπαζια Ηθεηηνζηή εκένβεζα οζηεοή ηαεανζζιμφ αζμιάγαξ Σάθνμξ αζμιάγαξ ρήκα Δγθαηάζηαζε παξαγωγήο βηναεξίνπ από βηνκάδα ζε αληηδξαζηήξα βηναεξίνπ θαη ρξήζε ηνπ ζε θηλεηήξα αεξίνπ γηα ηε ζπκπαξαγωγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο θαη ζεξκόηεηαο. Ανπζηά, ηα μνβακζηά οπμθείιιαηα ηδξ αζμιδπακίαξ ζοθθέβμκηαζ ζε ιία εζδζηά ηαηαζηεοαζιέκδ ηάθνμ αζμιάγαξ. Έπεζηα, οθίζηακηαζ ηαεανζζιυ βζα ηδκ απμιάηνοκζδ ηςκ αθααενχκ αηαεανζζχκ πμο ζοκήεςξ πενζέπμοκ ηαζ, ζηδ ζοκέπεζα, μδδβμφκηαζ ζημκ ακηζδναζηήνα αζμαενίμο. Σμ παναβυιεκμ αζμαένζμ ημο ακηζδναζηήνα ζοθθέβεηαζ ζε ιία εζδζηή δελαιεκή αζμαενίμο, ιε ζημπυ ηδκ ελαζθάθζζδ ζοκεπμφξ πανμπήξ αζμαενίμο πνμξ 33

50 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto ημκ ηζκδηήνα, ακελάνηδηα απυ ηζξ πζεακέξ δζαηοιάκζεζξ πμο ιπμνεί κα πανμοζζάζεζ δ παναβςβή ημο ζημκ ακηζδναζηήνα. Γζα θυβμοξ αζθάθεζαξ, ημπμεεηείηαζ έκαξ πονζυξ ηαφζδξ, έηζζ χζηε ηοπυκ πθεμκάγμκ αζμαένζμ κα ιπμνεί κα ηαεί ζε πενζπηχζεζξ οπεναμθζηήξ παναβςβήξ ημο. Σμ ζηενευ οπυθεζιια ηδξ δζενβαζίαξ ηδξ γφιςζδξ ζημκ ακηζδναζηήνα αζμαενίμο ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί ςξ θίπαζια. Η παναβυιεκδ δθεηηνζηή εκένβεζα ημο δθεηηνμπαναβςβμφ γεφβμοξ ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί ηυζμ βζα ηδκ ηάθορδ ηςκ ζδζμηαηακαθχζεςκ ηδξ αζμιδπακίαξ υζμ ηαζ βζα ηδκ ηνμθμδυηδζδ ημο δζηηφμο δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ. Δπίζδξ, δ ακαηηδεείζα εενιυηδηα ιπμνεί κα δζαηεεεί βζα ηδ εένιακζδ ημο ακηζδναζηήνα ή ηδκ ηάθορδ ηςκ ακαβηχκ εενιυηδηαξ ηδξ αζμιδπακίαξ. Η παναβςβή αζμαενίμο, ηχνα, ζε πχνμοξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ απμηεθεί ηεπκμθμβία ιεβαθφηενδξ ηθίιαηαξ απυ αοηή ηςκ ακηζδναζηήνςκ αζμαενίμο ηαζ εθανιυγεηαζ ζηζξ πενζζζυηενεξ αζμιδπακμπμζδιέκεξ πχνεξ βζα ηδ ζοιπαναβςβή δθεηηνζζιμφ ηαζ εενιυηδηαξ, ηαεχξ ηαζ βζα πενζααθθμκηζημφξ θυβμοξ. Σμ πήια 1.11 απεζημκίγεζ ηδκ εβηαηάζηαζδ εκυξ ηζκδηήνα αενίμο ζε έκα πχνμ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ απμννζιιάηςκ βζα ηδκ παναβςβή δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ απυ ημ παναβυιεκμ αένζμ ηδξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ. Υχνμξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ Φνεάηζμ αενίμο Πονζυξ ηαφζδξ Κφνζμξ αβςβυξ αενίμο οιπζεζηήξ Καοζαένζα Απυννζρδ εενιυηδηαξ Ηθεηηνζηή εκένβεζα ρήκα Δγθαηάζηαζε παξαγωγήο αεξίνπ πγεηνλνκηθήο ηαθήο απνξξηκκάηωλ θαη ρξήζε ηνπ ζε θηλεηήξα αεξίνπ γηα ηελ παξαγωγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Έκαξ ιεβάθμξ ανζειυξ δζάηνδηςκ ζςθήκςκ ημπμεεηείηαζ ιέζα ζημ πχνμ ηδξ ηαθήξ ηςκ απμννζιιάηςκ. Αοημί μζ ζςθήκεξ ζοκδέμκηαζ ζε έκα ιεβάθμ δίηηομ ζςθδκχζεςκ. Αθμφ οπμζηεί πνχηα ηαεανζζιυ, ημ παναβυιεκμ αένζμ, ιέζς εκυξ ζοιπζεζηή, ακαννμθάηαζ απυ ημ πχνμ ηδξ ηαθήξ, ζοιπζέγεηαζ ηαζ εζζάβεηαζ ζημκ ηζκδηήνα. Γζα θυβμοξ 34

51 1. Ειζαγωγή αζθάθεζαξ, ημπμεεηείηαζ έκαξ πονζυξ ηαφζδξ, έηζζ χζηε ηοπυκ πθεμκάγμκ αένζμ κα ιπμνεί κα ηαεί ζε πενζπηχζεζξ οπεναμθζηήξ παναβςβήξ ημο. οκήεςξ, δ παναβυιεκδ δθεηηνζηή εκένβεζα απμδίδεηαζ απμηθεζζηζηά ζημ δίηηομ δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ. Σμ αζμαένζμ απμηεθείηαζ ηονίςξ απυ ιεεάκζμ ηαζ δζμλείδζμ ημο άκεναηα. Ακάθμβα ιε ημ είδμξ ηδξ πνδζζιμπμζμφιεκδξ αζμιάγαξ, ηδ ιέεμδμ ηδξ ακαενυαζαξ γφιςζδξ ηαζ ηδ πνμκζηή δζάνηεζα ηδξ γφιςζδξ, ημ αζμαένζμ, ζηδ βεκζηυηενδ πενίπηςζδ, εκδέπεηαζ κα πενζέπεζ ίπκδ οδνυεεζμο, οδνμβυκμο, αγχημο, ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα, μλοβυκμο, οδαηακενάηςκ αθμβυκμο ή ημνεζιέκςκ οδαηακενάηςκ, μνβακζηχκ εκχζεςκ πονζηίμο, ζςιαηζδίςκ ζηυκδξ, ηαεχξ ηαζ ίπκδ δζαθυνςκ αενίςκ ηαζ αηιχκ πμζηίθςκ μνβακζηχκ εκχζεςκ, υπςξ ανςιαηζηχκ οδνμβμκακενάηςκ ηαζ αθημμθχκ. Σμ αζμαένζμ εεςνείηαζ έκα απυ ηα ζδιακηζηυηενα αζμηαφζζια θυβς ημο υηζ ζοκδοάγεζ πμθθαπθά πθεμκεηηήιαηα, υπςξ: είκαζ πενζααθθμκηζηά θζθζηυ, αθμφ δ ηαφζδ ημο δε ζοιαάθθεζ ζηδκ αφλδζδ ηςκ ηαεανχκ εηπμιπχκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζηδκ αηιυζθαζνα (υκηαξ αζμηαφζζιμ) ηαζ μδδβεί βεκζηά ζε παιδθέξ εηπμιπέξ NO x δ πνήζδ ημο ςξ ηαοζίιμο ζοιαάθθεζ ζηδκ ακηζιεηχπζζδ ημο πνμαθήιαημξ ηδξ παβηυζιζαξ εένιακζδξ, δζυηζ, εάκ ημ αζμαένζμ ιεηά ημ ζπδιαηζζιυ ημο απεθεοεενςκυηακ ηαηεοεείακ ζηδκ αηιυζθαζνα, εα πνμηαθμφζε ζδιακηζηή αφλδζδ ηςκ εηπμιπχκ ηςκ αενίςκ εενιμηδπίμο * ζοκεζζθένεζ ζηδκ ηαθφηενδ αλζμπμίδζδ ηςκ δζαθυνςκ απμννζιιάηςκ ηαζ απμαθήηςκ, πανέπμκηαξ ηαοηυπνμκα ιία πδβή εκένβεζαξ δ παναβςβή ημο μδδβεί ζημ ζπδιαηζζιυ εκυξ παναπνμσυκημξ πμο ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί ςξ θίπαζια ζημκ αβνμηζηυ ημιέα. Δλαζηίαξ ημο υηζ μζ πχνμζ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ έπμοκ ηδ δοκαηυηδηα παναβςβήξ πμθφ ιεβαθφηενςκ πμζμηήηςκ αζμαενίμο απυ υηζ μζ ακηζδναζηήνεξ αζμαενίμο, παναηάης παναηίεεκηαζ ιε ζοκμπηζηυ ηνυπμ μνζζιέκα ζημζπεία ηαηαζηεοήξ ηςκ πχνςκ αοηχκ, ηαεχξ ηαζ δ δζενβαζία ιέζς ηδξ μπμίαξ πανάβεηαζ ηεθζηά ημ αζμαένζμ. Ωζηυζμ, πανμοζζάγεηαζ επίζδξ ιία πμθφ ζδιακηζηή, ζφβπνμκδ ηεπκμθμβζηή ελέθζλδ ηςκ ακηζδναζηήνςκ αζμαενίμο βζα ηδκ παναβςβή αζμαενίμο πθμφζζμο ζε οδνμβυκμ, ηαεχξ είκαζ πθέμκ ακαβκςνζζιέκμ υηζ δ πνμζεήηδ οδνμβυκμο ζημ αζμαένζμ αεθηζχκεζ ηαηά πμθφ ηα παναηηδνζζηζηά ηδξ ηαφζδξ ημο [53]. * Σμ ιεεάκζμ, ημ μπμίμ απμηεθεί ημ ηφνζμ ζοζηαηζηυ ημο αζμαενίμο, είκαζ 21 θμνέξ ζζπονυηενμ ςξ αένζμ εενιμηδπίμο απυ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα. 35

52 1.4 Κυριότερα Βιοκαύσιμα Κινητήρων Otto Πηγές Προέλευσης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραση στη Λειτουργική Συμπεριφορά και τις Εκπομπές Ρύπων Κινητήρων Otto Κατασκευή Χώρων Υγειονομικής Ταφής Οι χώροι υγειονομικής ταφής αποτελούν τεχνολογικές κατασκευές δομημένες σε διάφορα στρώματα για την απόθεση των απορριμμάτων. Στο Σχήμα 1.12, παρουσιάζεται η στρωματοποιημένη δομή ενός τυπικού χώρου υγειονομικής ταφής. Σε γενικές γραμμές, οι κατασκευές αυτές περιλαμβάνουν πέντε βασικά μέρη: το σύστημα μεμβράνης, το χώρο εναπόθεσης των απορριμμάτων, το σύστημα συλλογής των δημιουργούμενων υγρών αποβλήτων, το σύστημα συλλογής του αερίου και το κάλυμμα. Σωλήνας συλλογής αερίου Φυτική βλάστηση Χώμα Άμμος Χώμα Απορρίμματα Χώμα (7 15 cm) Απορρίμματα (~3 m) Χώμα (~30 cm) Άμμος (~50 cm) Λάσπη (~50 cm) Σωλήνας συλλογής υγρών παραπροϊόντων Υπόγειος υδροφόρος ορίζοντας Σχήμα Σχηματική απεικόνιση στρωματοποιημένης δομής ενός τυπικού χώρου υγειονομικής ταφής. Η τοποθέτηση του συστήματος της μεμβράνης έχει ως στόχο την αποφυγή της ρύπανσης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα από τα ίδια τα απορρίμματα. Κατά τη διαδικασία παραγωγής του αερίου, τα σχηματιζόμενα υγρά παραπροϊόντα απομακρύνονται από ειδικό σύστημα συλλογής, προκειμένου να μην έρθουν σε επαφή με τα υπόγεια νερά του εδάφους. Το σύστημα συλλογής του αερίου εκτείνεται σε όλο τον όγκο του χώρου της υγειονομικής ταφής, μεταφέροντας το παραγόμενο αέριο στην επιφάνεια. Τέλος, το κάλυμμα έχει ως στόχο να αποφευχθεί τόσο η εισροή του ατμοσφαιρικού αέρα προς το χώρο των απορριμμάτων όσο και η διαφυγή του παραγόμενου αερίου προς την ατμόσφαιρα. Γενικά, ένας χώρος υγειονομικής ταφής μπορεί να δέχεται στερεά απορρίμματα για μία χρονική διάρκεια ετών. Ένας τυπικής έκτασης χώρος υγειονομικής ταφής δέχεται συνολικά σε όλη τη διάρκεια της ζωής του περίπου m απορριμμάτων, που 36

53 ακαθμβμφκ πνμζεββζζηζηά ζε 1. Ειζαγωγή ηυκμοξ απμννζιιάηςκ ακά έημξ. Πνζκ ηδκ εκαπυεεζή ημοξ ζημοξ εζδζηά ηαηαζηεοαζιέκμοξ πχνμοξ ηδξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ, ηα απμννίιιαηα ζοιπζέγμκηαζ, εκχ, ιεηά ηδκ εκαπυεεζή ημοξ, ηαθφπημκηαζ ιε έκα ζηνχια πχιαημξ πάπμοξ 7-15 cm. Όηακ έκα ηιήια ημο πχνμο ηδξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ δεπεεί ημκ πνμαθεπυιεκμ υβημ απμννζιιάηςκ, δ ηεθζηή επζηάθορή ημο πναβιαημπμζείηαζ ιε έκα ζηνχια πθαζηζημφ, έκα ζηνχια πχιαημξ ηαζ έκα ζηνχια άιιμο Παξαγωγή Αεξίνπ Τγεηνλνκηθήο Σαθήο Η παναβςβή ημο αενίμο οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ ααζίγεηαζ ζηδκ ακαενυαζα ααηηδνζδζαηή απμζφκεεζδ ημο μνβακζημφ ηθάζιαημξ ηςκ απμννζιιάηςκ. Η δζενβαζία αοηή πνμτπμεέηεζ ηδκ έθθεζρδ μλοβυκμο, πμο μδδβεί ζηδ δδιζμονβία ιεεακίμο. Ακάθμβα ιε ηζξ ζπεδζαζηζηέξ θεπημιένεζεξ ημο πχνμο ηδξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ ηαζ ημ είδμξ, ηδκ δθζηία ηαζ ημ πενζεπυιεκμ ζε οβναζία ηςκ απμννζιιάηςκ, δ ζφζηαζδ ημο παναβυιεκμο αενίμο εκδέπεηαζ κα πμζηίθεζ. οκήεςξ, υιςξ, αοηυ απμηεθείηαζ απυ 45-60% ιεεάκζμ, 40-60% δζμλείδζμ ημο άκεναηα, 2-5% άγςημ ηαζ πενίπμο 1% μλοβυκμ ηαζ άθθεξ μνβακζηέξ εκχζεζξ πθδκ ιεεακίμο (ηαη υβημ). Σμ αένζμ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ πανάβεηαζ ιέζς ηδξ αζμθμβζηήξ δζάζπαζδξ ηςκ ιμνίςκ ηδξ μνβακζηήξ φθδξ ηςκ απμννζιιάηςκ απυ ηα ααηηδνίδζα πμο ανίζημκηαζ ηυζμ ζηα ίδζα ηα απμννίιιαηα υζμ ηαζ ζημ πχια επζηάθορδξ ημο πχνμο ηδξ ηαθήξ. Η ααηηδνζδζαηή απμζφκεεζδ ελεθίζζεηαζ ζε ηέζζενζξ θάζεζξ, ηαηά ηδ δζάνηεζα ηςκ μπμίςκ δ ζφζηαζδ ημο αενίμο ιεηααάθθεηαζ. Λυβς ημο υηζ ζηδ δζάνηεζα γςήξ ημο πχνμο ηδξ οβεζμκμιζηήξ ηαθήξ απμηίεεκηαζ ζοκεπχξ απμννίιιαηα ζε αοηυκ, ηα δζάθμνα απμννίιιαηα ζε υθδ ηδκ έηηαζδ ημο πχνμο ανίζημκηαζ ζε δζαθμνεηζηέξ θάζεζξ. Η δζάνηεζα ηςκ θάζεςκ αοηχκ πμζηίθεζ ακάθμβα ιε ηζξ ζοκεήηεξ θεζημονβίαξ ημο πχνμο ηδξ ηαθήξ. ημ πήια 1.13, απεζημκίγεηαζ δ ιεηααμθή ηςκ ζοβηεκηνχζεςκ ηςκ δζαθυνςκ ζοζηαηζηχκ ημο αενίμο ζε ηάεε ιία απυ αοηέξ ηζξ ηέζζενζξ θάζεζξ. Καηά ηδ Φάζδ Ι, δ μπμία απμηεθεί ηδκ πνχηδ θάζδ ηδξ απμζφκεεζδξ ηςκ απμννζιιάηςκ, αενυαζα ααηηδνίδζα, δδθαδή ααηηδνίδζα πμο γμοκ ιυκμ ιε ηδκ πανμοζία μλοβυκμο, ηαηακαθχκμοκ ημ μλοβυκμ ηαεχξ δζαζπμφκ ηζξ ιεβάθεξ ιμνζαηέξ αθοζίδεξ ηςκ πμθφπθμηα δμιδιέκςκ οδαηακενάηςκ, πνςηεσκχκ ηαζ θζπζδίςκ πμο ζοκζζημφκ ημ μνβακζηυ ηθάζια ηςκ απμννζιιάηςκ. Σμ ηφνζμ παναπνμσυκ ηδξ δζενβαζίαξ αοηήξ είκαζ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα. Σμ πμζμζηυ ημο αγχημο είκαζ ορδθυ ζηδκ ανπή ηδξ θάζδξ αοηήξ. Καεχξ, υιςξ, δ απμζφκεεζδ πνμπςνά πνμξ ηζξ επυιεκεξ θάζεζξ, αοηυ ιεζχκεηαζ ζοκεπχξ. Η Φάζδ Ι ζοκεπίγεηαζ έςξ υημο ελακηθδεεί ζε ιεβάθμ ααειυ ημ δζαεέζζιμ μλοβυκμ. Η απμζφκεεζδ ηδξ Φάζδξ Ι ιπμνεί κα δζανηέζεζ απυ θίβεξ ιένεξ έςξ ιενζημφξ ιήκεξ, ακάθμβα ιε ημ πυζμ μλοβυκμ εβηθςαίγεηαζ ζημ πχνμ ηδξ ηαθήξ ηαηά ηδκ εκαπυεεζδ ηςκ απμννζιιάηςκ. Η πμζυηδηα ημο εβηθςαζζιέκμο μλοβυκμο ελανηάηαζ απυ ημ πυζμ ζοιπζεζιέκα είκαζ ηα απμννίιιαηα υηακ εκαπμηίεεκηαζ ζημ πχνμ ηδξ ηαθήξ. 37

54 Σπγθέληξωζε (% θαη' όγθν) 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto Φάζε Ι Φάζε ΙΙ Φάζε ΙΙΙ Φάζε ΙV Γηνμείδην ηνπ άλζξαθα % 40-60% 30 Μεζάλην ρήκα Υδξνγόλν Ομπγόλν Άδωην Μεηαβνιή ζπγθεληξώζεωλ ηωλ ζπζηαηηθώλ ελόο ηππηθνύ αεξίνπ πγεηνλνκηθήο ηαθήο θαηά ηε δηάξθεηα ηωλ θάζεωλ παξαγωγήο ηνπ. 2-5% Η απμζφκεεζδ ηδξ Φάζδξ ΙΙ λεηζκά υηακ ημ μλοβυκμ ημο πχνμο ηδξ ηαθήξ έπεζ ζπεδυκ μθμηθδνςηζηά ελακηθδεεί. Μέζς ιίαξ ακαενυαζαξ δζενβαζίαξ, δδθαδή ιίαξ δζενβαζίαξ δ μπμία δεκ απαζηεί ηδκ πανμοζία μλοβυκμο, ααηηδνίδζα ιεηαηνέπμοκ εκχζεζξ πμο δδιζμονβήεδηακ ηαηά ηδ Φάζδ Ι ζε μλζηυ, βαθαηηζηυ ηαζ θμνιζηυ μλφ, ηαεχξ ηαζ ζε αθημυθεξ, υπςξ ιεεακυθδ ηαζ αζεακυθδ. ηδ θάζδ αοηή, δ ηαθή βίκεηαζ πμθφ υλζκδ. Καεχξ ηα δζάθμνα μλέα ακαιεζβκφμκηαζ ιε ηδκ οβναζία ηδξ ηαθήξ, πνμηαθμφκ ηδ δζάθοζδ μνζζιέκςκ ενεπηζηχκ ζοζηαηζηχκ, ηαεζζηχκηαξ ημ άγςημ ηαζ ημ θχζθμνμ δζαεέζζια ζηα δζαθυνςκ εζδχκ ααηηδνίδζα ηδξ ηαθήξ. Σα αένζα παναπνμσυκηα ηδξ θάζδξ αοηήξ είκαζ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ ημ οδνμβυκμ. Δάκ δ δζενβαζία ηδξ απμζφκεεζδξ δζαηαναπεεί ή πνμζηεεεί μλοβυκμ ζημ πχνμ ηδξ ηαθήξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ θάζδξ αοηήξ, δ ιζηνμαζαηή δναζηδνζυηδηα ηδξ Φάζδξ Ι επακένπεηαζ. Η απμζφκεεζδ ηδξ Φάζδξ ΙΙΙ ανπίγεζ υηακ ζοβηεηνζιέκα είδδ ακαενυαζςκ ααηηδνζδίςκ ηαηακαθχζμοκ ηα μνβακζηά μλέα πμο πανήπεδζακ ζηδ Φάζδ ΙΙ, μδδβχκηαξ ζημ ζπδιαηζζιυ μλζημφ άθαημξ ή εζηένα (acetate). Αοηή δ δζενβαζία έπεζ ςξ απμηέθεζια μ πχνμξ ηδξ ηαθήξ κα ηαηαζηεί πενζζζυηενμ μοδέηενμξ ςξ πενζαάθθμκ. Με ημκ ηνυπμ αοηυ, ααηηδνίδζα πμο μδδβμφκ ζημ ζπδιαηζζιυ ιεεακίμο ανπίγμοκ κα επζηναημφκ ζημ πχνμ ηδξ ηαθήξ. Σα ααηηδνίδζα πμο εοκμμφκ ηδ δδιζμονβία ιεεακίμο ακαπηφζζμοκ ιία ζοιαζςηζηή ηαζ αιμζααία εοενβεηζηή ζπέζδ ιε ηα ααηηδνίδζα πμο μδδβμφκ ζημ ζπδιαηζζιυ μλέςκ, αθμφ ηα ηεθεοηαία δδιζμονβμφκ εκχζεζξ πμο ιπμνμφκ κα ηαηακαθχζμοκ ηα πνχηα. Σα 38

55 1. Ειζαγωγή ααηηδνίδζα πμο ζπδιαηίγμοκ ιεεάκζμ ηαηακαθχκμοκ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ ημ μλζηυ άθαξ, ιε ηζξ δφμ ηεθεοηαίεξ εκχζεζξ ζε ιεβάθεξ ζοβηεκηνχζεζξ κα είκαζ ημλζηέξ βζα ηα ααηηδνίδζα πμο πανάβμοκ μλέα. Η Φάζδ IV ηδξ απμζφκεεζδξ εεςνείηαζ υηζ λεηζκά υηακ ηυζμ δ ζφζηαζδ υζμ ηαζ μζ νοειμί παναβςβήξ ημο αενίμο ηδξ ηαθήξ παναιέκμοκ πναηηζηά ζηαεενμί ιε ηδκ πάνμδμ ημο πνυκμο. Η παναβςβή αενίμο ζε ζηαεενέξ πμζυηδηεξ ιπμνεί κα δζανηέζεζ πθέμκ έςξ ηαζ 20 έηδ, εκχ εκδέπεηαζ κα ζοκεπζζεεί εάκ ηα απμννίιιαηα πενζέπμοκ πμθφ ορδθυ πμζμζηυ μνβακζηχκ ζοζηαηζηχκ Αληηδξαζηήξεο Βηναεξίνπ Πινύζηνπ ζε Τδξνγόλν Ακηίεεηα ιε ημοξ ζοιααηζημφξ ακηζδναζηήνεξ αζμαενίμο, υπςξ αοηυξ ημο πήιαημξ 1.10, υπμο δ δζενβαζία ηδξ γφιςζδξ ηδξ αζμιάγαξ ιπμνεί κα μδδβήζεζ ζημ ζπδιαηζζιυ ιυκμ ζπκχκ οδνμβυκμο, ιεβάθμ εκδζαθένμκ πανμοζζάγμοκ μζ ακηζδναζηήνεξ μζ μπμίμζ ιπμνμφκ κα πανάβμοκ αζμαένζμ πθμφζζμ ζε οδνμβυκμ βζα ιεηέπεζηα πνήζδ ημο ςξ ηαφζζιμ ηζκδηήνςκ εζςηενζηήξ ηαφζδξ. Η ηεπκμθμβία ηςκ ακηζδναζηήνςκ αοηχκ ααζίγεηαζ ζηδ θεβυιεκδ ζθνύξα δύκωζε (dark fermentation) ηδξ αζμιάγαξ βζα παναβςβή οδνμβυκμο ηαζ ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί ηονίςξ ζε αβνμηηήιαηα, ζηα μπμία οπάνπμοκ ήδδ εβηαηεζηδιέκα ζοιααηζηά ζοζηήιαηα παναβςβήξ αζμαενίμο, υπςξ αοηυ ημο πήιαημξ Η πνχηδ φθδ βζα ηδ ζημφνα γφιςζδ απαζηείηαζ κα είκαζ εφημθα αζμδζαζπάζζιδ. Γζα ημ θυβμ αοηυ, πνμηζιάηαζ μνβακζηυ οθζηυ πθμφζζμ ζε οδαηάκεναηεξ ηαζ παιδθήξ πενζεηηζηυηδηαξ ζε θζβκίκδ, υπςξ νίγεξ θοηχκ, γςμηνμθέξ ηαζ παναπνμσυκηα ηδξ αζμιδπακίαξ ημο ζζηάθεονμο. ημ πήια 1.14, απεζημκίγεηαζ ζπδιαηζηά έκαξ ακηζδναζηήναξ αζμαενίμο-οδνμβυκμο, μ μπμίμξ απμηεθείηαζ μοζζαζηζηά απυ έκα δζαάειζμ ζφζηδια παναβςβήξ οδνμβυκμο ηαζ ιεεακίμο, πνδζζιμπμζχκηαξ ςξ πνχηδ φθδ οβνή αζμιάγα. H 2 + CO 2 CH 4 + CO 2 Τβνή αζμιάγα Ολζηυ / Βμοηονζηυ μλφ Λίπαζια Ακηζδναζηήναξ γφιςζδξ οδνμβυκμο Ακηζδναζηήναξ ιεεακμβέκεζδξ ρήκα ρεκαηηθή απεηθόληζε δηβάζκηνπ ζπζηήκαηνο παξαγωγήο πδξνγόλνπ θαη κεζαλίνπ από πγξή βηνκάδα. Ανπζηά, δ πθμφζζα ζε οδαηάκεναηεξ αζμιάγα οδνμθφεηαζ ζε ζάηπανα. ηδ ζοκέπεζα, ηα ζάηπανα αοηά οθίζηακηαζ ζημφνα γφιςζδ ζημκ ακηζδναζηήνα γφιςζδξ οδνμβυκμο βζα ηδκ παναβςβή οδνμβυκμο ηαζ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, ζφιθςκα ιε ηζξ επυιεκεξ δφμ ακηζδνάζεζξ, πμο αθμνμφκ εκδεζηηζηά ημ ιυνζμ ηδξ ελυγδξ: 39

56 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto C H O 2H O 2CH COOH 2CO 4H (1.4.8) ελυγδ μλζηυ μλφ C H O CH CH CH COOH 2CO 2H (1.4.9) ελυγδ αμοηονζηυ μλφ Σμ παναβυιεκμ απυ ηδ ζημφνα γφιςζδ μλζηυ ηαζ αμοηονζηυ μλφ, ιαγί ιε άθθα παναπνμσυκηα ηδξ γφιςζδξ ηαζ μπμζαδήπμηε ιδ-ακηζδνμφζα πμζυηδηα αζμιάγαξ, οπυηεζκηαζ ακαενυαζα γφιςζδ ζημκ ακηζδναζηήνα ιεεακμβέκεζδξ βζα ηδκ παναβςβή ιεεακίμο ηαζ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, εκχ ημ ηεθζηυ ζηενευ οπυθεζιια ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί ςξ θίπαζια Αέξην ύλζεζεο Η ιεηαηνμπή ηδξ αζμιάγαξ ιέζς αενζμπμίδζδξ ζε έκα αένζμ ηαφζζιμ (αένζμ ζφκεεζδξ) ηαηάθθδθμ πνμξ πνήζδ ζε ειαμθμθυνμοξ ηζκδηήνεξ εζςηενζηήξ ηαφζδξ απμηεθεί ιία ηεπκζηή ιέζς ηδξ μπμίαξ αολάκεηαζ ζδιακηζηά δ πνδζζιυηδηα ηδξ αζμιάγαξ ςξ ακακεχζζιδξ πδβήξ εκένβεζαξ. Η αενζμπμίδζδ απμηεθεί πθέμκ ιία χνζιδ ηαζ ακαβκςνζζιέκδ ηεπκμθμβία, δ μπμία ιπμνεί κα οθμπμζδεεί είηε ζε έκα απθυ, παιδθήξ πμθοπθμηυηδηαξ ζφζηδια, ααζζγυιεκμ ζε έκακ αενζμπμζδηή ζηαεενήξ ηθίκδξ, είηε ζε έκα ηεπκμθμβζηά ζφκεεημ ζφζηδια, πνδζζιμπμζχκηαξ έκακ αενζμπμζδηή νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ. Η παναβςβή δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ απυ έκακ ηζκδηήνα ηνμθμδμημφιεκμ ιε ημ αένζμ ηαφζζιμ πμο πανάβεηαζ απυ ηδκ αενζμπμίδζδ αζμιάγαξ είκαζ ελίζμο εθανιυζζιδ ηυζμ ζηζξ ήδδ ακεπηοβιέκεξ πχνεξ, ςξ ιέεμδμξ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ αενίςκ εενιμηδπίμο εθαηηχκμκηαξ ηδ πνήζδ ηςκ μνοηηχκ ηαοζίιςκ, υζμ ηαζ ζηζξ ακαπηοζζυιεκεξ πχνεξ, ηαθφπημκηαξ ακάβηεξ δθεηηνζζιμφ ζε ημπζηυ επίπεδμ πνδζζιμπμζχκηαξ ηζξ άθεμκεξ ημπζηέξ πδβέξ αζμιάγαξ Βαζηθή Υεκεία Ωξ αενζμπμίδζδ μνίγεηαζ δ ιεηαηνμπή αζμιάγαξ ζε έκα αένζμ ηαφζζιμ ιέζς εένιακζδξ ιε ηδ αμήεεζα εκυξ ιέζμο αενζμπμίδζδξ, υπςξ μ αέναξ, ημ μλοβυκμ ή μ οδναηιυξ. Ακηίεεηα ιε ηδκ ηαφζδ, υπμο δ μλείδςζδ ημο ηαοζίιμο μθμηθδνχκεηαζ ζε έκα μοζζαζηζηά ζηάδζμ, δ αενζμπμίδζδ ιεηαηνέπεζ ημκ άκεναηα ηδξ αζμιάγαξ ζε έκα αένζμ ιείβια ιέζς δφμ λεπςνζζηχκ ζηαδίςκ. Η ααζζηή πδιεία ημο πνχημο ζηαδίμο ηδξ αενζμπμίδζδξ, ηαηά ηδ δζάνηεζα ημο μπμίμο εηθφεηαζ ημ ιεβαθφηενμ πμζμζηυ ηδξ πδιζηήξ εκένβεζαξ ηδξ αζμιάγαξ, ιπμνεί κα πενζβναθεί ζοκμπηζηά απυ ηζξ αηυθμοεεξ ηνεζξ ακηζδνάζεζξ: 40

57 1. Ειζαγωγή 1 Μενζηή μλείδςζδ : C O2 CO 2 Πθήνδξ μλείδςζδ : C O CO 2 2 Ακηίδναζδ οδναηιμφ : C H O CO H 2 2 (1.4.10) ημ δεφηενμ ζηάδζμ, ημ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα, ημ οδνμβυκμ ηαζ μ οδναηιυξ ζοιιεηέπμοκ πεναζηένς ζε δζάθμνεξ ακηζδνάζεζξ, μζ ζδιακηζηυηενεξ εη ηςκ μπμίςκ είκαζ δ ακηίδναζδ ιεηαηυπζζδξ αενίμο ιε αηιυ, πμο πενζβνάθεηαζ απυ ηδκ Δλίζςζδ (1.4.5), ηαεχξ ηαζ δ επυιεκδ ακηίδναζδ: πδιαηζζιυξ ιεεακίμο: CO 3H2 CH4 H2O (1.4.11) Δλαζηίαξ ημο υηζ μζ ακηζδνάζεζξ πμο πενζβνάθμκηαζ απυ ηζξ Δλζζχζεζξ (1.4.10), (1.4.5) ηαζ (1.4.11) είκαζ αιθίδνμιεξ, μ ααειυξ ιε ημκ μπμίμ αοηέξ ελεθίζζμκηαζ πνμξ ηδ ιία ή ηδκ άθθδ ηαηεφεοκζδ ελανηάηαζ απυ δζάθμνμοξ πανάβμκηεξ, υπςξ δ εενιμηναζία, δ πίεζδ ηαζ μζ ζοβηεκηνχζεζξ ηςκ ακηζδνχκηςκ ζοζηαηζηχκ. Γζαπζζηχκεηαζ, επμιέκςξ, υηζ ημ παναβυιεκμ αένζμ ζφκεεζδξ απμηεθείηαζ ζηδ βεκζηή πενίπηςζδ απυ έκα ιείβια ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα, δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, ιεεακίμο, οδνμβυκμο ηαζ οδναηιμφ. Δπίζδξ, ορδθέξ ζοβηεκηνχζεζξ αγχημο πενζέπμκηαζ ζημ ιείβια ζηδκ πενίπηςζδ ηαηά ηδκ μπμία ημ ιέζμ αενζμπμίδζδξ είκαζ μ αέναξ. Η ηαη υβημ ζφζηαζδ εκυξ ηοπζημφ αενίμο ζφκεεζδξ έπεζ ςξ ελήξ: 18-20% οδνμβυκμ, 18-20% ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα, 2% ιεεάκζμ, 11-13% δζμλείδζμ ημο άκεναηα ηαζ ίπκδ οδναηιμφ, ιε ημ οπυθμζπμ πμζμζηυ κα απμηεθείηαζ απυ άγςημ. οκήεςξ, ηνεζξ πμζυηδηεξ αενίμο ζφκεεζδξ ιπμνμφκ κα παναπεμφκ ιέζς ηδξ δζενβαζίαξ ηδξ αενζμπμίδζδξ, ακάθμβα ιε ημ πνδζζιμπμζμφιεκμ ιέζμ αενζμπμίδζδξ, ηζξ ζοκεήηεξ θεζημονβίαξ ηαζ ημκ ηφπμ ημο αενζμπμζδηή. Καηά ηακυκα, ημ ζοκδεέζηενμ ιέζμ αενζμπμίδζδξ είκαζ μ αέναξ. πακζυηενα, υιςξ, ιπμνεί κα πνδζζιμπμζδεεί μλοβυκμ ή οδναηιυξ, ηαεχξ ηαζ οδνμβυκςζδ. Σα ηνία είδδ αενίμο ζφκεεζδξ, μζ εενιμβυκεξ δοκάιεζξ ημοξ ηαζ ηα ζπεηζηά ιέζα αενζμπμίδζδξ είκαζ ηα αηυθμοεα: αένζμ ζφκεεζδξ παιδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ, ηδξ ηάλδξ ηςκ 4-6 MJ/Nm 3, πνδζζιμπμζχκηαξ αένα ή ιείβια αένα ηαζ οδναηιμφ αένζμ ζφκεεζδξ εκδζάιεζδξ εενιμβυκμο δφκαιδξ, ηδξ ηάλδξ ηςκ MJ/Nm 3, πνδζζιμπμζχκηαξ μλοβυκμ ή οδναηιυ αένζμ ζφκεεζδξ ορδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ, ηδξ ηάλδξ ηςκ 40 MJ/Nm 3, πνδζζιμπμζχκηαξ οδνμβυκςζδ. 41

58 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto Σμ παιδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ αένζμ ζφκεεζδξ πνδζζιμπμζείηαζ απεοεείαξ ςξ ηαφζζιμ ζε ηζκδηήνεξ, εκχ ημ εκδζάιεζδξ ηαζ ορδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ αένζμ ζφκεεζδξ ιεηαηνέπεηαζ ζοκήεςξ ζε ιεεάκζμ ηαζ ιεεακυθδ. Καεχξ ηα ζδιακηζηυηενα απυ πθεονάξ εκενβεζαημφ πενζεπμιέκμο ζοζηαηζηά ημο αενίμο ζφκεεζδξ είκαζ ημ οδνμβυκμ ηαζ ημ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα, ααζζημφξ δείηηεξ πνμζδζμνζζιμφ ηδξ πμζυηδηαξ ημο αενίμο ζφκεεζδξ απμηεθμφκ ημ ζοκμθζηυ πενζεπυιεκυ ημο ζε οδνμβυκμ ηαζ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα (εηθναζιέκμ ζε ηαη υβημ πμζμζηυ) ηαζ μ ιμνζαηυξ θυβμξ οδνμβυκμο πνμξ ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα. Έηζζ, ηάεε δζενβαζία παναβςβήξ αενίμο ζφκεεζδξ ιέζς αενζμπμίδζδξ ζημπεφεζ ζηδ ιεβζζημπμίδζδ αοηχκ ηςκ δφμ δεζηηχκ Πξνεπεμεξγαζία Πξώηεο Ύιεο Απαναίηδηδ πνμτπυεεζδ βζα ηδκ απμδμηζηή αενζμπμίδζδ ιίαξ πμζυηδηαξ αζμιάγαξ απμηεθεί δ πνμεπελενβαζία ηδξ πνζκ ηδκ εζζαβςβή ηδξ ζημκ αενζμπμζδηή. Καηανπήκ, θαιαάκεζ πχνα λήνακζδ ηδξ αζμιάγαξ, έηζζ χζηε δ οβναζία ηδξ κα ιδκ οπενααίκεζ ημ 10-15%. Δπίζδξ, ημ ιέβεεμξ ηςκ δζαθυνςκ ηειαπίςκ ηδξ πνχηδξ φθδξ πνέπεζ κα είκαζ ηδξ ηάλδξ ηςκ mm, ιε ζημπυ, απυ ηδ ιία πθεονά, ημ εενιυ ιέζμ αενζμπμίδζδξ κα δζαπενκά απνυζημπηα ημκ υβημ ηδξ αζμιάγαξ ηαζ, απυ ηδκ άθθδ πθεονά, αοηή κα ιπμνεί κα ακηέπεζ ηδ ζοιπζεζηζηή δνάζδ ημο ίδζμο ημο αάνμοξ ηδξ. Έπεζ παναηδνδεεί υηζ ημ πενζεπυιεκμ ζε άγςημ ηαζ αθηαθζηά οθζηά ηδξ αζμιάγαξ ηαηέπεζ ζδιακηζηυ νυθμ ζηδκ πμζυηδηα ημο αενίμο ζφκεεζδξ, ηαεχξ ηα αγςημφπα ηαζ αθηαθζηά ζοζηαηζηά ιπμνμφκ κα ζοιπαναζονεμφκ απυ ημ παναβυιεκμ αένζμ. Ωζηυζμ, ιζηνά ηειάπζα ηδξ πνχηδξ φθδξ πενζέπμοκ ζοκήεςξ θζβυηενα απυ αοηά ηα ακεπζεφιδηα ζοζηαηζηά. Γζα ημ θυβμ αοηυ, απαζηείηαζ ηθαζιαηζηυξ δζαπςνζζιυξ ηδξ πνχηδξ φθδξ ζε δζαθυνςκ ιεβεεχκ θεπηά ηαζ ηναπζά ηιήιαηα, έηζζ χζηε ημ παναβυιεκμ αένζμ κα πενζέπεζ θζβυηενεξ αηαεανζίεξ. Πνμξ ηδκ ηαηεφεοκζδ ιείςζδξ ηςκ αγςημφπςκ ηαζ αθηαθζηχκ ζοζηαηζηχκ ηδξ ίδζαξ ηδξ αζμιάγαξ ζοιαάθεζ δ απυπθοζή ηδξ ιε κενυ Ιδηόηεηεο Πξώηεο Ύιεο διακηζηή επίδναζδ ζηδ θεζημονβία ηαζ ηδκ απυδμζδ ημο αενζμπμζδηή έπμοκ μνζζιέκεξ ζδζυηδηεξ ηδξ αζμιάγαξ πμο πνδζζιμπμζείηαζ ςξ πνχηδ φθδ βζα ηδκ παναβςβή ημο αενίμο ζφκεεζδξ, υπςξ ημ πενζεπυιεκυ ηδξ ζε οβναζία ηαζ ηέθνα. Βζμιάγα ιε πμζμζηυ οβναζίαξ ιεβαθφηενμ ημο 30% δοζπεναίκεζ ηδ δζαδζηαζία ηδξ ακάθθελδξ ηαζ ιεζχκεζ ηδ εενιμβυκμ δφκαιδ ημο παναβυιεκμο αενίμο. Σα ορδθά επίπεδα οβναζίαξ μδδβμφκ, επίζδξ, ζε ιείςζδ ηδξ εενιμηναζίαξ ζηδ γχκδ μλείδςζδξ, ιε ζοκέπεζα ηδκ αηεθή δζάζπαζδ ηςκ οδνμβμκακενάηςκ πμο απεθεοεενχκμκηαζ απυ ηδ γχκδ πονυθοζδξ. Η πανμοζία ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα ζε ζοκδοαζιυ ιε ορδθά πμζμζηά οβναζίαξ μδδβεί ζηδκ αφλδζδ ημο ζπδιαηζζιμφ οδνμβυκμο ιέζς ηδξ ακηίδναζδξ 42

59 1. Ειζαγωγή ιεηαηυπζζδξ αενίμο ιε αηιυ. ηδ ζοκέπεζα, αοηή δ αολδιέκδ ζοβηέκηνςζδ οδνμβυκμο έπεζ ςξ απμηέθεζια ηδκ αολδιέκδ παναβςβή ιεεακίμο ιέζς άιεζδξ οδνμβυκςζδξ ημο ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα. Ωζηυζμ, ημ ηένδμξ ημο αενίμο ιείβιαημξ ζε οδνμβυκμ ηαζ ιεεάκζμ δεκ ελζζμννμπεί ηδκ απχθεζα ηδξ πδιζηήξ ημο εκένβεζαξ θυβς ιείςζδξ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο ιμκμλεζδίμο ημο άκεναηα, μδδβχκηαξ ηεθζηά ζηδ ιείςζδ ηδξ εενιμβυκμο δφκαιδξ ημο παναβυιεκμο αενίμο ζφκεεζδξ. Δπίζδξ, δ ορδθή πενζεηηζηυηδηα ηδξ αζμιάγαξ ζε ακυνβακδ φθδ εκδέπεηαζ κα ηαηαζηήζεζ ηδκ αενζμπμίδζή ηδξ αδφκαηδ. οπκά, δ εενιμηναζία μλείδςζδξ είκαζ ορδθυηενδ ημο ζδιείμο ηήλδξ ηδξ ηέθναξ πμο πενζέπεηαζ ζηδ αζμιάγα, ιε απμηέθεζια κα δδιζμονβμφκηαζ πνμαθήιαηα επζηαείζεςκ ζημονζάξ ζηδκ εζηία ημο αενζμπμζδηή ηαζ πανειπυδζζδ ηδξ μιαθήξ ηνμθμδμζίαξ ημο ιε κέα πνχηδ φθδ. Η δδιζμονβία ζημονζάξ απμηεθεί πνυαθδια βζα πενζεηηζηυηδηεξ ηέθναξ ιεβαθφηενεξ ημο 5%. Η ηαηάζηαζδ αοηή επζδεζκχκεηαζ υηακ δ ηέθνα πενζέπεζ ορδθά πμζμζηά αθηαθζηχκ μλεζδίςκ ηαζ αθάηςκ, ηα μπμία δδιζμονβμφκ ιείβιαηα παιδθμφ ζδιείμο ηήλδξ Σύπνη Αεξηνπνηεηώλ Οζ αενζμπμζδηέξ πμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ζοκήεςξ βζα ηδκ παναβςβή αενίμο ζφκεεζδξ απυ αζμιάγα ιπμνμφκ κα ηαηδβμνζμπμζδεμφκ ζε δφμ ααζζημφξ ηφπμοξ: ημοξ αενζμπμζδηέξ ζηαεενήξ ηθίκδξ ηαζ ημοξ αενζμπμζδηέξ νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ. Οζ αενζμπμζδηέξ ζηαεενήξ ηθίκδξ ζοκζζημφκ ηδκ παναδμζζαηή ηεπκμθμβία αενζμπμίδζδξ αζμιάγαξ, θεζημονβχκηαξ ζε εενιμηναζίεξ πμο πθδζζάγμοκ ημοξ 1000 o C. Ακάθμβα ιε ηδκ ηαηεφεοκζδ ηδξ νμήξ ημο ιέζμο αενζμπμίδζδξ, δζαηνίκμκηαζ ζε αενζμπμζδηέξ ηαεμδζημφ νεφιαημξ, αενζμπμζδηέξ ακμδζημφ νεφιαημξ ηαζ αενζμπμζδηέξ εβηάνζζμο νεφιαημξ. Οζ αενζμπμζδηέξ νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ πςνίγμκηαζ ζημοξ αενζμπμζδηέξ νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ ηοηθμθμνίαξ ηαζ ημοξ αενζμπμζδηέξ ακαανάγμοζαξ ηθίκδξ. Ο αενζμπμζδηήξ ζηαεενήξ ηθίκδξ, ιζα ζπδιαηζηή απεζηυκζζδ ημο μπμίμο (αενζμπμζδηήξ ηαεμδζημφ νεφιαημξ) δίκεηαζ ζημ πήια 1.15, πανμοζζάγεζ ημ πθεμκέηηδια ηδξ ζπεηζηά απθήξ ζπεδίαζδξ. Ωζηυζμ, ημ ανκδηζηυ παναηηδνζζηζηυ ημο είκαζ υηζ ιπμνεί κα πανάβεζ ιυκμ παιδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ αένζμ ζφκεεζδξ. Όηακ ςξ ιέζμ αενζμπμίδζδξ πνδζζιμπμζείηαζ αέναξ, ημ ορδθυ πμζμζηυ ζε άγςημ ημο πνμηφπημκημξ αενίμο αολάκεζ ηδκ μβημιεηνζηή ημο πανμπή, αολάκμκηαξ ιε ημκ ηνυπμ αοηυ ηαζ ημ ιέβεεμξ ηδξ ακαβηαίαξ εβηαηάζηαζδξ ηαεανζζιμφ ημο ηεθζημφ αενίμο πνμσυκημξ. Η απμννζπηυιεκδ εενιυηδηα απυ ημ ζφζηδια αενζμπμίδζδξ ζηαεενήξ ηθίκδξ ιπμνεί εφημθα κα πνδζζιμπμζδεεί βζα ηδκ λήνακζδ ηδξ πνχηδξ φθδξ πνζκ ηδκ εζζαβςβή ηδξ ζημκ αενζμπμζδηή. Σμ εκενβεζαηυ πενζεπυιεκμ ημο παναβυιεκμο αενίμο ακένπεηαζ πενίπμο ζημ 75% ηδξ πδιζηήξ εκένβεζαξ ηδξ εζζενπυιεκδξ πνμξ αενζμπμίδζδ αζμιάγαξ, ιε ηζξ απχθεζεξ κα μθείθμκηαζ ζηδκ αζζεδηή εενιυηδηα ημο ηεθζημφ αενίμο, ηδ εενιυηδηα πμο απμννμθά δ ηέθνα ηαζ ηζξ ζπεηζηέξ 43

60 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto απχθεζεξ αηηζκμαμθίαξ. Σα οπμθείιιαηα άκεναηα ημο αενζμπμζδηή ιπμνμφκ κα οπμζημφκ πεναζηένς επελενβαζία βζα ηδκ παναβςβή επζπθέμκ αενίμο. Δπίζδξ, αεθηζχζεζξ εκυξ αενζμπμζδηή ζηαεενήξ ηθίκδξ ιπμνμφκ εφημθα κα πναβιαημπμζδεμφκ ιε θεζημονβία ημο ζε δφμ λεπςνζζηά ζηάδζα. ημ πνχημ ζηάδζμ, θαιαάκεζ πχνα πονυθοζδ ηδξ αζμιάγαξ ζε εενιμηναζίεξ ηδξ ηάλδξ ηςκ 600 o C ιε ηδ αμήεεζα εένιακζδξ απυ ελςηενζηή πδβή. Σα παναβυιεκα αένζα αοηήξ ηδξ δζενβαζίαξ ακηζδνμφκ ιε οδναηιυ βζα ηδ δζάζπαζδ ηδξ ζπδιαηζγυιεκδξ πίζζαξ. ημ δεφηενμ ζηάδζμ, ηα αένζα πμο έπμοκ ζπδιαηζζεεί ηαηά ημ πνχημ ζηάδζμ ακηζδνμφκ ιε ημκ παναβυιεκμ άκεναηα βζα ημ ζπδιαηζζιυ ημο ηεθζημφ αενίμο πνμσυκημξ. Μεηά ημκ ηαεανζζιυ ημο παναβυιεκμο αενίμο, δ πμζυηδηά ημο είκαζ πθέμκ ηαηάθθδθδ βζα ηδ πνδζζιμπμίδζή ημο ζε ειαμθμθυνμοξ ηζκδηήνεξ εζςηενζηήξ ηαφζδξ. Πνυζεεηα αενζμπμζδηή Αηιμπαναβςβυξ Βζμιάγα Υμάκδ Νενυ Κμπθζμεζδήξ ηνμθμδυηδξ Θενιακηήναξ Θενιμζημζπείμ Κοηθχκαξ οιποηκςηήξ Φίθηνμ οαθμαάιααηα Πανμπυιεηνμ αενίμο οθθέηηδξ αενίμο Ακηθία ηεκμφ οθθέηηδξ άκεναηα Παβίδα πίζζαξ ρήκα ρεκαηηθή απεηθόληζε αεξηνπνηεηή ζηαζεξήο θιίλεο. ε υ,ηζ αθμνά, ηχνα, ημκ αενζμπμζδηή νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ, ιζα ζπδιαηζηή απεζηυκζζδ ημο μπμίμο δίκεηαζ ζημ πήια 1.16, ημ ζοκδεέζηενμ πνυαθδια πμο πανμοζζάγεηαζ ζε αοηυκ ζπεηίγεηαζ ιε ηζξ επζηαείζεζξ ζημονζάξ ζηδκ εζηία ημο θυβς ημο ορδθμφ πενζεπμιέκμο ηδξ πνχηδξ φθδξ ζε ηέθνα. Σμ πνυαθδια αοηυ βίκεηαζ εκημκυηενμ υηακ δ αζμιάγα πενζέπεζ ορδθά πμζμζηά ζε αθηαθζηά ιέηαθθα, υπςξ ζοιααίκεζ ζηδκ πενίπηςζδ ηςκ θοθθςδχκ θοηζηχκ μνβακζζιχκ. Γεκζηά, ημ παναβυιεκμ αένζμ ημο αενζμπμζδηή νεοζημπμζδιέκδξ ηθίκδξ πενζέπεζ ανηεηέξ αηαεανζίεξ, υπςξ ζηενεά ζςιαηίδζα, πίζζα, εκχζεζξ αγχημο, εκχζεζξ εείμο ηαζ αθηαθζηέξ εκχζεζξ. Η ηεθζηή πνήζδ 44

61 1. Ειζαγωγή ημο παναβυιεκμο αενίμο ηαεμνίγεζ ημκ απαζημφιεκμ ααειυ ηαεανζζιμφ ημο, μ μπμίμξ ιπμνεί κα επζηεοπεεί ιε ημ αένζμ κα είκαζ είηε εενιυ είηε ροπνυ. Σμ πθεμκέηηδια ημο ηαεανζζιμφ εενιμφ αενίμο είκαζ υηζ αοηυ ζοβηναηεί πενζζζυηενδ εκένβεζα. Όιςξ, δ ζπεηζηή δζενβαζία απαζηεί ηδ θφζδ ζδιακηζηχκ ηεπκζηχκ πνμαθδιάηςκ. Ακηίεεηα, δ δζενβαζία ημο ηαεανζζιμφ ροπνμφ αενίμο είκαζ ηεπκζηά απθμφζηενδ. Ωζηυζμ, μζ ζπδιαηζγυιεκεξ ζοιποηκχζεζξ εκδέπεηαζ κα επζθένμοκ πνμαθήιαηα δζάεεζήξ ημοξ, εζδζηά υηακ οπάνπμοκ ζε αοηέξ πνμζιείλεζξ πίζζαξ. Γεζβιαημθδρία αενίμο ηαζ πίζζαξ Βαθαίδα Αενζμπμζδηήξ Σ Σ Πνμξ ηεθζηή πνήζδ Σ,p Σ Κοηθχκαξ Ακηζδναζηήναξ ζηαεενήξ ηθίκδξ Γεζβιαημθδρία αενίμο ηαζ πίζζαξ Σ Θενιακηήναξ Αηιμπαναβςβυξ Σ Υμάκδ p Σ,p οιπζεζηήξ αένα Πανμπυιεηνμ αηιμφ ρήκα Γζακειδηήξ αένα Πανμπυιεηνμ αένα ρεκαηηθή απεηθόληζε αεξηνπνηεηή ξεπζηνπνηεκέλεο θιίλεο Δπίδξαζε ζηε Λεηηνπξγηθή πκπεξηθνξά θαη ηηο Δθπνκπέο Ρύπωλ Κηλεηήξωλ Otto Γζα ηδκ εοπενέζηενδ ηαηακυδζδ ηδξ επίδναζδξ ηςκ δζαθυνςκ αζμηαοζίιςκ ζηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ηαζ ηζξ εηπμιπέξ νφπςκ ηζκδηήνςκ Otto, πανέπεηαζ μ Πίκαηαξ 1.3. ημκ πίκαηα αοηυ, πανμοζζάγμκηαζ μζ πζμ ζδιακηζηέξ ζδζυηδηεξ ηςκ ηαοζίιςκ αοηχκ πμο ζπεηίγμκηαζ ιε ηδ πνήζδ ημοξ ζε ηζκδηήνεξ, ζε ζφβηνζζδ ιε ηζξ ακηίζημζπεξ ηςκ ζοκδεέζηενα πνδζζιμπμζμφιεκςκ ηαοζίιςκ ηζκδηήνςκ Otto, δδθαδή ηδξ αεκγίκδξ ηαζ ημο θοζζημφ αενίμο. Σζξ αζαθζμβναθζηέξ πδβέξ ημο Πίκαηα 1.3 απμηεθμφκ μζ Παναπμιπέξ [8, 24, 54-58]. 45

62 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto Πίλαθαο 1.3. Ιδηόηεηεο δηαθόξωλ θαπζίκωλ θηλεηήξωλ Otto Βεκγίκδ Φοζζηυ αένζμ * Μεεακυθδ Αζεακυθδ Τδνμβυκμ Βζμαένζμ Αένζμ ζφκεεζδξ Υδιζηυξ ηφπμξ (θάζδ) C 4-C 12 οδνμβμκάκεναηεξ (ο) CH 4 (α) CH 3OH (ο) C 2H 5OH (ο) H 2 (α) (α) (α) φζηαζδ (C/H/O) (% η.α.) 86/14/0 75/25/0 37/13/50 52/13/35 0/100/0 26/9/0 14/2/17 Μμνζαηυ αάνμξ (kg/kmol) Ποηκυηδηα ** (kg/m 3 ) διείμ αναζιμφ ( o C ) Λακεάκμοζα εενιυηδηα αηιμπμίδζδξ (kj/kg) Σάζδ αηιχκ (kpa) ημζπεζμιεηνζηυξ θυβμξ αένα-ηαοζίιμο Καηχηενδ εενιμβυκμξ δφκαιδ (MJ/kg) Θενιυηδηα ηαφζδξ ζημζπεζμιεηνζημφ ιείβιαημξ ιε αένα (MJ/kg) Όνζα ακαθθελζιυηδηαξ ζημκ αένα (πηςπυ υνζμ/πθμφζζμ υνζμ) (% ηαη υβημ) /8 5.0/15 6.7/36 3.3/19 4.0/75 7.5/14 7.0/22 Ανζειυξ μηηακίμο (RON/MON) 92 98/ / /92 107/89 >130/> / 102/ Θενιμηναζία αοηακάθθελδξ ( o C ) Δθάπζζηδ εκένβεζα ακάθθελδξ (mj) ηνςηή ηαπφηδηα ηαφζδξ ζημζπεζμιεηνζημφ ιείβιαημξ ιε αένα (m/s) (ο): οβνή θάζδ, (α): αένζα θάζδ. RON: Research Octane Number, MON: Motor Octane Number. * Φοζζηυ αένζμ απμηεθμφιεκμ απμηθεζζηζηά απυ ιεεάκζμ. Βζμαένζμ ηοπζηήξ ζφζηαζδξ. Αένζμ ζφκεεζδξ ηοπζηήξ ζφζηαζδξ. Ακαθμνά ζηα άημια C, H ηαζ O πμο ακήημοκ ζηα ζοζηαηζηά ημο ηαοζίιμο πμο ιπμνμφκ κα ηαμφκ. ** ε 1 atm ηαζ ε 1 atm ηαζ ε 1 bar ηαζ 300 K. o 0 C βζα αένζα ηαφζζια. o 25 C βζα οβνά ηαφζζια, ζε 1 atm ηαζ ημ ζδιείμ αναζιμφ βζα αένζα ηαφζζια. 46

63 1. Ειζαγωγή Όπςξ ακαθένεδηε ζηδκ πνμδβμφιεκδ οπμπανάβναθμ, μζ ζοκεεηζημί οδνμβμκάκεναηεξ πμο παναζηεοάγμκηαζ απυ αζμιάγα ηαζ είκαζ ηαηάθθδθμζ βζα πνήζδ ζε ηζκδηήνεξ Otto απμηεθμφκ ημοξ ηφνζμοξ οδνμβμκάκεναηεξ πμο απανηίγμοκ ηδ ζοιααηζηή αεκγίκδ. Γζα ημ θυβμ αοηυ, δ επίδναζή ημοξ ζηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ηαζ ηζξ εηπμιπέξ νφπςκ ηζκδηήνςκ Otto δεκ πανμοζζάγεηαζ ζηδκ πανμφζα οπμπανάβναθμ Βηνκεζαλόιε Όπςξ απμηαθφπηεηαζ απυ έκα εκδεζηηζηυ δείβια ηδξ ζπεηζηήξ αζαθζμβναθίαξ [59-66], δ ιεεακυθδ πνδζζιμπμζείηαζ ςξ ηαφζζιμ ηζκδηήνςκ Otto ζημκ ημιέα ηςκ ιεηαθμνχκ ηαζ ζοκδεέζηενα ακαιεζβκουιεκδ ιε αεκγίκδ ζε ακαθμβίεξ ηδξ ηάλδξ ημο 30% ηαη υβημ. Γζα κα πνδζζιμπμζδεεί δ ιεεακυθδ ζε ιεβαθφηενα πμζμζηά, απαζημφκηαζ ζοβηεηνζιέκα πνυζεεηα, υπςξ π.π. δ αζεακυθδ, δ μπμία πανμοζζάγεζ ιεβάθδ ακαιεζλζιυηδηα ιε ηδ αεκγίκδ, ιε ζημπυ κα ελαθεζθεεί ημ πνυαθδια ημο δζαπςνζζιμφ θάζεςκ πμο ειθακίγεηαζ θυβς ηδξ παιδθήξ ακαιεζλζιυηδηαξ ιεηαλφ αεκγίκδξ ηαζ ιεεακυθδξ [63, 65]. Σμ πνυαθδια ζπδιαηζζιμφ εκυξ ζηαεενμφ ιείβιαημξ αεκγίκδξ-ιεεακυθδξ ηαείζηαηαζ ιεβαθφηενμ υηακ ζημ ιείβια οπάνπμοκ ιζηνέξ πμζυηδηεξ κενμφ [63, 65]. Σνμθμδυηδζδ ηζκδηήνςκ Otto απμηθεζζηζηά ιε ιεεακυθδ εθανιυγεηαζ ζε ιζηνυηενδ ηθίιαηα (πνυηοπεξ επζδείλεζξ ηζκδηήνςκ). Ο ααζζηυξ θυβμξ βζα ημκ μπμίμ ζοιααίκεζ αοηυ είκαζ ημ πνυαθδια ζπδιαηζζιμφ αηιχκ ιεεακυθδξ ημκηά ζημ ζδιείμ ημο ζπζκεδνζζηή ζηδκ πενίπηςζδ ροπνχκ ζοκεδηχκ θεζημονβίαξ. Ωζηυζμ, αοηυ ημ πνυαθδια ιπμνεί κα ακηζιεηςπζζεεί πνδζζιμπμζχκηαξ είηε εζδζημφ ηφπμο ζπζκεδνζζηέξ είηε επακαηοηθμθμνία εενιχκ ηαοζαενίςκ [62]. ε υ,ηζ έπεζ ζπέζδ ιε ηδκ επίδναζδ ηδξ ιεεακυθδξ ζηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ημο ηζκδηήνα Otto, έπεζ απμδεζπεεί υηζ, ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ ιεεακυθδξ ζημ ιείβια αεκγίκδξ-ιεεακυθδξ, μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα αολάκεηαζ [63-64, 66]. Η αφλδζδ αοηή μθείθεηαζ ζε ιία ζεζνά παναβυκηςκ, υπςξ: ιείςζδ ηδξ δζάνηεζαξ ηδξ ηαφζδξ, ιείςζδ ηςκ εενιμηναζζχκ ημο αενίμο ζε υθδ ηδ δζάνηεζα ημο ηθεζζημφ ηφηθμο θεζημονβίαξ, δ μπμία μδδβεί ζε ιείςζδ ηςκ απςθεζχκ εενιυηδηαξ ηαζ ηαοζαενίςκ, ηαζ, ηέθμξ, αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ ηαφζδξ [64]. Δπζπθέμκ, ελαζηίαξ ημο ορδθυηενμο ανζειμφ μηηακίμο ηδξ ιεεακυθδξ απυ αοηυκ ηδξ αεκγίκδξ, είκαζ δοκαηυκ κα πναβιαημπμζδεεί αφλδζδ ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα πςνίξ θαζκυιεκα ηνμοζηζηήξ ηαφζδξ, ιε απμηέθεζια ηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ [63]. Σμ ίδζμ απμηέθεζια ιπμνεί κα επζηεοπεεί ιε θεζημονβία ημο ηζκδηήνα οπυ πηςπά ιείβιαηα [59, 63], ιε ημ πνυζεεημ πθεμκέηηδια ηδξ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ NO x, CO ηαζ HC [59]. Η ορδθή, άθθςζηε, θακεάκμοζα εενιυηδηα αηιμπμίδζδξ ηδξ ιεεακυθδξ έπεζ ςξ ζοκέπεζα ηδ ιείςζδ ηδξ εενιμηναζίαξ ημο ιείβιαημξ ηαζ, άνα, ηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ πθήνςζδξ ημο ηζκδηήνα, μδδβχκηαξ ζε ακηίζημζπδ αφλδζδ ηδξ παναβυιεκδξ ζζπφμξ [63, 47

64 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto 66], εκχ μ ζοκδοαζιυξ ηδξ ορδθήξ θακεάκμοζαξ εενιυηδηαξ αηιμπμίδζδξ ηαζ ημο ορδθμφ ανζειμφ μηηακίμο ηαεζζηά ηδκ οπενπθήνςζδ ηζκδηήνςκ ιεεακυθδξ ιία πμθφ απμδμηζηή ηαζ αζθαθή ιέεμδμ αφλδζδξ ηδξ ζζπφμξ ημο ηζκδηήνα [59]. Απυ ηδκ άθθδ πθεονά, δ παιδθή ηάζδ αηιχκ ηδξ ιεεακυθδξ πνμηαθεί πνμαθήιαηα ηαηά ηδκ ροπνή εηηίκδζδ ημο ηζκδηήνα [60-61, 63]. Σέθμξ, ζδζαίηενδ πνμζμπή απαζηείηαζ υηακ έκαξ ηζκδηήναξ αεκγίκδξ πνυηεζηαζ κα θεζημονβήζεζ ιε ιεεακυθδ, ηαεχξ μζ δζαανςηζηέξ ζδζυηδηέξ ηδξ εκδέπεηαζ κα πνμηαθέζμοκ ηαηαζηνμθέξ ηςκ εθαζηζηχκ ηιδιάηςκ ηαζ ηςκ δζαθυνςκ ηναιάηςκ αθμοιζκίμο ημο ηζκδηήνα [63, 66]. Απυ ηδκ πθεονά ηςκ εηπμιπχκ νφπςκ, δ πνήζδ ιεεακυθδξ ζε ηζκδηήνεξ Otto έπεζ ςξ ααζζηή ζοκέπεζα ηδ ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ CO ηαζ HC [63-64, 66] ζοβηνζηζηά ιε ηδ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα πνδζζιμπμζχκηαξ αεκγίκδ θυβς ηδξ πναβιαημπμίδζδξ ηεθεζυηενδξ ηαζ πθδνέζηενδξ ηαφζδξ, δ μπμία επζηοβπάκεηαζ ελαζηίαξ ημο ορδθμφ πενζεπμιέκμο ηδξ ιεεακυθδξ ζε μλοβυκμ. Δπίζδξ, μζ εηπμιπέξ NO x ιεζχκμκηαζ ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ ιεεακυθδξ ζημ ιείβια ηδξ ιε ηδ αεκγίκδ, ηαεχξ μζ εενιμηναζίεξ ηαφζδξ ιεζχκμκηαζ [63, 65]. Ωζηυζμ, παναηδνμφκηαζ αολδιέκεξ ζοβηεκηνχζεζξ (ημλζηήξ) θμνιαθδεΰδδξ ζηδκ ελαβςβή ηςκ ηαοζαενίςκ [59, 63, 66], εζδζηά ζηδκ πενίπηςζδ πμο πνδζζιμπμζείηαζ ηαηαθφηδξ. οβηεηνζιέκα, ηαεχξ ημ NO ιεηαηνέπεηαζ ζε δζμλείδζμ ημο αγχημο, δ άηαοζηδ ιεεακυθδ πμο ανίζηεηαζ ζημκ ηαηαθφηδ μλεζδχκεηαζ, εοκμχκηαξ ημ ζπδιαηζζιυ θμνιαθδεΰδδξ [63]. Σμ ζπεηζηυ πδιζηυ θαζκυιεκμ πενζβνάθεηαζ απυ ημ παναηάης ζπήια ακηζδνάζεςκ: NO HO2 NO2 OH CH3OH OH CH2OH H2O CH2OH O2 CHOH HO 2 θμνιαθδεΰδδ (1.4.12) Βηναηζαλόιε φιθςκα ιε ηδ ζπεηζηή αζαθζμβναθία, έκα ακηζπνμζςπεοηζηυ δείβια ηδξ μπμίαξ απμηεθμφκ μζ Παναπμιπέξ [58, 67-73], δ αζεακυθδ πνδζζιμπμζείηαζ ζε ηζκδηήνεξ Otto ζοκήεςξ ακαιεζβκουιεκδ ζε δζάθμνεξ ακαθμβίεξ (έςξ ηαζ 85% ηαη υβημ) ιε αεκγίκδ ηαζ απμηθεζζηζηά βζα ηδκ ηάθορδ ηςκ ακαβηχκ ημο ημιέα ηςκ ιεηαθμνχκ. πακζυηενα, πναβιαημπμζμφκηαζ εθανιμβέξ ζηζξ μπμίεξ ηζκδηήνεξ Otto ηνμθμδμημφκηαζ απμηθεζζηζηά ιε αζεακυθδ. Έπεζ παναηδνδεεί υηζ δ εζδζηή ηαηακάθςζδ ηαοζίιμο αολάκεηαζ ιε ηδκ πνμζεήηδ αζεακυθδξ ζηδ αεκγίκδ [68, 73]. Αοηυ πνμηφπηεζ ηονίςξ ελαζηίαξ ηδξ παιδθυηενδξ 48

65 1. Ειζαγωγή εενιμβυκμο δφκαιδξ ηδξ αζεακυθδξ απυ αοηή ηδξ αεκγίκδξ. Ακηίεεηα, μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα, ζδζαίηενα ζηα ιείβιαηα υπμο δ αζεακυθδ απμηεθεί ημ ηονίανπμ ζοζηαηζηυ, αολάκεηαζ εθαθνχξ [70-72] ή παναιέκεζ πναηηζηά αιεηάαθδημξ [58]. Δλαζηίαξ ημο υηζ δ αζεακυθδ πανμοζζάγεζ ορδθυηενμ ανζειυ μηηακίμο απυ υηζ δ αεκγίκδ ηαζ, ζοκεπχξ, ιζηνυηενδ ηάζδ πνμξ ηνμοζηζηή ηαφζδ, πμθθέξ θμνέξ επζθέβεηαζ κα πναβιαημπμζδεεί αφλδζδ είηε ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα [73] είηε ηδξ πνμπμνείαξ έκαοζδξ [71] ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ αζεακυθδξ, ιε απμηέθεζια ηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα. Ο ορδθυξ ανζειυξ μηηακίμο ηδξ αζεακυθδξ μδδβεί, επίζδξ, ζε ιείςζδ ηδξ ηοηθζηήξ δζαζπμνάξ ηδξ ηαφζδξ [73], ιε απμηέθεζια ηδ αεθηίςζδ ηδξ εοζηάεεζαξ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα. Αφλδζδ ηδξ πνμκζηήξ πενζυδμο ηυζμ βζα ηδκ ακάπηολδ ηδξ θθυβαξ υζμ ηαζ βζα ηδ δζάδμζή ηδξ ζημ εάθαιμ ηαφζδξ έπεζ ακαθενεεί, ζδζαίηενα ζε ορδθά θμνηία θεζημονβίαξ, ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ αζεακυθδξ [72], ςξ απμηέθεζια ηδξ ακηίζημζπδξ ιείςζδξ ηδξ εενιμηναζίαξ ημο ιείβιαημξ ηδ πνμκζηή ζηζβιή ηδξ έκαοζδξ θυβς ηδξ ορδθήξ θακεάκμοζαξ εενιυηδηαξ αηιμπμίδζδξ ηδξ αζεακυθδξ. Αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ ηδξ ηαφζδξ έπεζ, επίζδξ, παναηδνδεεί ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ αζεακυθδξ [68]. Η πνήζδ αζεακυθδξ ιπμνεί κα πνμηαθέζεζ, υιςξ, πνμαθήιαηα αηιμπμίδζδξ ζε ροπνέξ ζοκεήηεξ θεζημονβίαξ θυβς ημο ορδθμφ ζδιείμο αναζιμφ ηδξ [73], εκχ δοζημθίεξ ηαηά ηδκ ροπνή εηηίκδζδ ημο ηζκδηήνα ζοκήεςξ πνμηφπημοκ ελαζηίαξ ηδξ παιδθήξ ηάζδξ αηιχκ πμο πανμοζζάγεζ [73]. Σέθμξ, ελαζηίαξ ημο υηζ ημ εκενβεζαηυ πενζεπυιεκμ ηδξ αζεακυθδξ είκαζ παιδθυηενμ απυ αοηυ ηδξ αεκγίκδξ, ηυζμ ακά kg υζμ ηαζ ακά lt ηαοζίιμο, απαζημφκηαζ ιεβαθφηενεξ μβημιεηνζηέξ πανμπέξ ηαοζίιμο ηαεχξ αολάκεηαζ ημ πμζμζηυ ακηζηαηάζηαζδξ ηδξ αεκγίκδξ ιε αζεακυθδ βζα ηδκ παναβςβή ηδξ ίδζαξ ζζπφμξ ιε ηδκ πενίπηςζδ υπμο πνδζζιμπμζείηαζ απμηθεζζηζηά αεκγίκδ, εεςνχκηαξ υηζ μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα παναιέκεζ πναηηζηά αιεηάαθδημξ [72]. Έηζζ, βζα ηα ιείβιαηα ορδθμφ πμζμζημφ αζεακυθδξ ηαζ εζδζηά ζηδκ πενίπηςζδ πμο δ πνμεημζιαζία ημο ηαοζίιμο ιείβιαημξ θαιαάκεζ πχνα εηηυξ ημο ηοθίκδνμο, απαζημφκηαζ απαναζηήηςξ ηνμπμπμζήζεζξ ζημ ζφζηδια πνμζαβςβήξ ημο ηαοζίιμο. Σμ ζδιακηζηυ πθεμκέηηδια πμο πνμηφπηεζ απυ ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ αζεακυθδξ ζημ ιείβια ηδξ ιε ηδ αεκγίκδ είκαζ δ ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ CO ηαζ HC [67-69, 72-73] ελαζηίαξ ηδξ ηεθεζυηενδξ ηαφζδξ πμο επζθένεζ ημ ορδθυ πενζεπυιεκμ ημο ηαοζίιμο αοημφ ζε μλοβυκμ. ε υ,ηζ έπεζ ζπέζδ ιε ηζξ εηπμιπέξ NO x, μζ πενζζζυηενεξ ιεθέηεξ έπμοκ δείλεζ ιείςζή ημοξ ιε ηδκ αφλδζδ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ηδξ αζεακυθδξ [68, 72-73]. Αοηυ μθείθεηαζ ζε έκα ααειυ ζηδ ιείςζδ ηδξ εενιμηναζίαξ ημο ιείβιαημξ θυβς ηδξ ορδθήξ θακεάκμοζαξ εενιυηδηαξ αηιμπμίδζδξ ηδξ αζεακυθδξ, ζοιαάθθμκηαξ ηαοηυπνμκα ζηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ πθήνςζδξ ημο ηζκδηήνα [73]. Δπίζδξ, πνμξ ηδκ ηαηεφεοκζδ ηδξ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ NO x μδδβεί ηαζ δ ιείςζδ ηδξ αδζαααηζηήξ εενιμηναζίαξ ηαφζδξ 49

66 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto ημο ιείβιαημξ πμο επζηοβπάκεηαζ ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ηδξ αζεακυθδξ. Ωζηυζμ, ακηίεεηα απμηεθέζιαηα εκδέπεηαζ κα πνμηφρμοκ ακάθμβα ιε ηδ ζπεδίαζδ ημο ηζκδηήνα, ηδ ζηναηδβζηή εθέβπμο ημο ηαζ ημκ ηνυπμ ζπδιαηζζιμφ ημο ηαοζίιμο ιείβιαημξ (ζφζηδια άιεζδξ έβποζδξ ηαοζίιμο ή ελαενζςηήξ). ε υ,ηζ έπεζ ζπέζδ ιε ηδκ εηπμιπή ημλζηχκ αενίςκ, έπεζ δζαπζζηςεεί υηζ δ πνήζδ αζεακυθδξ μδδβεί ζε αφλδζδ ηςκ εηπμιπχκ αηεηαθδεΰδδξ [69, 72] ηαζ ιείςζδ ηςκ εηπμιπχκ αεκγεκίμο [69] Βηνϋδξνγόλν Ακαθμνζηά ιε ηδ πνήζδ ημο οδνμβυκμο ζε ηζκδηήνεξ Otto, δζαπζζηχκεηαζ απυ ηδ ζπεηζηή, εηηεκέζηαηδ αζαθζμβναθία, έκα παναηηδνζζηζηυ δείβια ηδξ μπμίαξ απμηεθμφκ μζ Παναπμιπέξ [52, 74-82], υηζ αοηή πενζμνίγεηαζ πνμξ ημ πανυκ ζε ηαεανά πεζναιαηζηυ επίπεδμ ηαζ πνυηοπεξ επζδείλεζξ ηδξ ζπεηζηήξ εθανιμβήξ ζημκ ημιέα ηδξ αοημηίκδζδξ, αθμνχκηαξ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα είηε απμηθεζζηζηά ιε οδνμβυκμ [77, 79, 81-82] είηε ιε ιείβιαηά ημο ιε δζάθμνα είδδ ηαοζίιμο [52, 74-76, 78, 80] (ηονίςξ αένζα ηαφζζια). Αοηυ πνμηφπηεζ ελαζηίαξ ημο υηζ, αηυια ηαζ ζήιενα, δεκ έπμοκ λεπεναζεεί ζοβηεηνζιέκα πνμαθήιαηα, υπςξ: α) δ μζημκμιζηή ηαζ άθεμκδ παναβςβή οδνμβυκμο βζα πνήζδ ημο ζε ηζκδηήνεξ εζςηενζηήξ ηαφζδξ, α) δ οπμδμιή εκυξ ιεβάθδξ έηηαζδξ δζηηφμο βζα ηδκ ηνμθμδυηδζδ μπδιάηςκ ιε οδνμβυκμ, β) δ απμεήηεοζδ επί ημο μπήιαημξ ιίαξ πμζυηδηαξ οδνμβυκμο πμο κα ελαζθαθίγεζ επανηή αοημκμιία ηαζ δ) δ ηαηαζηεοή ηζκδηήνςκ εζςηενζηήξ ηαφζδξ ιε ααειυ απυδμζδξ πμο κα ιπμνεί κα ζοκαβςκζζεεί αοηυκ ηςκ ηορεθχκ ηαοζίιμο. ε υ,ηζ αθμνά, ςζηυζμ, ημ ηεθεοηαίμ πνυαθδια, οπάνπεζ αζζζμδμλία υηζ αοηυ εα ιεηνζαζεεί ηαηά πμθφ ζημκ ιέθθμκ. φιθςκα ιε ζπεηζηέξ ιεθέηεξ [82], ιέπνζ ημ 2045 πνμαθέπεηαζ υηζ ηα οανζδζηά-δθεηηνζηά μπήιαηα ιε ηζκδηήνα εζςηενζηήξ ηαφζδξ οδνμβυκμο εα ηαηακαθχκμοκ ιυκμ 9% πενζζζυηενδ εκένβεζα απυ ηα ακηίζημζπα οανζδζηάδθεηηνζηά ιε ηορέθδ ηαοζίιμο οδνμβυκμο, ςξ απμηέθεζια ηςκ ακαιεκυιεκςκ αεθηζχζεςκ ζηδκ ηεπκμθμβία ηςκ ηζκδηήνςκ εζςηενζηήξ ηαφζδξ οδνμβυκμο. Όηακ έκαξ ηζκδηήναξ Otto θεζημονβεί απμηθεζζηζηά ιε οδνμβυκμ, ζδιακηζηά πθεμκεηηήιαηα πνμηφπημοκ πμο αθμνμφκ ηυζμ ηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ημο υζμ ηαζ ηζξ εηπμιπέξ νφπςκ. Καηανπήκ, ημ βεβμκυξ υηζ ζημ ιυνζμ ημο ηαοζίιμο δεκ οπάνπμοκ άημια άκεναηα μδδβεί ζε ιδδεκζηέξ εηπμιπέξ CO ηαζ HC * [82]. Η ορδθή εενιμηναζία αοηακάθθελδξ ή, ζζμδφκαια, μ ορδθυξ ανζειυξ μηηακίμο ημο οδνμβυκμο επζηνέπεζ ηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα ηαζ, ζοκεπχξ, ηδ αεθηίςζδ ημο ααειμφ απυδμζήξ ημο πςνίξ πνμαθήιαηα ηνμοζηζηήξ ηαφζδξ [77, 79, 82]. Ωζηυζμ, αφλδζδ ημο * ηδκ πνάλδ, δ ηαφζδ ημο θζπακηζημφ εθαίμο εκηυξ ημο εαθάιμο ηαφζδξ πανάβεζ μλείδζα ημο άκεναηα (π.π. CO ) ηαζ HC. Οζ ζοβηεκηνχζεζξ ημοξ υιςξ ανίζημκηαζ ζε ζπεδυκ ιδδεκζηά επίπεδα [77]. 50

67 1. Ειζαγωγή ααειμφ ζοιπίεζδξ πένακ εκυξ μνίμο μδδβεί ζε ζδιακηζηή αφλδζδ ηςκ απςθεζχκ εενιυηδηαξ πνμξ ηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο, ιεζχκμκηαξ ημ ααειυ απυδμζδξ [82]. Ο ζοκδοαζιυξ ημο πμθφ ιεβάθμο εφνμοξ ακαθθελζιυηδηαξ ημο ιείβιαημξ οδνμβυκμο-αένα ηαζ ηςκ πμθφ ορδθχκ ηαποηήηςκ ηαφζδξ ημο επζηνέπεζ ηδκ πμζμηζηή νφειζζδ ημο θμνηίμο ημο ηζκδηήνα ιε ιεηααμθή ημο θυβμο ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο, μδδβχκηαξ ζηδκ απμθοβή ηςκ απςθεζχκ ζηναββαθζζιμφ ηδξ νμήξ ιέζς ηδξ νοειζζηζηήξ δζηθείδαξ ηαζ, ζοκεπχξ, ζηδκ αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα [77, 79, 82]. Δπζπθέμκ, ημ πμζμζηυ δζάθοζδξ (dilution) ημο ιείβιαημξ οδνμβυκμο-αένα, είηε ιε επακαηοηθμθμνμφκηα ηαοζαένζα είηε ιε πενίζζεζα αένα, ιπμνεί κα θηάζεζ έςξ ηαζ ημ 50%, ζε ακηίεεζδ ιε ημ 15-30% ημο ιείβιαημξ αεκγίκδξ-αένα [77], ιε απμηέθεζια ηδ δοκαηυηδηα ζδιακηζηήξ ιείςζδξ ηςκ εηπμιπχκ NO x [77, 82] πςνίξ πνμαθήιαηα εοζηάεεζαξ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα. ε υ,ηζ αθμνά ημοξ εαθάιμοξ ηαφζδξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto οδνμβυκμο, αοημί ζοκήεςξ επζθέβεηαζ κα είκαζ δζζημεζδείξ, πςνίξ δζαιμνθχζεζξ πμο μδδβμφκ ζε αφλδζδ ηδξ ηφναδξ, αθμφ δ ορδθή ηαπφηδηα ηαφζδξ ημο ιείβιαημξ οδνμβυκμο-αένα ανηεί απυ ιυκδ ηδξ βζα ηδκ επίηεολδ ηςκ απαζημφιεκςκ νοειχκ ηαφζδξ [79]. Σεθεοηαία, έπμοκ ακαθενεεί πμθθέξ εθανιμβέξ άιεζδξ έβποζδξ οδνμβυκμο, αθμφ αοηυξ μ ηνυπμξ ζπδιαηζζιμφ ημο ιείβιαημξ μδδβεί, ζε ζπέζδ ιε ηδκ ακάιεζλδ ημο οδνμβυκμο ιε ημκ αένα εηηυξ ημο ηοθίκδνμο, ζε αφλδζδ ημο ααειμφ πθήνςζδξ ημο ηζκδηήνα [77]. Ωζηυζμ, ηαζ ζηδκ πενίπηςζδ ημο ελςηενζημφ ζπδιαηζζιμφ ημο ιείβιαημξ, μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα υηακ αοηυξ θεζημονβεί απμηθεζζηζηά ιε οδνμβυκμ ιπμνεί κα είκαζ αηυια ηαζ δζπθάζζμξ ζε μνζζιέκα ζδιεία θεζημονβίαξ απυ ημκ ακηίζημζπμ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ιε αεκγίκδ [81]. Σα πνμαθήιαηα πμο ζπεηίγμκηαζ ιε ηδκ απμηθεζζηζηή πνήζδ οδνμβυκμο ζε ηζκδηήνεξ Otto εκημπίγμκηαζ ηονίςξ ζε θαζκυιεκα ακςιαθζχκ ηαφζδξ. Λυβς ημο ιεβάθμο εφνμοξ ακαθθελζιυηδηαξ, ηδξ ορδθήξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ηαζ ηδξ πμθφ παιδθήξ εθάπζζηδξ εκένβεζαξ ακάθθελδξ ημο οδνμβυκμο, ειθακίγεηαζ ιεβάθδ πζεακυηδηα πονακάθθελδξ ηαηά ηδ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα [77, 82]. Οζ εενιέξ επζηαείζεζξ ζηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο ηαζ, μνζζιέκεξ θμνέξ, ζημκ μπεηυ εζζαβςβήξ ιπμνμφκ κα δνάζμοκ ςξ ζδιεία ακάθθελδξ ημο ιείβιαημξ πνζκ ηδκ ηακμκζηή έκαοζή ημο απυ ημ ζπζκεδνζζηή. Ωζηυζμ, ημ πνυαθδια αοηυ ακηζιεηςπίγεηαζ ζε ιεβάθμ ααειυ ιε ηδκ άιεζδ έβποζδ ημο οδνμβυκμο εκηυξ ημο ηοθίκδνμο [77, 82]. Ακ ηαζ δ θεζημονβία ηζκδηήνςκ Otto απμηθεζζηζηά ιε οδνμβυκμ πανμοζζάγεζ ιεβάθμ εκδζαθένμκ, δ πθεζμκυηδηα ηςκ ζπεηζηχκ ενεοκδηζηχκ ενβαζζχκ έπεζ εζηζάζεζ πενζζζυηενμ ζηδκ πνμζεήηδ ιζηνχκ ακαθμβζηά πμζμηήηςκ (έςξ ηαζ 30-40% ηαη υβημ) οδνμβυκμο ζε αένζα ηαφζζια, υπςξ π.π. ημ θοζζηυ αένζμ [74-76, 80] ηαζ ημ αζμαένζμ [52, 78]. Μία ηέημζα επζθμβή ιεηνζάγεζ ηα πνμαθήιαηα πμο ζπεηίγμκηαζ ιε ηδκ απμηθεζζηζηή πνήζδ οδνμβυκμο ζε 51

68 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto ηζκδηήνεξ Otto, εκχ ηαοηυπνμκα αλζμπμζεί ηα εοενβεηζηά παναηηδνζζηζηά ηαφζδξ αοημφ ημο ηαοζίιμο. Έπεζ παναηδνδεεί υηζ, ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο οδνμβυκμο, μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα αολάκεηαζ [74-76], ιε ηδκ αφλδζδ αοηή κα είκαζ πενζζζυηενμ έκημκδ ζηα πηςπά ιείβιαηα ηαζ ηα παιδθά ιε εκδζάιεζα πμζμζηά (10-15% ηαη υβημ) οδνμβυκμο [52, 76, 78]. Σδκ ίδζα ζηζβιή, δ εζδζηή ηαηακάθςζδ ηαοζίιμο πανμοζζάγεζ ιείςζδ [76], εκχ δ παναβυιεκδ ζζπφξ αολάκεηαζ εθαθνχξ [52, 74], ζδίςξ ζηα πηςπά ιείβιαηα. Δλαζηίαξ ηδξ αφλδζδξ ημο νοειμφ ηαφζδξ ιε ηδκ πνμζεήηδ οδνμβυκμο, θυβς ηδξ ορδθήξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ημο ιείβιαηυξ ημο ιε ημκ αένα, πανέπεηαζ δ δοκαηυηδηα ηαεοζηένδζδξ ηδξ πνμπμνείαξ έκαοζδξ, ιε απμηέθεζια ηδ ιείςζδ ηςκ απςθεζχκ εενιυηδηαξ πνμξ ηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ, δ μπμία μδδβεί ηεθζηά ζε αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα [75]. ηζξ πενζπηχζεζξ υπμο πνδζζιμπμζμφκηαζ ορδθά πμζμζηά επακαηοηθμθμνίαξ ηαοζαενίςκ, βζα έθεβπμ ηςκ εηπμιπχκ NO x, δ πνμζεήηδ οδνμβυκμο ιπμνεί κα αολήζεζ ηυζμ ημ ααειυ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα υζμ ηαζ ηδκ παναβυιεκδ ζζπφ ημο [80]. Η αφλδζδ ηδξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ημο ιείβιαημξ ιε ηδκ πνμζεήηδ οδνμβυκμο μδδβεί ζε επζηάποκζδ ηδξ ανπζηήξ ακάπηολδξ ηδξ θθυβαξ, αεθηζχκμκηαξ ηδκ εοζηάεεζα ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα εζδζηά ζηα πηςπά ιείβιαηα [75, 78]. Δπζπνυζεεηα, έπεζ παναηδνδεεί ιείςζδ ηδξ ζοκμθζηήξ δζάνηεζαξ ηδξ ηαφζδξ, ηαεχξ ηαζ αφλδζδ ημο ααειμφ απυδμζήξ ηδξ [52, 75]. ε υ,ηζ αθμνά ηζξ εηπμιπέξ νφπςκ, έπεζ ανεεεί υηζ δ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο οδνμβυκμο έπεζ ςξ απμηέθεζια ηδκ επέηηαζδ ημο πηςπμφ μνίμο ακαθθελζιυηδηαξ, ιε ζοκέπεζα ηδ ζδιακηζηή ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ NO x θυβς ακηίζημζπδξ ιείςζδξ ηςκ εενιμηναζζχκ ηαφζδξ [74-75, 78]. Όηακ μ ηζκδηήναξ θεζημονβεί ιε θυβμοξ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο πμο ανίζημκηαζ ιαηνζά απυ ηδκ πενζμπή ηδξ αζημπίαξ έκαοζδξ, δ πνμζεήηδ οδνμβυκμο μδδβεί ζε ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ HC, αθμφ ιε ημκ ηνυπμ αοηυ ιεζχκεηαζ δ εθάπζζηδ απυζηαζδ ζαέζδξ (minimum quench distance) ηδξ θθυβαξ ηαζ, ζοκεπχξ, ιπμνεί κα οπάνλεζ δζάδμζδ ηδξ θθυβαξ πθδζζέζηενα ηςκ ημζπςιάηςκ ημο εαθάιμο ηαφζδξ [74-76, 78]. ε ζηαεενυ θυβμ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο ιαηνζά απυ ημ πηςπυ υνζμ ακαθθελζιυηδηαξ, δ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο οδνμβυκμο έπεζ ςξ απμηέθεζια ηδκ αφλδζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ NO x θυβς αφλδζδξ ηςκ εενιμηναζζχκ ηαφζδξ [74, 76, 78]. Ωζηυζμ, δ εθανιμβή επακαηοηθμθμνίαξ ηαοζαενίςκ ιπμνεί κα μδδβήζεζ ζε πμθφ παιδθέξ εηπμιπέξ NO x, ζδζαίηενα ζηζξ ορδθέξ ζοβηεκηνχζεζξ οδνμβυκμο [80], ιε ημ ιεζμκέηηδια αέααζα ηδξ ιείςζδξ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο ζηα ορδθά πμζμζηά επακαηοηθμθμνίαξ. Σμ ίδζμ απμηέθεζια (ιείςζδ εηπμιπχκ NO x ) ιπμνεί κα επζηεοπεεί ηαζ ιε ηδ πνήζδ ηαηαθοηχκ [74, 76]. Οζ εηπμιπέξ CO δεκ απμηεθμφκ ζε βεκζηέξ βναιιέξ πνυαθδια, ηαεχξ αοηέξ είκαζ 52

69 1. Ειζαγωγή πμθφ παιδθέξ ζηα πηςπά ιείβιαηα, εκχ πανμοζζάγμοκ ιείςζδ ιε ηδκ πνμζεήηδ οδνμβυκμο ζηα πθμφζζα ιείβιαηα [76, 78]. Καηά ηακυκα, δ θεζημονβία ηςκ ηζκδηήνςκ Otto ιε πηςπά ιείβιαηα ζοκμδεφεηαζ απυ ορδθέξ εηπμιπέξ HC ηαζ παιδθέξ εηπμιπέξ NO x. Η πνμζεήηδ οδνμβυκμο ιεηνζάγεζ αοηή ηδκ ακηίεεηδ ελάνηδζδ ηςκ δφμ πνμδβμφιεκςκ νφπςκ απυ ημ θυβμ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο, αθμφ μδδβεί ζε δναζηζηή ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ HC ζηα πηςπά ιείβιαηα [74-75] Βηναέξην Όπςξ πνμηφπηεζ απυ ηδ ζπεηζηή αζαθζμβναθία [47-48, 57, 83-96], ημ αζμαένζμ πνδζζιμπμζείηαζ ηαηά ηακυκα βζα ηδκ παναβςβή δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ ζε εβηαηαζηάζεζξ μζ μπμίεξ ηαηαζηεοάγμκηαζ ζημκ ηυπμ παναβςβήξ ημο αζμαενίμο. Όπςξ πνμακαθένεδηε ζηδκ Τπμπανάβναθμ , ηα ηφνζα ζοζηαηζηά ημο αζμαενίμο είκαζ ημ ιεεάκζμ ηαζ ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα. Δπμιέκςξ, δ θεζημονβζηή ηαζ πενζααθθμκηζηή ζοιπενζθμνά ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πμο ηνμθμδμημφκηαζ ιε αζμαένζμ ελανηάηαζ απυ ηδ ζπεηζηή ακαθμβία αοηχκ ηςκ δφμ ζοζηαηζηχκ. Απυ ηα οπυθμζπα ζοζηαηζηά πμο εκδέπεηαζ κα πενζέπμκηαζ ζημ αζμαένζμ, ημ οδνυεεζμ ηαζ μζ εκχζεζξ αθμβυκμο (θεμνίμο, πθςνίμο) ηαζ πονζηίμο ηαεμνίγμοκ ζε ζδιακηζηυ ααειυ ημ πνυκμ γςήξ ημο ηζκδηήνα (engine life). Η αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ, πςνίξ μπμζαδήπμηε ιεηααμθή ηςκ θεζημονβζηχκ ηαζ ζπεδζαζηζηχκ παναιέηνςκ ημο ηζκδηήνα, έπεζ ςξ ζοκέπεζα ηδ ιείςζδ ηδξ παναβυιεκδξ ζζπφμξ ημο ηζκδηήνα ελαζηίαξ ηδξ ιείςζδξ ηδξ εενιμβυκμο δφκαιδξ ημο ηαοζίιμο [47, 57, 83-87, 92-93]. Σαοηυπνμκα, επένπεηαζ ιείςζδ ημο ααειμφ απυδμζδξ (αφλδζδ ηδξ εζδζηήξ ηαηακάθςζδξ ηαοζίιμο) ημο ηζκδηήνα. Ακαθμνζηά ιε ηα παναηηδνζζηζηά ηδξ ηαφζδξ, έπεζ παναηδνδεεί επζανάδοκζδ ηυζμ ημο ζηαδίμο ηδξ ανπζηήξ ακάπηολδξ ηδξ θθυβαξ υζμ ηαζ ημο ζηαδίμο ηδξ δζάδμζήξ ηδξ ιε ηδκ αφλδζδ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ [47, 57, 84-85, 87-88, 92, 94]. Η επζανάδοκζδ ηδξ ηαφζδξ μθείθεηαζ ζε ιεβάθμ ααειυ ζηδ ιείςζδ ηδξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ημο ιείβιαημξ θυβς ημο αολδιέκμο πμζμζημφ ημο (αδνακμφξ) δζμλεζδίμο ημο άκεναηα [47, 57], ιε ηδκ ηεθεοηαία κα είκαζ απμηέθεζια ηδξ ιείςζδξ ηδξ αδζαααηζηήξ εενιμηναζίαξ ηαφζδξ ηαζ ηςκ νοειχκ ακηίδναζδξ ημο ιδπακζζιμφ μλείδςζδξ ημο ιεεακίμο ιε ηδκ πανμοζία ορδθχκ ζοβηεκηνχζεςκ δζμλεζδίμο ημο άκεναηα [47, 87]. Η εενιμηναζία ηδξ θθυβαξ ημο αζμαενίμο ιεζχκεηαζ ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ελαζηίαξ δφμ θυβςκ [47, 87]. Καη ανπήκ, θυβς ηδξ ορδθήξ εζδζηήξ εενιμπςνδηζηυηδηαξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζηζξ ορδθέξ εενιμηναζίεξ, αοηυ απμννμθά μθμέκα ηαζ ιεβαθφηενμ πμζμζηυ ηδξ εηθουιεκδξ ηαηά ηδκ ηαφζδ πδιζηήξ εκένβεζαξ ημο ηαοζίιμο ηαεχξ δ εενιμηναζία αολάκεηαζ. Δπζπθέμκ, ημ δζμλείδζμ ημο άκεναηα οθίζηαηαζ πδιζηή δζάζηαζδ ζηζξ ορδθέξ εενιμηναζίεξ ηδξ ηαφζδξ, ιε ηζξ ζπεηζηέξ 53

70 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto ακηζδνάζεζξ δζάζηαζδξ κα είκαζ έκημκα εκδυεενιεξ. Η ακάθοζδ πεζναιαηζηά ιεηνδιέκςκ δζαβναιιάηςκ πίεζδξ ηοθίκδνμο έπεζ, επζπνυζεεηα, απμηαθφρεζ ιείςζδ ηδξ ηοναχδμοξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ [86, 88] ςξ ζοκέπεζα ηυζμ ηδξ ιείςζδξ ηδξ ζηνςηήξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ημο ιείβιαημξ υζμ ηαζ ηδξ ζπεηζηήξ ελαζεέκδζδξ ηςκ ιδπακζζιχκ ιεηαθμνάξ ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ ηαφζδξ [47]. Σδκ ίδζα ζηζβιή, δ ηοηθζηή δζαζπμνά ηδξ ηαφζδξ αολάκεηαζ [57, 93-94], ζδίςξ ζηα υνζα ακαθθελζιυηδηαξ, θυβς ηδξ ανβήξ ηαφζδξ, εκχ ημ ίδζμ ημ εφνμξ ακαθθελζιυηδηαξ ιεζχκεηαζ [57, 87, 93]. Πνμηεζιέκμο κα αολδεεί μ ααειυξ απυδμζδξ ηαζ δ παναβυιεκδ ζζπφξ ημο ηζκδηήνα Otto υηακ αοηυξ ηνμθμδμηείηαζ ιε ημ παιδθήξ εενιμβυκμο δφκαιδξ αζμαένζμ, ζοκήεςξ πναβιαημπμζείηαζ αφλδζδ ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα ηαζ ηδξ πνμπμνείαξ έκαοζδξ [47-48, 57, 84-88, 92, 94]. Σα πενζεχνζα αφλδζδξ αοηχκ ηςκ δφμ παναιέηνςκ είκαζ ιεβάθα, ηαεχξ ημ αζμαένζμ πανμοζζάγεζ ορδθή ακημπή ζε ηνμοζηζηή ηαφζδ θυβς ηδξ φπανλδξ ημο ίδζμο ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα [95-96]. Πανά ημ υηζ δ ηοναχδδξ ηαπφηδηα ηαφζδξ ιεζχκεηαζ ιε ηδκ αφλδζδ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ηαζ, ζοκεπχξ, οπάνπεζ πενζζζυηενμξ δζαεέζζιμξ πνυκμξ βζα κα ζοιαεί αοηακάθθελδ ημο άηαοζημο αενίμο ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ δζάδμζδξ ηδξ θθυβαξ, δ εενιμηναζία ημο άηαοζημο αενίμο ιεζχκεηαζ θυβς ηδξ πανμοζίαξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα, ηαηαζηέθθμκηαξ ηεθζηά ηζξ ακηζδνάζεζξ πμο μδδβμφκ ζε θαζκυιεκα ηνμοζηζηήξ ηαφζδξ [47]. Μία ηεπκζηή βζα ηδκ αφλδζδ ηδξ ζζπφμξ ηαζ ημο ααειμφ απυδμζδξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto αζμαενίμο απμηεθεί, επίζδξ, δ εθανιμβή πηςπήξ ηαφζδξ [84-85], δ μπμία πθεμκεηηεί απυ ηδκ άπμρδ ηδξ θεζημονβζηήξ ζοιπενζθμνάξ ημο ηζκδηήνα έκακηζ ηδξ ζημζπεζμιεηνζηήξ θεζημονβίαξ ημο ιε επακαηοηθμθμνία ηαοζαενίςκ ηαζ ηνζμδζηυ ηαηαθφηδ, πμο απμηεθεί ηδκ εκαθθαηηζηή θφζδ βζα ηδ ιείςζδ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ. Δπζπθέμκ, έπεζ δζαπζζηςεεί υηζ δ πνήζδ εκζαίςκ εαθάιςκ ηαφζδξ ιε δζαιυνθςζδ ημζθυηδηαξ ζημ έιαμθμ μδδβεί ζε ηαπεία ηαφζδ, επζηνέπμκηαξ ηδκ πναβιαημπμίδζδ ηδξ πνμδβμοιέκςξ ακαθενεείζαξ πηςπήξ ηαφζδξ πςνίξ πνμαθήιαηα [84-85]. Με ημκ ηνυπμ αοηυ, απμθεφβεηαζ δ πνδζζιμπμίδζδ ηςκ πνμαθδιαηζηχκ * δζιενχκ εαθάιςκ ηαφζδξ ιε ζφζηδια πνμεαθάιμο, μζ μπμίμζ απμηεθμφκ ηδκ εκαθθαηηζηή επζθμβή βζα ηδκ πναβιαημπμίδζδ ηδξ πηςπήξ ηαφζδξ. * Οζ δζιενείξ εάθαιμζ ηαφζδξ ιε ζφζηδια πνμεαθάιμο απαζημφκ ζδζαζηένςξ επαηνζαή έθεβπμ ηδξ θεζημονβίαξ ημοξ ηυζμ ηαηά ηδκ εηηίκδζδ ημο ηζκδηήνα υζμ ηαζ ηαηά ηδ ιεηαααηζηή ηαηάζηαζδ ηδξ θεζημονβίαξ ημο υηακ ημ θμνηίμ ημο ηζκδηήνα αολάκεηαζ [85]. Δπίζδξ, πνμαθήιαηα πανμοζζάγμκηαζ υηακ μ ηζκδηήναξ ηαθείηαζ κα θεζημονβήζεζ ζε έκα ιεβάθμ εφνμξ ηαποηήηςκ πενζζηνμθήξ ηαζ θμνηίςκ. Σέθμξ, μζ μπέξ ημο αηνμθοζίμο επζημζκςκίαξ πνμεαθάιμο-ηονίςξ εαθάιμο ιπμνεί κα οπμζημφκ δζάανςζδ, ηαεζζηχκηαξ ηδ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα πνμαθδιαηζηή. 54

71 1. Ειζαγωγή Έκα ζδζαίηενμ πνυαθδια πμο απακηάηαζ ζοκήεςξ ηαηά ηδ θεζημονβία ηςκ ηζκδηήνςκ Otto ζημοξ μπμίμοξ δ ακάιεζλδ ημο αζμαενίμο ιε ημκ αένα θαιαάκεζ πχνα ελςηενζηά ημο ηοθίκδνμο ζε εζδζηή ζοζηεοή ακάιεζλδξ αενίςκ είκαζ δ ιεηααμθή ηδξ ζφζηαζδξ ημο αζμαενίμο [85, 90]. Δάκ, θμζπυκ, δ ζοβηέκηνςζδ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ αολδεεί, μ θυβμξ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο ημο ιείβιαημξ πμο πνμεημζιάγεηαζ ζε αοηέξ ηζξ ζοζηεοέξ ακάιεζλδξ ιεζχκεηαζ βζα δφμ θυβμοξ. Καη ανπήκ, ιεζχκεηαζ μ ζημζπεζμιεηνζηυξ ιμνζαηυξ θυβμξ αένα-ηαοζίιμο (ανζειδηήξ ημο θυβμο ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο). Δπζπθέμκ, ιεζχκεηαζ δ μβημιεηνζηή πανμπή ηαοζίιμο, θυβς ηδξ ιεβαθφηενδξ ποηκυηδηαξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα απυ αοηή ημο ιεεακίμο, μδδβχκηαξ ζε αφλδζδ ημο ιμνζαημφ θυβμο αένα-ηαοζίιμο (πανακμιαζηήξ ημο θυβμο ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο). Γζα ημ θυβμ αοηυ, απαζηείηαζ έκα ζφζηδια εθέβπμο ημο ιείβιαημξ πμο εζζένπεηαζ ζημκ ηζκδηήνα. Απυ ηδκ πθεονά ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ, ημ ααζζηυ πθεμκέηηδια πμο πνμηφπηεζ απυ ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ είκαζ δ ιείςζδ ημο ζπδιαηζζιμφ NO x θυβς εθάηηςζδξ ηςκ εενιμηναζζχκ ηαφζδξ [47, 57, 83, 92-93]. Σμ αδνακέξ δζμλείδζμ ημο άκεναηα πανμοζζάγεζ ορδθή εζδζηή εενιμπςνδηζηυηδηα, ιε απμηέθεζια κα απμννμθά ιεβάθα πμζά εενιυηδηαξ, ιεζχκμκηαξ ιε ημκ ηνυπμ αοηυ ηδ ιέβζζηδ εενιμηναζία ημο ηαιέκμο αενίμο. ε υ,ηζ αθμνά ηζξ εηπμιπέξ CO, αοηέξ είκαζ πάκηα παιδθέξ ζηα πηςπά ιείβιαηα, ακελανηήηςξ ηδξ ζφζηαζδξ ημο αζμαενίμο [47, 57, 84-85, 92-93]. Ωζηυζμ, ηαεχξ ημ ιείβια βίκεηαζ πθμφζζμ, μ ζπδιαηζζιυξ ημο CO αολάκεηαζ ιε ηδκ αφλδζδ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ ελαζηίαξ ηδξ αηεθμφξ ηαφζδξ ημο ιεεακίμο, εθυζμκ ηυηε ημ δζαηζεέιεκμ μλοβυκμ βζα ηδκ πθήνδ ηαφζδ ημο ιεεακίμο ιεζχκεηαζ [47, 92-93] ηαζ μζ εενιμηναζίεξ ημο ηαιέκμο αενίμο εθαηηχκμκηαζ [47, 93]. Η δζάζηαζδ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα πνμξ CO εκηυξ ημο ηαιέκμο αενίμο δε εεςνείηαζ υηζ ζοιαάθεζ ζηδκ αφλδζδ ηςκ εηπμιπχκ CO ιε ηδκ αφλδζδ ηδξ ζοβηέκηνςζδξ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα ζημ αζμαένζμ [47, 93]. Σέθμξ, μζ εηπμιπέξ HC πανμοζζάγμοκ αφλδζδ ιε ηδκ αφλδζδ ημο πμζμζημφ ημο δζμλεζδίμο ημο άκεναηα θυβς αηεθμφξ ηαφζδξ [47, 57, 83-85, 92-93], ηαεχξ ηυζμ δ εενιμηναζία ημο αενίμο ημο ηοθίκδνμο υζμ ηαζ δ ζοβηέκηνςζδ ημο μλοβυκμο ιεζχκμκηαζ. Σα αθααενά ζοζηαηζηά πμο εκδέπεηαζ κα πενζέπμκηαζ ζημ αζμαένζμ ιπμνμφκ κα ιεζχζμοκ ζδιακηζηά ημ πνυκμ γςήξ εκυξ ηζκδηήνα Otto. οβηεηνζιέκα, υηακ ημ οδνυεεζμ [89, 91] ηαζ ημ οδνμπθχνζμ ηαζ οδνμθευνζμ [91] ιμθφκμοκ ημ θζπακηζηυ έθαζμ, μζ δζαανςηζηέξ ζηακυηδηέξ ημοξ ιπμνμφκ κα πνμηαθέζμοκ ηαηαζηνμθή ηςκ εθαηδνίςκ ημο ειαυθμο, ηςκ μδδβχκ ηςκ ααθαίδςκ ηαζ ηςκ εδνάκςκ. Δπίζδξ, μζ εκχζεζξ πονζηίμο δδιζμονβμφκ επζηαείζεζξ πονζηίμο ζηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ, μζ μπμίεξ ιπμνμφκ κα ηαηαζηνέρμοκ δζάθμνα ιένδ ημο ηζκδηήνα [91]. 55

72 1.4 Κσριόηερα Βιοκαύζιμα Κινηηήρων Otto Πηγές Προέλεσζης, Μέθοδοι Παραγωγής και Επίδραζη ζηη Λειηοσργική σμπεριθορά και ηις Εκπομπές Ρύπων Κινηηήρων Otto Αέξην ύλζεζεο Σμ αένζμ ζφκεεζδξ πνδζζιμπμζείηαζ ςξ ηαφζζιμ ηζκδηήνςκ Otto απμηθεζζηζηά βζα ηδκ παναβςβή δθεηηνζηήξ εκένβεζαξ, υπςξ πνμηφπηεζ απυ ηδ ζπεηζηή αζαθζμβναθία, έκα δείβια ηδξ μπμίαξ απμηεθμφκ μζ Παναπμιπέξ [96-100]. Η ζπεηζηή εβηαηάζηαζδ πενζθαιαάκεζ ανπζηά έκακ αενζμπμζδηή αζμιάγαξ βζα ηδκ παναβςβή ημο αενίμο, έκα ζφζηδια ρφλδξ ηαζ ηαεανζζιμφ ημο αενίμο ηαζ, ηεθζηά, ημκ ηζκδηήνα Otto, μ μπμίμξ ηνμθμδμηείηαζ απμηθεζζηζηά ιε ημ παναβυιεκμ αένζμ ζφκεεζδξ. ε ακηίεεζδ ιε ηα οπυθμζπα αζμηαφζζια, δ επίδναζδ ημο αενίμο ζφκεεζδξ ζηδ θεζημονβζηή ηαζ πενζααθθμκηζηή ζοιπενζθμνά ηζκδηήνςκ Otto έπεζ δζενεοκδεεί ζε πμθφ ιζηνυ ααειυ, ελαζηίαξ ηδξ ιέπνζ πνυηζκμξ έθθεζρδξ εκυξ αλζυπζζημο ζοζηήιαημξ αενζμπμίδζδξ βζα ηδκ παναβςβή εκυξ αενίμο ηαηάθθδθδξ πμζυηδηαξ πμο εα ιπμνμφζε κα πνδζζιμπμζδεεί ςξ ηαφζζιμ ζε ηζκδηήνεξ Otto. Ωζηυζμ, ιε ηδκ ςνίιακζδ ηδξ ηεπκμθμβίαξ ηδξ αενζμπμίδζδξ αζμιάγαξ, μζ ενεοκδηζηέξ πνμζπάεεζεξ βζα ηδ δζενεφκδζδ ηδξ ζοιπενζθμνάξ ηςκ ηζκδηήνςκ Otto πμο θεζημονβμφκ απμηθεζζηζηά ιε αένζμ ζφκεεζδξ άνπζζακ κα αολάκμκηαζ. Παναηάης, πανμοζζάγμκηαζ ιειμκςιέκα ιενζηέξ απυ αοηέξ ηζξ πεζναιαηζηέξ ενβαζίεξ. Οζ Shashikantha et al. [97] οπήνλακ απυ ημοξ πνχημοξ ενεοκδηέξ μζ μπμίμζ ιεηέηνερακ έκακ ηζκδηήνα Diesel άιεζδξ έβποζδξ ιε ζημπυ κα θεζημονβήζεζ ςξ Otto πνδζζιμπμζχκηαξ αένζμ ζφκεεζδξ απυ αενζμπμίδζδ αζμιάγαξ. Η ιεηαηνμπή πενζεθάιαακε ηδ ιεηααμθή ηδξ ιμνθήξ ημο εαθάιμο ηαφζδξ ιε ηέημζμ ηνυπμ χζηε κα αολδεμφκ ηα επίπεδα ηδξ ηφναδξ, ηδ ιείςζδ ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ, ηδκ ακηζηαηάζηαζδ ηςκ εβποηήνςκ ημο ηαοζίιμο κηίγεθ ιε ζπζκεδνζζηέξ, ηδ πνδζζιμπμίδζδ εκυξ ζοζηήιαημξ έκαοζδξ ηαζ, ηέθμξ, ηδκ ημπμεέηδζδ ζηδκ εζζαβςβή ημο ηζκδηήνα ιίαξ ζοζηεοήξ ακάιεζλδξ ημο εζζενπυιεκμο αένα ιε ημ αένζμ ζφκεεζδξ. Απυ ιεηνήζεζξ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα ςξ Otto, πνμέηορε ιείςζδ ηδξ ιέβζζηδξ παναβυιεκδξ ζζπφμξ ημο, ζε ζπέζδ ιε ηδ θεζημονβία ημο ςξ Diesel, ηδξ ηάλδξ ημο 12%. ε ιία πανυιμζα πνμζπάεεζα, μζ Tewari et al. [98] δζελήβαβακ πεζναιαηζηέξ ιεηνήζεζξ ηδξ θεζημονβζηήξ ζοιπενζθμνάξ ηαζ ηςκ εηπειπυιεκςκ νφπςκ εκυξ ηζκδηήνα Otto, μ μπμίμξ είπε ιεηαζηεοαζεεί απυ έκακ ηζκδηήνα Diesel, πνδζζιμπμζχκηαξ ςξ ηαφζζιμ ανπζηά αεκγίκδ ηαζ ζηδ ζοκέπεζα αένζμ ζφκεεζδξ. ε ζπέζδ ιε ηδκ πενίπηςζδ θεζημονβίαξ ιε αεκγίκδ, δ πνμπμνεία έκαοζδξ ηαζ μ ααειυξ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα αολήεδηακ υηακ πνδζζιμπμζήεδηε ςξ ηαφζζιμ ημ αένζμ ζφκεεζδξ, ιε ζημπυ κα ακηζζηαειζζεεί δ ιείςζδ ηδξ ζζπφμξ ημο ηζκδηήνα θυβς ακηίζημζπδξ ιείςζδξ ηυζμ ηδξ εενιμβυκμο δφκαιδξ ημο ηαοζίιμο υζμ ηαζ ημο ααειμφ πθήνςζδξ ημο ηζκδηήνα, εθυζμκ δ ποηκυηδηα ημο αενίμο ζφκεεζδξ είκαζ ζαθχξ ιεβαθφηενδ απυ αοηή ηδξ αεκγίκδξ. οβηνζηζηά ιε ηδ θεζημονβία ημο ηζκδηήνα ςξ Diesel, δ ζζπφξ ημο ηζκδηήνα ιεζχεδηε ηαηά 20% ηαζ 40% υηακ δ αεκγίκδ ηαζ ημ αένζμ ζφκεεζδξ, ακηίζημζπα, πνδζζιμπμζήεδηακ ςξ ηαφζζια. Ο ααειυξ απυδμζδξ ημο 56

73 1. Ειζαγωγή ηζκδηήνα ηοιάκεδηε απυ 24 έςξ 28% βζα θεζημονβία ιε αεκγίκδ ηαζ 18 έςξ 22% βζα θεζημονβία ιε αένζμ ζφκεεζδξ. Γζαπζζηχεδηε, επίζδξ, υηζ δ παναβυιεκδ ζζπφξ ημο ηζκδηήνα πανμοζζάγεζ ιεβάθδ εοαζζεδζία απυ ημ θυβμ αένα-ηαοζίιμο ζηδκ πενίπηςζδ θεζημονβίαξ ιε αένζμ ζφκεεζδξ. Δπμιέκςξ, δ επίηεολδ ιέβζζηδξ ζζπφμξ απαζηεί ηδκ ηνμθμδυηδζδ ημο ηζκδηήνα ιε ζημζπεζμιεηνζηά ιείβιαηα ζε υθα ηα ζδιεία θεζημονβίαξ ημο. ε υ,ηζ αθμνά ηζξ εηπμιπέξ CO, ανέεδηε υηζ αοηέξ είκαζ ορδθυηενεξ υηακ μ ηζκδηήναξ θεζημονβεί ιε αένζμ ζφκεεζδξ θυβς ηδξ πανμοζίαξ ημο CO ζημ ίδζμ ημ ηαφζζιμ. Σέθμξ, παναηδνήεδηε υηζ μζ εηπμιπέξ HC είκαζ παιδθυηενεξ βζα θεζημονβία ημο ηζκδηήνα ιε αένζμ ζφκεεζδξ, εθυζμκ ζηδκ πενίπηςζδ αοηή ημ ίδζμ ημ ηαφζζιμ πενζέπεζ αιεθδηέα πμζμζηά HC ιεηά ημκ ηαεανζζιυ ημο. ηα ίδζα πθαίζζα, μζ Sridhar et al. [99] ιεηέηνερακ έκακ ηζκδηήνα Diesel άιεζδξ έβποζδξ ζε ηζκδηήνα Otto, πςνίξ ηνμπμπμίδζδ ημο εαθάιμο ηαφζδξ, ιε ζημπυ κα θεζημονβήζεζ ιε αένζμ ζφκεεζδξ. Η θεζημονβία ημο ηζκδηήνα δμηζιάζεδηε ζε έκα ιεβάθμ εφνμξ ααειχκ ζοιπίεζδξ, ιε άκς υνζμ ημκ ανπζηυ, ορδθυ (17:1) ααειυ ζοιπίεζδξ ημο ηζκδηήνα υηακ αοηυξ θεζημονβμφζε ςξ Diesel. Γζαπζζηχεδηε μιαθή θεζημονβία ημο ηζκδηήνα αηυια ηαζ ζημ ιέβζζημ ααειυ ζοιπίεζδξ, πςνίξ ηδκ ειθάκζζδ αοηακάθθελδξ ημο άηαοζημο αενίμο ηαηά ηδ δζάνηεζα ηδξ δζάδμζδξ ηδξ θθυβαξ ζημ εάθαιμ ηαφζδξ, ελαζηίαξ ηδξ ορδθήξ ακημπήξ ημο αενίμο ζφκεεζδξ ζε θαζκυιεκα ηνμοζηζηήξ ηαφζδξ [96]. Η ιέβζζηδ ιείςζδ ηδξ ζζπφμξ ημο ηζκδηήνα βζα θεζημονβία ημο ςξ Otto ήηακ ηδξ ηάλδξ ημο 16%, ζε ζφβηνζζδ ιε ηδ θεζημονβία ημο ςξ Diesel. Ωζηυζμ, μ ααειυξ απυδμζδξ ημο ηζκδηήνα ιεζχεδηε πενίπμο ηαηά 32%. Αοηή δ ιεβάθδ ιείςζδ απμδυεδηε ζηδ πνδζζιμπμίδζδ ιδ-αέθηζζημο εαθάιμο ηαφζδξ βζα θεζημονβία ημο ηζκδηήνα ιε αένζμ ζφκεεζδξ, αθμφ μ ανπζηυξ εάθαιμξ ηαφζδξ ημο ηζκδηήνα Diesel δδιζμονβμφζε ορδθά επίπεδα ζοζηνμθήξ (swirl) ημο αένα, ηα μπμία, ζηδκ πενίπηςζδ ηδξ θεζημονβίαξ ιε αένζμ ζφκεεζδξ, μδδβμφζακ ζε ορδθέξ απχθεζεξ εενιυηδηαξ πνμξ ηα ημζπχιαηα ημο εαθάιμο ηαφζδξ. οκεπίγμκηαξ ηδκ πνμδβμφιεκδ ενεοκδηζηή δναζηδνζυηδηα, μζ Sridhar et al. [100] δζελήβαβακ πεζναιαηζηέξ ιεηνήζεζξ ζε αζμιδπακζημφξ, ιεβάθςκ δζαζηάζεςκ, πμθοηφθζκδνμοξ ηζκδηήνεξ Otto βζα ηδ δζενεφκδζδ ηδξ επίδναζδξ ημο ααειμφ ζοιπίεζδξ ηαζ ηδξ πνμπμνείαξ έκαοζδξ ζηδ θεζημονβζηή ηαζ πενζααθθμκηζηή ζοιπενζθμνά ημοξ βζα θεζημονβία ιε αένζμ ζφκεεζδξ. οκμθζηά, δζαπζζηχεδηε ιία ιείςζδ ηδξ ιέβζζηδξ παναβυιεκδξ ζζπφμξ ηςκ ηζκδηήνςκ ηδξ ηάλδξ ημο 20-30% βζα θεζημονβία ημοξ ιε αένζμ ζφκεεζδξ. Ωζηυζμ, μζ εηπμιπέξ NO x υθςκ ηςκ ελεηαγυιεκςκ ηζκδηήνςκ ήηακ πάκημηε παιδθυηενεξ απυ ηα ακηίζημζπα εεζιμεεηδιέκα υνζα, εκχ μζ εηπμιπέξ CO ήηακ ζε μνζζιέκεξ ιυκμ πενζπηχζεζξ εηηυξ ηςκ ζπεηζηχκ εεζιμεεηδιέκςκ μνίςκ. 57

74 1.5 ηότοι και Μεθοδολογία Παρούζας Εργαζίας 1.5 ηόρνη θαη Μεζνδνινγία Παξνύζαο Δξγαζίαο Βαζζηυ ζηυπμ ηδξ πανμφζαξ ενβαζίαξ απμηεθεί δ ακάπηολδ εκυξ πνμςεδιέκμο εενιμδοκαιζημφ ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ ημο ηθεζζημφ ηφηθμο θεζημονβίαξ ηζκδηήνςκ Otto πνμακαιεζβιέκδξ βυιςζδξ ιε ζημπυ ηδκ πνυαθερδ ηδξ θεζημονβζηήξ ημοξ ζοιπενζθμνάξ ηαζ ηςκ εηπμιπχκ NO. Δπζπθέμκ ζηυπμ απμηεθεί δ εθανιμβή ελενβεζαηήξ ακάθοζδξ ζημ πενζεπυιεκμ ημο ηοθίκδνμο βζα ηδ ααεφηενδ ηαηακυδζδ ζε εεςνδηζηυ επίπεδμ ηδξ εενιμδοκαιζηήξ ηςκ δζαθυνςκ δζενβαζζχκ πμο ελεθίζζμκηαζ ζε αοηυκ. Ο ζοκδοαζιυξ ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ ελενβεζαηήξ ακάθοζδξ εθανιυγεηαζ εζδζηά ζηδκ εκδζαθένμοζα πενίπηςζδ θεζημονβίαξ ηζκδηήνςκ Otto ιε αένζα αζμηαφζζια θυβς ημο έκημκμο ενεοκδηζημφ εκδζαθένμκημξ ημο πανμοζζάγμοκ ηα ηαφζζια αοηά ςξ πδβέξ εκένβεζαξ. Σμ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ ακαπηφζζεηαζ ζε δφμ ζηάδζα. Η επζθμβή αοηή επζηνέπεζ ημ ζηαδζαηυ ηαζ, ζοκεπχξ, εοπενέζηενμ έθεβπμ ηςκ οπμθμβζζιχκ πμο πναβιαημπμζμφκηαζ απυ ημ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ βζα ηδκ επίηεολδ ηςκ δφμ ζηυπςκ ημο, δδθαδή ηδξ πνυαθερδξ: α) ηδξ θεζημονβζηήξ ζοιπενζθμνάξ ηαζ α) ηςκ εηπμιπχκ NO, ημο ηζκδηήνα. Κάεε θμνά, δ ελενβεζαηή ακάθοζδ ηδξ θεζημονβίαξ ημο ηζκδηήνα πναβιαημπμζείηαζ ιε ημκ ίδζμ αηνζαχξ ηνυπμ. Ανπζηά, ηαηαζηεοάγεηαζ δ πνχηδ εηδμπή ημο ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ, δ μπμία απμηεθεί ημ θεβυιεκμ 0-δηαζηαηηθό κνληέιν πξνζνκνίωζεο ηαζ έπεζ ςξ ζηυπμ ηδξ ηδκ πνυαθερδ ηςκ εηπμιπχκ NO ημο ηζκδηήνα. οβηεηνζιέκα, ακηζηείιεκμ ημο 0-δζαζηαηζημφ ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ απμηεθεί δ επζαεααίςζδ υηζ δ ιέεμδμξ πμο επζθέβεηαζ κα πνδζζιμπμζδεεί βζα ηδκ πνυαθερδ ηςκ εηπμιπχκ NO πςνίξ ζπεηζηή δζαδζηαζία ααειμκυιδζδξ, δ μπμία ααζίγεηαζ ζε έκα πμθογςκζηυ ιμκηέθμ βζα ηδκ πενζβναθή ηδξ εενιμδοκαιζηήξ ηαηάζηαζδξ ηδξ βυιςζδξ ημο ηοθίκδνμο πμο δζαιμνθχκεηαζ ιε ηδ δζαίνεζδ ημο ηαιέκμο αενίμο ζε πμθθαπθέξ γχκεξ, πανέπεζ αηνζαέζηενα απμηεθέζιαηα απυ υ,ηζ ηα απθμφζηενα ηαζ ζοκδεέζηενα δζγςκζηά ιμκηέθα. Γζα κα πναβιαημπμζδεεί αοηή δ επζαεααίςζδ, πνέπεζ ανπζηά κα ελαζθαθζζεεί υηζ ημ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ πενζβνάθεζ ιε ηαθή αηνίαεζα ηδ θεζημονβζηή ζοιπενζθμνά ημο ηζκδηήνα, δζυηζ πζεακή απυηθζζδ μδδβεί ακαβηαζηζηά ζε απμηθίζεζξ, ηαζ ιάθζζηα ιεβαθφηενμο ζθάθιαημξ, ηςκ εεςνδηζηά οπμθμβζζιέκςκ εηπμιπχκ NO απυ ηζξ ακηίζημζπεξ πεζναιαηζηά ιεηνδιέκεξ. Γζα ημ θυβμ αοηυ, πνδζζιμπμζείηαζ έκα 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ ηαφζδξ, απυ ημ μπμίμ θαιαάκεζ ηδκ μκμιαζία ηδξ αοηή δ πνχηδ εηδμπή ημο ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ. Με ηδ αμήεεζα αοημφ ημο ιμκηέθμο ηαφζδξ, ημ μπμίμ παναηηδνίγεηαζ απυ ημ βεβμκυξ υηζ ιπμνεί κα πενζβνάρεζ πνμηαεμνζζιέκα πνμκζηά ζζημνζηά ηαφζδξ, επζηοβπάκεηαζ ηαθή πνμζανιμβή, ιεηά απυ ζπεηζηή δζαδζηαζία ααειμκυιδζδξ, ημο εεςνδηζηά οπμθμβζζιέκμο δζαβνάιιαημξ πίεζδξ ηοθίκδνμο ζημ ακηίζημζπμ πεζναιαηζηά 58

75 1. Ειζαγωγή ιεηνδιέκμ. Σμ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ, πένα απυ ημ πμθογςκζηυ ιμκηέθμ βζα ηδ βυιςζδ ημο ηοθίκδνμο ηαζ ημ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ ηαφζδξ, πενζθαιαάκεζ επζιένμοξ ιμκηέθα βζα ηδκ πνμζμιμίςζδ ηςκ δζενβαζζχκ ηδξ ιεηαθμνάξ εενιυηδηαξ ιε ηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο ηαζ ημο ζπδιαηζζιμφ NO. Σμ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ, ηαεχξ ηαζ δ ελενβεζαηή ακάθοζδ, εθανιυγμκηαζ ζε έκα ζηνμαζθμ-οπενπθδνςιέκμ ηζκδηήνα Otto πμο θεζημονβεί ιε αένζμ ζφκεεζδξ ζε δζάθμνεξ πενζπηχζεζξ θμνηίμο ιε ζηαεενή ηαπφηδηα πενζζηνμθήξ. Ο ηζκδηήναξ πνδζζιμπμζεί ηδ ιέεμδμ πηςπήξ ηαφζδξ, ιε ηα εζζενπυιεκα ζημκ ηφθζκδνμ ιείβιαηα κα ηαείζηακηαζ ζοκεπχξ πηςπυηενα ηαεχξ ημ θμνηίμ αολάκεηαζ. Καηυπζκ, ηαηαζηεοάγεηαζ δ δεφηενδ ηαζ ηεθζηή εηδμπή ημο ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ, δ μπμία απμηεθεί ημ θεβυιεκμ νηνλεί-δηαζηαηηθό κνληέιν πξνζνκνίωζεο ηαζ έπεζ ςξ ζηυπμ ηδξ ηδκ πνυαθερδ ηδξ θεζημονβζηήξ ζοιπενζθμνάξ ηαζ ηςκ εηπμιπχκ NO ημο ηζκδηήνα. Σμ μζμκεί-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ απμηεθεί μοζζαζηζηά ακααάειζζδ ημο ακηίζημζπμο 0-δζαζηαηζημφ ιέζς ζοβηεηνζιέκςκ ακηζηαηαζηάζεςκ ηαζ ηνμπμπμζήζεςκ επζιένμοξ ιμκηέθςκ. οβηεηνζιέκα, ημ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ ηαφζδξ ακηζηαείζηαηαζ απυ έκα μζμκείδζαζηαηζηυ, απυ ημ μπμίμ θαιαάκεζ ηδκ μκμιαζία ηδξ αοηή δ δεφηενδ εηδμπή ημο ιμκηέθμο πνμζμιμίςζδξ. Σμ ζοβηεηνζιέκμ ιμκηέθμ ηαφζδξ πνμαθέπεζ ημ νοειυ έηθοζδξ εενιυηδηαξ, ηδ δζάδμζδ ηαζ ηαπφηδηα ηδξ θθυβαξ εκηυξ ημο εαθάιμο ηαφζδξ ηαζ ηδκ απυηνζζδ ηδξ θθυβαξ ζημοξ νοειμφξ ηάζδξ πμο αοηή οθίζηαηαζ θυβς ηδξ ηαιποθυηδηάξ ηδξ ηαζ ηδξ αενμδοκαιζηήξ (ηοναχδμοξ) ηάζδξ απυ ηοναχδεξ πεδίμ νμήξ ζηδ βεκζηή πενίπηςζδ υπμο μ ανζειυξ Lewis ημο ηαοζίιμο ιείβιαημξ είκαζ δζαθμνεηζηυξ ηδξ ιμκάδαξ, εκχ πανέπεζ εηηζιήζεζξ ηδξ δμιήξ ηδξ θθυβαξ ηαζ, ζοκεπχξ, ηδξ θαζκμιεκμθμβίαξ ηδξ ηαφζδξ. φιθςκα ιε αοηυ ημ ιμκηέθμ ηαφζδξ, εεςνείηαζ υηζ ημ ιέηςπμ ηδξ θθυβαξ δζαδίδεηαζ ζθαζνζηά εκηυξ ημο εαθάιμο ηαφζδξ απυ ηδ εέζδ ημο ζπζκεδνζζηή πνμξ ηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο. Σμ ιμκηέθμ αοηυ ακήηεζ ζηδκ ηαηδβμνία ηςκ ιμκηέθςκ ηαφζδξ ηοναχδμοξ δζείζδοζδξ. οκμθζηά, πνμζμιμζχκεηαζ ημ ζηάδζμ ηδξ ανπζηήξ ακάπηολδξ, ημ ζηάδζμ ηδξ δζάδμζδξ ηαζ ημ ζηάδζμ ημο ηενιαηζζιμφ ηδξ θθυβαξ. ηζξ ελζζχζεζξ ημο κυιμο ηαφζδξ ημο ιμκηέθμο αοημφ πενζθαιαάκεηαζ δ επίδναζδ ηδξ ηάζδξ ηδξ θθυβαξ, δ μπμία πμζμηζημπμζείηαζ ιε έκα ιμκηέθμ ηάζδξ θθυβαξ. Γζα ηδκ εθανιμβή ημο ιμκηέθμο ηαφζδξ πνδζζιμπμζείηαζ έκα ιμκηέθμ ηφναδξ, ζοζπεηίζεζξ ηδξ ζηνςηήξ ηαπφηδηαξ ηαφζδξ ημο ηαοζίιμο ιείβιαημξ ηαζ έκα ιμκηέθμ ηδξ βεςιεηνίαξ ημο ιεηχπμο ηδξ θθυβαξ. Δπίζδξ, ιε αάζδ ιία ζθαζνζηή ηαηακμιή βζα ηζξ ηαιέκεξ γχκεξ, ηαηαζηεοάγεηαζ έκα ιμκηέθμ βζα ημκ οπμθμβζζιυ ηςκ ειααδχκ ηςκ επζθακεζχκ επαθήξ ηςκ γςκχκ ιε ηα ημζπχιαηα ημο ηοθίκδνμο. Έηζζ, πναβιαημπμζείηαζ ηνμπμπμίδζδ, ζε ζπέζδ ιε ημ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ, ημο ηνυπμο οπμθμβζζιμφ ηςκ ειααδχκ αοηχκ βζα ιεηέπεζηα πνήζδ ημοξ 59

76 1.5 ηότοι και Μεθοδολογία Παρούζας Εργαζίας ζημ ιμκηέθμ ιεηαθμνάξ εενιυηδηαξ. Σμ μζμκεί-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ, ιέζς ηδξ πνυαθερδξ ημο νοειμφ ηαφζδξ ηαζ ηςκ βεςιεηνζηχκ παναηηδνζζηζηχκ ημο ηαιέκμο αενίμο, πνμζθένεζ ηδ δοκαηυηδηα οπμθμβζζιμφ δζαθυνςκ παναηηδνζζηζηχκ ηαποηήηςκ ηαφζδξ. Σμ 0-δζαζηαηζηυ ιμκηέθμ πνμζμιμίςζδξ, ηαεχξ ηαζ δ ελενβεζαηή ακάθοζδ, εθανιυγμκηαζ ζε έκα θοζζηήξ ακαπκμήξ ηζκδηήνα Otto πμο θεζημονβεί ιε ιείβιαηα αζμαενίμο-οδνμβυκμο ιεηααθδηήξ ζοβηέκηνςζδξ οδνμβυκμο ζε ζηαεενή ηαπφηδηα πενζζηνμθήξ, ζηαεενυ άκμζβια νοειζζηζηήξ δζηθείδαξ ηαζ ζηαεενυ θυβμ ζζμδοκαιίαξ ηαοζίιμο. 60

77 1.6 Οξνινγία Κεθαιαίνπ 1 1. Ειζαγωγή σνηομεύζεις ΑΝ άκς κεηνυ ζδιείμ ι. ΑΝ ιεηά ημ ΑΝ π. ΑΝ πνζκ ημ ΑΝ CO HC NO NO x rpm ιμκμλείδζμ ημο άκεναηα οδνμβμκάκεναηεξ ιμκμλείδζμ ημο αγχημο μλείδζα ημο αγχημο ζηνμθέξ ακά θεπηυ o CA ιμίνεξ βςκίαξ ζηνμθάθμο 61

78 1.7 Βιβλιογραθία Κεθαλαίοσ Βηβιηνγξαθία Κεθαιαίνπ 1 1. Eichlseder H., Wimmer A., ''Future Perspectives of the IC Engine'', In: Proceedings of the 14 th International Symposium on Transport and Air Pollution, Graz, Austria, June American Automobile Manufacturers Association (AAMA), Motor Vehicle Facts and Figures 1996, AAMA, Washington, D.C., Andrews G., Environmental Impact and Health Concerns of SI Emissions, Short Course on SI Engines Emissions, University of Leeds, November Robert Bosch GmbH, Gasoline-Engine Management, 2 nd Edition, Bentley Publishers, Cambridge, Type Approval of Motor Vehicles with Respect to Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on Access to Vehicle Repair and Maintenance Information, Regulation (EC) No 715/2007 of the European Parliament and of the Council of 20 June 2007, OJEU L ''Monitoring of ACEA's Commitment of CO 2 Emission Reductions from Passenger Cars'', Final Report, September Lake T.H., ''Turbocharging Concepts for Downsized DI Gasoline Engines'', SAE Paper No , Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, Ραθόπνπινο Κ.Γ., Υνπληάιαο Γ.Θ., Καύζε-Ρύπαλζε Δκβνινθόξωλ Μ.Δ.Κ., Δηδ. Γν. Φμφκηα, Αεήκα, Zhao F., Harrington D.L., Lai M.-C., Automotive Gasoline Direct-Injection Engines, SAE International, Warrendale, Pennsylvania, Heywood J.B., ''Engine Combustion Modeling - An Overview'', In: J.N. Mattavi and C.A. Amann (Ed.), Combustion Modeling in Reciprocating Engines, 1-35, Plenum Press, New York,

79 1. Ειζαγωγή 12. Hicks R.A., Lawes M., Sheppard C.G.W., Whitaker B.J., ''Multiple Laser Sheet Imaging Investigation of Turbulent Flame Structure in a Spark Ignition Engine'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 103, , Stiesch G., Modeling Engine Spray and Combustion Processes, Springer-Verlag, London, Stone C.R., Introduction to Internal Combustion Engines, 2 nd Edition, MacMillan, London, Merker G.P., Schwarz C., Stiesch G., Otto F., Simulating Combustion, Springer- Verlag, Heidelberg Berlin, Bowman C.T., ''Kinetics of Pollutant Formation and Destruction in Combustion'', Prog Energy Combust Sci, 1, 33-45, Heywood J.B., Sher E., The Two-Stroke Cycle Engine, SAE International, Warrendale, Pennsylvania, Alkidas A.C., ''Combustion Advancements in Gasoline Engines'', Energy Convers Manage, 48, , Bandel W., Fraidl G.K., Kapus P.E., Sikinger H., Cowland C.N., ''The Turbocharged GDI Engine: Boosted Synergies for High Fuel Economy Plus Ultra-Low Emissions'', SAE Paper No , Woldring D.W., Landenfeld T., Christie M., ''DI Boost: Application of a High Performance Gasoline Direct Injection Concept'', SAE Paper No , Wolters P., Geiger J., Salber W., Esch T., ''Synergies of Variable Valve Actuation and Direct Injection'', SAE Paper No , Turner J.W.G., Pitcher G., Burke P., Garner C.P., Wigley G., Stansfield P., Nuglisch H.J., Ladommatos N., Patel R., Williams P., ''The HOTFIRE Homogeneous GDI and Fully Variable Valve Train Project - An Initial Report'', SAE Paper No , Guibet J.C., Fuels and Engines. Technology, Energy, Environment, Editions Technip, Paris,

80 1.7 Βιβλιογραθία Κεθαλαίοσ Kowalewicz A., Wojtyniak M., ''Alternative Fuels and their Application to Combustion Engines'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 219, , Pourkhesalian A.M., Shamekhi A.H., Salimi F., ''Performance and Emission Comparison and Investigation of Alternative Fuels in SI Engines'', SAE Paper No , Bradley D., ''Combustion and the Design of Future Engine Fuels'', Proc Inst Mech Engrs, J Mech Eng Sci, 223, , Bentley R.W., ''Global Oil & Gas Depletion: An Overview'', Energy Policy, 30, , Shafiee S., Topal E., ''When will Fossil Fuel Reserves be Diminished?'', Energy Policy, 37, , Considine T.J., Heo E., ''Price and Inventory Dynamics in Petroleum Product Markets'', Energy Economics, 22, , Asche F., Gjølberg O., Völker T., ''Price Relationships in the Petroleum Market: An Analysis of Crude Oil and Refined Product Prices'', Energy Economics, 25, , Πξναγωγή ηεο Ηιεθηξηθήο Δλέξγεηαο πνπ Παξάγεηαη από Αλαλεώζηκεο Πεγέο ζηελ Δζωηεξηθή Αγνξά Ηιεθηξηθήο Δλέξγεηαο, Οδδβία 2001/77/ΔΚ ημο Δονςπασημφ Κμζκμαμοθίμο ηαζ ημο οιαμοθίμο ηδξ 27 δξ επηειανίμο 2001, ΔΔΔΚ L Eghbali B., ''Natural Gas as a Vehicular Fuel'', SAE Paper No , Hundleby G.E., ''Low Emissions Approaches for Heavy-Duty Gas-Powered Urban Vehicles'', SAE Paper No , Das A., Watson H.C., ''Development of a Natural Gas Spark Ignition Engine for Optimum Performance'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 211, , Menrad H., Wegener R., Loeck H., ''An LPG-Optimized Engine-Vehicle Design'', SAE Paper No , Gerini A., Monnier G., Bonetto R., ''Ultra Low Emissions Vehicle Using LPG Engine Fuel'', SAE Paper No ,

81 1. Ειζαγωγή 37. Caton J.A., McDermott M., Chona R., ''Development of a Dedicated LPG-Fueled Spark-Ignition Engine and Vehicle for the 1996 Propane Vehicle Challenge'', SAE Paper No , Evans R.L., Blaszczyk J., ''A Comparative Study of the Performance and Exhaust Emissions of a Spark Ignition Engine Fuelled by Natural Gas and Gasoline'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 211, 39-47, Catania A.E., d' Ambrosio S., Mittica A., Spessa E., ''Experimental Investigation of Fuel Consumption and Exhaust Emissions of a 16V Pent-Roof Engine Fueled by Gasoline and CNG'', Trans SAE, J Engines, 110, , Ehasn M., ''Multi-Fuel Performance of a Petrol Engine for Small-Scale Power Generation'', SAE Paper No , Yusaf T., Hussein I., Zamri M.Y., Kuzi A., ''Experimental Work on the Use of Liquefied Petroleum Gas in Single-Cylinder Petrol Engine'', SAE Paper No , Δηζαγωγή ζηελ Διιεληθή Αγνξά ηωλ Βηνθαπζίκωλ θαη ηωλ Άιιωλ Αλαλεώζηκωλ Καπζίκωλ, Νυιμξ Τπ' Ανζειυκ 3423, ΦΔΚ Α 304/ Demirbas A., ''Progress and Recent Trends in Biofuels'', Prog Energy Combust Sci, 33, 1-18, Ραθόπνπινο Γ.Κ., Καύζε θαη Δθπνκπή Ρύπωλ Τγξώλ Βηνθαπζίκωλ ζε Κηλεηήξεο Diesel, Γζδαηημνζηή Γζαηνζαή, πμθή Μδπακμθυβςκ Μδπακζηχκ Δ.Μ.Π., Αεήκα, McKendry P., ''Energy Production from Biomass (Part 3): Gasification Technologies'', Bioresource Technol, 83, 55-63, Mustafi N.N., Raine R.R., Bansal P.K., ''The Use of Biogas in Internal Combustion Engines: A Review'', In: Proceedings of ASME ICE 2006 Spring Technical Conference, Aachen, Germany, Paper No. ICES , May Narayanan G., Bade Shrestha S.O., ''Landfill Gas - A Fuel for IC Engine Applications'', In: Proceedings of ASME ICE 2007 Fall Technical Conference, Charleston, South Carolina, USA, Paper No. ICEF , October

82 1.7 Βιβλιογραθία Κεθαλαίοσ Martínez-Pérez N., Cherryman S.J., Premier G.C., Dinsdale R.M., Hawkes D.L., Hawkes F.R., Kyazze G., Guwy A.J., ''The Potential for Hydrogen-Enriched Biogas Production from Crops: Scenarios in the UK'', Biomass Bioenergy, 31, , Wei L., Xu S., Zhang L., Liu C., Zhu H., Liu S., ''Steam Gasification of Biomass for Hydrogen-Rich Gas in a Free-Fall Reactor'', Int J Hydrogen Energy, 32, 24-31, Lv P., Yuan Z., Wu C., Ma L., Chen Y., Tsubaki N., ''Bio-Syngas Production from Biomass Catalytic Gasification'', Energy Convers Manage, 48, , Bade Shrestha S.O., Narayanan G., ''Landfill Gas with Hydrogen Addition - A Fuel for SI Engines'', Fuel, 87, , Cong T.L., Dagaut P., ''Oxidation of H 2 /CO 2 Mixtures and Effect of Hydrogen Initial Concentration on the Combustion of CH 4 and CH 4 /CO 2 Mixtures: Experiments and Modeling'', Proc Combust Inst, 32, , Glassman I., Combustion, 3 rd Edition, Academic Press, London, Conte E., Boulouchos K., ''Influence of Hydrogen-Rich-Gas Addition on Combustion, Pollutant Formation and Efficiency of an IC-SI Engine'', Trans SAE, J Engines, 113, , Herdin G., ''Hydrogen and Gas Engines & Emission Controls'', In: Proceedings of 2nd Annual Advanced Stationary Reciprocating Engines Conference, March Porpatham E., Ramesh A., Nagalingam B., ''Investigation on the Effect of Concentration of Methane in Biogas when Used as a Fuel for a Spark Ignition Engine'', Fuel, 87, , Wallner T., Miers S.A., McConnell S., ''A Comparison of Ethanol and Butanol as Oxygenates Using a Direct-Injection, Spark-Ignition Engine'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 131, / /9, Pannone G.M., Johnson R.T., ''Methanol as a Fuel for a Lean Turbocharged Spark Ignition Engine'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 98, , Battista V., Gardiner D.P., Bardon M.F., Rao V.K., ''Review of the Cold Starting Performance of Methanol and High Methanol Blends in Spark Ignition Engines: Neat Methanol'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 99, ,

83 1. Ειζαγωγή 61. Battista V., Gardiner D.P., Bardon M.F., Rao V.K., ''Review of the Cold Starting Performance of Methanol and High Methanol Blends in Spark Ignition Engines: High Methanol Blends'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 99, , Gardiner D.P., Rao V.K., Bardon M.F., Dale J.D., Smy P.R., Haley R.F., ''Improving the Operation of Gasoline and Methanol Fuelled Spark Ignition Engines Under Canadian Winter Conditions'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 101, 1-10, Kowalewicz A., ''Methanol as a Fuel for Spark Ignition Engines: A Review and Analysis'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 207, 43-52, Kowalewicz A., ''Efficiency of the SI Engine Fuelled with Methanol-Gasoline Blends'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 208, , Qi D.H., Liu S.Q., Liu J.C., Zhang C.H., Bian Y.Z., ''Properties, Performance, and Emissions of Methanol-Gasoline Blends in a Spark Ignition Engine'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 219, , Shenghua L., Clemente E.R.C., Tiegang H., Yanjv W., ''Study of Spark Ignition Engine Fueled with Methanol/Gasoline Fuel Blends'', Applied Thermal Engng, 27, , Hsieh W.-D., Chen R.-H., Wu T.-L., Lin T.-H., ''Engine Performance and Pollutant Emission of an SI Engine Using Ethanol-Gasoline Blended Fuels'', Atmos Environ, 36, , He B.-Q., Wang J.-X., Hao J.-M., Yan X.-G., Xiao J.-H., ''A Study on Emission Characteristics of an EFI Engine with Ethanol Blended Gasoline Fuels'', Atmos Environ, 37, , Poulopoulos S.G., Philippopoulos C.J., ''The Effect of Adding Oxygenated Compounds to Gasoline on Automotive Exhaust Emissions'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 125, , Al-Farayedhi A.A., Al-Dawood A.M., Gandhidasan P., ''Experimental Investigation of SI Engine Performance Using Oxygenated Fuel'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 126, , Caton P.A., Hamilton L.J., Cowart J.S., ''An Experimental and Modeling Investigation into the Comparative Knock and Performance Characteristics of E85, 67

84 1.7 Βιβλιογραθία Κεθαλαίοσ 1 Gasohol [E10] and Regular Unleaded Gasoline [87 (R+M)/2]'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 116, , Varde K., Jones A., Knutsen A., Mertz D., Yu P., ''Exhaust Emissions and Energy Release Rates from a Controlled Spark Ignition Engine Using Ethanol Blends'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 221, , Yoon S.H., Ha S.Y., Roh H.G., Lee C.S., ''Effect of Bioethanol as an Alternative Fuel on the Emissions Reduction Characteristics and Combustion Stability in a Spark Ignition Engine'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 223, , Sierens R., Rosseel E., ''Variable Composition Hydrogen/Natural Gas Mixtures for Increased Engine Efficiency and Decreased Emissions'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 122, , Tunestål P., Christensen M., Einewall P., Andersson T., Johansson B., Jönsson O., ''Hydrogen Addition for Improved Lean Burn Capability of Slow and Fast Burning Natural Gas Combustion Chambers'', SAE Paper No , Akansu S.O., Dulger Z., Kahraman N., Veziroğlu T.N., ''Internal Combustion Engines Fueled by Natural Gas-Hydrogen Mixtures'', Int J Hydrogen Energy, 29, , White C.M., Steeper R.R., Lutz A.E., ''The Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engine: A Technical Review'', Int J Hydrogen Energy, 31, , Porpatham E., Ramesh A., Nagalingam B., ''Effect of Hydrogen Addition on the Performance of a Biogas Fuelled Spark Ignition Engine'', Int J Hydrogen Energy, 32, , Verhelst S., Verstraeten S., Sierens R., ''A Comprehensive Overview of Hydrogen Engine Design Features'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 221, , Hu E., Huang Z., Liu B., Zheng J., Gu X., Huang B., ''Experimental Investigation on Performance and Emissions of a Spark-Ignition Engine Fuelled with Natural Gas- Hydrogen Blends Combined with EGR'', Int J Hydrogen Energy, 34, ,

85 1. Ειζαγωγή 81. Verhelst S., Maesschalck P., Rombaut N., Sierens R., ''Efficiency Comparison Between Hydrogen and Gasoline, on a Bi-Fuel Hydrogen/Gasoline Engine'', Int J Hydrogen Energy, 34, , Verhelst S., Wallner T., ''Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines'', Prog Energy Combust Sci, 35, , Wong J.K.S., ''Study of Mixtures of Methane and Carbon Dioxide as Fuels in a Single Cylinder Engine (CLR)'', SAE Paper No , Ladommatos N., Stone R., ''Conversion of a Diesel Engine for Gaseous Fuel Operation at High Compression Ratio'', SAE Paper No , Stone C.R., Ladommatos N., ''Design and Evaluation of a Fast-Burn Spark-Ignition Combustion System for Gaseous Fuels at High Compression Ratios'', J Inst Energy, 64, , Whiston P.J., Girgis N.S., Goodwin M.J., ''Combustion Analysis of Simulated Biogas in a Four Cylinder Spark Ignition Engine for Power Generation'', In: Proceedings of Auto-Tech Congress, Inst Mech Engrs, Birmingham, UK, C427/18/157, Karim G.A., Wierzba I., ''Methane-Carbon Dioxide Mixtures as a Fuel'', SAE Paper No , Whiston P.J., Abdel-Gayed R.J., Girgis N.S., Goodwin M.J., ''Turbulent Burning Velocity of a Simulated Biogas Combustion in a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No , Doherty K., Blair G.P., Douglas R., Kee R., Purdy J., ''The Initial Development of a Two-Stroke Cycle Biogas Engine'', SAE Paper No , Stone C.R., Gould J., Ladommatos N., ''Analysis of Bio-Gas Combustion in Spark- Ignition Engines, by Means of Experimental Data and a Computer Simulation'', J Inst Energy, 66, , Mueller G.P., ''Landfill Gas Application Development of the Caterpillar G3600 Spark- Ignited Gas Engine'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 117, , Huang J., Crookes R.J., ''Assessment of Simulated Biogas as a Fuel for the Spark Ignition Engine'', Fuel, 77, ,

86 1.7 Βιβλιογραθία Κεθαλαίοσ Midkiff K.C., Bell S.R., Rathnam S., Bhargava S., ''Fuel Composition Effects on Emissions from a Spark-Ignited Engine Operated on Simulated Biogases'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 123, , Narayanan G., Bade Shrestha S.O., ''The Performance of a Spark Ignition Engine Fueled with Landfill Gases'', SAE Paper No , Bade Shrestha S.O., Rodrigues R., ''Effects of Diluents on Knock Rating of Gaseous Fuels'', Proc Inst Mech Engrs, J Power Energy, 222, , Malenshek M., Olsen D.B., ''Methane Number Testing of Alternative Gaseous Fuels'', Fuel, 88, , Shashikantha, Klose W., Parikh P.P., ''Development of a 15 kwe Spark Ignition Producer Gas Engine and Some Investigations of its In-Cylinder Processes'', Renewable Energy, 5, , Tewari P.G., Subrahmanyam J.P., Gajendra Babu M.K., ''Experimental Investigations on the Performance Characteristics of a Producer Gas Fuelled Spark Ignition Engine'', Trans SAE, J Engines, 110, , Sridhar G., Paul P.J., Mukunda H.S., ''Biomass Derived Producer Gas as a Reciprocating Engine Fuel - An Experimental Analysis'', Biomass Bioenergy, 21, 61-72, Sridhar G., Sridhar H.V., Dasappa S., Paul P.J., Rajan N.K.S., Mukunda H.S., ''Development of Producer Gas Engines'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 219, ,

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 2.1 Εισαγωγή Τα μοντέλα προσομοίωσης των κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης χωρίζονται, ανάλογα με τη βασική δομή τους, σε δύο κύριες κατηγορίες [1-2]: τα θερμοδυναμικά μοντέλα (thermodynamic models) και τα ρευστομηχανικά μοντέλα (fluid dynamic models). Τα θερμοδυναμικά μοντέλα βασίζονται στις εξισώσεις διατήρησης μάζας και ενέργειας (1 ος Θερμοδυναμικός Νόμος), οι οποίες διατυπώνονται ως συνήθεις διαφορικές εξισώσεις με (μόνη) ανεξάρτητη μεταβλητή το χρόνο. Τα μοντέλα αυτά χαρακτηρίζονται από ικανοποιητική ακρίβεια αποτελεσμάτων και μικρούς υπολογιστικούς χρόνους. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα θερμοδυναμικά μοντέλα κατάλληλα υπολογιστικά εργαλεία όταν επιθυμείται: α) η διερεύνηση ενός μεγάλου εύρους συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα, β) η διεξαγωγή παραμετρικών μελετών και γ) η εύρεση των ρυθμίσεων του κινητήρα για βέλτιστη λειτουργία του. Σε γενικές γραμμές, τα θερμοδυναμικά μοντέλα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως προς δύο κριτήρια: α) τον τρόπο με τον οποίο υπολογίζεται χωρικά εντός του κυλίνδρου η θερμοδυναμική κατάσταση του περιεχομένου του (κυρίως κατά τη διάρκεια της καύσης), ο οποίος ουσιαστικά καθορίζεται από τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων ζωνών (θερμοδυναμικών συστημάτων) που συνιστούν τη συνολική γόμωση του κυλίνδρου, και β) τον τρόπο με τον οποίο προσομοιώνεται η καύση. Το πρώτο κριτήριο αντιστοιχεί στο χρησιμοποιούμενο μοντέλο της γόμωσης του κυλίνδρου, ενώ το δεύτερο στο χρησιμοποιούμενο μοντέλο καύσης. Ο τελικός (και πλήρης) χαρακτηρισμός ενός θερμοδυναμικού μοντέλου καθορίζεται από το συνδυασμό των δύο προηγούμενων συνιστωσών-μοντέλων (μοντέλο γόμωσης κυλίνδρου, μοντέλο καύσης). 71

88 2.1 Εισαγωγή Τα ρευστομηχανικά μοντέλα στηρίζονται στις εξισώσεις διατήρησης μάζας, ορμής, ενέργειας και συστατικών στις τρεις διαστάσεις του χώρου, καταλήγοντας σε μερικές διαφορικές εξισώσεις με ανεξάρτητες μεταβλητές τις τρεις συντεταγμένες του χώρου και το χρόνο. Εξαιτίας του ότι τα μοντέλα αυτά απαιτούν πολύ μεγάλους υπολογιστικούς χρόνους, η χρήση τους συνήθως περιορίζεται στις περιπτώσεις όπου αναζητούνται: α) λεπτομερειακές χωρικές πληροφορίες του πεδίου ροής εντός του κυλίνδρου και ο τρόπος με τον οποίο το τοπικό πεδίο ροής αλληλεπιδρά με τη διεργασία της καύσης και β) βελτιστοποίηση της (σύνθετης) γεωμετρίας του θαλάμου καύσης. Λόγω του ότι ο βασικός σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης, παρακάτω επιχειρείται να παρουσιασθεί μία αντιπροσωπευτική βιβλιογραφική ανασκόπηση των δύο προηγουμένως αναφερθέντων συνιστωσών-μοντέλων που συγκροτούν ουσιαστικά την κατηγορία των θερμοδυναμικών μοντέλων προσομοίωσης. Από την έρευνα της σχετικής βιβλιογραφίας διαπιστώνεται ότι μία απολύτως πλήρης βιβλιογραφική ανασκόπηση των εν λόγω μοντέλων είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξαιτίας της τεράστιας ποικιλίας των μοντέλων αυτών σε ό,τι αφορά τόσο τη γενική διατύπωσή τους όσο και τις ειδικότερες επιμέρους λεπτομέρειές τους. Για το λόγο αυτό, η παρούσα βιβλιογραφική ανασκόπηση έχει ως στόχο απλά να παρουσιάσει τις βασικότερες και πιο ενδεικτικές κατηγορίες των συγκεκριμένων μοντέλων που έχουν διαχρονικά εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία και έχουν γενικά τύχει εκτεταμένης και ταυτόχρονα επιτυχημένης εφαρμογής. Σημειώνεται, τέλος, ότι το ενδιαφέρον περιορίζεται στη μοντελοποίηση του κλειστού κύκλου λειτουργίας του κινητήρα, αφού η φάση της εναλλαγής των αερίων δεν αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εργασίας. 72

89 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 2.2 Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου Τα μοντέλα της γόμωσης του κυλίνδρου, ανάλογα με τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων ζωνών κατά τη διάρκεια της καύσης, διακρίνονται γενικά στις εξής τέσσερις κατηγορίες: τα μονοζωνικά μοντέλα (single-zone (one-zone) models) τα διζωνικά μοντέλα (two-zone models) τα τριζωνικά μοντέλα (three-zone models) και τα πολυζωνικά μοντέλα (multi-zone models). Σε κάθε περίπτωση, οι βασικές εξισώσεις (governing equations) των μοντέλων αυτών αποτελούνται από την εξίσωση διατήρησης της ενέργειας *, η οποία εφαρμόζεται ξεχωριστά σε κάθε ζώνη, και την εξίσωση ισοζυγίου (περιορισμού) του όγκου του κυλίνδρου (cylinder volume balance (constraint) equation). Για την επίλυση του συστήματος των σχετικών εξισώσεων, χρησιμοποιείται επίσης η εξίσωση διατήρησης της μάζας, εφαρμοζόμενη στη γόμωση του κυλίνδρου. Επιπλέον, κάθε ζώνη λογίζεται ως μείγμα τελείων αερίων. Σε κάθε θεωρούμενη ζώνη, ανεξαρτήτως συνολικού αριθμού αυτών, θεωρείται ομοιομορφία θερμοκρασίας και σύστασης, ενώ πάντα η πίεση του κυλίνδρου λαμβάνεται χωρικά ομοιόμορφη σε όλο τον όγκο του Μονοζωνικά Μοντέλα Τα μονοζωνικά μοντέλα θεωρούν ότι η συνολική γόμωση του κυλίνδρου αποτελείται από μία ενιαία ζώνη. Συνήθως, τα συστατικά που περιέχονται στη ζώνη αυτή είναι το άζωτο και το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα, το καύσιμο, καθώς και το διοξείδιο του άνθρακα και ο υδρατμός ως προϊόντα καύσης. Τα μονοζωνικά μοντέλα παρουσιάζουν ορισμένα πλεονεκτήματα. Λόγω της απλουστευτικής τους κατασκευής, οι διεργασίες της συναλλαγής θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου και της ροής του καυσίμου μείγματος προς και από τα διάκενα του θαλάμου καύσης και προς το στροφαλοθάλαμο μπορούν να περιγραφούν με πολύ εύκολο τρόπο. Τα βασικά μειονεκτήματα των μονοζωνικών μοντέλων πηγάζουν από την απουσία διάκρισης μεταξύ καμένου και άκαυστου αερίου. Η θερμοδυναμική κατάσταση του αερίου του κυλίνδρου περιγράφεται χρησιμοποιώντας μέσες ιδιότητες. Με τον τρόπο αυτό, * Ορισμένες φορές, στη θέση της εξίσωσης διατήρησης της ενέργειας για την άκαυστη ζώνη χρησιμοποιούνται εναλλακτικά οι σχέσεις της αδιαβατικής μεταβολής, θεωρώντας ότι η μεταφορά θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου είναι αμελητέα. 73

90 2.2 Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου εισάγονται ανακρίβειες στους ενεργειακούς υπολογισμούς. Επίσης, δεν υπάρχει η δυνατότητα πρόβλεψης του ρυθμού καύσης, ο οποίος αναγκαστικά προδιαγράφεται και αποτελεί, επομένως, δεδομένο εισόδου. Στα πλαίσια αυτά, η διεργασία της καύσης αντιμετωπίζεται αναγκαστικά ως μία ξεχωριστή διεργασία πρόσδοσης θερμότητας (heat addition). Τέλος, στα μονοζωνικά μοντέλα είναι σύνηθες να αποφεύγεται η χρησιμοποίηση μοντέλων σχηματισμού ρύπων, αφού μόνο η μέση θερμοκρασία καύσης υπολογίζεται. Αυτό συμβαίνει διότι τα μοντέλα σχηματισμού ρύπων μπορούν να προβλέψουν εκπομπές ρύπων με αρκετή αξιοπιστία μόνο όταν η θερμοδυναμική κατάσταση του περιεχομένου του κυλίνδρου έχει περιγραφεί με ρεαλιστικό τρόπο. Λόγω των πολύ μικρών υπολογιστικών χρόνων που απαιτούν σε σχέση με τα υπόλοιπα μοντέλα γόμωσης κυλίνδρου, τα μονοζωνικά μοντέλα είναι κατάλληλα όταν επιθυμείται η προσομοίωση της μεταβατικής λειτουργίας του κινητήρα, χωρίς την ανάγκη υπολογισμού εκπομπών ρύπων [3]. Σε αυτή την ειδική περίπτωση, οι μικροί υπολογιστικοί χρόνοι του θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας του κινητήρα αποτελούν πρώτιστη προτεραιότητα, διότι, από τη μία πλευρά, απαιτείται η προσομοίωση εκατοντάδων ή και χιλιάδων κύκλων λειτουργίας σε εύλογο χρόνο και, από την άλλη πλευρά, στο συνολικό μοντέλο προσομοίωσης εμπλέκεται η μαθηματική περιγραφή πολλών περιφερειακών συστημάτων του κινητήρα (συμπιεστής και στρόβιλος στην περίπτωση στροβιλο-υπερπλήρωσης, εξαεριωτής ή σύστημα έγχυσης καυσίμου, συστήματα ελέγχου, δυναμική κινητήρα, κτλ.). Τα μονοζωνικά μοντέλα τυγχάνουν ευρείας εφαρμογής χρησιμοποιούμενα ως διαγνωστικά εργαλεία της λειτουργίας του κινητήρα [4-5], λαμβάνοντας ως δεδομένο εισόδου το πειραματικά μετρημένο διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου. Αυτό συμβαίνει λόγω της απλότητάς τους, η οποία οδηγεί, όπως προαναφέρθηκε, σε μικρούς υπολογιστικούς χρόνους, καθιστώντας τα μοντέλα αυτά κατάλληλα για υπολογισμούς ρυθμών έκλυσης θερμότητας σε πραγματικό χρόνο (realtime) Διζωνικά Μοντέλα Τα διζωνικά μοντέλα αποτελούν την πρώτη επέκταση και βελτίωση των μονοζωνικών μοντέλων και συνιστούν το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο είδος μοντέλου γόμωσης κυλίνδρου όταν κυρίως μόνο η λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα Otto επιθυμείται να προσομοιωθεί. Σύμφωνα με τα διζωνικά μοντέλα, το περιεχόμενο του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης διαιρείται στην καμένη και την άκαυστη ζώνη. Η άκαυστη ζώνη αποτελείται από ένα μείγμα αέρα, καυσίμου και, ενδεχομένως, κατάλοιπου ή επανακυκλοφορούντος καυσαερίου, ενώ η σύστασή της θεωρείται συνήθως παγωμένη 74

91 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης (frozen), δηλαδή σταθερή. Η καμένη ζώνη αποτελείται από ένα μείγμα προϊόντων καύσης σε χημική ισορροπία. Φαινόμενα διάστασης των συστατικών της καμένης ζώνης λαμβάνονται υπόψη. Τις δύο αυτές ζώνες χωρίζει η φλόγα, η οποία θεωρείται ως μία επιφάνεια ασυνέχειας μηδενικού πάχους. Η τελευταία παραδοχή έρχεται σε συμφωνία με σχετικές πειραματικές μετρήσεις, οι οποίες έχουν δείξει ότι το πάχος της φλόγας εντός του κυλίνδρου κινητήρων Otto κατά τη διάρκεια της καύσης είναι της τάξης του 0.1 mm [1], δηλαδή πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις ενός τυπικού θαλάμου καύσης. Για το λόγο αυτό, η σύσταση της φλόγας δε λαμβάνεται υπόψη στους ενεργειακούς υπολογισμούς. Φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας μεταξύ καμένης και άκαυστης ζώνης δε λαμβάνονται υπόψη. Η θεώρηση της ταυτόχρονης ύπαρξης μίας καμένης και μίας άκαυστης ζώνης κατά τη διάρκεια της καύσης προσεγγίζει ικανοποιητικά την πραγματική διεργασία της καύσης εντός του κυλίνδρου κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Με τον τρόπο αυτό, η θερμοδυναμική κατάσταση του περιεχομένου του κυλίνδρου περιγράφεται σαφώς ρεαλιστικότερα από ότι με τη χρήση των μονοζωνικών μοντέλων. Τα διζωνικά μοντέλα μπορούν εύκολα να συνδυασθούν με προβλεπτικά μοντέλα καύσης. Ωστόσο, όταν τα τελευταία δεν είναι δυνατόν να εφαρμοσθούν λόγω έλλειψης των απαιτούμενων δεδομένων, προκαθορισμένοι ρυθμοί καύσης μπορούν εύκολα, όπως και στην περίπτωση των μονοζωνικών μοντέλων, να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της καύσης. Η θεώρηση καμένης ζώνης εντός του κυλίνδρου επιτρέπει, με τους σχετικούς περιορισμούς λαμβανόμενους υπόψη όπως θα εξηγηθεί παρακάτω, την εφαρμογή μοντέλων σχηματισμού ρύπων. Επίσης, το γεγονός ότι υπολογίζεται η θερμοδυναμική κατάσταση του άκαυστου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης προσφέρει τη δυνατότητα εφαρμογής μοντέλων κρουστικής καύσης. Το βασικό μειονέκτημα των διζωνικών μοντέλων έγκειται στη θεώρηση μίας ομοιόμορφης θερμοκρασίας για όλο το καμένο αέριο. Αυτή η θεώρηση έρχεται σε αντίθεση με την πειραματικά παρατηρούμενη ανάπτυξη θερμοκρασιακής στρωμάτωσης και, συνεπώς, στρωμάτωσης συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου (NO ) στο σύνολο του καμένου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης [6-7], η οποία οφείλεται στο ότι η διεργασία της καύσης στους κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης πραγματοποιείται μέσω διάδοσης φλόγας. Οι θερμοκρασιακές διαφορές ανάμεσα στα στοιχεία του αερίου που καίγονται στην αρχή και το τέλος της καύσης οφείλονται στο γεγονός ότι η διεργασία της αρχικά καύσης και μετέπειτα συμπίεσης του καμένου αερίου είναι εντελώς διαφορετική από τη διεργασία της αρχικά συμπίεσης και μετέπειτα καύσης του καυσίμου μείγματος. Αυτός, ακριβώς, ο περιορισμός των διζωνικών μοντέλων έχει αντίκτυπο και στον ενδεχόμενο υπολογισμό των εκπομπών NO και μονοξειδίου του άνθρακα (CO ) μέσω των αντίστοιχων μοντέλων 75

92 2.2 Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου σχηματισμού τους, λόγω της ισχυρής εξάρτησης του σχηματισμού των ρύπων αυτών από τη θερμοκρασία. Ωστόσο, ο περιορισμός αυτός δεν ασκεί καμία επίδραση στην πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς του κινητήρα [8-9]. Με τη χρήση των διζωνικών μοντέλων, φαινόμενα διαρροών και ροής προς και από τα διάκενα τα θαλάμου καύσης προσομοιώνονται δυσκολότερα από ότι με τα μονοζωνικά μοντέλα ή υιοθετώντας παραδοχές. Τέλος, οι συσχετίσεις μεταφοράς θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου, οι οποίες εφαρμόζονται εν γένει χρησιμοποιώντας τις μέσες ιδιότητες της γόμωσης του κυλίνδρου [10], υπολογίζουν ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας που κατανέμονται στη συνέχεια στις δύο ζώνες της γόμωσης του κυλίνδρου με κάποιες παραδοχές Διζωνικά Μοντέλα Έμμεσης Θερμοκρασιακής Στρωμάτωσης Καμένου Αερίου Σε μία πρώτη προσπάθεια στα πλαίσια ενός διζωνικού μοντέλου να μετριασθεί η επίδραση στον υπολογισμό των εκπομπών NO της μη ρεαλιστικής παραδοχής μίας ενιαίας θερμοκρασίας για το σύνολο του καμένου αερίου, αρχικά οι Blumberg και Kummer [11] και μετέπειτα οι Daneshyar και Watfa [12-13], βασιζόμενοι στο αντίστοιχο μοντέλο των Lavoie et al. [7], εισήγαγαν εμμέσως, δηλαδή χωρίς να συμπεριληφθούν στο μοντέλο ανεξάρτητες καμένες ζώνες, την επίδραση της θερμοκρασιακής στρωμάτωσης του καμένου αερίου στον υπολογισμό του σχηματισμού NO. Αυτό πραγματοποιήθηκε θεωρώντας ότι κάθε στοιχείο του αερίου καίγεται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα κατά τη διάρκεια της καύσης. Μετά την καύση των διαφόρων στοιχείων του αερίου, θεωρήθηκε μηδενικός βαθμός ανάμειξης και μεταφοράς θερμότητας μεταξύ τους εντός του καμένου αερίου. Με τον τρόπο αυτό, κάθε καμένο, πλέον, στοιχείο του αερίου διατηρούσε το δικό του χρονικό ιστορικό θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια της φάσης της καύσης και της φάσης της αποτόνωσης. Έτσι, η θερμοκρασία του καμένου αερίου (ενιαίας καμένης ζώνης) εκφράστηκε τελικά ως συνάρτηση δύο μεταβλητών: α) του χρόνου από τη στιγμή της έναρξης της καύσης και β) του χρόνου από τη στιγμή της καύσης ενός τυχαίου στοιχείου του αερίου, με τη δεύτερη μεταβλητή να περιγράφει στην ουσία την αναπτυσσόμενη στρωμάτωση θερμοκρασιών στο καμένο αέριο. Για την προσομοίωση της καύσης ενός στοιχείου του αερίου, έγινε η παραδοχή ότι αυτό αρχικά καίγεται ισενθαλπικά και κατόπιν συμπιέζεται (ή εκτονώνεται) αδιαβατικά. Επίσης, θεωρήθηκε ότι, για κάθε μία μοίρα γωνίας στροφάλου κατά τη διάρκεια της καύσης, ένα νέο καμένο στοιχείο του αερίου δημιουργείται. Ένας σημαντικός περιορισμός των μοντέλων των Παραπομπών [11-13] ήταν η θεώρηση σταθερών ειδικών θερμοχωρητικοτήτων για την άκαυστη και την καμένη ζώνη, καθώς και αμελητέας μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των ζωνών αυτών και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου. 76

93 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Τα διζωνικά μοντέλα που προσομοιώνουν με τον προαναφερθέντα τρόπο τη στρωμάτωση θερμοκρασιών στο καμένο αέριο μπορούν στην πραγματικότητα να χρησιμοποιηθούν για τη μοντελοποίηση δύο ακραίων καταστάσεων [1]. Συγκεκριμένα, η χρονική κλίμακα που χαρακτηρίζει τη διεργασία της τυρβώδους ανάμειξης στο καμένο αέριο μπορεί να είναι: α) πολύ μικρότερη της συνολικής διάρκειας της καύσης, με συνέπεια να πραγματοποιείται πλήρης ανάμειξη των διαφόρων καμένων στοιχείων του αερίου (περίπτωση πλήρως αναμειγμένου (fully mixed), δηλαδή συνήθους διζωνικού, μοντέλου) και β) πολύ μεγαλύτερη της συνολικής διάρκειας της καύσης, με αποτέλεσμα να απουσιάζουν φαινόμενα ανάμειξης μεταξύ των διαφόρων καμένων στοιχείων του αερίου (περίπτωση μη-αναμειγμένου (unmixed) μοντέλου). Σημειώνεται ότι, στην περίπτωση του πλήρως αναμειγμένου μοντέλου, το καμένο αέριο στο σύνολό του περιγράφεται από μία ενιαία θερμοκρασία και σύσταση. Ωστόσο, έχει διαπιστωθεί μέσω σύγκρισης με πειραματικά μετρημένες τιμές συγκέντρωσης NO ότι το μη-αναμειγμένο μοντέλο προσεγγίζει σε μεγαλύτερο βαθμό την πραγματικότητα από ότι το πλήρως αναμειγμένο μοντέλο [12] Τριζωνικά Μοντέλα Από την έρευνα της σχετικής βιβλιογραφίας προκύπτει ότι μία ξεχωριστή κατηγορία μοντέλων γόμωσης κυλίνδρου μπορεί να συγκροτηθεί από τα τριζωνικά μοντέλα, αν και τα μοντέλα αυτά έχουν τύχει, σε γενικές γραμμές, μικρότερης εφαρμογής από ότι τα μοντέλα των υπόλοιπων κατηγοριών. Τα τριζωνικά μοντέλα έχουν ως βάση τους τα αντίστοιχα διζωνικά, με τη διαφορά ότι η καμένη ζώνη σε αυτή την περίπτωση διαιρείται σε ένα θερμικό οριακό στρώμα, το οποίο βρίσκεται προσκολλημένο στα τοιχώματα του κυλίνδρου, και έναν αδιαβατικό πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από το θερμικό οριακό στρώμα [14-17]. Όλα τα χαρακτηριστικά των διζωνικών μοντέλων ισχύουν με τον ίδιο τρόπο στα τριζωνικά μοντέλα, με την προσθήκη των ιδιαιτεροτήτων που προκύπτουν από την προαναφερθείσα διαίρεση της καμένης ζώνης. Η διαφοροποίηση αυτή σε σχέση με τα διζωνικά μοντέλα αφορά τους υπολογισμούς μεταφοράς θερμότητας και εκπομπών NO που εκτελούνται από το θερμοδυναμικό μοντέλο. Σύμφωνα με τα τριζωνικά μοντέλα, η συναλλαγή θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου στους κινητήρες Otto αποτελεί ένα φαινόμενο οριακού στρώματος και ο υπολογισμός των εκπομπών NO πρέπει να πραγματοποιείται θεωρώντας μία αδιαβατική καμένη ζώνη. Έτσι, θεωρείται ότι η συναλλαγή θερμότητας μεταξύ καμένης ζώνης και τοιχωμάτων κυλίνδρου λαμβάνει χώρα αποκλειστικά από το θερμικό οριακό στρώμα. Η ανάπτυξη του θερμικού οριακού στρώματος πραγματοποιείται με μεταφορά μάζας από τον αδιαβατικό πυρήνα. Για την επίλυση του συστήματος των σχετικών εξισώσεων, απαιτείται μία εκτίμηση της (μέσης) θερμοκρασίας 77

94 2.2 Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου του θερμικού οριακού στρώματος. Συνήθως, για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται μία λογαριθμική σχέση που περιλαμβάνει τη θερμοκρασία των τοιχωμάτων του κυλίνδρου και τη θερμοκρασία του αδιαβατικού πυρήνα. Σχηματισμός NO δε λαμβάνει χώρα στο θερμικό οριακό στρώμα λόγω της χαμηλής του θερμοκρασίας. Όμως, καθώς μάζα μεταφέρεται από τον αδιαβατικό πυρήνα προς το θερμικό οριακό στρώμα, εμφανίζονται τελικά ποσότητες NO στο στρώμα αυτό. Ένα από τα αποτελέσματα των τριζωνικών μοντέλων είναι ότι η διαφοροποίησή τους από τα αντίστοιχα διζωνικά, τα οποία θεωρούν μία ενιαία καμένη ζώνη, μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της θερμοκρασίας του αδιαβατικού πυρήνα της τάξης των 40 K σε σχέση με τη θερμοκρασία που θα είχε η ενιαία καμένη ζώνη των διζωνικών μοντέλων. Αυτό συνεπάγεται μία αντίστοιχη αύξηση της θεωρητικά υπολογισμένης συγκέντρωσης NO της τάξης του 50% [15] Τριζωνικά Μοντέλα Έμμεσης Θερμοκρασιακής Στρωμάτωσης Καμένου Αερίου Συνεχίζοντας προηγούμενες εργασίες διζωνικών μοντέλων που είχαν λάβει έμμεσα υπόψη τους τη θερμοκρασιακή στρωμάτωση του καμένου αερίου [7, 11-13], χωρίς δηλαδή τη θεώρηση ανεξάρτητων καμένων ζωνών, οι Lavoie και Blumberg [18], Chomiak et al. [19] και Rublewski και Heywood [20] ανέπτυξαν τριζωνικά μοντέλα διαίρεσης της καμένης ζώνης σε ένα θερμικό οριακό στρώμα και έναν αδιαβατικό πυρήνα, στα οποία οι ζώνες αυτές ενσωμάτωναν την επίδραση της σταδιακής καύσης των στοιχείων του αερίου, προσομοιώνοντας τελικά την κλίση θερμοκρασιών που αναπτύσσεται στο καμένο αέριο. Όπως και στα αντίστοιχα διζωνικά μοντέλα [7, 11-13], κάθε στοιχείο του αερίου θεωρούταν ότι καίγεται ισενθαλπικά. Κατόπιν, όμως, η διεργασία της μεταφοράς θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου εξελισσόταν ως ένα φαινόμενο οριακού στρώματος. Αυτό σήμαινε ότι θερμότητα απομακρυνόταν από το αναπτυσσόμενο θερμικό οριακό στρώμα, ενώ ο πυρήνας του καμένου αερίου θεωρούταν αδιαβατικός. Βασική παραδοχή των μοντέλων των Παραπομπών [18-19] αποτελούσε η θεώρηση σταθερών ειδικών θερμοχωρητικοτήτων για την άκαυστη και την καμένη ζώνη, καθώς και η προσέγγιση αδιαβατικής μεταβολής για την άκαυστη ζώνη Πολυζωνικά Μοντέλα Τα πολυζωνικά μοντέλα κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης αποτελούν την τελευταία εξέλιξη και βελτίωση στην περιοχή των μοντέλων γόμωσης κυλίνδρου [21-29]. Τα μοντέλα αυτά έχουν ως στόχο τους την όσο το δυνατόν ρεαλιστικότερη περιγραφή της 78

95 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης θερμοδυναμικής κατάστασης του περιεχομένου του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης για την όσο το δυνατόν ακριβέστερη πρόβλεψη των εκπεμπόμενων ρύπων. Ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζεται η θερμοκρασιακή στρωμάτωση του καμένου αερίου με βάση τα μοντέλα αυτά πλεονεκτεί της αντίστοιχης προσέγγισης των διζωνικών και τριζωνικών μοντέλων που προσομοιώνουν με έμμεσο τρόπο την εν λόγω κλίση θερμοκρασιών (βλέπε Υποπαραγράφους και , αντίστοιχα), καθώς δε γίνεται πλέον χρήση των διαφόρων παραδοχών των τελευταίων μοντέλων. Το χαρακτηριστικό των πολυζωνικών μοντέλων είναι η διαίρεση του καμένου αερίου σε επιμέρους ζώνες. Κάθε καμένη ζώνη θεωρείται ανεξάρτητη από τις υπόλοιπες, καθώς φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και μάζας ανάμεσα στις διάφορες καμένες ζώνες αμελούνται. Έτσι, κάθε καμένη ζώνη διατηρεί το δικό της χρονικό ιστορικό θερμοκρασιών και συστάσεων. Με τον τρόπο αυτό, προσομοιώνεται η θερμοκρασιακή στρωμάτωση του καμένου αερίου. Κατά κανόνα, χρησιμοποιείται ένας όχι υπερβολικά μεγάλος αριθμός καμένων ζωνών, διότι συνήθως η τυρβώδης ανάμειξη του καμένου αερίου περιορίζει τις διαφορές θερμοκρασίας ανάμεσα στις καμένες ζώνες, μειώνοντας τη σχετική κλίση θερμοκρασιών. Το πολυζωνικό μοντέλο των Raine et al. [21] υπήρξε ένα από τα πρώτα που χρησιμοποίησε πολλαπλές καμένες ζώνες για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης του καμένου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, η διεργασία της καύσης πραγματοποιείται πλέον σταδιακά μέσα σε μία καμένη ζώνη (την τελευταία δημιουργούμενη), σε αντίθεση με τα παλαιότερα μοντέλα [7, 11-13, 18-20], όπου, σε κάθε βήμα γωνίας στροφάλου, ένα νέο στοιχείο του αερίου του κυλίνδρου καιγόταν. Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του καμένου αερίου και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα ομοιόμορφα από όλες τις καμένες ζώνες. Εφαρμογή του πολυζωνικού μοντέλου με 5 έως 10 καμένες ζώνες συνήθως αρκούσε για ένα ρεαλιστικό υπολογισμό των εκπομπών NO. Ανάμεσα στους περιορισμούς του μοντέλου αυτού, σημαντική θέση κατείχε το γεγονός ότι δε μπορούσε να λάβει υπόψη του την πραγματική γεωμετρία του θαλάμου καύσης, αφού χρησιμοποιούσε ένα 0-διαστατικό μοντέλο καύσης (βλέπε Παράγραφο 2.3). Για τον ίδιο λόγο, τα εμβαδά των επιφανειών μεταφοράς θερμότητας των διαφόρων ζωνών με τα τοιχώματα του κυλίνδρου υπολογίζονταν χρησιμοποιώντας αναγκαστικά μία προσεγγιστική σχέση. Επίσης, το γεγονός ότι το μοντέλο χρησιμοποιούσε μία κοινή θερμοκρασία για όλες τις επιφάνειες του θαλάμου καύσης (κεφαλή κυλίνδρου, πλευρικά τοιχώματα κυλίνδρου, έμβολο) απέχει από αυτό που συνήθως συμβαίνει στην πράξη, αφού οι θερμοκρασίες αυτών των επιφανειών δεν είναι κατ ανάγκη ίδιες κατά τη διάρκεια της καύσης [1]. Τέλος, φαινόμενα διαρροών του αερίου του κυλίνδρου προς το 79

96 2.2 Μοντέλα Γόμωσης Κυλίνδρου στροφαλοθάλαμο μπορούσαν να προσομοιωθούν μόνο χρησιμοποιώντας εμπειρικές σχέσεις. Το προηγούμενο μοντέλο των Raine et al. [21] έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά μέσω σύγκρισης τόσο με μετρημένες συγκεντρώσεις NO στην εξαγωγή των καυσαερίων σε επίπεδο μέσου κύκλου λειτουργίας (mean cycle) [21] και σε επίπεδο διαδοχικών κύκλων λειτουργίας με κυκλική διασπορά (cycle-by-cycle) [22] όσο και με μετρήσεις της θερμοκρασίας του καμένου αερίου [23]. Εκτός από τη χρήση του σε συμβατικούς κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης, το συγκεκριμένο μοντέλο προσφέρει τη δυνατότητα να προσομοιωθούν με απλό και εύκολο τρόπο κινητήρες Otto στρωματικής γόμωσης (stratified charge) [24], για τη διερεύνηση της επίδρασης του (συνολικού) λόγου ισοδυναμίας καυσίμου και του βαθμού της στρωματοποίησης του καυσίμου μείγματος στις εκπομπές NO και την ειδική κατανάλωση καυσίμου. Με σκοπό την όσο το δυνατόν ακριβέστερη πρόβλεψη των εκπομπών NO από κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης, οι D Errico et al. [25-26] εξέτασαν την εφαρμογή δύο ξεχωριστών πολυζωνικών μοντέλων. Σύμφωνα με το πρώτο μοντέλο [25], η καμένη περιοχή του κυλίνδρου χωρίζεται σε έναν αδιαβατικό πυρήνα και ένα θερμικό οριακό στρώμα. Ο αδιαβατικός πυρήνας διαιρείται περαιτέρω σε έναν (προκαθορισμένο) αριθμό καμένων ζωνών σταθερής μάζας. Ακολούθως, γίνεται η θεώρηση ότι τα διάφορα στοιχεία του αερίου που καίγονται σε διαφορετικές χρονικές στιγμές δεν αναμειγνύονται μεταξύ τους, με την κάθε καμένη ζώνη να συμπιέζεται και να εκτονώνεται αδιαβατικά. Το δεύτερο μοντέλο [25-26] διαφοροποιούταν από το πρώτο στο ότι δεν περιελάμβανε το θερμικό οριακό στρώμα. Επίσης, η θερμοκρασία κάθε καμένης ζώνης υπολογιζόταν με βάση την αδιαβατική συμπίεση και εκτόνωσή της από τις συνθήκες του προηγούμενου υπολογιστικού βήματος, αφού πρώτα η τιμή της είχε διορθωθεί λαμβάνοντας υπόψη τη μεταφορά θερμότητας με τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Αξιολογώντας την προβλεπτική ικανότητα των δύο προηγούμενων πολυζωνικών μοντέλων, οι D Errico et al. [25] διαπίστωσαν ότι τα αποτελέσματα του μοντέλου του θερμικού οριακού στρώματος πλησίαζαν πειραματικές τιμές συγκέντρωσης NO με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι τα αντίστοιχα αποτελέσματα του μοντέλου χωρίς το θερμικό οριακό στρώμα. Ωστόσο, η εφαρμογή ενός ρευστομηχανικού μοντέλου καύσης [26] στον κύλινδρο του εξεταζόμενου κινητήρα της Παραπομπής [25] κατέδειξε ότι, παρά το ότι αναπτύσσεται έντονη κλίση θερμοκρασιών κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου στην περιοχή του καμένου αερίου, η χωρική κατανομή της συγκέντρωσης του σχηματιζόμενου NO δεν παρουσιάζει καμία στρωμάτωση τιμών σε αυτή τη συγκεκριμένη περιοχή του θαλάμου καύσης, ενισχύοντας την υπόθεση ότι η στρωμάτωση συγκεντρώσεων NO στο 80

97 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης καμένο αέριο μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς τη θεώρηση ενός θερμικού οριακού στρώματος. Ένα ειδικής μορφής πολυζωνικό μοντέλο κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης κατασκευάσθηκε από τους Ahmedi et al. [27] για την εξέταση της επίδρασης της συγκέντρωσης του NO, το οποίο ενδέχεται να βρίσκεται στα επανακυκλοφορούντα ή κατάλοιπα καυσαέρια, στην τάση του κινητήρα προς κρουστική καύση. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του μοντέλου αυτού ήταν ότι η σύσταση κάθε ζώνης (καμένων και άκαυστης) υπολογιζόταν με βάση ένα λεπτομερή μηχανισμό χημικής κινητικής. Το ενδιαφέρον εστιαζόταν στις χημικές διεργασίες που εξελίσσονται στην άκαυστη ζώνη πριν την έναυση του μείγματος από το σπινθηριστή. Εκτός από τις συνήθεις εξισώσεις διατήρησης μάζας και ενέργειας, η εξίσωση διατήρησης των συστατικών εφαρμοζόταν σε κάθε ζώνη, λαμβάνοντας υπόψη το σχηματισμό και την καταστροφή των διαφόρων συστατικών με βάση τις ταχύτητες (εξέλιξης) των χημικών αντιδράσεων στις οποίες τα συστατικά αυτά συμμετέχουν. Ο αριθμός των καμένων ζωνών καθοριζόταν με βάση τη θερμοκρασιακή διαφορά της φλόγας από την τελευταία δημιουργούμενη καμένη ζώνη. Ο βασικός στόχος του μοντέλου αυτού ήταν ο όσο το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός της συγκέντρωσης του NO στα καυσαέρια του κινητήρα μέσω της πολυζωνικής διαμόρφωσης του καμένου αερίου, με σκοπό να εξετασθεί η επίδραση του συστατικού αυτού στην εξέλιξη των αντιδράσεων χαμηλής θερμοκρασίας του άκαυστου αερίου, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε φαινόμενα αυτανάφλεξης. Τέλος, οι Baratta et al. [28-29] ανέπτυξαν ένα πολυζωνικό μοντέλο για το καμένο αέριο το οποίο συνδύασαν με ένα οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης (βλέπε Παράγραφο 2.3). Ακολουθώντας την προσέγγιση σφαιρικής διάδοσης του μετώπου της φλόγας με κέντρο το σημείο του σπινθηριστή, οι καμένες ζώνες θεωρήθηκαν ως σφαιρικά κελύφη (shells), με την κάθε καμένη ζώνη να βρίσκεται τοποθετημένη επάνω από την αμέσως προηγούμενή της. Με τον τρόπο αυτό, το εμβαδό της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας κάθε καμένης ζώνης με τα τοιχώματα του κυλίνδρου υπολογίστηκε με ρεαλιστικό τρόπο με βάση την ίδια τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του μετώπου της φλόγας. 81

98 2.3 Μοντέλα Καύσης 2.3 Μοντέλα Καύσης Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης παρουσιάζουν τη μοναδική ιδιαιτερότητα σε σχέση με τις υπόλοιπες θερμικές μηχανές της άμεσης σύνδεσης της διεργασίας της καύσης με τα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους, δηλαδή την παραγόμενη ισχύ, το βαθμό απόδοσης, καθώς και τις εκπομπές ρύπων. Ταυτόχρονα, οι λεπτομέρειες όλων των υπόλοιπων φάσεων του πλήρους κύκλου λειτουργίας τους, δηλαδή της εισαγωγής, της συμπίεσης, της αποτόνωσης και της εξαγωγής, επηρεάζουν άμεσα τη φάση της καύσης. Για το λόγο αυτό, το μοντέλο καύσης αποτελεί μία από τις σημαντικότερες συνιστώσες κάθε μοντέλου προσομοίωσης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης [1-2, 30-31]. Τα θέματα τα οποία καλείται να αντιμετωπίσει κάθε μοντέλο καύσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης μπορούν να ομαδοποιηθούν στις επόμενες τρεις κατηγορίες [30]: α) λειτουργική συμπεριφορά (ισχύς, βαθμός απόδοσης), β) εκπομπές ρύπων και γ) κρουστική καύση. Η συσχέτιση αυτών των θεμάτων με τη διεργασία της καύσης σε έναν κινητήρα Otto προαναμειγμένης γόμωσης φαίνεται στο Σχήμα 1.6. Η ίδια η διάδοση της φλόγας μέσα στο θάλαμο καύσης προσδιορίζει τη θερμοδυναμική κατάσταση του καμένου και του άκαυστου αερίου, καθορίζοντας την παραγόμενη ισχύ και το βαθμό απόδοσης του κινητήρα. Το NO σχηματίζεται κατά κύριο λόγο μέσα στο καμένο αέριο, το οποίο βρίσκεται πίσω από τη φλόγα, στην οποία λαμβάνει χώρα η καύση. Τα επίπεδα σχηματισμού του CO καθορίζονται από τη σύσταση του καμένου αερίου στην περίπτωση πλούσιων μειγμάτων, ενώ οι περιοχές σβέσης της φλόγας κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης συνεισφέρουν σημαντικά στις εκπομπές CO καθώς το μείγμα καθίσταται πτωχό. Οι εκπεμπόμενοι υδρογονάνθρακες προέρχονται εν μέρει από τα διάκενα του θαλάμου, στα οποία δεν μπορεί να υπάρξει διάδοση της φλόγας, καθώς και από τις περιοχές κοντά στα τοιχώματα όπου πραγματοποιείται σβέση της φλόγας. Τέλος, η πιθανότητα εμφάνισης κρουστικής καύσης εξαρτάται από τη θερμοδυναμική κατάσταση του άκαυστου αερίου και τα χαρακτηριστικά του καυσίμου. Όπως εξηγήθηκε ήδη στην Παράγραφο 1.2, η καύση σε έναν κινητήρα Otto προαναμειγμένης γόμωσης αποτελεί μία περίπλοκη διεργασία. Συνεπώς, κάθε προσπάθεια μοντελοποίησής της συναντά αναπόφευκτα δυσκολίες στην ακριβή περιγραφή των διαφόρων εμπλεκόμενων επιμέρους διεργασιών. Ανεξάρτητα, όμως, από αυτές τις εγγενείς αδυναμίες, η προσφορά των μοντέλων καύσης είναι σαφώς αναγνωρισμένη, καθώς με τη βοήθειά τους επιτυγχάνεται: α) η κατανόηση των σπουδαιότερων φυσικών και χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα εντός του κυλίνδρου, η οποία προκύπτει από τις απαιτήσεις της ανάπτυξης του μοντέλου, β) ο εντοπισμός των σημαντικών παραγόντων που ελέγχουν τη διεργασία της καύσης, μέσω του οποίου παρέχονται κατευθυντήριες γραμμές για περισσότερο ορθολογιστικό και, επομένως, οικονομικό σχεδιασμό πειραμάτων, 82

99 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης και γ) η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του κινητήρα σε ένα μεγάλο εύρος λειτουργικών και σχεδιαστικών παραμέτρων του, η οποία, εάν το μοντέλο είναι επαρκώς ακριβές, μπορεί να αξιοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση και τον έλεγχο του κινητήρα. Το κύριο κριτήριο με βάση το οποίο κατηγοριοποιούνται τα μοντέλα καύσης που χρησιμοποιούνται σε θερμοδυναμικά μοντέλα προσομοίωσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης είναι το εάν λαμβάνεται υπόψη η χωρική θεώρηση του φαινομένου της διάδοσης της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης. Έτσι, τα μοντέλα καύσης διακρίνονται γενικά στις εξής δύο κατηγορίες: τα 0-διαστατικά μοντέλα καύσης (zero-dimensional combustion models) και τα οιονεί-διαστατικά μοντέλα καύσης (quasi-dimensional combustion models). Η βασική διαφορά των δύο αυτών κατηγοριών έγκειται στο ότι τα 0-διαστατικά μοντέλα καύσης αγνοούν τη διεργασία της διάδοσης της φλόγας και τη γεωμετρία του θαλάμου καύσης, ενώ τα οιονεί-διαστατικά μοντέλα καύσης βασίζονται στην προσομοίωση της διάδοσης ενός (συνήθως) σφαιρικού μετώπου προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας, με κέντρο (συνήθως) το σημείο του σπινθηριστή, εντός ενός θαλάμου καύσης συγκεκριμένης γεωμετρίας Διαστατικά Μοντέλα Καύσης Τα μοντέλα καύσης που ανήκουν στην κατηγορία αυτή, εκτός από το ότι δεν παρέχουν χωρικές πληροφορίες για την εξέλιξη του φαινομένου της καύσης εντός του κυλίνδρου, χαρακτηρίζονται από το ότι αποτελούν στην ουσία εμπειρικές μαθηματικές εκφράσεις για την περιγραφή προκαθορισμένων χρονικών ιστορικών καύσης [1-2, 30-32]. Ανάλογα με τη μορφή της μαθηματικής συνάρτησης που χρησιμοποιούν για την περιγραφή της πορείας της καύσης, τα 0-διαστατικά μοντέλα καύσης διακρίνονται στις εξής τρεις κατηγορίες: τη συνημιτονοειδή συνάρτηση (cosine function) τη συνάρτηση Wiebe (Wiebe function) και την τριγωνική συνάρτηση (triangular function). Σημειώνεται ότι οι δύο πρώτες συναρτήσεις αφορούν την περιγραφή του κλάσματος καμένης μάζας (mass fraction burned), ενώ η τρίτη την περιγραφή του ρυθμού μεταβολής του. Οι ρυθμοί έκλυσης θερμότητας ή, εναλλακτικά, οι καμπύλες του κλάσματος καμένης μάζας που περιγράφουν χρονικά ιστορικά καύσης εξάγονται με χρήση ανάλυσης έκλυσης θερμότητας (heat release analysis) ή ανάλυσης ρυθμού καύσης (burn rate analysis), αντίστοιχα, με βάση πειραματικά μετρημένα διαγράμματα πίεσης κυλίνδρου. Τα 0-83

100 2.3 Μοντέλα Καύσης διαστατικά μοντέλα καύσης περιέχουν αναγκαστικά σταθερές βαθμονόμησης, οι οποίες πρέπει να εκτιμηθούν σε κάθε σημείο λειτουργίας ξεχωριστά με τέτοιο τρόπο ώστε, τελικά, το χρονικό ιστορικό καύσης που προσομοιώνεται από τα μοντέλα αυτά να αναπαράγει με τον πιστότερο δυνατό τρόπο το αντίστοιχο (εκ των προτέρων γνωστό) πειραματικό. Καθίσταται, λοιπόν, σαφές ότι ο χαρακτηρισμός αυτών των μαθηματικών εκφράσεων προσομοίωσης προκαθορισμένων χρονικών ιστορικών καύσης ως μοντέλων καύσης οφείλεται απλά στο ότι μπορούν να περιγράψουν το φαινόμενο της καύσης, αλλά σε καμία περίπτωση να το προβλέψουν, εφόσον δε λαμβάνουν υπόψη τους τη φυσική του μηχανισμού της καύσης. Για το λόγο αυτό, κάθε φορά που κάποια από τις συνθήκες λειτουργίας, όπως π.χ. η ταχύτητα περιστροφής, η γωνία ανοίγματος της ρυθμιστικής δικλείδας, ο λόγος ισοδυναμίας καυσίμου, το ποσοστό του επανακυκλοφορούντος ή παραμένοντος καυσαερίου και ο χρονισμός έναυσης, του κινητήρα Otto μεταβάλλεται, μία νέα ανάλυση έκλυσης θερμότητας ή ανάλυση ρυθμού καύσης πρέπει εν γένει να προηγηθεί, βασισμένη στο πειραματικά μετρημένο διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου του νέου σημείου λειτουργίας του κινητήρα, ώστε να εκτιμηθούν εκ νέου ορισμένες (τουλάχιστον) από τις σταθερές βαθμονόμησης των 0-διαστατικών μοντέλων καύσης. Εκτός από τις σταθερές βαθμονόμησης που εξαρτώνται από το εκάστοτε σημείο λειτουργίας του κινητήρα, υπάρχουν ορισμένες σταθερές βαθμονόμησης που παραμένουν αμετάβλητες για έναν κινητήρα, ανεξαρτήτως των συνθηκών λειτουργίας του. Από τη στιγμή που οι τιμές των συγκεκριμένων σταθερών προσδιορισθούν σε ένα οποιοδήποτε σημείο λειτουργίας του κινητήρα, οι τιμές αυτές χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της καύσης και άλλων σημείων λειτουργίας του ίδιου κινητήρα. Βασικό πλεονέκτημα των 0-διαστατικών μοντέλων καύσης ως μεθόδων περιγραφής της εξέλιξης της καύσης αποτελεί η αμεσότητα της εφαρμογής τους σε μοντέλα προσομοίωσης του κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μοντέλα, ολόκληρη η διάρκεια της φάσης της καύσης προσομοιώνεται με έναν ενιαίο τρόπο, σε αντίθεση με την περίπτωση χρησιμοποίησης καθαρά προβλεπτικών μοντέλων καύσης, όπου συνήθως απαιτούνται ξεχωριστά μοντέλα προσομοίωσης των διαφόρων σταδίων της καύσης, όπως: α) της έναυσης, β) της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, γ) της διάδοσης της φλόγας και δ) του τερματισμού της φλόγας [1]. Η χρήση των 0-διαστατικών μοντέλων καύσης καθίσταται ιδιαιτέρως ελκυστική στις περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατόν να εφαρμοσθεί καθαρά προβλεπτικό μοντέλο καύσης, όπως π.χ. όταν υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με τη γεωμετρία του θαλάμου καύσης ή τις φυσικοχημικές ιδιότητες του καυσίμου μείγματος (π.χ. στρωτή ταχύτητα καύσης). Για την ευχερέστερη κατανόηση των εξισώσεων των διαφόρων 0-διαστατικών μοντέλων καύσης που παρουσιάζονται παρακάτω, παρέχεται το Σχήμα 2.1 [30], το οποίο 84

101 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης απεικονίζει ποιοτικά τη συνήθη μορφή της καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας, όπως αυτή εξάγεται μετά από ανάλυση έκλυσης θερμότητας ή ανάλυση ρυθμού καύσης πειραματικά μετρημένων διαγραμμάτων πίεσης κυλίνδρου κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Στο σχήμα αυτό, το διάστημα από τη γωνία στροφάλου τη στιγμή της έναυσης του μείγματος, θ IT, μέσω της ηλεκτρικής εκκένωσης του σπινθηριστή, έως τη γωνία στροφάλου τη στιγμή της αρχής της καύσης, θ SOC, αναπαριστά τη διάρκεια της λεγόμενης καθυστέρησης ανάφλεξης (ignition delay) * : Δ θid = θsoc θit (2.3.1) Επίσης, η διάρκεια της καύσης ορίζεται ως το διάστημα από τη γωνία στροφάλου τη στιγμή του τέλους της καθυστέρησης ανάφλεξης έως τη γωνία στροφάλου τη στιγμή του τέλους της καύσης, θ EOC, δίνοντας: Δ θb = θeoc θsoc (2.3.2) Κλάσμα καμένης μάζας Σχήμα 2.1. Γωνία στροφάλου Ποιοτική απεικόνιση της συνήθους μορφής της καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης, όπως προκύπτει μετά από ανάλυση έκλυσης θερμότητας ή ανάλυση ρυθμού καύσης. * Ο όρος καθυστέρηση ανάφλεξης δε χρησιμοποιείται συνήθως στην περίπτωση των κινητήρων Otto διότι η φλόγα, μετά την ηλεκτρική εκκένωση του σπινθηριστή και τον αρχικό σχηματισμό της, ξεκινά αμέσως την ανάπτυξη και μετέπειτα διάδοσή της και, συνεπώς, δεν υφίσταται η έννοια της καθυστέρησης [1]. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία απλά για να περιγράψει το χρονικό διάστημα που απαιτείται να παρέλθει από τη στιγμή της έναυσης έως ότου η τιμή του κλάσματος καμένης μάζας αρχίσει να αποκλίνει αισθητά από την τιμή μηδέν. 85

102 2.3 Μοντέλα Καύσης Οι διάφορες πειραματικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό της διεργασίας της καύσης σε κινητήρες Otto, οι οποίες στηρίζονται στην επεξεργασία πειραματικά μετρημένων διαγραμμάτων πίεσης κυλίνδρου, παρουσιάζουν συνήθως δυσκολίες και αβεβαιότητες σε ό,τι αφορά τον ακριβή προσδιορισμό της αρχής και του τέλους της καύσης [33]. Για το λόγο αυτό, αυτές οι δύο χρονικές στιγμές συνήθως ορίζονται με κάποιον αυθαίρετο αλλά περισσότερο ασφαλή τρόπο, παρέχοντας στη θέση των και Δ θ b τα εναλλακτικά μεγέθη Δ θ ' id και Δ θ ' b, αντιστοίχως. Ως Δ θ id Δ θ ' id ορίζεται το διάστημα από τη γωνία στροφάλου τη στιγμή της έναυσης έως τη γωνία στροφάλου τη στιγμή όπου το 1% ή, εναλλακτικά, το 5% ή το 10% της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου έχει καεί και είναι γνωστό ως γωνία ανάπτυξης της φλόγας (flame-development angle), ενώ ως Δ θ ' b ορίζεται το διάστημα από το τέλος του προηγούμενου διαστήματος έως τη γωνία στροφάλου τη στιγμή όπου το 90% της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου έχει καεί και ονομάζεται γωνία ταχείας καύσης (rapid-burning angle) [1]. Το άθροισμα των δύο προηγούμενων διαστημάτων, Δ θ' + Δ θ', ορίζει τη λεγόμενη ολική γωνία καύσης (overall burning angle) [1]. Τα τρία αυτά διαστήματα, γωνίες καύσης. Τα μεγέθη 2.1. id b Δ θ ' id, Δ θ id, Δ θ b, Δ θ ' id και Δ ' και Δ θ' + Δ θ', είναι γνωστά ως θ b id Δ θ ' b παρουσιάζονται γραφικά στο Σχήμα b Συνημιτονοειδής Συνάρτηση Μία από τις πρώτες συναρτησιακές σχέσεις που χρησιμοποιήθηκαν για να περιγράψουν την πορεία της έκλυσης θερμότητας κατά την καύση σε κινητήρες Otto, σε μία προσπάθεια να πραγματοποιηθεί προσαρμογή σε αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα, είναι η συνημιτονοειδής συνάρτηση [11, 18, 30, 34]: x b 1 θ θ = 1 cos π 2 Δθ SOC b (2.3.3) όπου x = m m το κλάσμα καμένης μάζας. b b Στο Σχήμα 2.2, φαίνεται ο βαθμός προσαρμογής μίας τέτοιας συνάρτησης στις πειραματικές τιμές του κλάσματος καμένης μάζας κατά τη διάρκεια της καύσης ενός κινητήρα Otto για διάφορες προπορείες έναυσης [18]. Η συγκεκριμένη έκφραση της απεικονιζόμενης συνάρτησης προήλθε θέτοντας στην Εξίσωση (2.3.3) για τις γωνίες στροφάλου στην αρχή και το τέλος της καύσης τις εξής τιμές: θ ( ) = θ και SOC 0.05 θ = θ θ θ, αντίστοιχα, λόγω αδυναμίας ακριβούς προσδιορισμού των EOC πραγματικών γωνιών στροφάλου όπου εκκινεί και τερματίζεται η διεργασία της καύσης. 86

103 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Διακρίνεται σημαντική απόκλιση από τα πειραματικά δεδομένα στο πρώτο μισό της διάρκειας της καύσης, ενώ, στο δεύτερο μισό, η ακρίβεια της συνάρτησης είναι αρκετά μεγάλη. Σχήμα 2.2. Προσαρμογή συνημιτονοειδούς συνάρτησης σε πειραματικές τιμές κλάσματος καμένης μάζας για διάφορες προπορείες έναυσης. Η Εξίσωση (2.3.3) περιλαμβάνει ως σταθερές βαθμονόμησης μόνο τη γωνία στροφάλου στην αρχή της καύσης και τη διάρκεια της καύσης. Έτσι, η εφαρμογή της σε θερμοδυναμικά μοντέλα προσομοίωσης του κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto μπορεί να γίνει άμεσα χωρίς δυσκολίες. Ωστόσο, το γεγονός της έλλειψης επιπρόσθετων σταθερών βαθμονόμησης μειώνει την ευελιξία της για καλύτερη προσαρμογή σε πειραματικά δεδομένα Συνάρτηση Wiebe Η συνάρτηση Wiebe αποτελεί το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο 0-διαστατικό μοντέλο καύσης, συνδυάζοντας απλότητα εφαρμογής και διευρυμένες δυνατότητες προσαρμογής σε πειραματικά δεδομένα λόγω των επιπρόσθετων σταθερών βαθμονόμησης που περιέχει συγκριτικά με τη συνημιτονοειδή συνάρτηση. Η πιο γνωστή έκφραση της συνάρτησης Wiebe είναι η εξής [1-2, 30-31, 34]: x b θ θsoc = 1 exp a Δθb m+ 1 (2.3.4) όπου a και m η παράμετρος απόδοσης (efficiency parameter) και ο παράγοντας μορφής (form factor) της συνάρτησης, αντίστοιχα (σταθερές βαθμονόμησης). Λόγω του ότι η συνάρτηση Wiebe αποτελεί το 0-διαστατικό μοντέλο καύσης που χρησιμοποιείται στην 87

104 θ SOC θ max θ EOC 2.3 Μοντέλα Καύσης παρούσα εργασία, περισσότερες πληροφορίες για αυτή παρέχονται στην Υποπαράγραφο 4.4.3, όπου και περιγράφεται αναλυτικά Τριγωνική Συνάρτηση Μολονότι η τριγωνική συνάρτηση έχει εφαρμοσθεί για την περιγραφή του ρυθμού καύσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης ουσιαστικά μόνο από μία συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα [35-38] και, συνεπώς, η χρήση της δε μπορεί να θεωρηθεί ιδιαιτέρως διαδεδομένη, η διαφοροποίηση της μαθηματικής της έκφρασης από αυτές των δύο προηγούμενων συναρτήσεων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Αφετηρία για τη χρησιμοποίηση της τριγωνικής συνάρτησης ως έκφρασης περιγραφής του ρυθμού καύσης αποτέλεσε η παρατήρηση ότι τα πειραματικά εξαγόμενα διαγράμματα του ρυθμού καύσης παρουσιάζουν, ανεξαρτήτως συνθηκών λειτουργίας, ουσιαστικά μία σταθερή μορφή, η οποία προσεγγίζει σε μεγάλο βαθμό το σχήμα ενός τριγώνου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.3 [35-36], στο οποίο απεικονίζεται επίσης η αντίστοιχη συνάρτηση Wiebe. Από το ίδιο σχήμα προκύπτει ότι η μορφή του ρυθμού καύσης μπορεί να προσδιορισθεί με βάση δύο κύρια χαρακτηριστικά: α) τη διάρκεια της καύσης και β) το μέγιστο ρυθμό καύσης. Τονίζεται ότι, στο Σχήμα 2.3, το εμβαδό της περιοχής που περικλείεται εντός του διαγράμματος του ρυθμού καύσης αναπαριστά τη συνολική μάζα της γόμωσης του κυλίνδρου. Διακρίνεται, επιπλέον, το μικρό διάστημα γωνίας στροφάλου που παρέρχεται από τη στιγμή της έναυσης έως ότου καεί μία αισθητή ποσότητα μάζας, αναπαριστώντας την καθυστέρηση ανάφλεξης. Σχήμα 2.3. Σύγκριση μεταξύ πειραματικά εξαγόμενων και υπολογισμένων ρυθμών καύσης για την εισαγωγή της τριγωνικής συνάρτησης ως έκφρασης περιγραφής του ρυθμού καύσης. 88

105 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Με βάση, λοιπόν, τις προηγούμενες παρατηρήσεις, ο ρυθμός μεταβολής του κλάσματος καμένης μάζας μπορεί να εκφρασθεί ως εξής [35-36]: όπου dxb 2 = σ (2.3.5) dθ Δθ b θ θsoc θmax θ σ = θeoc θ θeoc θ SOC max,, θ θ θ SOC θ θ θ max max EOC (2.3.6) και θ max η γωνία στροφάλου του μέγιστου ρυθμού καύσης. Στο σημείο αυτό, συνήθως θεωρείται, σύμφωνα με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα, ότι ο μέγιστος ρυθμός καύσης παρουσιάζεται περίπου στα 2/3 της διάρκειας της καύσης [35-36] Οιονεί-Διαστατικά Μοντέλα Καύσης Τα οιονεί-διαστατικά μοντέλα καύσης, σε αντίθεση με τα 0-διαστατικά, επιχειρούν να προβλέψουν το ρυθμό καύσης στον κύλινδρο των κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης συναρτήσει των λειτουργικών και σχεδιαστικών παραμέτρων τους. Τα μοντέλα αυτά, ανάλογα με τις παραδοχές που ενσωματώνουν, λαμβάνουν υπόψη τους, με διάφορα επίπεδα ακρίβειας, τη γεωμετρία του θαλάμου καύσης, τις φυσικοχημικές ιδιότητες του καυσίμου μείγματος και το τυρβώδες (ορισμένες φορές και το μέσο) πεδίο ροής του κυλίνδρου. Οι περισσότερες από τις συσχετίσεις που χρησιμοποιούν είναι ημι-εμπειρικές. Όμως, αυτές έχουν ως βάση τους τη φαινομενολογία των σχετικών διεργασιών. Τα οιονείδιαστατικά μοντέλα καύσης δε μπορούν να εφαρμοσθούν χρησιμοποιώντας μονοζωνικά μοντέλα για τη γόμωση του κυλίνδρου, διότι προϋποθέτουν τη θεώρηση καμένης και άκαυστης ζώνης. Όπως προαναφέρθηκε, η πρόβλεψη του ρυθμού καύσης πραγματοποιείται προσομοιώνοντας τη διάδοση του μετώπου της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης, καθώς η φλόγα κινείται από το σημείο του σπινθηριστή προς τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Σε ό,τι έχει σχέση με τη φύση της φλόγας, πρόκειται για μία προαναμειγμένη φλόγα, η οποία υφίσταται τις επιδράσεις του τυρβώδους πεδίου ροής του κυλίνδρου. Επίσης, θεωρείται συνήθως ότι το μέτωπο της φλόγας, το οποίο χωρίζει την καμένη από την άκαυστη ζώνη, είναι μία σφαιρική επιφάνεια με κέντρο τη θέση του σπινθηριστή. Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν, μέσω ενός γεωμετρικού μοντέλου, να υπολογισθεί τόσο το εμβαδό του μετώπου 89

106 2.3 Μοντέλα Καύσης της φλόγας όσο και το εμβαδό της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας της καμένης και της άκαυστης ζώνης με τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Η υπόθεση σφαιρικής μορφής για το μέτωπο της φλόγας έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά μετά από επεξεργασία εικόνων φλόγας κινητήρων Otto που παρέχουν οπτική πρόσβαση του θαλάμου καύσης τους [39-41]. Μόνο κάτω από την επίδραση έντονης συστροφής ή/και σύνθλιψης (squish) της ροής εντός του κυλίνδρου, η μορφή της φλόγας μπορεί να αποκλίνει από τη σφαιρική [1]. Μοντέλα προσομοίωσης διάδοσης φλόγας που λαμβάνουν υπόψη τους αλλαγή της μορφής της από σφαιρική σε ελλειψοειδή έχουν ήδη προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία [42]. Για να συμβεί μία τέτοια αλλαγή στη μορφή της φλόγας θα πρέπει η ακτίνα της αναπτυσσόμενης φλόγας κατά το αρχικό στάδιο της καύσης να είναι μικρότερη από την απόσταση μεταφοράς του κέντρου της φλόγας από τον σπινθηριστή, με την τελευταία να υπολογίζεται με βάση την πειραματικά μετρούμενη ταχύτητα μεταφοράς του κέντρου της φλόγας. Σε ό,τι έχει σχέση με την υπόθεση σταθερότητας του κέντρου της φλόγας στο σημείο της έναυσης, έχει ήδη γίνει γνωστό από πειραματικές παρατηρήσεις [39-41] ότι μία τέτοια θεώρηση δεν είναι απολύτως ακριβής. Συνήθως, το κέντρο της φλόγας μετακινείται από τη θέση του σπινθηριστή κατά το στάδιο της αρχικής ανάπτυξής της, έως ότου σταθεροποιηθεί σε κάποιο σημείο του κυλίνδρου και παραμείνει εκεί για την υπόλοιπη φάση της καύσης. Ωστόσο, για τη μοντελοποίηση αυτής της κίνησης και την εύρεση του τελικού, σταθερού κέντρου της φλόγας απαιτείται, εκτός των άλλων, πάλι η μέτρηση της ταχύτητας μεταφοράς του [42]. Τα οιονεί-διαστατικά μοντέλα καύσης, ανάλογα με το φυσικό υπόβαθρο στο οποίο βασίζονται για την πρόβλεψη του ρυθμού καύσης, μπορούν να χωριστούν γενικά στις εξής τρεις κατηγορίες: τα μοντέλα καύσης προδιαγραφής της τυρβώδους ταχύτητας καύσης (combustion models of turbulent burning velocity specification) τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης (turbulent entrainment combustion models) και τα μοντέλα καύσης τύπου fractal (fractal combustion models) Μοντέλα Καύσης Προδιαγραφής Τυρβώδους Ταχύτητας Καύσης Λόγω του πεπερασμένου πάχους μίας τυρβώδους φλόγας, όπως είναι αυτή των κινητήρων Otto, η τυρβώδης ταχύτητα καύσης, S T, μπορεί να ορισθεί με βάση είτε το ρυθμό με τον οποίο το άκαυστο αέριο διεισδύει στην περιοχή της φλόγας είτε το ρυθμό καύσης που απαιτείται για την παραγωγή του πραγματικού ρυθμού έκλυσης θερμότητας [43-44]. Με την παραδοχή μίας τοπικά λεπτής φλόγας, στην περιοχή της οποίας υπάρχει 90

107 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης μόνο είτε άκαυστο είτε καμένο αέριο (χωρίς δηλαδή την ύπαρξη καιγόμενου αερίου), ο δεύτερος ορισμός συνδέεται με το ρυθμό εμφάνισης του καμένου αερίου. Λαμβάνοντας, λοιπόν, υπόψη το δεύτερο ορισμό της τυρβώδους ταχύτητας καύσης σε συνδυασμό με την προηγούμενη παραδοχή, ο ρυθμός καύσης υπολογίζεται άμεσα ως εξής: dm dt b = ρ FS (2.3.7) u f T όπου F f το εμβαδό του υποτιθέμενου σφαιρικού μετώπου της φλόγας. Σε αυτήν ακριβώς τη σχέση βασίζονται τα μοντέλα καύσης προδιαγραφής της τυρβώδους ταχύτητας καύσης. Το χαρακτηριστικό των μοντέλων αυτών είναι ότι χρησιμοποιούν μία προδιαγεγραμμένη, εμπειρική ή και ημι-εμπειρική έκφραση για την τυρβώδη ταχύτητα καύσης. Συνήθως, αλλά όχι πάντα, αυτή η έκφραση περιλαμβάνει την επίδραση της στρωτής ταχύτητας καύσης * και της έντασης της τύρβης στη διάδοση της φλόγας, αμελώντας την επίδραση των κλιμάκων μήκους της τύρβης. Διαιρώντας την τυρβώδη ταχύτητα καύσης με τη στρωτή ταχύτητα καύσης του καυσίμου μείγματος, προκύπτει ο λεγόμενος λόγος ταχυτήτων φλόγας (flame speed ratio) : S FSR = T S (2.3.8) Παρακάτω, παρουσιάζονται μερικά από τα γνωστότερα μοντέλα καύσης προδιαγραφής της τυρβώδους ταχύτητας καύσης που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Επίσης, παρατίθενται μερικές από τις σημαντικότερες πειραματικά-θεωρητικά εξαγόμενες συσχετίσεις της τυρβώδους ταχύτητας καύσης για κινητήρες Otto, οι οποίες, αν * Τα περισσότερα μοντέλα καύσης αυτής της κατηγορίας αναπτύχθηκαν πριν ακόμα αναγνωρισθεί πλήρως το φαινόμενο της τάσης της φλόγας (flame stretch). Στις ημι-εμπειρικές εκφράσεις της τυρβώδους ταχύτητας καύσης χρησιμοποιούνταν τιμές της στρωτής ταχύτητας καύσης του καυσίμου μείγματος που είχαν προέλθει από πειραματικές μετρήσεις και αφορούσαν εν γένει τεταμένες (stretched) φλόγες, αφού οι φλόγες στις πειραματικές διατάξεις (θάλαμοι καύσης σταθερού όγκου με κεντρική έναυση του μείγματος και προς τα έξω σφαιρική διάδοση της φλόγας, διατάξεις φλόγας τύπου Bunsen, καυστήρες επίπεδης φλόγας) που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της στρωτής ταχύτητας καύσης είναι συνήθως τεταμένες. Συνεπώς, το μέγεθος S στα μοντέλα καύσης αυτής της κατηγορίας αντιστοιχεί πάντα στην τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του καυσίμου μείγματος, εκτός και αν κάτι διαφορετικό αναφέρεται κατά περίπτωση. Σύμφωνα με τους Gillespie et al. [43], οι οποίοι ορίζουν με σαφήνεια τη διαφορά της ταχύτητας της φλόγας από την ταχύτητα της καύσης τόσο στη στρωτή όσο και στην τυρβώδη περίπτωση, ο λόγος S T S θα πρέπει αυστηρότερα να αποκαλείται λόγος ταχυτήτων καύσης (burning velocity ratio). 91

108 2.3 Μοντέλα Καύσης και δεν έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντίστοιχα μοντέλα καύσης, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον Μοντέλο των Benson et al. Σε μία από τις πρώτες απόπειρες χρησιμοποίησης ενός μοντέλου καύσης προδιαγραφής της τυρβώδους ταχύτητας καύσης, οι Benson et al. [45] και Benson και Baruah [46] θεώρησαν για το λόγο των ταχυτήτων φλόγας: FSR = ff (2.3.9) όπου ff σταθερά, την οποία ονόμασαν παράγοντα φλόγας (flame factor). Η τιμή αυτής της σταθεράς εξαρτάται από το επίπεδο της τύρβης στον κύλινδρο του κινητήρα, όπως διαμορφώνεται από το σύστημα εισαγωγής και τη μορφή του θαλάμου καύσης, καθώς και από την εκάστοτε ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Σύμφωνα με την παραπάνω σχέση, η επίδραση του τυρβώδους πεδίου ροής του κυλίνδρου στην ταχύτητα της καύσης θεωρείται σταθερή κατά τη διάρκεια ολόκληρης της φάσης της καύσης. Όταν είναι διαθέσιμο το πειραματικά μετρημένο διάγραμμα της πίεσης του κυλίνδρου, η σταθερά ff επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε η θεωρητικά υπολογισμένη μέγιστη πίεση να συμπίπτει με την αντίστοιχη πειραματική. Στην περίπτωση έλλειψης πειραματικών δεδομένων, η τιμή της σταθεράς ff προσαρμόζεται έως ότου ο υπολογισμένος ρυθμός καύσης παρουσιάσει συμμετρική μορφή γύρω από το άνω νεκρό σημείο Μοντέλο των Fagelson et al. Οι Fagelson et al. [47], αναγνωρίζοντας ότι η τυρβώδης ταχύτητα καύσης αυξάνεται με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, χρησιμοποίησαν την ακόλουθη συσχέτιση για το λόγο των ταχυτήτων φλόγας σε ένα προβλεπτικό μοντέλο προσομοίωσης: FSR B = A Re (2.3.10) όπου A και B εμπειρικά προσδιοριζόμενες σταθερές βαθμονόμησης και Re ένας αριθμός Reynolds που βασίζεται στη διάμετρο του κυλίνδρου, τη μέση ταχύτητα του εμβόλου και τις ιδιότητες του καμένου αερίου. Παρά το ότι η προηγούμενη συσχέτιση δε λαμβάνει άμεσα υπόψη της τη συνήθη καθυστέρηση ανάφλεξης, διαπιστώθηκε ότι το συγκεκριμένο μοντέλο τείνει να αναπαράγει με ρεαλιστικό τρόπο παρατηρούμενες καθυστερήσεις ανάφλεξης, αφού, κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου της καύσης, η θεωρητικά υπολογισμένη τυρβώδης ταχύτητας καύσης παρουσίαζε την ελάχιστη τιμή της. 92

109 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Μοντέλο των Hiroyasu και Kadota και των Lucas και Brunt Στα ίδια πλαίσια, οι Hiroyasu και Kadota [48] και Lucas και Brunt [49] χρησιμοποίησαν την ακόλουθη απλή συσχέτιση για την προσομοίωση της διεργασίας της καύσης: FSR = 1+ K N (2.3.11) όπου K σταθερά βαθμονόμησης προσδιοριζόμενη από πειραματικά δεδομένα. Οι Hiroyasu και Kadota [48] θεώρησαν μία αμετάβλητη τιμή για τη σταθερά K κατά τη διάρκεια ολόκληρης της φάσης της καύσης. Αντίθετα, οι Lucas και Brunt [49], προσπαθώντας να λάβουν υπόψη τους το γεγονός ότι η ταχύτητα της καύσης είναι χαμηλή κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου της καύσης, θεώρησαν ότι η σταθερά K αυξάνεται γραμμικά από την τιμή μηδέν σε μία σταθερή τιμή έως τη χρονική στιγμή όπου η ακτίνα του μετώπου της φλόγας ισούται με 10 mm. Για την υπόλοιπη διάρκεια της καύσης, θεωρήθηκε ότι η σταθερά K παραμένει αμετάβλητη Μοντέλο των Heikal et al. Βασιζόμενοι στην αναλογία μεταξύ των μοριακών και των τυρβωδών διεργασιών μεταφοράς, οι Heikal et al. [50] κατέληξαν στην εξής συσχέτιση για το λόγο των ταχυτήτων φλόγας, την οποία χρησιμοποίησαν στο σχετικό μοντέλο τους: b ν FSR = 1 + DTPrt d ( D 2)( S + c up ) ν a 0.5 (2.3.12) όπου Pr t ο τυρβώδης αριθμός Prandtl, ν και D T η κινηματική συνεκτικότητα και ο συντελεστής διάχυσης θερμότητας, αντίστοιχα, του άκαυστου αερίου και a, b, c και d σταθερές βαθμονόμησης προσδιοριζόμενες με τη βοήθεια πειραματικών δεδομένων. Η εκτίμηση των προηγούμενων σταθερών σε ένα σημείο λειτουργίας του κινητήρα επέτρεψε την εφαρμογή της Εξίσωσης (2.3.12) σε διάφορες ταχύτητες περιστροφής του και διάφορους λόγους αέρα-καυσίμου Μοντέλο των Herweg και Maly Ένα από τα πληρέστερα μοντέλα υπολογισμού της τυρβώδους ταχύτητας καύσης σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης είναι αυτό των Herweg και Maly [51]. Το μοντέλο αυτό αφορά: α) το στάδιο της έναυσης του μείγματος, με τη δημιουργία του καναλιού πλάσματος (plasma channel) ανάμεσα στα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή, κατά τη διάρκεια του οποίου η ενεργός ταχύτητα του πλάσματος ισούται με το άθροισμα της τυρβώδους 93

110 2.3 Μοντέλα Καύσης ταχύτητας καύσης και της ταχύτητας εκτόνωσης του πλάσματος και β) το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας (flame kernel). Ωστόσο, η συγκεκριμένη έκφραση της τυρβώδους ταχύτητας καύσης, εξαιτίας της γενικότητάς της, μπορούσε άμεσα να χρησιμοποιηθεί και για το στάδιο της διάδοσης της φλόγας, όπως άλλωστε αναγνωρίσθηκε από τους Dai et al. [52], προσομοιώνοντας, πλέον, μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα (fully developed turbulent flame). Χρησιμοποιώντας, λοιπόν, αρχές καύσης στρωτών flamelets, οι Herweg και Maly, αναπτύσσοντας το μοντέλο τους, κατέληξαν στην ακόλουθη ημι-εμπειρική έκφραση για το λόγο των ταχυτήτων φλόγας: ( ' ) 2 2 ( ' ) U u 12 + rf FSR = I0 + I0 1 exp 12 L I U + u + S III II t u' 1 exp τ0g S IV V (2.3.13) όπου I 0 ο παράγοντας τάσης φλόγας, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της τεταμένης στρωτής ταχύτητας καύσης προς τη μη-τεταμένη (unstretched) στρωτή ταχύτητα καύσης, U η μέση ταχύτητα ροής στην περιοχή του σπινθηριστή και τ 0G ένας χαρακτηριστικός χρόνος που αναπαριστά μία ενεργό κλίμακα χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, οριζόμενη ως εξής: τ = L 2 ( ' 2 ) 0G 12 (2.3.14) U + u + S Το γεγονός ότι στην Εξίσωση (2.3.13) χρησιμοποιείται ο παράγοντας τάσης φλόγας υπονοεί ότι ο όρος S σε αυτή την εξίσωση αναφέρεται στη μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Το μοντέλο προσομοίωσης του παράγοντα τάσης φλόγας που υιοθέτησαν οι Herweg και Maly είναι όμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία (βλέπε Υποπαράγραφο ), χρησιμοποιώντας τη διατύπωση του παράγοντα τάσης φλόγας που παρουσίασαν για πρώτη φορά οι Chung και Law [53], με τη διαφορά ότι οι Herweg και Maly όρισαν το πάχος της στρωτής φλόγας με βάση την κινηματική συνεκτικότητα του άκαυστου αερίου και όχι το συντελεστή διάχυσης μάζας του ελλιπούς αντιδρώντος (deficient reactant), που αποτελεί τη γενικότερη περίπτωση. Για το λόγο αυτό, το μοντέλο αυτό δεν περιγράφεται στο παρόν σημείο. 94

111 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Σε ό,τι αφορά τη μέση ταχύτητα ροής, η εισαγωγή της στην Εξίσωση (2.3.13) είχε ως σκοπό να ληφθούν υπόψη οι περιπτώσεις κατά τις οποίες ο πυρήνας της φλόγας παραμένει προσκολλημένος στα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή, αφού τότε η μέση ροή επιδρά στην ανάπτυξη της φλόγας. Μετά την αποκόλληση του πυρήνα της φλόγας από το σπινθηριστή, η ένταση της τύρβης αποτελεί τη μόνη ενεργό ταχύτητα μέσω της οποίας λαμβάνει χώρα η τυρβώδης διάχυση. Έτσι, στην τελευταία περίπτωση ισχύει U = 0. Ο χαρακτηρισμός της Εξίσωσης (2.3.13) ως μία από τις πιο ολοκληρωμένες εκφράσεις της τυρβώδους ταχύτητας καύσης οφείλεται στο ότι περιλαμβάνει την επίδραση ενός μεγάλου αριθμού φαινομένων που συμμετέχουν τόσο στη διεργασία της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας όσο και στη διεργασία της διάδοσης της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης των κινητήρων Otto. Καταρχήν, σε ό,τι αφορά την (γεωμετρική) τάση της φλόγας (Ι), η επίδρασή της είναι σημαντική όταν η ακτίνα του πυρήνα της φλόγας είναι ακόμα μικρή. Για ακτίνες μεγαλύτερες των 10 mm, η επίδραση της τάσης, λόγω της καμπυλότητας του μετώπου της φλόγας, γίνεται αμελητέα. Ο ενεργός παράγοντας τύρβης (ΙΙ) καθορίζει τη συμπεριφορά της φλόγας στην κρίσιμη περιοχή όπου 0 < u' S < 1, στην οποία ο όρος U καθίσταται σημαντικός. Όταν U S, η τυρβώδης ταχύτητα καύσης γίνεται ανεξάρτητη του όρου U, προσεγγίζοντας τα χαρακτηριστικά μίας πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας. Οι κλίμακες μήκους (ΙΙΙ) και χρόνου (ΙV) της τύρβης επηρεάζουν τη φλόγα ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της. Η διεργασία της δημιουργίας πτυχών και αυλακώσεων στο μέτωπο της φλόγας ξεκινά αρχικά με τις μικρότερες κλίμακες της τύρβης. Καθώς το μέγεθος και ο χρόνος ζωής του πυρήνα της φλόγας μεγαλώνουν, οι επιδράσεις της τύρβης αυξάνονται σταδιακά, έως ότου επενεργήσει το πλήρες φάσμα των τυρβωδών χαρακτηριστικών του πεδίου ροής. Τέλος, όταν η φλόγα διανύσει το αρχικό στάδιο της ανάπτυξής της, συμπεριφέρεται, πλέον, ως μία πλήρως ανεπτυγμένη και ελεύθερα διαδιδόμενη τυρβώδη φλόγα (V) Συσχέτιση των Groff και Matekunas Αναγνωρίζοντας την ανάγκη ύπαρξης πειραματικά εξαγόμενων συσχετίσεων της τυρβώδους ταχύτητας καύσης σε κινητήρες Otto για μετέπειτα χρήση τους σε προβλεπτικά μοντέλα προσομοίωσης, οι Groff και Matekunas [54] χρησιμοποίησαν πειραματικά μετρημένα διαγράμματα πίεσης κυλίνδρου σε ένα διαγνωστικό μοντέλο καύσης σφαιρικής διάδοσης του μετώπου της φλόγας [55] με σκοπό τον προσδιορισμό της ταχύτητας της καύσης. Σε συνδυασμό με μετρήσεις της έντασης της τύρβης και της πίεσης του κυλίνδρου κατά την ετεροκίνηση του εξεταζόμενου κινητήρα, προτάθηκε η εξής συσχέτιση: 95

112 2.3 Μοντέλα Καύσης u' p FSR = S pm 0.82 S (2.3.15) όπου p m η πίεση του κυλίνδρου κατά την ετεροκίνηση του κινητήρα και S = θ 0.4 παράμετρος που λαμβάνει υπόψη του την επίδραση του χρονισμού IT έναυσης. Το χρονικό εύρος ισχύος κατά τη διάρκεια της καύσης της παραπάνω συσχέτισης εκτείνεται από τη στιγμή όπου η ακτίνα του μετώπου της φλόγας είναι ίση με 30 mm έως τη στιγμή όπου το 50% της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου έχει καεί. Το σημείο όπου η ακτίνα του μετώπου της φλόγας είναι ίση με 30 mm θεωρείται αντιπροσωπευτικό του τέλους του σταδίου της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, κατά τη διάρκεια του οποίου μόνο οι δίνες των οποίων το μέγεθος είναι μικρότερο της ακτίνας της φλόγας μπορούν να δημιουργήσουν πτυχές στο μέτωπο της φλόγας, αυξάνοντας το εμβαδό του και, συνεπώς, την ταχύτητα της καύσης. Αντίθετα, το σημείο όπου το 50% της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου έχει καεί αντιστοιχεί στην κατάσταση μίας πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας. Για την περιγραφή της ταχύτητας της καύσης κατά τη διάρκεια του σταδίου της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, οι Groff και Matekunas κατέληξαν στην επόμενη συσχέτιση, ακολουθώντας την αντίστοιχη μεθοδολογία των Lancaster et al. [56]: rf FSRfd = FSR (2.3.16) όπου η ακτίνα του μετώπου της φλόγας, r f, εκφράζεται σε mm, ενώ ο λόγος των ταχυτήτων φλόγας, FSR, αφορά μια πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα και υπολογίζεται με βάση την Εξίσωση (2.3.15) Συσχέτιση των Hires et al. Οι Hires et al. [57], υποθέτοντας ότι η τυρβώδης ταχύτητα καύσης μπορεί να θεωρηθεί ίση με το πηλίκο της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης προς το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης τους, τον οποίο υπολόγισαν οι Tabaczynski et al. [58] με βάση ένα μοντέλο για τη δομή και την καύση των δινών της τύρβης στον κύλινδρο των κινητήρων Otto, κατέληξαν στην εξής σχέση για το λόγο των ταχυτήτων φλόγας: u' ρ u u' L FSR = cs S ρ u IT ν (2.3.17) 96

113 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης όπου c s σταθερά βαθμονόμησης. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της παραπάνω συσχέτισης είναι ότι πλέον η τυρβώδης ταχύτητα καύσης συνδέεται, έστω και με ασθενή εξάρτηση, και με κλίμακες μήκους της τύρβης Μοντέλα Καύσης Τυρβώδους Διείσδυσης Τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης ή, αλλιώς, μοντέλα καύσης δινών (eddy burning models) αποτελούν τα πρώτα αμιγώς προβλεπτικά μοντέλα καύσης που αναπτύχθηκαν για τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης, προσομοιώνοντας τα στάδια της αρχικής ανάπτυξης και διάδοσης της τυρβώδους φλόγας, καθώς και το στάδιο του τερματισμού της. Σε αντίθεση με τα μοντέλα καύσης της προηγούμενης κατηγορίας, τα οποία βασίζονται εξολοκλήρου στην εκ των προτέρων προδιαγραφή της τυρβώδους ταχύτητας καύσης, τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης επιχειρούν να προβλέψουν το ρυθμό καύσης προσομοιώνοντας, σε προσεγγιστικό βέβαια επίπεδο, τις πραγματικές φυσικές και χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο των κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Σύμφωνα με τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης, η καύση στη διαδιδόμενη προαναμειγμένη τυρβώδη φλόγα θεωρείται ότι πραγματοποιείται σε δύο διαδοχικά βήματα. Αρχικά, τυρβώδεις δίνες του άκαυστου αερίου διεισδύουν εντός της τυρβώδους φλόγας με μία χαρακτηριστική ταχύτητα, η οποία ονομάζεται ταχύτητα διείσδυσης (entrainment speed). Η ταχύτητα αυτή αντιστοιχεί στο ρυθμό με τον οποίο τα σημεία έναυσης των δινών διαδίδονται προς το άκαυστο αέριο. Στη συνέχεια, το άκαυστο αέριο που βρίσκεται εντός της τυρβώδους φλόγας, στη μορφή τυρβωδών δινών, καίγεται με τη στρωτή ταχύτητα καύσης. Αυτό το δεύτερο βήμα, δηλαδή η διεργασία της καύσης των δινών, θεωρείται ότι εξελίσσεται ως εξής. Αρχικά, η έναυση κάθε δίνης πραγματοποιείται ακαριαία στην περιφέρειά της εξαιτίας της μεταφοράς μέσω διάχυσης προς αυτήν ελεύθερων ριζών, όπως π.χ. Η, ΟΗ και Ο, από τις διπλανές της δίνες. Κατόπιν, η καύση προχωρά προς το εσωτερικό της δίνης με τη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Το φυσικό υπόβαθρο των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.4 [59]. Το σχεδόν σφαιρικό μέτωπο της (στρωτής) φλόγας, η οποία έχει πάχος δ, απεικονίζεται με την παχιά συνεχή γραμμή. Το χαρακτηριστικό μέγεθος του άκαυστου αερίου μπροστά από το μέτωπο αυτό που υπεισέρχεται στη διεργασία της καύσης είναι η τοπική ένταση της τύρβης. Το μέτωπο της φλόγας διαδίδεται προς το άκαυστο αέριο με τη 97

114 2.3 Μοντέλα Καύσης στρωτή ταχύτητα καύσης *. Η εικόνα στα αριστερά δείχνει σε μεγέθυνση τη δομή της περιοχής της καύσης. Το ότι στη ζώνη διείσδυσης το χαρακτηριστικό μέγεθος των δινών, σε ό,τι έχει σχέση με την καύση τους, αντιπροσωπεύεται από την Taylor μικροκλίμακα της τύρβης, λ, αποτελεί πλέον συνήθη θεώρηση των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης. Μέτωπο φλόγας u ' Άκαυστο αέριο S δ λ Ζώνη διείσδυσης r f Καμένο αέριο Θέση σπινθηριστή Σχήμα 2.4. Σχηματική απεικόνιση προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο κινητήρων Otto για την επεξήγηση του φυσικού υποβάθρου των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης. Περισσότερες πληροφορίες για τη φυσική των μοντέλων καύσης αυτής της κατηγορίας παρέχονται στην Υποπαράγραφο 4.4.4, όπου και περιγράφεται αναλυτικά το μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία. Σε αυτό το σημείο, αξίζει να σημειωθεί ότι ο μηχανισμός της διείσδυσης και μετέπειτα καύσης δινών άκαυστου αερίου στην περιοχή της τυρβώδους φλόγας δεν έχει επαρκώς επιβεβαιωθεί σε πειραματικό επίπεδο. Ωστόσο, τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης αποτελούν κατάλληλες μαθηματικές διατυπώσεις για να ληφθεί έμμεσα υπόψη το πεπερασμένο πάχος της τυρβώδους φλόγας (turbulent flame brush thickness), το οποίο ισοδυναμεί με την αύξηση του εμβαδού του μετώπου της φλόγας λόγω της αλληλεπίδρασής της με τις δίνες της τύρβης που έρχονται σε επαφή με αυτή. Παρακάτω, παρουσιάζονται μερικά από τα γνωστότερα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. * Η τοπική ταχύτητα διάδοσης προς το άκαυστο αέριο της τοπικά στρωτής φλόγας είναι, εν γένει, η τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του καυσίμου μείγματος. Κάποια μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης χρησιμοποιούν ένα ξεχωριστό μοντέλο τάσης φλόγας προκειμένου να υπολογίσουν την τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης. Στην περίπτωση αυτή, όμως, απαιτείται η γνώση της μητεταμένης τιμής της. Άλλα μοντέλα δεν περιλαμβάνουν ξεχωριστό μοντέλο τάσης φλόγας. Χρησιμοποιούν, όμως, πειραματικά εξαγόμενες συσχετίσεις της στρωτής ταχύτητας καύσης που αφορούν κατά κανόνα τεταμένες φλόγες και, άρα, αναφέρονται στην τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. 98

115 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Μοντέλο των Blizard και Keck Βελτίωση των Tabaczynski et al. Η ανάπτυξη του πρώτου μοντέλου καύσης τυρβώδους διείσδυσης παρουσιάσθηκε από τους Blizard και Keck [60], οι οποίοι κατασκεύασαν το μοντέλο αυτό βασιζόμενοι καθαρά σε θεωρητικές προσεγγίσεις της διεργασίας της καύσης στη διαδιδόμενη προαναμειγμένη τυρβώδη φλόγα των κινητήρων Otto. Με βάση το μοντέλο αυτό, ο ρυθμός με τον οποίο το άκαυστο αέριο διεισδύει στη φλόγα υπολογιζόταν ως εξής: dm dt e = ρ Fu (2.3.18) u f e Στην προηγούμενη εξίσωση, ως ταχύτητα διείσδυσης των δινών στη φλόγα χρησιμοποιούταν το μέγεθος u e, το οποίο αντιπροσώπευε μία χαρακτηριστική τιμή της ταχύτητας διείσδυσης, θεωρούμενη ως συνάρτηση της μέσης ταχύτητας εισόδου του αερίου (mean inlet gas speed) στον κύλινδρο από τη βαλβίδα εισαγωγής. Σε ό,τι αφορά το ρυθμό καύσης, αυτός δινόταν από την ακόλουθη σχέση, θεωρώντας έναν εκθετικό νόμο για την καύση κάθε δίνης με σκοπό να ληφθεί υπόψη η στατιστική κατανομή του μεγέθους των δινών και η πορεία της διαδοχικής έναυσής τους: dmb me mb = (2.3.19) dt τ όπου ο χαρακτηριστικός χρόνος καύσης των δινών, τ b, υπολογιζόταν με βάση μία χαρακτηριστική ακτίνα τους, l e, ως εξής: b τ b = l e S (2.3.20) Αυτή η ακτίνα θεωρούταν ότι είναι συνάρτηση της μέγιστης ανύψωσης της βαλβίδας εισαγωγής. Αν και πρωτοπόρο στην κατηγορία του, το προηγούμενο μοντέλο περιείχε αρκετές αδυναμίες, όπως διαπιστώθηκε υπολογιστικά από τους McCuiston et al. [61], καθώς χρησιμοποιούσε εμπειρικές συσχετίσεις, χωρίς την ικανότητα πρόβλεψης, για την ταχύτητα διείσδυσης του άκαυστου αερίου και το μέγεθος των χαρακτηριστικών δινών που καίγονται στην περιοχή της φλόγας. Ένας ακόμα περιορισμός του μοντέλου ήταν ότι η ταχύτητα διείσδυσης και το μέγεθος των δινών θεωρούνταν, εξαιτίας ακριβώς των προηγούμενων εμπειρικών συσχετίσεων, σταθερά κατά τη διάρκεια της καύσης. Όλες αυτές οι αδυναμίες ξεπεράστηκαν από τους Tabaczynski et al. [57-58, 62] με την εισαγωγή ενός μοντέλου για τη δομή και την καύση των τυρβωδών δινών στον κύλινδρο του κινητήρα και την εφαρμογή της λεγόμενης θεωρίας ταχείας διαστροφής (rapid distortion 99

116 2.3 Μοντέλα Καύσης theory) για το άκαυστο αέριο αμέσως μετά την έναρξη της καύσης. Με τον τρόπο αυτό, τα τυρβώδη χαρακτηριστικά του άκαυστου αερίου, δηλαδή η ένταση της τύρβης, η κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης και η Taylor μικροκλίμακα της τύρβης, κατά τη διάρκεια της καύσης υπολογίζονταν πλέον βάσει φυσικών αρχών, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη χρονική μεταβολή τους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και της διάδοσης της φλόγας. Περισσότερες λεπτομέρειες για τα προηγούμενα στοιχεία μοντελοποίησης δίνονται στην Υποπαράγραφο , καθώς αυτά τα στοιχεία ενσωματώνονται στο μοντέλο τύρβης που χρησιμοποιεί το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης της παρούσας εργασίας. Θεωρώντας ότι ο ρυθμός διάδοσης των σημείων έναυσης των δινών, δηλαδή η ταχύτητα διείσδυσής τους, ισούται με το άθροισμα της στρωτής ταχύτητας καύσης του μείγματος και της έντασης της τύρβης στο άκαυστο αέριο, οι Tabaczynski et al. [62] κατέληξαν στην ακόλουθη σχέση για το ρυθμό διείσδυσης: dme = ρ u F f ( S + u ') (2.3.21) dt Σε ό,τι αφορά το ρυθμό καύσης, η αντίστοιχη εξίσωση του μοντέλου των Blizard και Keck διατηρήθηκε (βλέπε Εξίσωση (2.3.19)), με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης, όμως, να υπολογίζεται πλέον ως εξής: τ b = λ S (2.3.22) Η Εξίσωση (2.3.21) για το ρυθμό διείσδυσης και οι Εξισώσεις (2.3.19) και (2.3.22) για το ρυθμό καύσης αποτέλεσαν τη βελτιωμένη έκδοση του μοντέλου των Blizard και Keck [60], όπως προτάθηκε από τους Tabaczynski et al. [57-58, 62]. Αυτές ακριβώς οι εξισώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί με αρκετή επιτυχία σε μία σειρά θεωρητικών εργασιών για την ανάπτυξη προβλεπτικών θερμοδυναμικών μοντέλων προσομοίωσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης [63-69] Μοντέλο των Keck et al. (1) Οι Keck [39] και Beretta et al. [40] κατέστρωσαν ένα εμπειρικό μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης βασιζόμενοι στην ανάλυση πειραματικών μετρήσεων πίεσης κυλίνδρου και εικόνων φλόγας κατά τη διάρκεια ολόκληρης της φάσης της καύσης σε έναν κινητήρα Otto προαναμειγμένης γόμωσης με οπτική πρόσβαση. Οι πειραματικές παρατηρήσεις οδήγησαν στη διατύπωση των ακόλουθων εμπειρικών εξισώσεων: dme = ρ u F f ( S + u T) (2.3.23) dt 100

117 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης dm b m m ρ FS e = u f + b (2.3.24) dt τ b τ b = l T S (2.3.25) όπου u T μία χαρακτηριστική ταχύτητα και l T ένα χαρακτηριστικό μήκος. Εξαιτίας της καθαρά πειραματικής φύσης της σχετικής εργασίας και της απουσίας θεωρητικών αναλύσεων, τα δύο προηγούμενα μεγέθη αντιμετωπίσθηκαν ως παράμετροι των εξισώσεων του μοντέλου και προσδιορίσθηκαν χρησιμοποιώντας τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Έτσι, η χαρακτηριστική ταχύτητα u T συσχετίσθηκε με τη μέση ταχύτητα εισόδου του αερίου στον κύλινδρο, ενώ το χαρακτηριστικό μήκος l T με τη μέγιστη ανύψωση της βαλβίδας εισαγωγής. Η βασική διαφορά του παρόντος μοντέλου από αυτό των Tabaczynski et al. [57-58, 62] έγκειται στην εξίσωση του ρυθμού καύσης (βλέπε Εξισώσεις (2.3.19) και (2.3.24)). Συγκεκριμένα, το παρόν μοντέλο περιείχε επιπλέον τον όρο ρ FS u f στη σχετική εξίσωση με σκοπό να περιγραφεί ορθότερα η εξάρτηση του αρχικού ρυθμού της καύσης από τη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Μία ακόμα πρωτοτυπία του παρόντος μοντέλου ήταν η τροποποίηση της εξίσωσης του ρυθμού καύσης ειδικά για τη διάρκεια κατά την οποία η φλόγα, έχοντας πλέον διατρέξει πλήρως τον κύλινδρο του κινητήρα, συνεχίζει τη διεργασία της καύσης στα τοιχώματα του θαλάμου, μέχρι τελικά να συμβεί η σβέση της. Αυτή η αλλαγή προτάθηκε ούτως ώστε να αναπαραχθούν με όσο το δυνατόν ακριβέστερο τρόπο οι μετρημένοι ρυθμοί καύσης κατά τη διάρκεια του συγκεκριμένου σταδίου της καύσης από το εν λόγω μοντέλο. Για το τελικό, λοιπόν, στάδιο της καύσης, όπου η τυρβώδης φλόγα, σε επαφή πλέον με τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης, καταναλώνει το εναπομείναν άκαυστο αέριο που υπάρχει μέσα σε αυτή, η ακόλουθη εμπειρική σχέση προτάθηκε: dmb dmb t tf = exp, t t dt dt > F τb F (2.3.26) όπου ( m t) d d και t F ο ρυθμός καύσης και η χρονική στιγμή, αντίστοιχα, του τέλους της b F διάδοσης της φλόγας, όπου πλέον F f = Μοντέλο των Keck et al. (2) Συνεχίζοντας την προηγούμενη εργασία, οι Keck et al. [41] ανέλυσαν πειραματικά δεδομένα πίεσης κυλίνδρου και εικόνων φλόγας που αφορούσαν τη διεργασία της καύσης σε έναν κινητήρα Otto αμέσως μετά την ηλεκτρική εκκένωση του σπινθηριστή ούτως ώστε 101

118 2.3 Μοντέλα Καύσης να επαναδιατυπώσουν τις εξισώσεις ενός μοντέλου καύσης τυρβώδους διείσδυσης, λαμβάνοντας υπόψη, πλέον, το εξαιρετικά αρχικό στάδιο της ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας. Έτσι, η εξίσωση του ρυθμού διείσδυσης έλαβε την ακόλουθη μορφή: dm dt e t = ρufb S + ut 1 exp (2.3.27) τb1 όπου u T μία χαρακτηριστική ταχύτητα διείσδυσης και τ b1 ο χαρακτηριστικός χρόνος καύσης της πρώτης καιγόμενης δίνης, υπολογιζόμενος ως εξής: τ b1 l = S T1 1 (2.3.28) Στην τελευταία εξίσωση, l T1 είναι το μέγεθος της πρώτης καιγόμενης δίνης, ενώ S 1 η στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος κατά την καύση της δίνης αυτής. Η εξίσωση του ρυθμού καύσης διατυπώθηκε ως εξής: dm b m m ρ FS e = u b + b (2.3.29) dt τ με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης να υπολογίζεται όπως και στην Εξίσωση (2.3.25), όπου l T, πάλι, ένα χαρακτηριστικό μήκος. Τα μεγέθη u T, l T, l T1 και S 1 θεωρήθηκαν ως άγνωστες παράμετροι του μοντέλου καύσης και προσδιορίσθηκαν χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του παρόντος μοντέλου ήταν η ενσωμάτωση του όρου ( ) 1 exp t τ b1 στην εξίσωση που εκφράζει το ρυθμό με τον οποίο οι δίνες διεισδύουν στην περιοχή της φλόγας (βλέπε Εξίσωση (2.3.27)). Η εισαγωγή του όρου αυτού είχε ως σκοπό να περιγραφεί με έμμεσο τρόπο η αρχική ανάπτυξη του πυρήνα της φλόγας για χρόνους μικρότερους του χαρακτηριστικού χρόνου καύσης τ b. Με τον τρόπο αυτό, υπονοούταν σιωπηρώς ότι στο μέτωπο της φλόγας δημιουργούνται σημαντικές πτυχές και αυλακώσεις από το τυρβώδες πεδίο ροής μόνο μετά την καύση της πρώτης δίνης, η οποία κατά την ηλεκτρική εκκένωση του σπινθηριστή βρίσκεται σε επαφή με τα ηλεκτρόδια αυτού. Μία δεύτερη, λιγότερο σημαντική τροποποίηση του παρόντος μοντέλου καύσης ήταν η αντικατάσταση από τις σχετικές εξισώσεις (βλέπε Εξισώσεις (2.3.27) και (2.3.29)) του συνήθους όρου F f από τον όρο F b, ο οποίος εκφράζει το εμβαδό της επιφάνειας επαφής του καμένου αερίου με το άκαυστο αέριο. Αυτή η αλλαγή στόχευε στο να περιγραφούν καλύτερα οι ρυθμοί καύσης όταν η φλόγα βρίσκεται πλέον σε επαφή με τα τοιχώματα του κυλίνδρου. b 102

119 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Μοντέλο των Morel et al. Σε μία προσπάθεια να περιγράψουν τη μείωση της ταχύτητας διείσδυσης των δινών στην περιοχή της φλόγας κατά τη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξής της, όταν ακόμα το μέγεθος της φλόγας είναι μικρό σε σχέση με την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, οι Morel et al. [70] χρησιμοποίησαν το βελτιωμένο μοντέλο των Tabaczynski et al. [57-58, 62], προτείνοντας, όμως, την ακόλουθη σχέση για το ρυθμό διείσδυσης: όπου C s και dm e 1 = ρ u F f S C s u ' (2.3.30) dt 1+ Ck ( rf L) C k σταθερές βαθμονόμησης. Σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση, καθώς το μέγεθος της φλόγας μεγαλώνει, η συνιστώσα του ρυθμού διείσδυσης που οφείλεται στην τύρβη του άκαυστου αερίου αυξάνεται σταδιακά. Από ένα σημείο και μετά, αυτή η τυρβώδης συνιστώσα καθίσταται ανεξάρτητη από το μέγεθος της φλόγας και είναι αυτή η συνιστώσα που ουσιαστικά καθορίζει το ρυθμό διάδοσης της φλόγας. Επεκτείνοντας το προηγούμενο μοντέλο, οι Wahiduzzaman et al. [71] συσχέτισαν τη σταθερά C k της Εξίσωσης (2.3.30) με δύο παραμέτρους. Η πρώτη παράμετρος, r, περιελάμβανε την επίδραση της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας, λαμβάνοντας υπόψη της το πάχος της (στρωτής) φλόγας, ενώ η δεύτερη παράμετρος, H, περιέγραφε φαινόμενα τάσης φλόγας λόγω τυρβωδών διακυμάνσεων. Η παράμετρος r ορίστηκε ως ο λόγος της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης προς το πάχος της στρωτής φλόγας: r L LρbS = = δ μ b (2.3.31) με την πυκνότητα και τη δυναμική συνεκτικότητα να είναι αυτές του καμένου αερίου. Όταν το πάχος της φλόγας είναι μεγάλο σε σύγκριση με την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, στο μέτωπο της φλόγας δε μπορούν να αναπτυχθούν σε έντονο βαθμό πτυχές και αυλακώσεις από το τυρβώδες πεδίο ροής του άκαυστου αερίου, με αποτέλεσμα το ρυθμός καύσης του πυρήνα της φλόγας να είναι χαμηλός. Έτσι, μικρές τιμές της παραμέτρου r σημαίνουν αντίστοιχα μικρές τιμές του συντελεστή C k. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας, υψηλές τιμές της έντασης της τύρβης ενδέχεται να προκαλέσουν τάση της φλόγας σε τέτοιο βαθμό ώστε τελικά να επέλθει η σβέση της. Αυτή η τάση της φλόγας χαρακτηρίστηκε από τον παράγοντα H, ο οποίος ορίστηκε ως εξής: 103

120 2.3 Μοντέλα Καύσης δ dff H = SF d t f (2.3.32) Εφαρμόζοντας την εξίσωση διατήρησης της μάζας στο σφαιρικό μέτωπο της φλόγας, η παράμετρος H εκφράσθηκε ως ακολούθως: δ ρ S 1 dρ H = 2 S ρb rf 3ρb dt u e b (2.3.33) 1 2 e s k f, όπου για την ταχύτητα διείσδυσης, S e, ισχύει ότι S = S + C u' 1 1+ C ( r L) όπως φαίνεται άλλωστε από την Εξίσωση (2.3.30). Χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους r και H, ο συντελεστής C k, σε ό,τι αφορά την αρχική ανάπτυξη του πυρήνα της φλόγας, υπολογίσθηκε εμπειρικά ως εξής: ' 2 ( r ) ( r) Ck Ck = 1 exp H (2.3.34) όπου ' C k σταθερά βαθμονόμησης Μοντέλο των Brehob και Newman Λαμβάνοντας υπόψη παρόμοιες θεωρήσεις με αυτές των Morel et al. [70-71], οι Brehob και Newman [72] τροποποίησαν την εξίσωση του ρυθμού διείσδυσης των δινών στην περιοχή της τυρβώδους φλόγας ως εξής: 12 dm ρ r e u f = ρuff S + α u'1 exp (2.3.35) dt ρb rc όπου α σταθερά βαθμονόμησης της τάξης της μονάδας και r c μία κρίσιμη ακτίνα του μετώπου της φλόγας της τάξης της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης: 13 c 2 r = C L (2.3.36) όπου C 2 σταθερά βαθμονόμησης. Για το ρυθμό καύσης, οι Brehob και Newman χρησιμοποίησαν την Εξίσωση (2.3.24) των Keck et al. [39-40], θέτοντας για το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης των δινών: τ b = C1 λ S (2.3.37) 104

121 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης όπου C 1 σταθερά βαθμονόμησης. Αυτό, ακριβώς, το μοντέλο των Brehob και Newman υιοθετήθηκε αργότερα από τους Shen et al. [42]. Σύμφωνα με τους Brehob και Newman, η εισαγωγή του εκθετικού όρου στην έκφραση του ρυθμού διείσδυσης (βλέπε Εξίσωση (2.3.35)) βασίζεται στην υπόθεση ότι η αρχική ανάπτυξη της φλόγας δεν επηρεάζεται αισθητά από την τύρβη του άκαυστου αερίου. Μόνο όταν η φλόγα πλησιάσει σε μέγεθος την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, η επίδραση της τύρβης καθίσταται σημαντική. Έτσι, η Εξίσωση (2.3.35) εφαρμόζεται για την πρόβλεψη του ρυθμού διείσδυσης τόσο κατά τη διάρκεια του αρχικά στρωτού πυρήνα της φλόγας (r f r ) όσο και κατά τη διάρκεια της πλήρως ανεπτυγμένης c τυρβώδους φλόγας ( r f r ) [73]. c Μοντέλο των Dai et al. Οι Dai et al. [52] υπήρξαν οι πρώτοι που ανέπτυξαν ένα μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης που λάμβανε υπόψη του τις επιδράσεις της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας σε συνδυασμό με επιδράσεις τάσης φλόγας, με τις τελευταίες να υπολογίζονται με ένα φαινομενολογικό, πλέον, μοντέλο. Για το ρυθμό διείσδυσης θεωρήθηκε ότι: dm e ρu ' rf rf 12 = ρuff S 0 UT 1 exp 0 dt I + ρb rc r I (2.3.38) c όπου U ' T (γραμμική) συνάρτηση της έντασης της τύρβης. Στην παραπάνω εξίσωση, η κρίσιμη ακτίνα υπολογίσθηκε με βάση την Εξίσωση (2.3.36) των Brehob και Newman [72]. Ο παράγοντας τάσης φλόγας προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας το σχετικό μοντέλο των Herweg και Maly [51], όπου, πλέον, σε αντίθεση με τους Herweg και Maly, το πάχος της στρωτής φλόγας ορίσθηκε βάσει του συντελεστή διάχυσης μάζας του ελλειπούς αντιδρώντος και όχι της κινηματικής συνεκτικότητας του άκαυστου αερίου. Σε ό,τι αφορά το ρυθμό καύσης, η αντίστοιχη εξίσωση των Keck et al. [39-40] (βλέπε Εξίσωση (2.3.24)) τροποποιήθηκε ως εξής: dm b m m ρ FS e = u f 0 + b dt I τ (2.3.39) με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης να δίνεται από την Εξίσωση (2.3.37) των Brehob και Newman [72]. Σημειώνεται ότι, όπως και στο μοντέλο καύσης προδιαγραφής της τυρβώδους ταχύτητας καύσης των Herweg και Maly [51] (βλέπε Υποπαράγραφο ), στις b 105

122 2.3 Μοντέλα Καύσης παραπάνω δύο εξισώσεις ο όρος S αναφέρεται στη μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Επίσης, η ταχύτητα διείσδυσης της Εξίσωσης (2.3.38) (παράσταση εντός του αγκίστρου) παρουσιάζει παρόμοια μορφή με την τυρβώδη ταχύτητα καύσης της Εξίσωσης (2.3.13) των Herweg και Maly σε ό,τι αφορά την επίδραση του παράγοντα τάσης φλόγας. Συγκεκριμένα, ο όρος της στρωτής καύσης μεταβάλλεται με την τάση της φλόγας γραμμικά, ενώ ο όρος της τυρβώδους καύσης μη-γραμμικά. Όπως τονίσθηκε από τους ίδιους τους Dai et al. [52], η ρεαλιστική μοντελοποίηση της επίδρασης της τάσης της φλόγας στη διεργασία της καύσης καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική όταν ο κινητήρας Otto λειτουργεί με υψηλά ποσοστά επανακυκλοφορούντος ή παραμένοντος καυσαερίου ή με μεγάλη περίσσεια αέρα (πτωχή καύση) Μοντέλο των Mugele et al. Οι Mugele et al. [74] ανέπτυξαν ένα παρόμοιο μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης με αυτό των Dai et al. [52], επιχειρώντας να λάβουν υπόψη τους την απόκριση της φλόγας όταν αυτή υφίσταται συγκεκριμένους ρυθμούς τάσεις. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποίησαν στο μοντέλο τους ως ταχύτητα διείσδυσης την ημι-εμπειρική έκφραση της τυρβώδους ταχύτητας καύσης των Herweg και Maly [51], όπως δίνεται από την Εξίσωση (2.3.13), θεωρώντας για λόγους απλότητας ότι U = 0. Έτσι, ο ρυθμός διείσδυσης υπολογίσθηκε από την εξής σχέση: d me 12 u ' rf = ρuff SI0 + C SI 0 1 exp d t u' + S L t u' 1 exp τ0g S (2.3.40) όπου C σταθερά βαθμονόμησης, ενώ η ενεργός κλίμακα χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, τ 0G, έγινε: τ 0G L = (2.3.41) u' + S Για τον υπολογισμό του παράγοντα τάσης φλόγας στην Εξίσωση (2.3.40), οι Mugele et al. εφάρμοσαν το σχετικό μοντέλο των Herweg και Maly [51], με τη διαφορά ότι στον ορισμό του πάχους της στρωτής φλόγας χρησιμοποίησαν το συντελεστή διάχυσης θερμότητας του άκαυστου αερίου. Για το ρυθμό καύσης, εφάρμοσαν την Εξίσωση (2.3.19) των Tabaczynski et al. [57-58, 62], με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης να δίνεται από την Εξίσωση (2.3.37) των Brehob και Newman [72]. 106

123 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Μοντέλο των Merdjani και Sheppard Το μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης των Merdjani και Sheppard [75] αποτελεί ένα μοντέλο ιδιαίτερης μορφής. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης, στα οποία η επίδραση της τύρβης στην ταχύτητα της καύσης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας εμπειρικές ή ημι-εμπειρικές σχέσεις, οι Merdjani και Sheppard έκαναν χρήση μίας εκτεταμένης βάσης δεδομένων πειραματικά μετρημένων τυρβωδών ταχυτήτων καύσης. Θέτοντας στη θέση της ταχύτητας διείσδυσης την (μετρημένη) τυρβώδη ταχύτητα καύσης, S T, ο ρυθμός διείσδυσης των δινών του άκαυστου αερίου στην περιοχή της φλόγας γράφηκε ως εξής: dm dt e = ρ FS (2.3.42) u f T Για το ρυθμό καύσης, χρησιμοποιήθηκε η Εξίσωση (2.3.19) των Tabaczynski et al. [57-58, 62], με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης των δινών να δίνεται από την Εξίσωση (2.3.37) των Brehob και Newman [72]. Σε ό,τι αφορά τον προσδιορισμό της τυρβώδους ταχύτητας καύσης στην Εξίσωση (2.3.42), οι Bradley et al. [76-77] αρχικά έδειξαν ότι οι μετρημένες τυρβώδεις ταχύτητες καύσης, στη μορφή του λόγου ταχυτήτων φλόγας, FSR = ST S, ενός μεγάλου αριθμού πειραμάτων μπορούν να συσχετισθούν με το λόγο της ενεργού έντασης της τύρβης, u ' k, προς τη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος, S, για διάφορες τιμές του γινομένου K Le ή του πηλίκου Ret 2 Le, όπου K ο λεγόμενος Karlovitz παράγοντας τάσης (Karlovitz stretch factor), Le ο αριθμός Lewis του άκαυστου αερίου και Re t ο τυρβώδης αριθμός Reynolds. Διευκρινίζεται ότι, στην παραπάνω θεώρηση, ο όρος S αναφέρεται στη μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Το Σχήμα 2.5 απεικονίζει το σχετικό, πειραματικά εξαγόμενο διάγραμμα που κατασκεύασαν οι Bradley et al. [77]. Σε αυτό, οι συνεχείς καμπύλες αντιστοιχούν σε καμπύλες σταθερού K Le, ενώ οι διακεκομμένες καμπύλες αποτελούν καμπύλες σταθερού Re Le. t 2 107

124 2.3 Μοντέλα Καύσης Λόγος τυρβώδους ταχύτητας καύσης προς στρωτή ταχύτητα καύσης Λόγος ενεργού έντασης τύρβης προς στρωτή ταχύτητα καύσης Σχήμα 2.5. Πειραματικά εξαγόμενο διάγραμμα τυρβωδών ταχυτήτων καύσης των Bradley et al.. Για την περίπτωση των τυρβωδών φλογών, ο Karlovitz παράγοντας τάσης ορίζεται ως εξής [77]: δ u ' K = S λ (2.3.43) αναπαριστώντας το λόγο ενός χημικού χρόνου της στρωτής φλόγας ( δ S ) χρόνο ζωής των δινών ( ) λ u '. Υιοθετώντας τη συνήθη παραδοχή ότι δ προς ένα = ν S και θεωρώντας ισοτροπική τύρβη μικρής κλίμακας για τη συσχέτιση της Taylor μικροκλίμακας της τύρβης, λ, με την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, L, η παραπάνω εξίσωση γίνεται περαιτέρω [77]: u ' K = Re t S 2 12 (2.3.44) όπου Re ( ul ' ) t = ν. Εισάγοντας, επιπλέον, τον αριθμό Lewis στην παραπάνω εξίσωση, προκύπτει τελικά η ακόλουθη σχέση [77]: 108

125 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Re Le t 2 ( u S ) ' = K Le 2 (2.3.45) Στον άξονα των τετμημένων του διαγράμματος του Σχήματος 2.5 επιλέχθηκε από τους Bradley et al. [77] να χρησιμοποιηθεί, στη θέση της έντασης της τύρβης, u ', η ενεργός τιμή της, u ' k, η οποία αντιστοιχεί στο ποσοστό του φάσματος της τύρβης που πραγματικά επενεργεί στην τυρβώδη φλόγα. Η σημασία της ενεργού έντασης της τύρβης εντοπίζεται ειδικά στη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας και χρησιμοποιείται για να διαχωριστεί μία αναπτυσσόμενη από μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα. Η ιδέα της ενεργού έντασης της τύρβης είναι ανάλογη με τη θεώρηση ότι μόνο οι κλίμακες μήκους της τύρβης που είναι μικρότερες του μεγέθους της φλόγας μπορούν να δημιουργήσουν πτυχές και αυλακώσεις στο μέτωπο της φλόγας. Γνωρίζοντας, λοιπόν, το λόγο u' k S και το γινόμενο K Le ή το πηλίκο 2 Re Le, η τιμή του λόγου ST S και, συνεπώς, η τυρβώδης ταχύτητα καύσης, S T, μπορεί εύκολα να προσδιορισθεί με τη βοήθεια του Σχήματος Μοντέλο των Verhelst και Sierens Οι Verhelst και Sierens [78] ανέπτυξαν ένα απλό οιονεί-διαστατικό μοντέλο τυρβώδους καύσης για τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας σε έναν κινητήρα Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Παρά το ότι δεν αποδέχθηκαν ότι το φυσικό υπόβαθρο των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης ανταποκρίνεται στην πραγματική διεργασία της καύσης σε κινητήρες Otto, το γεγονός ότι χρησιμοποίησαν ουσιαστικά τις συνήθεις εξισώσεις αυτών των μοντέλων έχει ως αποτέλεσμα το μοντέλο τους να καταταγεί σε αυτή την κατηγορία των οιονεί-διαστατικών μοντέλων καύσης. Το κύριο χαρακτηριστικό του μοντέλου των Verhelst και Sierens ήταν ότι στη θέση της ταχύτητας διείσδυσης, S e, χρησιμοποιήθηκε η τυρβώδης ταχύτητα καύσης, S T, όπως δίνεται από μία σειρά σχετικών μοντέλων και πειραματικά εξαγόμενων συσχετίσεων. Ο ρυθμός διείσδυσης, ο οποίος θεωρήθηκε ως ο ρυθμός μεταβολής της μάζας του αερίου πίσω από μία μέση επιφάνεια διείσδυσης της φλόγας, υπολογίσθηκε όπως και στην Εξίσωση (2.3.42), ενώ ο ρυθμός καύσης προσδιορίσθηκε με βάση την Εξίσωση (2.3.19) των Tabaczynski et al. [57-58, 62], με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης να εκφράζεται ως εξής: t τ b = C3 L S (2.3.46) 109

126 2.3 Μοντέλα Καύσης όπου C 3 σταθερά βαθμονόμησης. Στην προηγούμενη εξίσωση, οι Verhelst και Sierens επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, L, καθώς θεώρησαν ότι ο χαρακτηριστικός χρόνος τ b εκφράζει το πεπερασμένο πάχος της τυρβώδους φλόγας, το οποίο καθορίζεται κυρίως από τις μεγάλες κλίμακες της τύρβης. Για τον υπολογισμό της τυρβώδους ταχύτητας καύσης, διάφορες επιλογές χρησιμοποιήθηκαν, όπως: α) ένα μοντέλο τύπου Damköhler [79], β) το μοντέλο του Gülder [80], γ) η πειραματικά εξαγόμενη συσχέτιση των Bradley et al. [77], δ) ένα μοντέλο καύσης τύπου fractal * [81], ε) το μοντέλο του Zimont [82] και στ) το μοντέλο του Peters [83]. Όπου ήταν αναγκαίο, οι Verhelst και Sierens [78] τροποποίησαν τα παραπάνω μοντέλα προσθέτοντας έναν όρο στρωτής καύσης, με σκοπό να ικανοποιηθεί η απαίτηση S όταν u ' 0. Επίσης, για λόγους βαθμονόμησης, συμπεριέλαβαν μία σταθερά k, η οποία προσδιορίσθηκε από πειραματικά δεδομένα. Οι εκφράσεις της τυρβώδους ταχύτητας καύσης των διαφόρων μοντέλων και συσχετίσεων είχαν ως εξής: α) μοντέλο τύπου Damköhler T S β) μοντέλο του Gülder ST = k u' + S (2.3.47) γ) συσχέτιση των Bradley et al t S = k 0.62 u' S Re + S (2.3.48) T δ) μοντέλο καύσης τύπου fractal ( ) 0.3 ST = k 0.88 K Le u' + S (2.3.49) Προσθήκη των Verhelst και Sierens 78 [ ] S T ( 34)( D3 2 = Re ) S (2.3.50) t όπου D 3 u ' S = k u' + S u' + S (2.3.51) η διάσταση fractal (fractal dimension) ε) μοντέλο του Zimont * Τα μοντέλα καύσης τύπου fractal περιγράφονται αναλυτικά στην Υποπαράγραφο

127 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης στ) μοντέλο του Peters ST = k u' S L DT + S (2.3.52) Προσθήκη των Verhelst και Sierens 78 [ ] όπου Da ( SL) ( u' δ ) ST = k u'da S Da (2.3.53) = ο αριθμός Damköhler Μοντέλα Καύσης Τύπου Fractal Τα μοντέλα καύσης τύπου fractal αποτελούν τη δεύτερη κατηγορία των αμιγώς προβλεπτικών μοντέλων καύσης που έχουν εφαρμοσθεί σε θερμοδυναμικά μοντέλα προσομοίωσης κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης για τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας. Τα μοντέλα αυτά εμφανίσθηκαν μετά από τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης, ως συνέπεια μεταγενέστερων εξελίξεων που αφορούσαν την κατανόηση της δομής της τυρβώδους φλόγας των κινητήρων Otto και του τρόπου που αυτή αλληλεπιδρά με το τυρβώδες πεδίο ροής του κυλίνδρου. Προς αυτή την κατεύθυνση, σπουδαίο ρόλο διαδραμάτισε η πρόοδος των καινοτόμων οπτικών τεχνικών μέτρησης, οι οποίες βοήθησαν στο να διερευνηθεί άμεσα η δομή της φλόγας εντός του κυλίνδρου. Από καθαρά θεωρητικής άποψης, τα μοντέλα καύσης τύπου fractal πλεονεκτούν των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης, καθώς πραγματεύονται το όλο φαινόμενο της διάδοσης της προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο των κινητήρων Otto έχοντας ως βάση θεμελιώδεις αρχές. Ωστόσο, η ακρίβεια των προβλέψεών τους δε διαφέρει ουσιαστικά από αυτή των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης. Για αυτό, ακριβώς, το λόγο, τα μοντέλα καύσης τυρβώδους διείσδυσης δεν εγκαταλείφθηκαν ποτέ. Στο σημείο αυτό και πριν παρουσιασθούν τα διάφορα μοντέλα καύσης τύπου fractal που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, είναι χρήσιμο για λόγους κατανόησης να δοθούν κάποιες βασικές αρχές της θεωρίας των fractals (theory of fractals) [84-85], στην οποία ουσιαστικά βασίζονται και από την οποία παίρνουν την ονομασία τους αυτά τα μοντέλα καύσης. Τονίζεται ότι η θεωρία αυτή δεν εφαρμόζεται μόνο στο πεδίο της τυρβώδους καύσης. Ευρεία χρήση της απαντάται, επίσης, σε διάφορα επιστημονικά πεδία, όπως π.χ. η αστρονομία, η μετεωρολογία και η βιοιατρική. Η θεωρία των fractals αποτελεί ένα μαθηματικό εργαλείο για την ανάλυση τραχειών καμπυλών και επιφανειών που παρουσιάζουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της αυτο-ομοιότητας (self-similarity) σε ένα μεγάλο εύρος κλιμάκων. Αυτό σημαίνει ότι οι ειδικοί μηχανισμοί που επιφέρουν τις 111

128 2.3 Μοντέλα Καύσης λεπτομέρειες μικρής και μεγάλης κλίμακας στην καμπύλη ή την επιφάνεια είναι γεωμετρικά ταυτόσημοι, εκτός από την ίδια την κλίμακα. Μία τραχεία καμπύλη θεωρείται ότι παρουσιάζει συμπεριφορά fractal (fractal behaviour) όταν, προσπαθώντας να προσεγγισθεί το μήκος της χρησιμοποιώντας N ευθύγραμμα τμήματα μήκους (κλίμακας) ε, ισχύει για το μετρημένο μήκος της, L, για ένα μεγάλο εύρος μεταβολής του ε : 1 D 2 L ε (2.3.54) όπου D 2 η διάσταση fractal της καμπύλης, για την οποία είναι 1< D 2 < 2. Αντίστοιχα, για το μετρημένο εμβαδό, F, μίας τραχείας επιφάνειας που παρουσιάζει συμπεριφορά fractal και προσεγγίζεται από N τετράγωνα εμβαδού ε 2, ισχύει για ένα μεγάλο εύρος μεταβολής του ε : 2 D 3 F ε (2.3.55) όπου D 3 η διάσταση fractal της επιφάνειας, για την οποία είναι 2< D 3 < 3. Το γεγονός ότι 1 D 2 < 0 και 2 D 3 < 0 σημαίνει ότι όσο μειώνεται η κλίμακα ε τόσο αυξάνονται τα L και F. Γενικά, η διάσταση fractal ενός αντικειμένου (καμπύλης, επιφάνειας) αποτελεί ένα μέτρο της τραχύτητάς του. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάσταση fractal τόσο πιο τραχύ είναι το αντικείμενο. Η ελάχιστη και μέγιστη κλίμακα για τις οποίες ισχύουν οι Εξισώσεις (2.3.54) και (2.3.55) ονομάζονται εσωτερικό όριο (inner cutoff), ε i, και εξωτερικό όριο (outer cutoff), ε o, αντίστοιχα. Το εσωτερικό και εξωτερικό όριο εκφράζουν την ελάχιστη και μέγιστη, αντίστοιχα, κλίμακα τραχύτητας του αντικειμένου (κλίμακα πτύχωσης για την περίπτωση φλόγας). Όταν η τραχεία καμπύλη προκύπτει ως τομή της τραχείας επιφάνειας με ένα επίπεδο, με την επιφάνεια να παρουσιάζει ισοτροπική συμπεριφορά, τότε ισχύει: D3 = D2 + 1 (2.3.56) Αφετηρία για την εφαρμογή της θεωρίας των fractals για το χαρακτηρισμό των τυρβωδών φλογών των κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης αποτέλεσε η εργασία των Abraham et al. [86], στην οποία διαπιστώθηκε, χρησιμοποιώντας ένα κλασικό διάγραμμα περιοχών προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης, ότι η πλειοψηφία των φλογών στον κύλινδρο των κινητήρων Otto, στις τυπικές συνθήκες λειτουργίας τους, τοποθετείται 112

129 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης στην περιοχή των flamelets *. Με τον τρόπο αυτό, έγινε πλέον σαφές ότι η βασική επίδραση της τύρβης στη φλόγα ενός κινητήρα Otto είναι η δημιουργία πτυχών στο μέτωπό της, αυξάνοντας κατά πολύ το εμβαδό του. Σε ό,τι έχει σχέση με την τοπική δομή της φλόγας, αυτή παραμένει στρωτή. Βασιζόμενοι σε αυτή ακριβώς την παρατήρηση, οι Mantzaras et al. [85], αφού έλαβαν ψηφιοποιημένες εικόνες της τυρβώδους φλόγας ενός κινητήρα Otto προαναμειγμένης γόμωσης, εφάρμοσαν για πρώτη φορά ανάλυση fractal (fractal analysis) στο περίγραμμα των έντονα πτυχωμένων φλογών κινητήρων Otto, διαπιστώνοντας, τελικά, ότι αυτές παρουσιάζουν συμπεριφορά fractal. Κατόπιν, ακολουθώντας την αντίστοιχη θεωρητική εργασία του Gouldin [84], η οποία αφορούσε γενικά προαναμειγμένες τυρβώδεις φλόγες (όχι αποκλειστικά κινητήρων Otto), οι Mantzaras et al. [85] διετύπωσαν ένα μοντέλο τύπου fractal για την τυρβώδη ταχύτητα καύσης ειδικά για τις φλόγες των κινητήρων Otto. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, η επίδραση της τύρβης στη φλόγα εκφράζεται με την αύξηση του εμβαδού του μετώπου της κατά το λόγο των εμβαδών που αντιστοιχούν στο εσωτερικό και εξωτερικό όριο, F f,i F f,o. Έτσι, ισχύει: S T Ff,i = S F (2.3.57) f,o Σημειώνεται ότι το εμβαδό F f,i αντιστοιχεί στο μέγιστο βαθμό πτύχωσης του μετώπου της φλόγας και ισούται με το εμβαδό του πραγματικού μετώπου της τυρβώδους φλόγας, F T, ενώ το εμβαδό F f,o αντιστοιχεί στον ελάχιστο βαθμό πτύχωσης του μετώπου της φλόγας και ισούται ουσιαστικά με το εμβαδό του υποτιθέμενου σφαιρικού μετώπου της φλόγας, F f. Κάνοντας χρήση της Εξίσωσης (2.3.55), η προηγούμενη εξίσωση γράφηκε περαιτέρω: S T εo = εi D 3 2 S (2.3.58) με αποτέλεσμα ο ρυθμός καύσης να μπορεί, τελικά, να υπολογισθεί ως εξής: dm dt b D εo = ρufs f T = ρuff S ε (2.3.59) i 3 2 Στο Σχήμα 2.6, παρουσιάζεται το φυσικό υπόβαθρο των μοντέλων καύσης τύπου fractal [59]. Η τοπική δομή της φλόγας είναι αυτή μίας στρωτής φλόγας που χωρίζει το * Οι διάφορες περιοχές προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους αναλύονται διεξοδικά στην Υποπαράγραφο

130 2.3 Μοντέλα Καύσης άκαυστο από το καμένο αέριο, ενώ η τοπική ταχύτητα διάδοσης της φλόγας είναι η στρωτή ταχύτητα καύσης * του καυσίμου μείγματος. Το πάχος της τυρβώδους φλόγας, δ T, είναι σε τάξη μεγέθους 100 φορές μεγαλύτερο από το πάχος της στρωτής φλόγας [59]. S δ T Άκαυστο αέριο S δ Καμένο αέριο Θέση σπινθηριστή Σχήμα 2.6. Σχηματική απεικόνιση προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο κινητήρων Otto για την επεξήγηση του φυσικού υποβάθρου των μοντέλων καύσης τύπου fractal. Τα μοντέλα καύσης τύπου fractal χαρακτηρίζονται από τη χρησιμοποίηση της Εξίσωσης (2.3.58) για τον υπολογισμό της τυρβώδους ταχύτητας καύσης. Παρακάτω, παρουσιάζονται μερικά από τα γνωστότερα μοντέλα καύσης αυτής της κατηγορίας που έχουν εμφανισθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Οι κύριες διαφορές τους εντοπίζονται στον τρόπο με τον οποίο προσομοιώνεται η διάσταση fractal, D 3, καθώς και το εσωτερικό και εξωτερικό όριο, ε i και ε o, αντίστοιχα, ενώ έχουν επίσης προταθεί και παραλλαγές της Εξίσωσης (2.3.59) για τη μοντελοποίηση του ρυθμού καύσης Μοντέλο των Mantzaras et al. Στην πειραματική-θεωρητική εργασία των Mantzaras et al. [85], στην οποία εισήχθη για πρώτη φορά η Εξίσωση (2.3.58) για τον υπολογισμό της τυρβώδους ταχύτητας καύσης ειδικά στην περίπτωση των φλογών των κινητήρων Otto, δεν υπήρξε η δυνατότητα πειραματικού υπολογισμού του εσωτερικού ορίου λόγω τεχνικών αδυναμιών, ενώ το εξωτερικό όριο βρέθηκε περίπου ίσο με τη μετρημένη διαμήκη (longitudinal) κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης. Σε ό,τι αφορά τη διάσταση fractal, αποκαλύφθηκε πειραματικά ότι αυτή αυξάνεται με το λόγο u' S, συμφωνώντας με αντίστοιχα ευρήματα * Σε ό,τι έχει σχέση με τη στρωτή ταχύτητα καύσης των μοντέλων καύσης τύπου fractal αναφορικά με την τάση της φλόγας, ισχύουν τα ίδια ακριβώς πράγματα που ισχύουν και στην περίπτωση των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης, όπως εξηγήθηκε στην υποσημείωση του Σχήματος

131 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης πειραματικών εργασιών που αφορούσαν προαναμειγμένες τυρβώδεις φλόγες τύπου flamelet, διαφορετικών όμως διαμορφώσεων (όχι κινητήρων Otto) [87]. Στις περιπτώσεις για τις οποίες l δ > k 1, όπου l k η Kolmogorov κλίμακα μήκους, και u' S 1, η επίδραση της τύρβης, η οποία εκδηλώνεται με τη δημιουργία πτυχώσεων στο μέτωπο της φλόγας κυρίως στις μικρές κλίμακες, κυριαρχεί της επίδρασης της στρωτής καύσης, η οποία οδηγεί στην εξομάλυνση των τυρβωδών διαταραχών της επιφάνειας της φλόγας. Επομένως, το εσωτερικό όριο μπορεί να θεωρηθεί ότι καθορίζεται από την αντίστοιχη, δηλαδή τη μικρότερη, κλίμακα μήκους του τυρβώδους πεδίου ροής, δίνοντας τελικά ε i = l. Η υπόθεση αυτή, μαζί με την πειραματική παρατήρηση ότι ε L, οδήγησε k τους Mantzaras et al. να διατυπώσουν την Εξίσωση (2.3.58) ως εξής: o = D 2 3 L ( 34)( D3 2 S S ) T = = Ret S l (2.3.60) k Εκτός της προηγούμενης εξίσωσης, οι Mantzaras et al. πρότειναν μία εναλλακτική σχέση υπολογισμού της τυρβώδους ταχύτητας καύσης, θεωρώντας ότι το εσωτερικό όριο οφείλει να ισούται με την Gibson κλίμακα της τύρβης, l G, για την οποία ισχύει ότι ( ') 3 l = L S u > l [88]. Η παραδοχή για να ισχύει η προηγούμενη θεώρηση είναι ότι η G k στρωτή διάδοση της φλόγας εξομαλύνει μόνο εκείνες τις δίνες της τύρβης των οποίων η ταχύτητα περιστροφής είναι ίση ή μικρότερη της στρωτής ταχύτητας καύσης. Το μέγεθος της δίνης που έχει ταχύτητα περιστροφής ίση με τη στρωτή ταχύτητα καύσης αποτελεί την Gibson κλίμακα της τύρβης. Με τον τρόπο αυτό, η Εξίσωση (2.3.58) γράφηκε εναλλακτικά ως εξής: D3 2 3( D3 2) L u' ST = S = S lg S (2.3.61) Αν και οι Εξισώσεις (2.3.60) και (2.3.61) δε χρησιμοποιήθηκαν από τους Mantzaras et al. σε κάποιο μοντέλο προσομοίωσης του κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως εκφράσεις υπολογισμού της τυρβώδους ταχύτητας καύσης φλογών κινητήρων Otto, με την προϋπόθεση, βέβαια, ότι η διάσταση fractal μπορεί να προσομοιωθεί με κάποιο τρόπο Μοντέλο των Santavicca et al. Βασιζόμενοι στο ότι η δομή των προαναμειγμένων τυρβωδών φλογών των κινητήρων Otto παρουσιάζει συμπεριφορά fractal, οι Santavicca et al. [89] ανέπτυξαν ένα ιδιαίτερο μοντέλο καύσης τύπου fractal για την προσομοίωση της ανάπτυξης του πυρήνα 115

132 2.3 Μοντέλα Καύσης της φλόγας κατά το αρχικό στάδιο της καύσης. Το κύριο χαρακτηριστικό του μοντέλου αυτού ήταν ότι λάμβανε υπόψη του την κατανομή των κλιμάκων χρόνου και μήκους της τύρβης σε σχέση με τις αντίστοιχες κλίμακες του πυρήνα της φλόγας. Στο μοντέλο αυτό χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μία ημι-εμπειρική σχέση υπολογισμού της διάστασης fractal του μετώπου της προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας. Η σχέση αυτή περιελάμβανε την επίδραση δύο αντιτιθέμενων μηχανισμών στη διεργασία της πτύχωσης του μετώπου της φλόγας. Από τη μία μεριά, οι τυρβώδεις διακυμάνσεις της ταχύτητας στο άκαυστο αέριο οδηγούν στην παραμόρφωση του μετώπου της φλόγας με ένα ρυθμό που είναι ανάλογος της έντασης της τύρβης. Από την άλλη μεριά, η διεργασία της τοπικά στρωτής καύσης της φλόγας έχει ως αποτέλεσμα την εξομάλυνση των προηγούμενων πτυχών με ένα ρυθμό που είναι ανάλογος της στρωτής ταχύτητας καύσης. Η σχετική συνεισφορά αυτών των δύο μηχανισμών θεωρήθηκε ότι μεταβάλλεται με το λόγο u' S, σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση των North και Santavicca [90]: D 3 u ' S = u' + S u' + S (2.3.62) με τους συντελεστές αναλογίας 2.35 και 2.0 στην προηγούμενη εξίσωση να προκύπτουν από αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Με σκοπό να ληφθεί υπόψη η επίδραση του εύρους των κλιμάκων χρόνου της τύρβης στη διεργασία της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας, οι Santavicca et al. χρησιμοποίησαν την έννοια του φάσματος της τυρβώδους ενέργειας (turbulence energy spectrum) [91]. Με τον τρόπο αυτό, σε κάθε χρονική στιγμή η κλίμακα χρόνου του πυρήνα της φλόγας, δηλαδή ο χρόνος ζωής του, συγκρίνεται άμεσα με την κατανομή των κλιμάκων χρόνου της τύρβης, όπως αυτή αναπαρίσταται από το φάσμα της τυρβώδους ενέργειας. Θεωρείται ότι οι μόνες δίνες που μπορούν να επηρεάσουν τον πυρήνα είναι αυτές των οποίων η συχνότητα είναι μεγαλύτερη από το αντίστροφο του χρόνου ζωής του πυρήνα. Με την πάροδο του χρόνου από τη στιγμή της έναυσης, το τμήμα του φάσματος της τυρβώδους ενέργειας που επιδρά στην ανάπτυξη του πυρήνα αυξάνεται. Η διαδικασία αυτή απεικονίζεται γραφικά στο Σχήμα 2.7 [89], το οποίο παρουσιάζει το φάσμα της τυρβώδους ενέργειας, E( f ), όπου f η συχνότητα. Η κλίση του φάσματος συμβολίζεται με είναι το όριο χαμηλής συχνότητας. β, ενώ f o 116

133 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης E(f) (m 2 /s) Κλίση: -β u ' 2 k f o 1/t f (Hz) Σχήμα 2.7. Φάσμα τυρβώδους ενέργειας και ορισμός ενεργού έντασης της τύρβης. Με βάση, λοιπόν, το φάσμα της τυρβώδους ενέργειας, εισήχθη η έννοια της ενεργού έντασης της τύρβης, u ' k. Αυτή οριζόταν ως η τετραγωνική ρίζα του εμβαδού της περιοχής που περικλείεται εντός της καμπύλης του φάσματος τυρβώδους ενέργειας στο εύρος εκείνων των συχνοτήτων που είναι μεγαλύτερες από το αντίστροφο του χρόνου ζωής του πυρήνα της φλόγας: 2 k () () u' t = E f df (2.3.63) 1 t Για την προσομοίωση της ενεργού έντασης της τύρβης, οι Santavicca et al. έκαναν χρήση της ακόλουθης προσέγγισης: u' k () t 1 2 u' fot, t 1f = u ', t > 1f ( ) ( β ) o o (2.3.64) Με αντίστοιχο τρόπο, ορίστηκε μία ενεργός διάσταση fractal, D 3,k, αντικαθιστώντας στην Εξίσωση (2.3.62), η οποία αναφέρεται σε μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα, τον όρο u ' με τον όρο u' () t, δίνοντας: k D 3,k ' k ( ) () ' () u t S = u' t + S u t + S k k (2.3.65) 117

134 2.3 Μοντέλα Καύσης Με τη χρήση της τελευταίας εξίσωσης γινόταν, πλέον, η θεώρηση ότι ο πυρήνας της φλόγας κατά τη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξής του και της μετάβασής του σε μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα παρουσιάζει συμπεριφορά fractal. Πέρα από την επίδραση της κατανομής των κλιμάκων χρόνου της τύρβης, η οποία εκφράστηκε με την εισαγωγή της ενεργού διάστασης fractal, οι Santavicca et al. έλαβαν επίσης υπόψη τους την επίδραση της κατανομής των κλιμάκων μήκους της τύρβης στην αρχική ανάπτυξη του πυρήνα της φλόγας. Έτσι, θεωρήθηκε ότι στο μέτωπο της φλόγας κατά το αρχικό στάδιο της καύσης δε μπορούν να δημιουργηθούν πτυχώσεις μεγαλύτερες από το ίδιο το μέγεθος της φλόγας. Με τον τρόπο αυτό, το εξωτερικό όριο τέθηκε ίσο με το ήμισυ της ακτίνας του πυρήνα της φλόγας. Σε ό,τι αφορά το εσωτερικό όριο, υιοθετήθηκε η απλή παραδοχή ότι αυτό είναι ίσο με την Kolmogorov κλίμακα μήκους. Με βάση, λοιπόν, τις προηγούμενες θεωρήσεις, οι Santavicca et al. διατύπωσαν τελικά την Εξίσωση (2.3.58) για το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης του πυρήνα της φλόγας ως εξής: S T D3,k 2 rf 2 S, rf 2L lk = D3,k 2 L S,rf > 2L lk (2.3.66) Μοντέλο των Chin et al. Οι Chin et al. [81, 92-93] υπήρξαν οι πρώτοι οι οποίοι ανέπτυξαν ένα μοντέλο καύσης τύπου fractal που συνδύαζε ταυτόχρονα επιδράσεις τάσης φλόγας. Η Εξίσωση (2.3.58) για την τυρβώδη ταχύτητα καύσης γράφηκε ως εξής: S εo = εi D 3 2 T 0 S I (2.3.67) όπου S η μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Ο παράγοντας τάσης φλόγας υπολογίσθηκε χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Herweg και Maly [51], θεωρώντας όμως ότι ο αριθμός Lewis ισούται με τη μονάδα. Επίσης, σε ό,τι αφορά τον τυρβώδη ρυθμό τάσης, K t, (βλέπε Εξίσωση ), αυτός εκτιμήθηκε σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: K є = ν t 43 C 4 12 (2.3.68) όπου є ο ρυθμός καταστροφής της τυρβώδους κινητικής ενέργειας και C 4 σταθερά αναλογίας που συνέδεε το εσωτερικό όριο με την Kolmogorov κλίμακα μήκους: 118

135 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης ε i = C l (2.3.69) Για τη σταθερά αυτή δόθηκε η τιμή C4 = 3.55 με βάση αποτελέσματα μετρήσεων φλογών σε διάφορες πειραματικές διατάξεις καύσης [87, 94], αφού το εσωτερικό όριο σε φλόγες κινητήρων Otto δεν ήταν δυνατό μέχρι εκείνη τη στιγμή να προσδιορισθεί επακριβώς λόγω τεχνικών αδυναμιών που σχετίζονταν με τις οπτικές μεθόδους μέτρησης της φλόγας. Τέλος, η διάσταση fractal προσδιορίσθηκε με χρήση της Εξίσωσης (2.3.62) των North και Santavicca [90]. Εκτός του εσωτερικού ορίου, οι Chin et al. διαπίστωσαν ότι υπήρχαν αβεβαιότητες και για το εξωτερικό όριο των φλογών των κινητήρων Otto. Για το λόγο αυτό, εξέτασαν την επίδραση στην όλη διεργασία της καύσης των εξής τριών υποθέσεων: 4 K Υπόθεση 1: Η μέγιστη κλίμακα των πτυχώσεων ισούται με την ακτίνα του μετώπου της φλόγας κατά τη διάρκεια ολόκληρης της φάσης της καύσης. Η υπόθεση αυτή αντιστοιχούσε στη μέγιστη δυνατή κλίμακα πτυχώσεων του μετώπου της φλόγας, δίνοντας για το λόγο του εξωτερικού προς το εσωτερικό όριο: ε ε o i rf = (2.3.70) 3.55l k Υπόθεση 2: Η μέγιστη κλίμακα των πτυχώσεων ισούται με την ακτίνα του μετώπου της φλόγας μέχρι τη χρονική στιγμή όπου η τελευταία γίνει ίση με το επιζήμιο ύψος του κυλίνδρου, h cl. Από αυτό το σημείο και μετά, ισχύει ότι ε o = h. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης κοντά στο άνω νεκρό σημείο είναι περίπου ίση με τα 3/10 του επιζήμιου ύψους, ο λόγος του εξωτερικού προς το εσωτερικό όριο έγινε τελικά: cl εo hcl ( 10 3)L L = (2.3.71) ε 3.55l 3.55l l i k k k Υπόθεση 3: Η μέγιστη κλίμακα των πτυχώσεων ισούται με το διπλάσιο της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, δίνοντας για το λόγο του εξωτερικού προς το εσωτερικό όριο: ε ε o i 2L = (2.3.72) 3.55l k Μοντέλο των Wu et al. Το μοντέλο καύσης τύπου fractal των Wu et al. [95] αποτελεί ουσιαστικά βελτίωση του αντίστοιχου μοντέλου των Chin et al. [81, 92-93]. Σε αντίθεση με τους Chin et al., οι 119

136 2.3 Μοντέλα Καύσης οποίοι χρησιμοποίησαν ένα συγκεκριμένο σύνολο εξισώσεων για την προσομοίωση ολόκληρης της φάσης της καύσης, που ουσιαστικά αντιστοιχούσε στην περίπτωση μίας πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας, οι Wu et al. προσάρμοσαν το μοντέλο τους με σκοπό να περιγράψουν με ρεαλιστικότερο τρόπο τα διάφορα ξεχωριστά στάδια της καύσης (δημιουργία του πυρήνα της φλόγας, αρχική ανάπτυξη της φλόγας, διάδοση της πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας, τερματισμός της καύσης). Σε ό,τι αφορά το στάδιο της διάδοσης της πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας, οι Wu et al. χρησιμοποίησαν τις εξισώσεις του μοντέλου των Chin et al. Για το λόγο ε o εi επιλέχθηκε η Εξίσωση (2.3.71), αφού είχε δειχθεί ότι με αυτή την εξίσωση επιτυγχάνεται καλύτερη σύγκλιση μεταξύ προβλέψεων και πειραματικών δεδομένων από ότι χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (2.3.70) ή (2.3.72) [81, 92-93]. Το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας προσομοιώθηκε λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση των κλιμάκων μήκους της τύρβης στη διεργασία της δημιουργίας πτυχώσεων στο μέτωπο της φλόγας. Θεωρώντας ότι οι δίνες που μπορούν να προκαλέσουν πτυχές στη φλόγα έχουν μέγεθος ίσο ή μικρότερο από την ακτίνα του μετώπου της, η ένταση της τύρβης, u ', στην εξίσωση υπολογισμού της διάστασης fractal (βλέπε Εξίσωση (2.3.62)) αντικαταστάθηκε από την ταχύτητα περιστροφής των μέγιστων σε μέγεθος δινών που προκαλούν πτυχώσεις, u max, δίνοντας: D 3 umax S = u + S u + S max max (2.3.73) Αφού αυτές οι μέγιστες δίνες έχουν μέγεθος ίσο με τη στιγμιαία ακτίνα του μετώπου της φλόγας, η ταχύτητα u max υπολογίσθηκε με βάση τη γνωστή ιδιότητα της ανεξαρτησίας του ρυθμού καταστροφής της τυρβώδους κινητικής ενέργειας από την κλίμακα της τύρβης: 3 3 u ' umax є = = (2.3.74) L r Η μετάβαση από το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας στο στάδιο της διάδοσης της πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας θεωρήθηκε ότι συμβαίνει όταν η ακτίνα του μετώπου της φλόγας γίνει ίση με την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης. Έτσι, για να υπάρχει ομαλή μετάβαση του λόγου ε f o εi, αυτός ορίσθηκε ως εξής για το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας (βλέπε και Εξίσωση (2.3.71) για το στάδιο της διάδοσης της φλόγας): εo rf = (2.3.75) ε l i k 120

137 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Εφόσον είχε ήδη υποτεθεί ότι στο στάδιο αυτό η μέγιστη κλίμακα των πτυχώσεων της φλόγας ισούται με την ακτίνα του μετώπου της (ε o = r ), η τελευταία εξίσωση σήμαινε ότι η ελάχιστη κλίμακα των πτυχώσεων ισούται με την Kolmogorov κλίμακα μήκους. Έτσι, κατά τη διάρκεια της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, στη σταθερά C 4 της Εξίσωσης (2.3.69) δόθηκε η τιμή C4 = 1. Τέλος, ομαλή μετάβαση επιτεύχθηκε και για τη διάσταση fractal, αφού τη στιγμή της μετάβασης η ταχύτητα u max γινόταν ίση με την ένταση της τύρβης, u ', σύμφωνα με την Εξίσωση (2.3.74). f Μοντέλο των Yoshiyama et al. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του μοντέλου των Yoshiyama et al. [96] αποτέλεσε η εισαγωγή μίας νέας συσχέτισης για τη διάσταση fractal και το εσωτερικό όριο των προαναμειγμένων τυρβωδών φλογών. Αφού μέτρησαν τα fractal χαρακτηριστικά διδιάστατων εικόνων της τυρβώδους φλόγας τόσο σε ένα θάλαμο καύσης σταθερού όγκου όσο και στον κύλινδρο ενός κινητήρα Otto [97], οι Yoshiyama et al. διαπίστωσαν ότι η διάσταση fractal των διδιάστατων περιγραμμάτων του μετώπου της φλόγας, D 2, εξαρτάται, εκτός από το λόγο u' S, και από την πυκνότητα του άκαυστου αερίου. Το σύνολο των πειραματικών δεδομένων τους προσεγγίσθηκε με αρκετή ακρίβεια από την ακόλουθη σχέση: D = ' 1 ' ( ρu ρo) ( u S) + ( ρu ρo) ( u S) (2.3.76) όπου ρ o μία πυκνότητα αναφοράς, αντιστοιχούσα σε πίεση kpa και θερμοκρασία 300 K. Σε ό,τι αφορούσε το εσωτερικό όριο των εξεταζόμενων τυρβωδών φλογών, οι Yoshiyama et al. προσάρμοσαν τις σχετικές πειραματικές μετρήσεις τους στη συσχέτιση των Gülder και Smallwood [98]: εi = D δ Ka 12 (2.3.77) όπου για τη σταθερά D βρέθηκε ότι D= 5, με τον αριθμό Karlovitz, Ka, να ορίζεται ως εξής: δ u ' Ka = S λ (2.3.78) και ουσιαστικά να ταυτίζεται με τον ορισμό του Karlovitz παράγοντα τάσης της Εξίσωσης (2.3.43). Τέλος, οι τιμές του εξωτερικού ορίου βρέθηκαν ότι είναι παραπλήσιες της στιγμιαίας ακτίνας του μετώπου της φλόγας. 121

138 2.3 Μοντέλα Καύσης Μοντέλο των Matthews et al. Μία βελτιωμένη έκδοση ενός μοντέλου καύσης τύπου fractal προτάθηκε από τους Matthews et al. [59] με στόχο να προσομοιωθεί η αύξηση του ρυθμού καύσης που προκύπτει από την αντίστοιχη αύξηση της επιφάνειας της φλόγας λόγω των έντονων περιελίξεών της (convolutions), ειδικά στις περιπτώσεις υψηλών τιμών του λόγου u' S. Τρισδιάστατες οπτικοποιήσεις των προαναμειγμένων τυρβωδών φλογών σε κινητήρες Otto είχαν αποκαλύψει ότι, εκτός των έντονων πτυχώσεων του μετώπου της φλόγας, υπάρχει περίπτωση να εμφανισθούν επιπρόσθετα σημαντικές σε μέγεθος περιοχές φλόγας ως προεξοχές (flame peninsulas) είτε προς το άκαυστο είτε προς το καμένο αέριο, των οποίων η κλίμακα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μέγιστη κλίμακα πτύχωσης της φλόγας. Αυτές οι πρόσθετες περιοχές φλόγας δημιουργούν στην ουσία πρόσθετη διαθέσιμη επιφάνεια για καύση. Καθώς αυτές οι προεξοχές φλόγας δεν είναι δυνατόν να αναλυθούν με βάση τη θεωρία των fractals, οι Matthews et al. θεώρησαν ότι η καύση στις συγκεκριμένες περιοχές μπορεί να προσομοιωθεί χρησιμοποιώντας το φυσικό υπόβαθρο των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης. Στο Σχήμα 2.8, απεικονίζεται το φυσικό υπόβαθρο του μοντέλου καύσης των Matthews et al., το οποίο αποτελεί ουσιαστικά συνδυασμό των φυσικών υποβάθρων των μοντέλων καύσης τύπου fractal και τυρβώδους διείσδυσης [59]. Μέτωπο φλόγας δ λ Άκαυστο u ' αέριο S I 0 Καμένο αέριο Ζώνη διείσδυσης Θέση σπινθηριστή Σχήμα 2.8. Σχηματική απεικόνιση προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο κινητήρων Otto για την επεξήγηση του φυσικού υποβάθρου του μοντέλου καύσης των Matthews et al.. Συνδυάζοντας τις εξισώσεις του μοντέλου καύσης τύπου fractal των Wu et al. [95] με τις εξισώσεις του μοντέλου καύσης τυρβώδους διείσδυσης των Dai et al. [52], οι Matthews et al. διατύπωσαν το ρυθμό καύσης στο μοντέλο τους ως εξής: D3 2 b o = ρuff S 0 + e b i b dm ε m m dt ε I τ (2.3.79) 122

139 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Ο πρώτος όρος στο δεξιό μέλος της προηγούμενης εξίσωσης αναπαριστά το ρυθμό καύσης λόγω των πτυχώσεων του μετώπου της φλόγας σε συνδυασμό με επιδράσεις τάσης φλόγας, ενώ ο δεύτερος όρος αναπαριστά το ρυθμό καύσης στην πρόσθετη επιφάνεια της φλόγας που δημιουργείται λόγω των έντονων περιελίξεών της. Σε ό,τι αφορά το ρυθμό διείσδυσης, αυτός μειώθηκε, με κάπως αυθαίρετο τρόπο, στο ήμισυ της αρχικής τιμής του (βλέπε Εξίσωση (2.3.38)): dme 1 ρ r r u ' f f 12 = ρuff S 0 UT 1 exp 0 dt 2 I + ρb rc r I (2.3.80) c Μοντέλο των Bozza et al. Το μοντέλο των Bozza et al. [99] αποτελεί ένα ιδιαίτερο μοντέλο καύσης τύπου fractal που αναπτύχθηκε για την προσομοίωση τόσο της αρχικής ανάπτυξης και διάδοσης της προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας στον κύλινδρο των κινητήρων Otto όσο και της ολοκλήρωσης της διεργασίας της καύσης στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Ο ολικός ρυθμός καύσης, ( m t) d d, εκφράστηκε ως σταθμισμένο άθροισμα του ρυθμού καύσης που b tot σχετιζόταν με τη fractal γεωμετρία του μετώπου της φλόγας, ( m t) d d, και του ρυθμού καύσης που αντιστοιχούσε στην ολοκλήρωση της καύσης στα τοιχώματα του κυλίνδρου (wall combustion), ( m t) d d : b wc b fr dmb dmb dmb ( 1 w2) w2 dt = + dt dt tot fr wc (2.3.81) Ο συντελεστής βαρύτητας w 2 προσδιόριζε τη σχετική συνεισφορά στη συνολική διεργασία της καύσης του μηχανισμού καύσης στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Για τον υπολογισμό του fractal ρυθμού καύσης, χρησιμοποιήθηκε η συνήθης Εξίσωση (2.3.59), θεωρώντας ότι η ελάχιστη και η μέγιστη κλίμακα πτυχώσεων του μετώπου της φλόγας αντιστοιχούν στην Kolmogorov κλίμακα μήκους και την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, αντίστοιχα. Η μετάβαση από το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας στο στάδιο της διάδοσης της πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας λήφθηκε υπόψη μέσω της διάστασης fractal, η οποία θεωρήθηκε ότι αυξάνεται κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου της καύσης λόγω της σταδιακής αύξησης του βαθμού πτύχωσης του μετώπου της φλόγας. Για τον υπολογισμό της διάστασης fractal, προτάθηκε η ακόλουθη σχέση: u ' S D 3 D 3,max D u S 3,min = + ' + u' + S (2.3.82) 123

140 2.3 Μοντέλα Καύσης όπου D 3,min = 2.05 και D ( ) = D 1 w w (2.3.83) 3,max 3,min 1 1 Στην τελευταία εξίσωση, ο συντελεστής βαρύτητας w 1 συσχετίσθηκε με τη χρονική μεταβολή της έντασης της πτύχωσης του μετώπου της φλόγας και υπολογίσθηκε ως εξής: ( ω ) w = 1 exp (2.3.84) 1 wr όπου ω wr ένας αδιάστατος ρυθμός πτύχωσης (wrinkling) της φλόγας. Θεωρώντας ότι η ένταση της πτύχωσης αυξάνεται με τη στιγμιαία ακτίνα του μετώπου της φλόγας και την ένταση της τύρβης, η οποία είναι ανάλογη της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα, προτάθηκε η ακόλουθη έκφραση για τον αδιάστατο ρυθμό πτύχωσης της φλόγας: ω wr rf N = (2.3.85) r f,ref Nref όπου r f,ref μία ακτίνας αναφοράς (της τάξης του 1 cm), η οποία αποτελούσε σταθερά βαθμονόμησης του μοντέλου καύσης, και N ref μία ταχύτητα περιστροφής αναφοράς. Σύμφωνα με την παραπάνω διατύπωση της διάστασης fractal, η τιμή της στην αρχή της καύσης πλησίαζε την ελάχιστη τιμή D 3,min, η οποία χαρακτήριζε την αρχικά στρωτή καύση του πυρήνα της φλόγας. Σε κάθε περίπτωση, αυτή η ελάχιστη τιμή ήταν μεγαλύτερη του 2, υποδεικνύοντας ότι η φλόγα παρουσιάζει συμπεριφορά fractal ήδη από το αρχικό στάδιο της καύσης. Όταν το μέγεθος της φλόγας είχε, πλέον, αυξηθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε ο αδιάστατος όρος ω wr να πλησιάζει την τιμή 3, ο συντελεστής βαρύτητας w 1 ξεπερνούσε την τιμή 0.95, σηματοδοτώντας την έναρξη του σταδίου της διάδοσης της πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας. Σε ό,τι αφορά το ρυθμό καύσης στα τοιχώματα του κυλίνδρου, αυτός περιγράφηκε από την ακόλουθη εμπειρική σχέση: dmb m m = dt τ wc wc b (2.3.86) όπου τ wc ο χαρακτηριστικός χρόνος καύσης της σχετικής διεργασίας. Η εκθετική μείωση του ρυθμού καύσης που αναπαριστούσε η προηγούμενη εξίσωση είχε ως στόχο να προσομοιώσει την επιβραδυντική επίδραση των τοιχωμάτων στη διεργασία της καύσης. Η καύση στα τοιχώματα του κυλίνδρου θεωρήθηκε ότι ξεκινά τη χρονική στιγμή κατά την οποία η φλόγα έρχεται για πρώτη φορά σε επαφή με το τοίχωμα, όπου: 124

141 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης rf + L 2= D 2 (2.3.87) Αυτή η χρονική στιγμή ονομάστηκε χρόνος μετάβασης (transition time), t tr, σηματοδοτώντας τη μετάβαση από το στάδιο της διάδοσης της φλόγας στο στάδιο της ολοκλήρωσης της καύσης στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Ο χαρακτηριστικός χρόνος τ wc στην Εξίσωση (2.3.86), ο οποίος θεωρήθηκε σταθερός για όλη τη διάρκεια της καύσης στο τοίχωμα, υπολογίσθηκε θεωρώντας ότι, τη στιγμή της μετάβασης, ο ρυθμός καύσης στο τοίχωμα ισούται με το fractal ρυθμό καύσης: τ wc ( m m ) ( dm dt) b tr = b fr tr (2.3.88) Τέλος, ο υπολογισμός του συντελεστή βαρύτητας w 2 στην Εξίσωση (2.3.81) ξεκινούσε από το χρόνο μετάβασης. Σε κάθε χρονική στιγμή, η τιμή του, αυξανόμενη γραμμικά με το χρόνο, καθοριζόταν από τη στιγμιαία άκαυστη μάζα εντός του κυλίνδρου, ( m ) m b, συγκριτικά με αυτήν που αντιστοιχούσε στο χρόνο μετάβασης: w = 1 2 m m b ( m m ) b tr (2.3.89) 125

142 2.4 Ορολογία Κεφαλαίου Ορολογία Κεφαλαίου 2 a παράμετρος απόδοσης συνάρτησης Wiebe (-) D διάμετρος κυλίνδρου (m) D 2 διάσταση fractal καμπύλης (-) D 3 διάσταση fractal επιφάνειας (-) D 3,k ενεργός διάσταση fractal επιφάνειας (-) D T συντελεστής διάχυσης θερμότητας (m 2 /s) F εμβαδό επιφάνειας (m 2 ) FSR λόγος ταχυτήτων φλόγας (-) h cl επιζήμιο ύψος (m) I 0 παράγοντας τάσης φλόγας (-) K Karlovitz παράγοντας τάσης (-), ή ρυθμός τάσης (s -1 ) L κλίμακα μήκους μεγάλων δινών της τύρβης (m) l G Gibson κλίμακα τύρβης (m) l k Kolmogorov κλίμακα μήκους (m) m παράγοντας μορφής συνάρτησης Wiebe (-) m μάζα (kg) N ταχύτητα περιστροφής κινητήρα (rpm ) p πίεση (N/m 2 ) r r c S e S S T t U u ' u ' k u max u p ακτίνα (m) κρίσιμη ακτίνα (m) ταχύτητα διείσδυσης (m/s) στρωτή ταχύτητα καύσης (m/s) τυρβώδης ταχύτητα καύσης (m/s) χρόνος (s) μέση ταχύτητα ροής (m/s) ένταση τύρβης (m/s) ενεργός ένταση τύρβης (m/s) ταχύτητα περιστροφής μέγιστων σε μέγεθος δινών που προκαλούν πτυχώσεις (m/s) μέση ταχύτητα εμβόλου (m/s) w 1 συντελεστής βαρύτητας (-) 126

143 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης w 2 συντελεστής βαρύτητας (-) x κλάσμα μάζας (-) Ελληνικά Σύμβολα δ πάχος στρωτής φλόγας (m) Δ θ b διάρκεια καύσης ( o CA ) Δ θ id διάρκεια καθυστέρησης ανάφλεξης ( o CA ) є ρυθμός καταστροφής τυρβώδους κινητικής ενέργειας (m 2 /s 3 ) ε i ε o εσωτερικό όριο (m) εξωτερικό όριο (m) θ γωνία στροφάλου ( ο ) θ max γωνία στροφάλου μέγιστου ρυθμού καύσης ( ο ) λ Taylor μικροκλίμακα (m) μ δυναμική συνεκτικότητα (kg/m s) ν κινηματική συνεκτικότητα (m 2 /s) ρ πυκνότητα (kg/m 3 ) τ 0G τ b τ wc ενεργός κλίμακα χρόνου μεγάλων δινών της τύρβης (s) χαρακτηριστικός χρόνος καύσης (s) χαρακτηριστικός χρόνος καύσης στο τοίχωμα του κυλίνδρου (s) ω wr αδιάστατος ρυθμός πτύχωσης φλόγας (-) Δείκτες b e EOC f F fd fr IT m ref SOC t καμένη ζώνη διείσδυση τέλος της καύσης μέτωπο φλόγας τέλος διάδοσης φλόγας στάδιο αρχικής ανάπτυξης φλόγας fractal χρονισμός έναυσης ετεροκίνηση κινητήρα συνθήκες αναφοράς αρχή της καύσης τυρβώδης 127

144 2.4 Ορολογία Κεφαλαίου 2 tot tr u wc ολικός μετάβαση άκαυστη ζώνη καύση στο τοίχωμα του κυλίνδρου Συντομεύσεις CO NO rpm o CA μονοξείδιο του άνθρακα μονοξείδιο του αζώτου στροφές ανά λεπτό μοίρες γωνίας στροφάλου Αδιάστατοι Αριθμοί Da αριθμός Damköhler (-) Ka αριθμός Karlovitz (-) Le αριθμός Lewis (-) Pr αριθμός Prandtl (-) Re αριθμός Reynolds (-) 128

145 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 2.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου 2 1. Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, Ramos J.I., Internal Combustion Engine Modeling, Hemisphere, New York, Le Corre O., Rousseau S., Solliec C., ''One Zone Thermodynamic Model Simulation of a Stationary Spark Ignition Gas Engine: Static and Dynamic Performances'', SAE Paper No , Gatowski J.A., Balles E.N., Chun K.M., Nelson F.E., Ekchian J.A., Heywood J.B., ''Heat Release Analysis of Engine Pressure Data'', SAE Paper No , Cheung H.M., Heywood J.B., ''Evaluation of a One-Zone Burn-Rate Analysis Procedure Using Production SI Engine Pressure Data'', Trans SAE, J Engines, 102, , Lavoie G.A., ''Spectroscopic Measurements of Nitric Oxide in Spark Ignition Engines'', Combust Flame, 15, , Lavoie G.A., Heywood J.B., Keck J.C., ''Experimental and Theoretical Study of Nitric Oxide Formation in Internal Combustion Engines'', Combust Sci Technol, 1, , Rakopoulos C.D., Michos C.N., ''Development and Validation of a Multi-Zone Combustion Model for Performance and Nitric Oxide Formation in Syngas Fueled Spark Ignition Engine'', Energy Convers Manage, 49, , Rakopoulos C.D., Michos C.N., Giakoumis E.G., ''Thermodynamic Analysis of SI Engine Operation on Variable Composition Biogas-Hydrogen Blends Using a Quasi- Dimensional, Multi-Zone Combustion Model'', SAE Int J Engines, 2, , Annand W.J.D., ''Heat Transfer in the Cylinders of Reciprocating Internal Combustion Engines'', Proc Inst Mech Engrs, 177, , Blumberg P.N., Kummer J.T., ''Prediction of NO Formation in Spark-Ignited Engines - An Analysis of Methods of Control'', Combust Sci Technol, 4, 73-95, Daneshyar H., Watfa M., ''Prediction of Nitric Oxide (NO) Concentration in Spark- Ignition Engines'', Combust Flame, 21, ,

146 2.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου Daneshyar H., Watfa M., ''Predicting Nitric Oxide and Carbon Monoxide Concentrations in Spark-Ignition Engines'', Proc Inst Mech Engrs, 188, , Heywood J.B., Higgins J.M., Watts P.A., Tabaczynski R.J., ''Development and Use of a Cycle Simulation to Predict SI Engine Efficiency and NO x Emissions'', SAE Paper No , Caton J.A., ''A Multiple-Zone Cycle Simulation for Spark-Ignition Engines: Thermodynamic Details'', In: Proceedings of ASME ICE 2001 Fall Technical Conference, Argonne, Illinios, USA, Paper No. ICEF , September Caton J.A., ''Effects of Burn Rate Parameters on Nitric Oxide Emissions for a Spark Ignition Engine: Results from a Three-Zone, Thermodynamic Simulation'', SAE Paper No , Caton J.A., ''The Use of a Three-Zone Combustion Model to Determine Nitric Oxide Emissions from a Homogeneous-Charge, Spark-Ignited Engine'', In: Proceedings of ASME ICE 2003 Spring Technical Conference, Salzburg, Austria, Paper No. ICES , May Lavoie G.A., Blumberg P.N., ''A Fundamental Model for Predicting Fuel Consumption, NO x and HC Emissions of the Conventional Spark-Ignited Engine'', Combust Sci Technol, 21, , Chomiak T., Rychter T., Teodorczyk A., ''Three-Zone Zero-Dimensional Model of an SI Piston Engine Cycle'', J Tech Phys, 32, , Rublewski M., Heywood J.B., ''Modeling NO Formation in Spark Ignition Engines with a Layered Adiabatic Core and Combustion Inefficiency Routine'', SAE Paper No , Raine R.R., Stone C.R., Gould J., ''Modeling of Nitric Oxide Formation in Spark Ignition Engines with a Multizone Burned Gas'', Combust Flame, 102, , Ball J.K., Stone C.R., Collings N., ''Cycle-by-Cycle Modelling of NO Formation and Comparison with Experimental Data'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 213, , Stone C.R., Lim E.P., Ewart P., Lloyd G., Williams R.B., ''Temperature and Heat Flux Measurements in a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No ,

147 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 24. Raine R.R., Wyszynski L., Stone R., ''Modelling of NO Emissions from Homogeneous and Stratified Charge Spark Ignition Engines'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 216, , D' Errico G., Ferrari G., Onorati A., Cerri T., ''Modeling the Pollutant Emissions from a S.I. Engine'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 111, 1-11, D' Errico G., Cerri T., Lucchini T., ''Development and Application of S.I. Combustion Models for Emissions Prediction'', SAE Paper No , Ahmedi A., Stenlåås O., Sundén B., Egnell R., Mauss F., ''Engine Knock Prediction Using Multi Zone Model for Spark Ignition Engines'', In: Proceedings of ASME ICE 2006 Fall Technical Conference, Sacramento, California, USA, Paper No. ICEF , November Baratta M., Catania A.E., Spessa E., Vassallo A., ''Development and Assessment of a Multizone Combustion Simulation Code for SI Engines Based on a Novel Fractal Model'', SAE Paper No , Baratta M., Catania A.E., d' Ambrosio S., Spessa E., ''Prediction of Combustion Parameters, Performance, and Emissions in Compressed Natural Gas and Gasoline SI Engines'', Trans ASME, J Eng Gas Turbines Power, 130, / /11, Heywood J.B., ''Engine Combustion Modeling - An Overview'', In: J.N. Mattavi and C.A. Amann (Ed.), Combustion Modeling in Reciprocating Engines, 1-35, Plenum Press, New York, Stone C.R., Introduction to Internal Combustion Engines, 2 nd Edition, MacMillan, London, Ferguson C.R., Internal Combustion Engines, Wiley, New York, Zervas E., ''Comparative Study of Some Experimental Methods to Characterize the Combustion Process in a SI Engine'', Energy, 30, , Blumberg P.N., Lavoie G.A., Tabaczynski R.J., ''Phenomenological Models for Reciprocating Internal Combustion Engines'', Prog Energy Combust Sci, 5, ,

148 2.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου Bade Shrestha S.O., Karim G.A., ''A Predictive Model for Gas Fueled Spark Ignition Engine Applications'', SAE Paper No , Bade Shrestha S.O., Karim G.A., ''An Experimental and Analytical Examination of the Combustion Period for Gas-Fuelled Spark Ignition Engine Applications'', Proc Inst Mech Engrs, J Power Energy, 215, 63-74, Narayanan G., Bade Shrestha S.O., ''A Simulation Model of a Four-Stroke Spark Ignition Engine Fueled with Landfill Gases'', In: Proceedings of ASME ICE 2007 Fall Technical Conference, Charleston, South Carolina, USA, Paper No. ICEF , October Narayanan G., Bade Shrestha S.O., ''A Simulation Model of a Four-Stroke Spark Ignition Engine Fueled with Landfill Gases and Hydrogen Mixtures'', Trans ASME, J Energy Res Technol, 131, / /8, Keck J.C., ''Turbulent Flame Structure and Speed in Spark-Ignition Engines'', In: Proceedings of the 19 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Beretta G.P., Rashidi M., Keck J.C., ''Turbulent Flame Propagation and Combustion in Spark Ignition Engines'', Combust Flame, 52, , Keck J.C., Heywood J.B., Noske G., ''Early Flame Development and Burning Rates in Spark Ignition Engines and their Cyclic Variability'', SAE Paper No , Shen H., Hinze P.C., Heywood J.B., ''A Study of Cycle-to-Cycle Variations in SI Engines Using a Modified Quasi-Dimensional Model'', Trans SAE, J Engines, 105, , Gillespie L., Lawes M., Sheppard C.G.W., Woolley R., ''Aspects of Laminar and Turbulent Burning Velocity Relevant to SI Engines'', SAE Paper No , Bradley D., Haq M.Z., Hicks R.A., Kitagawa T., Lawes M., Sheppard C.G.W., Woolley R., ''Turbulent Burning Velocity, Burned Gas Distribution, and Associated Flame Surface Definition'', Combust Flame, 133, ,

149 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 45. Benson R.S., Annand W.J.D., Baruah P.C., ''A Simulation Model Including Intake and Exhaust Systems for a Single Cylinder Four-Stroke Cycle Spark Ignition Engine'', Int J Mech Sci, 17, , Benson R.S., Baruah P.C., ''Performance and Emission Predictions for a Multi- Cylinder Spark Ignition Engine'', Proc Inst Mech Engrs, 191, , Fagelson J.J., McLean W.J., de Boer P.C.T., ''Performance and NO x Emissions of Spark Ignited Combustion Engines Using Alternative Fuels - Quasi One-Dimensional Modeling - I. Hydrogen Fueled Engines'', Combust Sci Technol, 18, 47-57, Hiroyasu H., Kadota T., ''Computer Simulation for Combustion and Exhaust Emissions in Spark Ignition Engine'', In: Proceedings of the 15 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Lucas G.G., Brunt M.F.J., ''The Effect of Combustion Chamber Shape on the Rate of Combustion in a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No , Heikal M.R., Benson R.S., Annand W.J.D., ''A Model for Turbulent Burning Speed in Spark Ignition Engines'', In: Proceedings of Conference on Fuel Economy and Emissions of Lean Burn Engines, Inst Mech Engrs, London, UK, C115/79, Herweg R., Maly R.R., ''A Fundamental Model for Flame Kernel Formation in S.I. Engines'', Trans SAE, J Engines, 101, , Dai W., Davis G.C., Hall M.J., Matthews R.D., ''Diluents and Lean Mixture Combustion Modeling for SI Engines with a Quasi-Dimensional Model'', Trans SAE, J Engines, 104, , Chung S.H., Law C.K., ''An Integral Analysis of the Structure and Propagation of Stretched Premixed Flames'', Combust Flame, 72, , Groff E.G., Matekunas F.A., ''The Nature of Turbulent Flame Propagation in a Homogeneous Spark-Ignited Engine'', SAE Paper No , Mattavi J.N., Groff E.G., Lienesch J.H., Matekunas F.A., Noyes R.N., ''Engine Improvements Through Combustion Modeling'', In: J.N. Mattavi and C.A. Amann (Ed.), Combustion Modeling in Reciprocating Engines, , Plenum Press, New York,

150 2.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου Lancaster D.R., Krieger R.B., Sorenson S.C., Hull W.L., ''Effects of Turbulence on Spark-Ignition Engine Combustion'', SAE Paper No , Hires S.D., Tabaczynski R.J., Novak J.M., ''The Prediction of Ignition Delay and Combustion Intervals for a Homogeneous Charge, Spark Ignition Engine'', SAE Paper No , Tabaczynski R.J., Ferguson C.R., Radhakrishnan K., ''A Turbulent Entrainment Model for Spark-Ignition Engine Combustion'', SAE Paper No , Matthews R.D., Hall M.J., Dai W., Davis G.C., ''Combustion Modeling in SI Engines with a Peninsula-Fractal Combustion Model'', Trans SAE, J Engines, 105, , Blizard N.C., Keck J.C., ''Experimental and Theoretical Investigation of Turbulent Burning Model for Internal Combustion Engines'', SAE Paper No , McCuiston F.D., Lavoie G.A., Kauffman C.W., ''Validation of a Turbulent Flame Propagation Model for a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No , Tabaczynski R.J., Trinker F.H., Shannon B.A.S., ''Further Refinement and Validation of a Turbulent Flame Propagation Model for Spark-Ignition Engines'', Combust Flame, 39, , Borgnakke C., Arpaci V.S., Tabaczynski R.J., ''A Model for the Instantaneous Heat Transfer and Turbulence in a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No , Davis G.C., Borgnakke C., ''The Effect of In-Cylinder Flow Processes (Swirl, Squish and Turbulence Intensity) on Engine Efficiency - Model Predictions'', SAE Paper No , Poulos S.G., Heywood J.B., ''The Effect of Chamber Geometry on Spark-Ignition Engine Combustion'', SAE Paper No , Kono S., Motooka H., Nagao A., ''Prediction of Combustion in Spark Ignition Engine by Simulation Model'', In: Proceedings of COMODIA 85, Tokyo, Japan, , September

151 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 67. Filipi Z., Assanis D.N., ''Quasi-Dimensional Computer Simulation of the Turbocharged Spark-Ignition Engine and its Use for 2- and 4-Valve Engine Matching Studies'', Trans SAE, J Engines, 100, 52-68, Agarwal A., Filipi Z.S., Assanis D.N., Baker D.M., ''Assessment of Single- and Two- Zone Turbulence Formulations for Quasi-Dimensional Modeling of Spark-Ignition Engine Combustion'', Combust Sci Technol, 136, 13-39, Filipi Z.S., Assanis D.N., ''The Effect of the Stroke-to-Bore Ratio on Combustion, Heat Transfer and Efficiency of a Homogeneous Charge Spark Ignition Engine of Given Displacement'', Int J Engine Res, 1, , Morel T., Rackmil C.I., Keribar R., Jennings M.J., ''Model for Heat Transfer and Combustion in Spark Ignited Engines and its Comparison with Experiments'', Trans SAE, J Engines, 97, , Wahiduzzaman S., Morel T., Sheard S., ''Comparison of Measured and Predicted Combustion Characteristics of a Four-Valve S.I. Engine'', Trans SAE, J Engines, 102, , Brehob D.D., Newman C.E., ''Monte Carlo Simulation of Cycle by Cycle Variability'', SAE Paper No , Heywood J.B., ''Combustion and its Modeling in Spark-Ignition Engines'', In: Proceedings of COMODIA 94, Yokohama, Japan, 1-15, July Mugele M., Worret R., Spicher U., ''Comparison of Measured and Predicted Combustion Characteristics Using an Improved Quasi-Dimensional Model'', In: Proceedings of ICE99-4 th International Conference on Internal Combustion Engines: Experiments and Modelling, Capri, Naples, Italy, , September Merdjani S., Sheppard C.G.W., ''Gasoline Engine Cycle Simulation Using the Leeds Turbulent Burning Velocity Correlations'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 102, , Bradley D., ''How Fast Can We Burn?'', In: Proceedings of the 24 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Bradley D., Lau A.K.C., Lawes M., ''Flame Stretch Rate as a Determinant of Turbulent Burning Velocity'', Phil Trans R Soc Lond A, 338, ,

152 2.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου Verhelst S., Sierens R., ''A Quasi-Dimensional Model for the Power Cycle of a Hydrogen-Fuelled ICE'', Int J Hydrogen Energy, 32, , Damköhler G., ''Der Einfluss der Turbulenz auf die Flammengesch Windigkeit in Gasgemischen'', Z F Elektrochem, 46, , Gülder Ö.L., ''Turbulent Premixed Flame Propagation Models for Different Combustion Regimes'', In: Proceedings of the 23 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Matthews R.D., Chin Y.-W., ''A Fractal-Based SI Engine Model: Comparisons of Predictions with Experimental Data'', Trans SAE, J Engines, 100, , Lipatnikov A.N., Chomiak J., ''Turbulent Flame Speed and Thickness: Phenomenology, Evaluation, and Application in Multi-Dimensional Simulations'', Prog Energy Combust Sci, 28, 1-74, Peters N., ''The Turbulent Burning Velocity for Large-Scale and Small-Scale Turbulence'', J Fluid Mech, 384, , Gouldin F.C., ''An Application of Fractals to Modeling Premixed Turbulent Flames'', Combust Flame, 68, , Mantzaras J., Felton P.G., Bracco F.V., ''Fractals and Turbulent Premixed Engine Flames'', Combust Flame, 77, , Abraham J., Williams F.A., Bracco F.V., ''A Discussion of Turbulent Flame Structure in Premixed Charges'', SAE Paper No , Murayama M., Takeno T., ''Fractal-Like Character of Flamelets in Turbulent Premixed Combustion'', In: Proceedings of the 22 nd Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Peters N., ''Laminar Flamelet Concepts in Turbulent Combustion'', In: Proceedings of the 21 st Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Santavicca D.A., Liou D., North G.L., ''A Fractal Model of Turbulent Flame Kernel Growth'', Trans SAE, J Engines, 99, 90-98,

153 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Θερμοδυναμικών Μοντέλων Προσομοίωσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης 90. North G.L., Santavicca D.A., ''The Fractal Nature of Premixed Turbulent Flames'', Combust Sci Technol, 72, , Abdel-Gayed R.G., Bradley D., Lawes M., Lung F.K.-K., ''Premixed Turbulent Burning During Explosions'', In: Proceedings of the 21 st Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Chin Y.-W., Matthews R.D., Nichols S.P., Kiehne T.M., ''Continued Development of an SI Engine Model Using Fractal Geometry'', In: Proceedings of COMODIA 90, Kyoto, Japan, 81-86, September Chin Y.-W., Matthews R.D., Nichols S.P., Kiehne T.M., ''Use of Fractal Geometry to Model Turbulent Combustion in SI Engines'', Combust Sci Technol, 86, 1-30, Gouldin F.C., Hilton S.M., Lamb T., ''Experimental Evaluation of the Fractal Geometry of Flamelets'', In: Proceedings of the 22 nd Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, , Wu C.-M., Roberts C.E., Matthews R.D., Hall M.J., ''Effects of Engine Speed on Combustion in SI Engines: Comparisons of Predictions of a Fractal Burning Model with Experimental Data'', Trans SAE, J Engines, 102, , Yoshiyama S., Tomita E., Zhang Z., Hamamoto Y., ''Measurement and Simulation of Turbulent Flame Propagation in a Spark Ignition Engine by Using Fractal Burning Model'', Trans SAE, J Engines, 110, , Yoshiyama S., Hamamoto Y., Tomita E., Zhang Z., ''Fractal Characteristics of Turbulent Premixed Flame in a Closed Vessel and a Spark-Ignition Engine'', In: Proceedings of COMODIA 98, Kyoto, Japan, , July Gülder Ö.L., Smallwood G.J., ''Inner Cutoff Scale of Flame Surface Wrinkling in Turbulent Premixed Flames'', Combust Flame, 103, , Bozza F., Gimelli A., Merola S.S., Vaglieco B.M., ''Validation of a Fractal Combustion Model through Flame Imaging'', Trans SAE, J Engines, 114, ,

154

155 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση Ρυθμού Καύσης 3.1 Εισαγωγή Η ανάλυση ρυθμού καύσης σε κινητήρες Otto έχει ως στόχο τον υπολογισμό της καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας συναρτήσει της γωνίας στροφάλου κατά τη διάρκεια της καύσης, βασιζόμενη στην επεξεργασία του πειραματικά μετρημένου διαγράμματος πίεσης κυλίνδρου. Αν και, στην πραγματικότητα, η μέθοδος αυτή δεν υπολογίζει το ρυθμό καύσης, αλλά το κλάσμα της καμένης μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου, η ονομασία ανάλυση ρυθμού καύσης έχει επικρατήσει στη διεθνή βιβλιογραφία για το χαρακτηρισμό της μεθόδου και με αυτή ακριβώς την έννοια χρησιμοποιείται η ονομασία αυτή στην παρούσα εργασία. Σπανιότερα, η ακριβέστερη ονομασία ανάλυση κλάσματος καμένης μάζας (mass fraction burned analysis) απαντάται σε σχετικές μελέτες. Η μέθοδος αυτή αποτελεί διαγνωστικό εργαλείο για την εξαγωγή πληροφοριών που αφορούν την ποιότητα της καύσης, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει σημαντικά το βαθμό απόδοσης του κινητήρα, τις μέγιστες θερμοκρασίες και πιέσεις εντός του κυλίνδρου, καθώς και το σχηματισμό των ρύπων. Εναλλακτικά, η επεξεργασία του πειραματικά μετρημένου διαγράμματος πίεσης κυλίνδρου για την ανάλυση της καύσης σε κινητήρες Otto, καθώς και Diesel, πραγματοποιείται μέσω της ανάλυσης έκλυσης θερμότητας, με εφαρμογή του 1 ου Θερμοδυναμικού Νόμου στο περιεχόμενο του κυλίνδρου και ποικίλες επιλογές ως προς την αντιμετώπιση του εργαζόμενου μέσου, π.χ. μονοζωνική [1-5], διζωνική [6-7] ή πολυζωνική [8-10] θεώρηση. Ωστόσο, τα κύρια χαρακτηριστικά της ανάλυσης ρυθμού καύσης, όπως η απλότητα της εφαρμογής της μεθόδου και η ταχύτητα των υπολογισμών, παρά την ταυτόχρονη ύπαρξη εγγενών αδυναμιών, έχουν καταστήσει τη μέθοδο αυτή διαχρονικά ως την ευρύτερα χρησιμοποιούμενη για την ανάλυση της καύσης σε κινητήρες Otto. Αυτό προκύπτει εξαιτίας της ελαχιστοποίησης των αναγκαίων δεδομένων εισόδου (μόνο πειραματικά ζεύγη τιμών πίεσης-γωνίας στροφάλου απαιτούνται), καθώς και των μετέπειτα υπολογισμών, σε αντίθεση με την ανάλυση έκλυσης θερμότητας, όπου πραγματοποιούνται ενεργειακοί υπολογισμοί, περιλαμβάνοντας επίσης συσχετίσεις μεταφοράς θερμότητας, 139

156 3.1 Εισαγωγή όπου είναι αναγκαίες και εκτιμήσεις της θερμοκρασίας των τοιχωμάτων του κυλίνδρου. Επιπλέον, συγκρίσεις των δύο προηγούμενων μεθόδων έχουν αποκαλύψει ότι η απλούστερη ανάλυση ρυθμού καύσης παράγει παρόμοιας ακρίβειας αποτελέσματα με αυτά της πιο περίπλοκης ανάλυσης έκλυσης θερμότητας [11-12]. Η μέθοδος της ανάλυσης ρυθμού καύσης παρουσιάστηκε στην αρχική τυπική της έκφραση σε περιγραφική μορφή για πρώτη φορά ήδη από τη δεκαετία του 40 από τους Rassweiler και Withrow [13], στους οποίους ακριβώς οφείλεται και η εναλλακτική ονομασία τυπική μέθοδος των Rassweiler και Withrow (standard Rassweiler and Withrow method), ενώ αργότερα η μέθοδος αυτή διατυπώθηκε αναλυτικά σε μαθηματική μορφή από τους Stone [14] και Ball et al. [15]. Παράλληλα, προσπάθειες έχουν πραγματοποιηθεί για την άρση των διαφόρων εγγενών περιορισμών, παραδοχών και αβεβαιοτήτων που σχετίζονται με συγκεκριμένα στοιχεία εφαρμογής της τυπικής μεθόδου των Rassweiler και Withrow, προσφέροντας εναλλακτικές επιλογές και βελτιώσεις [12, 16-17]. Τέλος, έχουν επίσης προταθεί παραλλαγές στις χρησιμοποιούμενες μαθηματικές διατυπώσεις, πέραν της τυπικής μεθόδου των Rassweiler και Withrow, για την εφαρμογή ανάλυσης ρυθμού καύσης [13, 15, 18]. 140

157 3.2 Τυπική Μέθοδος των Rassweiler και Withrow Γενική Περιγραφή 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης Σύμφωνα με την τυπική μέθοδο των Rassweiler και Withrow [14-15], το πειραματικά μετρημένο διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου κατά τη φάση της καύσης, με αφετηρία τη χρονική στιγμή της έναυσης, διακριτοποιείται σε μία σειρά μικρών βημάτων γωνίας στροφάλου. Στο Σχήμα 3.1, απεικονίζεται ένα διακριτοποιημένο διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου για την κατανόηση της μεθόδου. p i Δp c,i p i-1 Δp v,i Πίεση Σχήμα 3.1. θ i-1 θ i Γωνία στροφάλου Διακριτοποιημένο διάγραμμα πίεσης κυλίνδρου για την κατανόηση της τυπικής μεθόδου των Rassweiler και Withrow. Στη διάρκεια ενός βήματος, το οποίο χαρακτηρίζεται με το δείκτη i, η γωνία στροφάλου αυξάνεται από θ i 1 σε θ i, ενώ ο όγκος του κυλίνδρου μεταβάλλεται από V i 1 σε V i και η πίεσή του από p i 1 σε p i. Θεωρείται ότι δύο διακριτές διαδικασίες λαμβάνουν χώρα διαδοχικά η μία μετά την άλλη. Αρχικά, το έμβολο μετακινείται κατά μία απόσταση που αντιστοιχεί στο βήμα της γωνίας στροφάλου, παρέχοντας με αυτό τον τρόπο τη βηματική μεταβολή πίεσης λόγω κίνησης του εμβόλου (μεταβολής όγκου κυλίνδρου), Δ p v,i. Κατόπιν, ένα πεπερασμένο ποσοστό της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου καίγεται ακαριαία, προκαλώντας την αντίστοιχη βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης, Δ p c,i. Το άθροισμα των δύο παραπάνω βηματικών μεταβολών πίεσης, οι οποίες απεικονίζονται στο Σχήμα 3.1, συνιστά τη συνολική βηματική μεταβολή πίεσης: Δp = Δp + Δp (3.2.1) i v,i c,i Η βηματική μεταβολή πίεσης λόγω κίνησης του εμβόλου μπορεί να μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας πολυτροπική μεταβολή με εκθέτη n, δίνοντας: 141

158 3.2 Τυπική Μέθοδος των Rassweiler και Withrow n Vi 1 Δpv,i = p i 1 1 Vi (3.2.2) Για τον προσδιορισμό του πολυτροπικού εκθέτη, χρησιμοποιείται το πειραματικό λογαριθμικό διάγραμμα πίεσης-όγκου ( ln p lnv ) του κυλίνδρου. Ακολουθεί προσαρμογή γραμμικών συσχετίσεων στα σημεία τόσο της συμπίεσης όσο και της αποτόνωσης και εκτίμηση των αντίστοιχων πολυτροπικών εκθετών. Στην αρχική εκδοχή της μεθόδου [13], ένας σταθερός πολυτροπικός εκθέτης χρησιμοποιήθηκε στην Εξίσωση (3.2.2), υπολογιζόμενος ως η μέση τιμή των πολυτροπικών εκθετών πριν και μετά την καύση (των οποίων η διαφορά ήταν μικρότερη του 5%), ενώ πολλές φορές χρησιμοποιείται αποκλειστικά ο πολυτροπικός εκθέτης της συμπίεσης [11, 14-15]. Αντικαθιστώντας την Εξίσωση (3.2.2) στην Εξίσωση (3.2.1), προκύπτει για τη βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης: Vi 1 Δpc,i = pi pi 1 Vi n (3.2.3) Εξαιτίας του ότι η καύση στα διάφορα βήματα λαμβάνει χώρα υπό διαφορετικό κάθε φορά όγκο κυλίνδρου, η εκάστοτε βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης ανάγεται σε έναν όγκο αναφοράς. Επιλέγοντας ως τέτοιο τον επιζήμιο όγκο του κυλίνδρου, προκύπτει η ανηγμένη βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης: * Vi 1 Δpc,i = Δpc,i (3.2.4) V Συνήθως, το τέλος της καύσης τοποθετείται χρονικά σε εκείνο το βήμα γωνίας στροφάλου όπου υπολογίζεται για πρώτη φορά μηδενική ή αρνητική τιμή βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης [13-15]. Το πλήθος των βημάτων γωνίας στροφάλου στα οποία διακριτοποιείται τελικά η καύση συμβολίζεται με το δείκτη N. Σε κάθε χρονική στιγμή κατά τη διάρκεια της καύσης θεωρείται ότι το στιγμιαίο κλάσμα καμένης μάζας, x b, ισούται με το αντίστοιχο κλάσμα της συνολικής ανηγμένης αύξησης πίεσης λόγω καύσης: cl i N * * b c,i c,i 0 0 mb x Δp Δp m = = (3.2.5) 142

159 3.2.2 Περιορισμοί Παραδοχές Αβεβαιότητες 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης Η τυπική μέθοδος των Rassweiler και Withrow, αν και ταυτόχρονα αποδοτική και σύντομη, περιέχει διάφορους εγγενείς περιορισμούς, παραδοχές και αβεβαιότητες, όπως έχουν ήδη αναγνωρισθεί από σχετικές ερευνητικές εργασίες [11, 13, 15-16]. Όλες αυτές οι αδυναμίες της μεθόδου περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω. Σε κάθε βήμα γωνίας στροφάλου, θεωρείται ότι οι διαδικασίες της κίνησης του εμβόλου και της καύσης του πεπερασμένου ποσοστού της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου λαμβάνουν χώρα ξεχωριστά και όχι ταυτόχρονα. Για το λόγο αυτό, απαιτούνται όσο το δυνατόν μικρότερα βήματα γωνίας στροφάλου. Επιδράσεις χημικής διάστασης, μεταφοράς θερμότητας και μεταβολής της σύστασης του αερίου εντός του κυλίνδρου δε λαμβάνονται υπόψη κατά τη διάρκεια της καύσης, πέρα από το ότι ο πολυτροπικός εκθέτης διαφέρει από το λόγο των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων του αερίου. Επιδράσεις διακένων εντός του κυλίνδρου αμελούνται, με αποτέλεσμα μια πιθανή πηγή άκαυστων υδρογονανθράκων και, συνεπώς, μη-πλήρους καύσης να μη λαμβάνεται υπόψη. Ομοίως, διαρροές αερίου εκτός του κυλίνδρου παραβλέπονται. Το στιγμιαίο κλάσμα της συνολικής ανηγμένης αύξησης πίεσης λόγω καύσης θεωρείται ότι ισούται με το αντίστοιχο κλάσμα καμένης μάζας και όχι με το κλάσμα της συνολικής εκλυόμενης κατά την καύση χημικής ενέργειας του καυσίμου. Εξαιτίας της αδιαστατοποίησης με τη συνολική ανηγμένη αύξηση πίεσης λόγω καύσης (βλέπε Εξίσωση (3.2.5)), το κλάσμα καμένης μάζας εξαναγκάζεται να λάβει την τιμή 1.0 στο τέλος της καύσης, υπονοώντας, δηλαδή, τέλεια καύση σε κάθε περίπτωση. Η αναγωγή της βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης σε έναν όγκο αναφοράς (βλέπε Εξίσωση (3.2.4)) υποδηλώνει ότι η αύξηση πίεσης λόγω καύσης είναι αντιστρόφως ανάλογη του όγκου του κυλίνδρου στον οποίο λαμβάνει χώρα η καύση και, άρα, προϋποθέτει συνθήκες καύσης σταθερού όγκου, το οποίο, καταρχήν, δεν ισχύει σε εμβολοφόρους κινητήρες. Ακόμα και εάν μία τέτοια παραδοχή μπορούσε να έχει θεωρητική ισχύ, θα έπρεπε οι πολυτροπικοί εκθέτες του άκαυστου και του καμένου αερίου εντός του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης να είναι ίσοι. Η θεώρηση σταθερού πολυτροπικού εκθέτη (βλέπε Εξίσωση (3.2.2)) κατά τη διάρκεια της καύσης δεν μπορεί να ισχύει, εξαιτίας του ότι: α) η αυξημένη μεταφορά θερμότητας, ως συνέπεια των υψηλών θερμοκρασιών, τείνει να μειώσει (αυξήσει) τον πολυτροπικό εκθέτη όταν η πίεση αυξάνεται (μειώνεται) και β) η ειδική θερμοχωρητικότητα του αερίου εντός του κυλίνδρου είναι συνάρτηση τόσο της θερμοκρασίας όσο και της (μεταβλητής) σύστασής του, με αποτέλεσμα η μεταβολή του λόγου των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων να επιφέρει αναγκαστικά και μεταβολή του πολυτροπικού εκθέτη. 143

160 3.2 Τυπική Μέθοδος των Rassweiler και Withrow Τέλος, πιθανός μη-βέλτιστος υπολογισμός του πολυτροπικού εκθέτη επιφέρει σημαντική μετατόπιση του τέλους της καύσης και, συνεπώς, μεταβολή της μορφής της καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας Εναλλακτικοί Τρόποι Προσδιορισμού Πολυτροπικού Εκθέτη και Τέλους της Καύσης Σε μία προσπάθεια να περιοριστούν ορισμένες από τις εγγενείς αδυναμίες της μεθόδου, οι οποίες περιγράφηκαν αναλυτικά στην προηγούμενη υποπαράγραφο, ώστε να προκύψουν βελτιώσεις που να καθιστούν τα αποτελέσματα της μεθόδου περισσότερο ακριβή και αξιόπιστα, διάφοροι εναλλακτικοί τρόποι προσδιορισμού του πολυτροπικού εκθέτη και του τέλους της καύσης έχουν προταθεί Πολυτροπικός Εκθέτης Οι Shayler et al. [16] παρατήρησαν ότι ο πολυτροπικός εκθέτης πρέπει να εκλεγεί έτσι ώστε να προκύπτει μηδενική ανηγμένη βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης πριν την έναρξη και μετά το τέλος της καύσης. Από τις Εξισώσεις (3.2.3) και (3.2.4) προκύπτει: n * Vi 1 Vi 1 Δpc,i = pi pi 1 Vi Vcl (3.2.6) Λογαριθμίζοντας την προηγούμενη εξίσωση και μετά από σύντομη μαθηματική επεξεργασία, προκύπτει για τον πολυτροπικό εκθέτη: pi * Vi 1 ln + ln 1 Δpc,i pi pi 1 Vcl n = Vi 1 ln Vi (3.2.7) Λαμβάνοντας υπόψη ότι, υπό συνήθεις συνθήκες, εξίσωση μπορεί να γραφεί ως εξής: * Vi 1 Δpc,i pi 1, η προηγούμενη V cl pi * Vi 1 ln Δpc,i pi pi 1 Vcl n = Vi 1 ln Vi (3.2.8) 144

161 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης Η Εξίσωση (3.2.8) λύνεται με διαδοχικές δοκιμές, επιλέγοντας τιμές του πολυτροπικού εκθέτη ώστε να επιτευχθεί μηδενική τιμή της ανηγμένης βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης. Για τον προσδιορισμό του πολυτροπικού εκθέτη της συμπίεσης, χρησιμοποιείται μία μικρή περίοδος του κύκλου λίγο πριν την έναυση, ενώ για τον πολυτροπικό εκθέτη της αποτόνωσης, μία μικρή περίοδος του κύκλου λίγο πριν το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής. Από τη στιγμή που οι πολυτροπικοί εκθέτες της συμπίεσης και αποτόνωσης εκτιμηθούν με τον παραπάνω τρόπο, ο πολυτροπικός εκθέτης που υπεισέρχεται στην Εξίσωση (3.2.2) μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της καύσης. Συγκεκριμένα, ο πολυτροπικός εκθέτης της συμπίεσης χρησιμοποιείται από την αρχή της καύσης μέχρι τη στιγμή όπου ένα μικρό ποσοστό μάζας έχει καεί και κατόπιν χρησιμοποιείται ο πολυτροπικός εκθέτης της αποτόνωσης. Σε μία παρόμοια αντιμετώπιση του προβλήματος, οι Brunt και Emtage [12] χρησιμοποίησαν τον πολυτροπικό εκθέτη της συμπίεσης από την έναρξη της καύσης μέχρι το άνω νεκρό σημείο ( ΑΝΣ ) και τον πολυτροπικό εκθέτη της αποτόνωσης κατά τη διάρκεια της υπόλοιπης φάσης της καύσης. Οι πολυτροπικοί εκθέτες της συμπίεσης και αποτόνωσης προσδιορίστηκαν από το πειραματικό λογαριθμικό διάγραμμα πίεσης-όγκου του κυλίνδρου για μία περίοδο περίπου 40 ο γωνίας στροφάλου. Τέλος, οι Mittal et al. [17], ακολουθώντας τις δύο προηγούμενες βελτιώσεις, πρότειναν ένα γραμμικό μοντέλο μεταβολής του πολυτροπικού εκθέτη της Εξίσωσης (3.2.2) κατά τη διάρκεια της καύσης: θ θ n = nc + ( ne nc) θ θ EOC SOC SOC (3.2.9) Η αρχή και το τέλος της καύσης, για τον καθορισμό των αντίστοιχων γωνιών στροφάλου και των πολυτροπικών εκθετών συμπίεσης και αποτόνωσης, προσδιορίστηκαν από το πειραματικό λογαριθμικό διάγραμμα πίεσης-όγκου του κυλίνδρου. Τα δύο αυτά σημεία εντοπίστηκαν με βάση την απόκλιση της καμπύλης των πειραματικών σημείων από τις αντίστοιχες προσαρμοσμένες γραμμικές συσχετίσεις Τέλος της Καύσης Οι Shayler et al. [16] διερεύνησαν τον προσδιορισμό του τέλους της καύσης εξετάζοντας τρεις διαφορετικές μεθόδους. Η πρώτη μέθοδος είναι στην ουσία αυτή την οποία υιοθετεί η τυπική μέθοδος των Rassweiler και Withrow, εντοπίζοντας το τέλος της καύσης σε εκείνο το βήμα γωνίας στροφάλου όπου υπολογίζεται για πρώτη φορά μηδενική ή αρνητική τιμή βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης. Η δεύτερη μέθοδος απαιτεί τρεις συνεχόμενες βηματικές αυξήσεις πίεσης λόγω καύσης να είναι αρνητικές. Τέλος, η τρίτη 145

162 3.2 Τυπική Μέθοδος των Rassweiler και Withrow μέθοδος θεωρεί ότι η καύση τερματίζεται όταν η τιμή της βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης ισορροπεί στο εύρος ενός μηδενικού τυπικού σφάλματος. Ωστόσο, καμία από τις προηγούμενες μεθόδους εντοπισμού του τέλους της καύσης δε χρειάστηκε να χρησιμοποιηθεί στη σχετική εργασία, καθώς ο τρόπος με τον οποίο προσδιοριζόταν ο πολυτροπικός εκθέτης κατά τη διάρκεια της καύσης (βλέπε Εξίσωση (3.2.8)) δεν απαιτούσε να είναι γνωστή εκ των προτέρων η γωνία στροφάλου του τέλους της καύσης. Αφού, σύμφωνα με τη συνθήκη υπολογισμού του πολυτροπικού εκθέτη, η αύξηση πίεσης λόγω καύσης οφείλει να είναι μηδενική όταν δε λαμβάνει χώρα πλέον καύση, ο υπολογισμός, βάσει της Εξίσωσης (3.2.3), της βηματικής αύξησης πίεσης λόγω καύσης μπορεί να συνεχιστεί μέχρι τη στιγμή του ανοίγματος της βαλβίδας εξαγωγής. Ένας ειδικός αλγόριθμος εκτίμησης του τέλους της καύσης αναπτύχθηκε από τους Brunt και Emtage [12], εξασφαλίζοντας τον προσδιορισμό μίας γωνίας στροφάλου στην οποία η τιμή του κλάσματος καμένης μάζας μπορεί να τεθεί ίση με 1.0. Σύμφωνα με αυτό τον αλγόριθμο, το τέλος της καύσης προσδιορίζεται με βάση τη γωνία στροφάλου στην οποία το γινόμενο pv 1.15 γίνεται μέγιστο, προσθέτοντας 10 ο γωνίας στροφάλου στην με τον προηγούμενο τρόπο υπολογισθείσα τιμή. Ο σχετικός υπολογισμός αρχίζει στις 10 ο γωνίας στροφάλου μετά το ΑΝΣ και συνεχίζεται έως τις 10 ο γωνίας στροφάλου πριν το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής, σε βήματα 1 ο γωνίας στροφάλου. 146

163 3.3 Παραλλαγές Ανάλυσης Ρυθμού Καύσης 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης Ο πρώτος εναλλακτικός τρόπος υπολογισμού του κλάσματος καμένης μάζας κατά τη διάρκεια της καύσης, πέραν της τυπικής μεθόδου των Rassweiler και Withrow, προτάθηκε ήδη από τους ίδιους τους Rassweiler και Withrow στη σχετική τους εργασία [13]. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν ταυτόχρονα πειραματικές μετρήσεις της πίεσης κυλίνδρου και εικόνες της φλόγας εντός του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης. Υποθέτοντας, λοιπόν, ότι: α) η πυκνότητα του άκαυστου αερίου τη στιγμή της έναυσης είναι ομοιόμορφη σε όλο το χώρο του κυλίνδρου και β) το άκαυστο αέριο κατά τη διάρκεια της καύσης ακολουθεί πολυτροπική μεταβολή, της οποίας ο εκθέτης, n u, είναι ίσος με αυτόν που υπολογίζεται από το πειραματικό λογαριθμικό διάγραμμα πίεσης-όγκου του κυλίνδρου κατά τη συμπίεση και αποτόνωση μαζί για λειτουργία του κινητήρα χωρίς έναυση, προκύπτει η σχέση: x b V Vb p = 1 VIT pit 1 n u (3.3.1) Φυσικά, η δεύτερη υπόθεση ισοδυναμεί με την παραδοχή ότι η γραμμή που συσχετίζει το λογάριθμο της πίεσης με το λογάριθμο του όγκου, η οποία στην προκειμένη περίπτωση αντιστοιχεί σε πιέσεις συμπίεσης, μπορεί να επεκταθεί και σε πιέσεις καύσης. Ομοίως, υποθέτοντας ότι: α) η πυκνότητα του καμένου αερίου στο τέλος της καύσης είναι ομοιόμορφη σε όλο τον όγκο του κυλίνδρου και β) το καμένο αέριο κατά τη διάρκεια της καύσης ακολουθεί πολυτροπική μεταβολή, της οποίας ο εκθέτης, n b, είναι ίσος με αυτόν που υπολογίζεται από το πειραματικό λογαριθμικό διάγραμμα πίεσης-όγκου του κυλίνδρου για μια χρονική διάρκεια νωρίς κατά την αποτόνωση για λειτουργία του κινητήρα με έναυση, προκύπτει η σχέση: x b Vb p = VEOC peoc 1 n b (3.3.2) Σε αυτή την περίπτωση, η πρώτη υπόθεση προφανώς δεν ισχύει, εξαιτίας της δημιουργίας στρωμάτωσης θερμοκρασιών και, συνεπώς, πυκνοτήτων εντός του κυλίνδρου κινητήρων Otto κατά τη διάρκεια της καύσης. Το χαρακτηριστικό των Εξισώσεων (3.3.1) και (3.3.2) είναι ότι περιλαμβάνουν μεγέθη τα οποία είτε μετρώνται πειραματικά (πίεση και όγκος κυλίνδρου), είτε προκύπτουν από πειραματικές παρατηρήσεις με χρήση άμεσων μεθόδων (όγκος καμένου αερίου και πολυτροπικοί εκθέτες). 147

164 3.3 Παραλλαγές Ανάλυσης Ρυθμού Καύσης Περαιτέρω, στην ίδια εργασία [13], έγινε η υπόθεση ότι οι τιμές του κλάσματος καμένης μάζας που προκύπτουν από τις Εξισώσεις (3.3.1) και (3.3.2) μπορούν να τεθούν ίσες. Επίσης, εξαιτίας της μικρής διαφοράς ανάμεσα στους πολυτροπικούς εκθέτες του άκαυστου και του καμένου αερίου, θεωρήθηκε ότι αυτοί είναι ίσοι, n = n = n. Με βάση αυτές τις παραδοχές, προέκυψε η ακόλουθη σχέση: u b x 1 n 1 n p V - pit VIT b 1n 1n peocveoc - pit VIT = (3.3.3) μέσω της οποίας μπορεί να εκτιμηθεί το κλάσμα καμένης μάζας άμεσα από τα μετρημένα ζεύγη τιμών πίεσης-γωνίας στροφάλου (και άρα όγκου κυλίνδρου). Ανάμεσα στις εναλλακτικές μεθόδους υπολογισμού του κλάσματος καμένης μάζας μπορεί να συμπεριληφθεί και η διατύπωση των McCuiston et al. [18], εξαιτίας της ομοιότητάς της με τις αντίστοιχες εκφράσεις της ανάλυσης ρυθμού καύσης, παρά το ότι η συγκεκριμένη μέθοδος είχε ως αφετηρία της την εφαρμογή του 1 ου Θερμοδυναμικού Νόμου στο περιεχόμενο του κυλίνδρου. Για την εξαγωγή της τελικής σχέσης, έγιναν διάφορες απλουστευτικές παραδοχές, όπως ότι: α) η καύση λαμβάνει χώρα υπό σταθερό όγκο, β) δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας μεταξύ του αερίου του κυλίνδρου και των τοιχωμάτων αυτού, γ) η ειδική θερμοχωρητικότητα του αερίου είναι σταθερή και δ) η διεργασία της καύσης ισοδυναμεί με την πρόσδοση ενός συγκεκριμένου ποσού θερμότητας στο αέριο εντός του κυλίνδρου. Με βάση αυτές τις παραδοχές, προέκυψε η ακόλουθη σχέση: x b γ γ pv pitvit γ γ EOC EOC IT IT = p V p V (3.3.4) όπου γ ο ισεντροπικός εκθέτης του αερίου. Τέλος, σε συνέχεια της προσπάθειας εύρεσης εναλλακτικών μαθηματικών διατυπώσεων για τον υπολογισμό του κλάσματος καμένης μάζας, οι Ball et al. [15] κατέληξαν σε μία παρόμοια με την Εξίσωση (3.3.3) σχέση, υποθέτοντας και πάλι ισότητα των κλασμάτων καμένης μάζας όπως υπολογίζονται από τις Εξισώσεις (3.3.1) και (3.3.2), επιτρέποντας όμως αυτή τη φορά διαφορετικές τιμές για τους πολυτροπικούς εκθέτες του άκαυστου και του καμένου αερίου: x = nu 1 nu ( IT IT ) 1n 1 b p Vp V p b 1nb 1nu 1nu 1n VEOCpEOCp VIT pit p b (3.3.5) 148

165 3.4 Ορολογία Κεφαλαίου 3 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης m μάζα (kg) n πολυτροπικός εκθέτης (-) p πίεση (N/m 2 ) V όγκος (m 3 ) x κλάσμα μάζας (-) Ελληνικά Σύμβολα γ ισεντροπικός εκθέτης (-) Δ p συνολική βηματική μεταβολή πίεσης (N/m 2 ) Δ p c βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης (N/m 2 ) * Δ p c ανηγμένη βηματική αύξηση πίεσης λόγω καύσης (N/m 2 ) Δ p v βηματική μεταβολή πίεσης λόγω κίνησης του εμβόλου (N/m 2 ) θ γωνία στροφάλου ( ο ) Δείκτες b καμένο αέριο c συμπίεση cl επιζήμιος e αποτόνωση EOC τέλος της καύσης i δείκτης βήματος γωνίας στροφάλου, ή δείκτης εντοπισμού γωνίας στροφάλου IT χρονισμός έναυσης N πλήθος βημάτων γωνίας στροφάλου διακριτοποίησης της καύσης SOC αρχή της καύσης u άκαυστο αέριο Συντομεύσεις ΑΝΣ άνω νεκρό σημείο 149

166 3.5 Βιβλιογραφία Κεφαλαίου Βιβλιογραφία Κεφαλαίου 3 1. Gatowski J.A., Balles E.N., Chun K.M., Nelson F.E., Ekchian J.A., Heywood J.B., ''Heat Release Analysis of Engine Pressure Data'', SAE Paper No , Hayes T.K., Savage L.D., Sorenson S.C., ''Cylinder Pressure Data Acquisition and Heat Release Analysis on a Personal Computer'', SAE Paper No , Chun K.M., Heywood J.B., ''Estimating Heat-Release and Mass-of-Mixture Burned from Spark-Ignition Engine Pressure Data'', Combust Sci Technol, 54, , Cheung H.M., Heywood J.B., ''Evaluation of a One-Zone Burn-Rate Analysis Procedure Using Production SI Engine Pressure Data'', Trans SAE, J Engines, 102, , Brunt M.F.J., Rai H., Emtage A.L., ''The Calculation of Heat Release Energy from Engine Cylinder Pressure Data'', Trans SAE, J Engines, 107, , Guezennec Y.G., Hamama W., ''Two-Zone Heat Release Analysis of Combustion Data and Calibration of Heat Tranfer Correlation in an I.C. Engine'', SAE Paper No , Catania A.E., Misul D., Mittica A., Spessa E., ''A Refined Two-Zone Heat Release Model for Combustion Analysis in SI Engines'', JSME Int J, Series B, 46, 75-85, Egnell R., ''Combustion Diagnostics by Means of Multizone Heat Release Analysis and NO Calculation'', Trans SAE, J Fuels Lubr, 107, , Catania A.E., Misul D., Spessa E., Vassallo A., ''A Diagnostic Tool for the Analysis of Heat Release, Flame Propagation Parameters and NO Formation in SI Engines'', In: Proceedings of COMODIA 2004, Yokohama, Japan, , August d' Ambrosio S., Misul D., Spessa E., Vassallo A., ''Evaluation of Combustion Velocities in Bi-Fuel Engines by Means of an Enhanced Diagnostic Tool Based on a Quasi-Dimensional Multizone Model'', Trans SAE, J Engines, 114, , Stone C.R., Green-Armytage D.I., ''Comparison of Methods for the Calculation of Mass Fraction Burnt from Engine Pressure-Time Diagrams'', Proc Inst Mech Engrs, 201, 61-67,

167 3. Ανάλυση Ρυθμού Καύσης 12. Brunt M.F.J., Emtage A.L., ''Evaluation of Burn Rate Routines and Analysis Errors'', SAE Paper No , Rassweiler G.M., Withrow L., ''Motion Pictures of Engine Flames Correlated with Pressure Cards'', SAE Paper No , 1980 [originally presented in January 1938]. 14. Stone C.R., Introduction to Internal Combustion Engines, 2 nd Edition, MacMillan, London, Ball J.K., Raine R.R., Stone C.R., ''Combustion Analysis and Cycle-by-Cycle Variations in Spark Ignition Engine Combustion - Part 1: An Evaluation of Combustion Analysis Routines by Reference to Model Data'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 212, , Shayler P.J., Wiseman M.W., Ma T., ''Improving the Determination of Mass Fraction Burnt'', SAE Paper No , Mittal M., Zhu G., Schock H., ''Fast Mass-Fraction-Burned Calculation Using the Net Pressure Method for Real-Time Applications'', Proc Inst Mech Engrs, J Automobile Eng, 223, , McCuiston F.D., Lavoie G.A., Kauffman C.W., ''Validation of a Turbulent Flame Propagation Model for a Spark Ignition Engine'', SAE Paper No ,

168

169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται με αναλυτικό τρόπο τα διάφορα επιμέρους μοντέλα, καθώς και τα αναγκαία συμπληρωματικά δομικά στοιχεία, που αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν συνολικά στην παρούσα εργασία, από το συνδυασμό των οποίων προήλθαν τελικά οι δύο διαφορετικές εκδοχές του θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Όπως εξηγήθηκε στην Παράγραφο 1.5, για το χαρακτηρισμό κάθε μίας εκδοχής χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες ονομασίες, ανάλογα με το εκάστοτε χρησιμοποιούμενο μοντέλο καύσης (βλέπε Παράγραφο 4.4): 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου (NO ) του κινητήρα και εφαρμόζεται για λειτουργία με αέριο σύνθεσης και οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς και των εκπομπών NO του κινητήρα και εφαρμόζεται για λειτουργία με μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου. Το μοντέλο προσομοίωσης περιλαμβάνει όλες εκείνες τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα εντός του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας του κινητήρα Otto κατά την οποία οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι κλειστές (κλειστός κύκλος λειτουργίας). Προσομοιώνει, δηλαδή, τις φάσεις της συμπίεσης, καύσης και αποτόνωσης. Επίσης, το μοντέλο αφορά λειτουργία του κινητήρα Otto με προαναμειγμένη γόμωση. Αυτό σημαίνει ότι το καύσιμο αναμειγνύεται πλήρως με τον αέρα στο σύστημα εισαγωγής και κατόπιν το μείγμα αέρα-καυσίμου εισέρχεται μέσω της βαλβίδας εισαγωγής στον κύλινδρο. Μετά το τέλος της φάσης της εναλλαγής των αερίων, το κατάλοιπο (από τον προηγούμενο κύκλο λειτουργίας) καυσαέριο, το οποίο έχει εγκλωβιστεί στον κύλινδρο, θεωρείται ότι είναι πλήρως αναμειγμένο με το εισαχθέν μείγμα αέρα-καυσίμου. Έτσι, τη 153

170 4.1 Εισαγωγή χρονική στιγμή της αρχής της συμπίεσης, δηλαδή τη χρονική στιγμή του κλεισίματος της βαλβίδας εισαγωγής, το μείγμα αέρα-καυσίμου-κατάλοιπου καυσαερίου εντός του κυλίνδρου είναι πλήρως προαναμειγμένο. Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, η γόμωση του κυλίνδρου αποτελείται από μία ζώνη, η οποία ονομάζεται άκαυστη ζώνη. Αυτή, όπως εξηγήθηκε παραπάνω, αποτελείται από ένα ομογενές μείγμα αέρα-καυσίμου-κατάλοιπου καυσαερίου. Κατά τη διάρκεια της καύσης, πολλαπλές καμένες ζώνες δημιουργούνται διαδοχικά η μία μετά την άλλη ανά καθορισμένα διαστήματα γωνίας στροφάλου. Η διεργασία της καύσης εξελίσσεται σε κάθε καμένη ζώνη σταδιακά κατά τη διάρκεια της καύσης της. Κάθε καμένη ζώνη, θεωρούμενη ως ένα ομογενές μείγμα προϊόντων καύσης βρισκόμενο σε κατάσταση χημικής ισορροπίας, διατηρεί το δικό της χρονικό ιστορικό θερμοδυναμικών καταστάσεων. Με αυτό τον τρόπο, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη του τη στρωμάτωση των θερμοκρασιών και των συγκεντρώσεων των χημικών συστατικών που λαμβάνει χώρα διαμέσου του καμένου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης. Μία τέτοια πολυζωνική διαμόρφωση του θερμοδυναμικού μοντέλου πλεονεκτεί της αντίστοιχης απλής διζωνικής (μία άκαυστη και μία καμένη ζώνη) σε ό,τι αφορά την πρόβλεψη των εκπομπών NO, εξαιτίας της ισχυρής εξάρτησης του σχηματισμού του συγκεκριμένου ρύπου από το θερμοκρασιακό πεδίο εντός του κυλίνδρου. Η τελευταία δημιουργούμενη καμένη ζώνη, στην οποία λαμβάνει χώρα κάθε φορά η καύση, διαχωρίζεται από την άκαυστη ζώνη μέσω του μετώπου της φλόγας. Κατά τη διάρκεια της αποτόνωσης και μέχρι το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής, η πολυζωνική θεώρηση της γόμωσης του κυλίνδρου διατηρείται, ακολουθώντας τη συνήθη παραδοχή ότι δε συμβαίνει ανάμειξη μεταξύ των διαφόρων καμένων ζωνών. Σε κάθε χρονική στιγμή, θεωρείται χωρική ομοιομορφία θερμοκρασίας και σύστασης σε κάθε ζώνη του μοντέλου. Επίσης, θεωρείται χωρική ομοιομορφία πίεσης σε όλο τον κύλινδρο, εφόσον η ταχύτητα του ήχου είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης της φλόγας. 154

171 4.2 Πολυζωνικό Μοντέλο 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης Σε κάθε χρονική στιγμή κατά τη διάρκεια του κλειστού κύκλου λειτουργίας, εξισώσεις διατήρησης και καταστατικές εξισώσεις εφαρμόζονται στις διάφορες ζώνες του μοντέλου [1-5]. Οι εξισώσεις του πολυζωνικού μοντέλου για τη γόμωση του κυλίνδρου παρουσιάζονται παρακάτω στην πιο γενική τους μορφή, δηλαδή όπως εφαρμόζονται κατά τη διάρκεια της καύσης. Κατά τις φάσεις της συμπίεσης και αποτόνωσης, οι ίδιες εξισώσεις ισχύουν, προσαρμοσμένες όμως ανάλογα με τον αριθμό των ζωνών που υπάρχουν στον κύλινδρο και την τιμή του κλάσματος καμένης μάζας. Η εξίσωση διατήρησης της ενέργειας εφαρμόζεται στην άκαυστη ζώνη, τις n 1 ήδη καμένες ζώνες, όπου με δείκτη n συμβολίζεται η τελευταία δημιουργούμενη καμένη ζώνη, και τη γόμωση του κυλίνδρου, δίνοντας: και dq u du u dv m p u d b hu (4.2.1) dθ dθ dθ dθ dq b,i du b,i dv p b,i i1n 1 (4.2.2) dθ dθ dθ d Q U V d p d (4.2.3) dθ dθ dθ αντίστοιχα. Στις παραπάνω εξισώσεις, έχει χρησιμοποιηθεί η κλασική θερμοδυναμική σύμβαση για τα πρόσημα των μεταφορών ενέργειας, σύμφωνα με την οποία η μεταφορά θερμότητας προς το σύστημα και έργου από το σύστημα είναι θετική. Για την εξαγωγή των παραπάνω εξισώσεων, έχει γίνει η υπόθεση αμελητέων διαρροών αερίου εκτός του κυλίνδρου. Επίσης, κάθε φορά που μία νέα καμένη ζώνη δημιουργείται, η προηγούμενη από αυτή ήδη καμένη ζώνη θεωρείται κλειστό σύστημα. Τέλος, σημειώνεται ότι οι τιμές της εσωτερικής ενέργειας και ενθαλπίας που υπεισέρχονται στις εξισώσεις αυτές είναι οι απόλυτες, δηλαδή περιλαμβάνουν ήδη την ενθαλπία σχηματισμού (enthalpy of formation) [2] των διαφόρων συστατικών που περιέχονται στις ζώνες του μοντέλου. Σύμφωνα με την εξίσωση ισοζυγίου (περιορισμού) του όγκου του κυλίνδρου, το άθροισμα των όγκων των ζωνών που υπάρχουν στον κύλινδρο οφείλει να είναι ίσο με τον όγκο του κυλίνδρου. Παραγωγίζοντας ως προς τη γωνία στροφάλου, προκύπτει: n dv dvb,i dvu (4.2.4) dθ dθ dθ i1 155

172 4.2 Πολυζωνικό Μοντέλο όπου V ο όγκος του κυλίνδρου, υπολογιζόμενος από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κινητήρα συναρτήσει της γωνίας στροφάλου: rc V Vcl 1 1cosθ 1 1ε sin θ 2 ε (4.2.5) Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει για το ρυθμό μεταβολής του όγκου του κυλίνδρου ως προς τη γωνία στροφάλου: dv rc 1 εcosθ Vcl sinθ 1 dθ ε sin θ (4.2.6) Επίσης, η εξίσωση διατήρησης της μάζας εφαρμόζεται στη γόμωση του κυλίνδρου, δίνοντας: n dm dm m m m m m u d b d d u b,i d d u b,n 0 (4.2.7) dθ dθ dθ dθ dθ dθ dθ i1 Στην προηγούμενη σχέση, έχει ήδη ληφθεί υπόψη η θεώρηση σταθερής μάζας (κλειστό σύστημα) για τις ήδη καμένες ζώνες: dm dθ 0 i 1 n 1 b,i. Τέλος, η καταστατική εξίσωση των τελείων αερίων εφαρμόζεται ξεχωριστά σε κάθε ζώνη του μοντέλου, παρέχοντας: R pvj mj T j j u, b,1 b,n M j (4.2.8) Οι Εξισώσεις (4.2.1)-(4.2.4) αποτελούν τις n 2 βασικές εξισώσεις του πολυζωνικού μοντέλου, οι οποίες πρέπει να λυθούν ως προς τους n 2 αγνώστους, δηλαδή την πίεση του κυλίνδρου, p, τις θερμοκρασίες των n καμένων ζωνών, T b,i i1 n, και τη θερμοκρασία της άκαυστης ζώνης, T u. Στην Παράγραφο 4.8 περιγράφεται αναλυτικά η απαιτούμενη μαθηματική επεξεργασία των n 2 βασικών εξισώσεων του πολυζωνικού μοντέλου που οδηγεί, τελικά, στην εξαγωγή ενός συστήματος n 2 διαφορικών εξισώσεων ως προς τους προαναφερθέντες n 2 αγνώστους. 156

173 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία υπολογισμού των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των διαφόρων συστατικών και, ακολούθως, των ζωνών του μοντέλου, καθώς και ο υπολογισμός της σύστασης της άκαυστης και των καμένων ζωνών. Για τον υπολογισμό της σύστασης των διαφόρων ζωνών, σημαντική θέση κατέχει η σύσταση του χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Τα δύο είδη καυσίμου που εξετάζονται στην παρούσα εργασία, δηλαδή το αέριο σύνθεσης και τα μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου, είναι μείγματα καυσίμων και αδρανών αερίων, αποτελούμενα από τα ακόλουθα συστατικά: αέριο σύνθεσης: CH 4, CO 2, N 2, CO, H 2 μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου: CH 4, CO 2, Η 2. Το πρόβλημα, λοιπόν, του προσδιορισμού της σύστασης των διαφόρων ζωνών αντιμετωπίζεται παρακάτω θεωρώντας τη γενική περίπτωση σύστασης καυσίμου για την παρούσα εργασία, η οποία αντιστοιχεί σε αυτή του αερίου σύνθεσης και της οποίας το άλλο είδος καυσίμου αποτελεί ειδική περίπτωση. Στο σημείο αυτό, είναι χρήσιμο να αναφερθεί εκ των προτέρων ότι, στην πιο γενική περίπτωση, η άκαυστη ζώνη αποτελείται από τα ακόλουθα επτά συστατικά: CH 4, CO 2, H 2 O, N 2, O 2, CO και H 2. Κάθε καμένη ζώνη περιέχει όλα τα προηγούμενα συστατικά, εκτός του CH 4, και επιπρόσθετα τα εξής πέντε: H, O, OH, NO και N. Συνολικά, δηλαδή, σε κάθε καμένη ζώνη περιέχονται έντεκα συστατικά. Για ευκολία αναφοράς, ένας αριθμός αποδίδεται σε κάθε ένα από αυτά τα συστατικά ως εξής: (0) CH 4, (1) CO 2, (2) H 2 O, (3) N 2, (4) O 2, (5) CO, (6) H 2, (7) Η, (8) Ο, (9) ΟΗ, (10) ΝΟ και (11) Ν, για να χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση που ακολουθεί όπου κρίνεται σκόπιμο Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Συστατικών Κάθε συστατικό που περιέχεται στις διάφορες ζώνες του μοντέλου θεωρείται ότι παρουσιάζει συμπεριφορά τελείου αερίου. Μία βασική συνέπεια της θεώρησης του μοντέλου των τελείων αερίων για κάποιο αμιγές αέριο, εξαιτίας της μορφής της σχετικής καταστατικής εξίσωσης, είναι ότι η ειδική εσωτερική ενέργειά του είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας [3, 5-6]: u u T (4.3.1) 157

174 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Το ίδιο, βέβαια, προκύπτει και για την ειδική ενθαλπία και την ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση του τελείου αερίου, όπως φαίνεται από τους σχετικούς ορισμούς: και c p R h u pv ut T M h h T (4.3.2) dht h ht T p T dt p c c T (4.3.3) p αντίστοιχα. Ωστόσο, η ειδική εντροπία του τελείου αερίου, πέρα από τη θερμοκρασία, εμφανίζει εξάρτηση και από την πίεση [3, 5-6], δηλαδή: p s s T, p (4.3.4) Συγκεκριμένα, η σχέση που εκφράζει την ειδική εντροπία του τελείου αερίου είναι η ακόλουθη [3, 5-6]: T T cp T ' R p stp, st o, po d T' ln T ' M p (4.3.5) o o όπου T o και p o η θερμοκρασία και πίεση, αντίστοιχα, οποιασδήποτε αρχικής κατάστασης (κατάστασης αναφοράς) του αερίου. Θέτοντας στην προηγούμενη εξίσωση p προκύπτει η ακόλουθη σχέση: T T p o, cp T ' stp, ost o, po d T' (4.3.6) T ' όπου, πλέον, ο όρος stp, o, ο οποίος αναφέρεται σε συγκεκριμένη πίεση αναφοράς, εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Έτσι, η Εξίσωση (4.3.5) γίνεται μέσω της Εξίσωσης (4.3.6): o R p stp, stp, o ln M po (4.3.7) 158

175 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης από όπου φαίνεται, πλέον, ότι η ειδική εντροπία του τελείου αερίου υπολογίζεται από τη διαφορά δύο όρων, εκ των οποίων ο πρώτος, stp, o, είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας, ενώ ο δεύτερος, για πίεση αναφοράς p o R ln M p p o, μόνο της πίεσης. Ειδικότερα, η Εξίσωση (4.3.6), 1atm (πρότυπη πίεση αναφοράς), δίνει τη λεγόμενη ειδική o εντροπία αναφοράς (standard state specific entropy) στη θερμοκρασία T, s T οποίας η Εξίσωση (4.3.7) γίνεται τελικά:, μέσω της o R p stp, s T ln M po (4.3.8) Οι τρεις προηγούμενες θερμοδυναμικές ιδιότητες των διαφόρων συστατικών, δηλαδή η ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση, η ειδική ενθαλπία και η ειδική εντροπία αναφοράς, παρέχονται από πολυωνυμικές συναρτήσεις ως προς την απόλυτη θερμοκρασία, T, σε K [1-2], οι οποίες έχουν προκύψει μετά από προσαρμογή σε πειραματικά και θεωρητικώς υπολογισμένα δεδομένα [7]. Αυτές οι συναρτήσεις, σε ανηγμένη μορφή, έχουν τις ακόλουθες εκφράσεις: c p k R M k cp k R k1 k2 k3 k4 k5 α α T α T α T α T k 0 11 (4.3.9) h k R M k T hk RT αk2 αk3 2 αk4 3 αk5 4 αk6 αk1 T T T T k 0 11 (4.3.10) T s o k R M k o sk R αk3 2 αk4 3 αk5 4 αk1lnt αk2t T T T αk7 k 0 11 (4.3.11) Σημειώνεται ότι στα συστατικά C (στερεά φάση), Η 2 (αέρια φάση), Ο 2 (αέρια φάση) και Ν 2 (αέρια φάση) αποδίδεται αυθαιρέτως μηδενική τιμή ειδικής ενθαλπίας και ειδικής εντροπίας αναφοράς σε θερμοκρασία K και πίεση 1 atm, δηλαδή στη σταθερή τους κατάσταση (stable state). 159

176 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Γενικά, για τους συντελεστές k1 k2 k3 k4 k5 k6 α, α, α, α, α, α και α k 0 11 k7 των διαφόρων συστατικών που εμφανίζονται στις προηγούμενες τρεις εξισώσεις, δύο τιμές δίνονται ανάλογα με το θερμοκρασιακό εύρος. Η πρώτη ομάδα τιμών, η οποία παρουσιάζεται στον Πίνακα 4.1 και αφορά τα συστατικά που βρίσκονται στην άκαυστη ζώνη, αντιστοιχεί σε χαμηλές θερμοκρασίες T 300 K 1000 και είναι κατάλληλη για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων της άκαυστης ζώνης. Η δεύτερη ομάδα τιμών, η οποία παρουσιάζεται στον Πίνακα 4.2 και αφορά τα συστατικά που βρίσκονται στις καμένες ζώνες, αντιστοιχεί σε υψηλές θερμοκρασίες T 1000 K 5000 και είναι κατάλληλη για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των καμένων ζωνών. Πίνακας 4.1. Συντελεστές χαμηλών θερμοκρασιών 300 T K <1000 πολυωνυμικών συναρτήσεων υπολογισμού θερμοδυναμικών ιδιοτήτων συστατικών k Συστατικό α k1 α k2 α k3 α k4 α k5 α k6 α k7 0 CH E E E E E+01 1 CO E E E E E E E+01 2 H 2 O E E E E E E E+00 3 N E E E E E E E+01 4 O E E E E E E E+01 5 CO E E E E E E E+01 6 H E E E E E E E

177 Πίνακας 4.2. Συντελεστές υψηλών θερμοκρασιών 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης 1000 T K 5000 πολυωνυμικών συναρτήσεων υπολογισμού θερμοδυναμικών ιδιοτήτων συστατικών k Συστατικό α k1 α k2 α k3 α k4 α k5 α k6 α k7 1 CO E E E E E E E+00 2 H 2 O E E E E E E E+01 3 N E E E E E E E+01 4 O E E E E E E E+01 5 CO E E E E E E E+01 6 H E E E E E E E+01 7 Η E E E+00 8 Ο E E E E E E E+01 9 ΟΗ E E E E E E E ΝΟ E E E E E E E Ν E E E E E E E Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Ζωνών Κάθε ζώνη του μοντέλου αποτελείται από ένα ομογενές μείγμα αερίων συστατικών. Για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων κάθε ζώνης, θεωρείται ότι αυτή αποτελεί ένα Gibbs-Dalton μείγμα τελείων αερίων (Gibbs-Dalton mixture of ideal gases) ή, πιο απλά, ένα μείγμα τελείων αερίων (ideal gas mixture) [6]. Εκτός, δηλαδή, του ότι κάθε συνιστώσα του μείγματος συμπεριφέρεται ως τέλειο αέριο, θεωρείται επιπλέον ότι αυτή δεν επηρεάζεται από την παρουσία των υπόλοιπων συνιστωσών και, επιπρόσθετα, ότι δρα στο μείγμα σαν να υπήρχε μόνη της στον όγκο και τη θερμοκρασία του μείγματος. Έτσι, κάθε θερμοδυναμική ιδιότητα του μείγματος υπολογίζεται ως το άθροισμα των αντίστοιχων θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των αερίων συνιστωσών, με την προϋπόθεση ότι η συνεισφορά κάθε συνιστώσας αποτιμάται σαν η συνιστώσα αυτή να υπήρχε μόνη της στον όγκο και τη θερμοκρασία του μείγματος. Με τον τρόπο αυτό, ισχύει για την ειδική ενθαλπία κάθε ζώνης: 161

178 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών όπου: 1 1 R h hj hj yk,jhk Tj y k,j Mj M j k M j k RT j k j u, b,1 b,n (4.3.12) j u, b,1 b,n (4.3.13) M y M j k,j k k το μοριακό της βάρος και y k,j το μοριακό κλάσμα του k συστατικού στην j ζώνη. Εφόσον, για ένα μείγμα τελείων αερίων, αποδεικνύεται ότι και το ίδιο το μείγμα ως σύνολο υπακούει στην καταστατική εξίσωση των τελείων αερίων [3, 5-6], η ειδική εσωτερική ενέργεια και ο ειδικός όγκος κάθε ζώνης υπολογίζονται άμεσα από τις ακόλουθες σχέσεις: R uj hj T j j u, b,1 b,n M j (4.3.14) και v j R Tj j u, b,1 b,n M j p (4.3.15) αντίστοιχα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί στο σημείο αυτό ότι, σε ένα μείγμα τελείων αερίων, η μοριακή εντροπία κάθε συστατικού εκτιμάται στη θερμοκρασία του μείγματος και τη μερική r πίεση του συστατικού στο μείγμα, pk ykp, όπου y k το μοριακό κλάσμα του k συστατικού στο μείγμα, υπολογιζόμενη από την ακόλουθη σχέση, που προκύπτει με βάση την Εξίσωση (4.3.8): r r o pk sk T, pk sk T Rln (4.3.16) p Εισάγεται, επίσης, η έννοια του χημικού δυναμικού, μ k, του k συστατικού στο μείγμα τελείων αερίων, το οποίο ισούται με τη μοριακή συνάρτηση Gibbs του συστατικού [6], με την τελευταία, προφανώς, να εκτιμάται επίσης στη θερμοκρασία του μείγματος και τη μερική πίεση του συστατικού στο μείγμα [3, 5-6]. Ισχύει, λοιπόν, η ακόλουθη σχέση, χρησιμοποιώντας και την προηγούμενη εξίσωση: r r r μk Tp, k gk Tp, k hk T Tsk Tp, k o 162

179 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης r p o k hk TT sk TRln p o (4.3.17) η οποία, για r p p 1atm, γίνεται: k o o o όπου μk T και g T,, o o o k k k o k o k k μ T g T μ T p g T p h T Ts T (4.3.18) k το χημικό δυναμικό αναφοράς και η μοριακή συνάρτηση Gibbs αναφοράς, αντίστοιχα, του k συστατικού στη θερμοκρασία T. Με βάση την τελευταία σχέση, η Εξίσωση (4.3.17) μπορεί να γραφεί εναλλακτικά ως εξής: r r r r o pk o pk μk T, pk gk T, pk μk TRT ln gk T RTln (4.3.19) p p Όπως και με την ειδική ενθαλπία, έτσι και για την ειδική εντροπία κάθε ζώνης ισχύει, χρησιμοποιώντας επίσης την Εξίσωση (4.3.16): o o r p o k sj sj yk,jsk yk,j s k Rln ju, b,1b,n Mj Mj k Mj k p o Η εξίσωση αυτή, μετά από σύντομη μαθηματική επεξεργασία, μπορεί να γραφεί περαιτέρω ως εξής: o R p s sj ln yk,j ln y k,j j u, b,1 b,n M j p o k R k (4.3.20) Για την εξαγωγή των παραπάνω θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των διαφόρων ζωνών, δε χρειάστηκε να ληφθεί υπόψη το εάν το εξεταζόμενο μείγμα (ζώνη) περιλαμβάνει αντιδρώντα ή μη-αντιδρώντα συστατικά, δηλαδή εάν η σύσταση του μείγματος είναι μεταβλητή ή σταθερή, αντίστοιχα. Παρακάτω, ωστόσο, όπου υπολογίζονται θερμοδυναμικές ιδιότητες που είναι ουσιαστικά θερμοδυναμικές παράγωγοι (thermodynamic derivatives) μειγμάτων, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η εξάρτηση της σύστασης των τελευταίων από τη θερμοκρασία και την πίεση. Για το λόγο αυτό, η παρακάτω ανάλυση αναφέρεται στη γενική περίπτωση, κατά την οποία τα μοριακά κλάσματα των διαφόρων συστατικών, τόσο στην άκαυστη όσο και στις καμένες ζώνες, εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και την πίεση. Ο υπολογισμός, λοιπόν, της ειδικής θερμοχωρητικότητας υπό σταθερή πίεση κάθε ζώνης έχει ως εξής: 163

180 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών c hj hj 1 hj hj Mj T j T j M j M j T j M T p j j pj 2 p 1 h yk,j hj M k j yk,j hk M j k T j T j M j T p p j p 1 yk,j hj Mj yk,jc p h k k M j k T j M j T p j p R c h y h M p k k k,j j j yk,j T j j u, b,1 b,n M j k R RT j T j RM j T p j p p p (4.3.21) όπου, με βάση την Εξίσωση (4.3.13), είναι: Mj y T j k T j p k,j M k j u, b,1 b,n (4.3.22) p Επίσης, δύο άλλες θερμοδυναμικές παράγωγοι που χρειάζεται να υπολογισθούν, για να χρησιμοποιηθούν αργότερα κατά τη μαθηματική επεξεργασία των βασικών εξισώσεων του πολυζωνικού μοντέλου στην Παράγραφο 4.8, είναι οι εξής: lnvj Tj Mj 1 ju, b,1b,n lnt j M j T j p p (4.3.23) και lnvj p Mj 1 ju, b,1b,n ln p Mj p T j T j (4.3.24) όπου, ξανά με βάση την Εξίσωση (4.3.13), είναι: Mj y p k p T j k,j M k j u, b,1 b,n (4.3.25) T j Αναδεικνύεται, λοιπόν, από τις προηγούμενες πέντε εξισώσεις (βλέπε Εξισώσεις (4.3.21)-(4.3.25)), η ανάγκη υπολογισμού των μερικών παραγώγων ως προς τη θερμοκρασία και την πίεση των μοριακών κλασμάτων των διαφόρων συστατικών στις ζώνες 164

181 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης του μοντέλου. Ο υπολογισμός αυτός παρουσιάζεται στην επόμενη υποπαράγραφο, όπου πραγματοποιείται και ο υπολογισμός της σύστασης κάθε ζώνης Σύσταση Ζωνών Σύσταση Άκαυστης Ζώνης Η άκαυστη ζώνη, η οποία υπάρχει στον κύλινδρο κατά τη διάρκεια των φάσεων της συμπίεσης και της καύσης, αποτελείται, όπως προαναφέρθηκε, από ένα ομογενές μείγμα αέρα-καυσίμου-κατάλοιπου καυσαερίου. Αφού υπολογιστεί η σύσταση του μείγματος αέρα-καυσίμου και του κατάλοιπου καυσαερίου, η σύσταση της άκαυστης ζώνης προκύπτει ως εξής [1]: όπου y k,u, y k,af και y 1 k 0 6 y y y y y (4.3.26) k,u rg k,af rg k,rg k,rg k 0 6 τα μοριακά κλάσματα των επτά συστατικών στην άκαυστη ζώνη, το μείγμα αέρα-καυσίμου και το κατάλοιπο καυσαέριο, αντίστοιχα. Το μοριακό κλάσμα του κατάλοιπου καυσαερίου στην άκαυστη ζώνη, y rg, υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: y rg Mrg M af x rg 1 (4.3.27) όπου: 6 M y M (4.3.28) af k,af k k0 το μοριακό βάρος του μείγματος αέρα-καυσίμου και 6 M y M (4.3.29) rg k,rg k k0 το μοριακό βάρος του κατάλοιπου καυσαερίου. Επίσης, x rg είναι το κλάσμα μάζας του κατάλοιπου καυσαερίου στην άκαυστη ζώνη. Το τελευταίο περιγράφει τη σχετική ποσότητα του κατάλοιπου καυσαερίου που αναμειγνύεται με το εισερχόμενο στον κύλινδρο μείγμα αέρα-καυσίμου και ορίζεται ως εξής: 165

182 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών x rg mrg mrg m m m m a f rg (4.3.30) Για την εκτίμηση του κλάσματος μάζας του κατάλοιπου καυσαερίου στην άκαυστη ζώνη χρησιμοποιείται το μοντέλο των Fox et al. [8], το οποίο ισχύει για χαμηλές και μεσαίες ταχύτητες περιστροφής του κινητήρα, όπου η πίεση του κυλίνδρου τη στιγμή του ανοίγματος της βαλβίδας εισαγωγής δε διαφέρει σημαντικά από αυτή της πολλαπλής εξαγωγής, βρισκόμενη κοντά στην ατμοσφαιρική. Το μοντέλο αυτό συσχετίζει τη σχετική ποσότητα των καυσαερίων που εγκλωβίζονται στον κύλινδρο με διάφορες γεωμετρικές και λειτουργικές παραμέτρους του κινητήρα. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, η ποσότητα καυσαερίων (του προηγούμενου κύκλου λειτουργίας του κινητήρα) που βρίσκεται παγιδευμένη στον κύλινδρο αποτελείται από δύο συνιστώσες: α) την ποσότητα των καυσαερίων, που ενώ έχουν ήδη εκρεύσει εκτός του κυλίνδρου, επιστρέφουν στο θάλαμο καύσης λόγω οπισθοροής κατά τη διάρκεια της περιόδου επικάλυψης των βαλβίδων και β) την ποσότητα των καυσαερίων που δεν προλαβαίνουν να εκρεύσουν εκτός του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια που παραμένει ανοιχτή η βαλβίδα εξαγωγής και πριν ανοίξει η βαλβίδα εισαγωγής. Η εκτίμηση, λοιπόν, του κλάσματος μάζας του κατάλοιπου καυσαερίου δίνεται από την ακόλουθη σχέση: OF pim φ pim xrg pem pim N pem rc pem (4.3.31) όπου η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, N, δίνεται σε rev/s και οι πιέσεις στις πολλαπλές εισαγωγής και εξαγωγής, p im και p em, αντίστοιχα, εκφράζονται σε bar. Το μέγεθος OF, το οποίο στην προηγούμενη εξίσωση δίνεται σε o CA /m, ονομάζεται παράγοντας επικάλυψης (overlap factor) και σχετίζεται με την ενεργό επιφάνεια ροής των αερίων διαμέσου των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής κατά τη διάρκεια της περιόδου επικάλυψής τους. Για κινητήρες με τυπικό προφίλ εκκέντρων, ο παράγοντας επικάλυψης εκτιμάται εμπειρικά ως εξής [8]: 2 L v,max D 1.45 OF v θol θol 2 (4.3.32) D D όπου η διάρκεια επικάλυψης των βαλβίδων, θ ol, δίνεται σε o CA, με τους χρονισμούς των βαλβίδων προσδιοριζόμενους σε ανύψωση βαλβίδων ίση με 0.15 mm, ενώ η διάμετρος του κυλίνδρου, D, η μέγιστη ανύψωση της βαλβίδας, L v,max, και η εσωτερική διάμετρος της 166

183 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης έδρας της, D v, εκφράζονται σε mm. Σημειώνεται ότι τα δύο τελευταία μεγέθη αποτελούν μέσες τιμές των αντίστοιχων μεγεθών των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής. Οι δύο σταθερές αναλογίας που εμφανίζονται στον πρώτο και δεύτερο όρο του δεξιού μέλους της Εξίσωσης (4.3.31) έχουν προσδιορισθεί μετά από προσαρμογή της σχέσης αυτής στα πειραματικά δεδομένα των Galliot et al. [9], οι οποίοι μέτρησαν συγκεντρώσεις κατάλοιπου καυσαερίου εντός του κυλίνδρου. Επίσης, η διαφορά των πιέσεων των πολλαπλών εισαγωγής και εξαγωγής εμφανίζεται στη Εξίσωση (4.3.31) σε απόλυτη τιμή, έτσι ώστε η συσχέτιση αυτή να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στην περίπτωση κατά την οποία η πίεση εισαγωγής είναι μεγαλύτερη αυτής της εξαγωγής, όπως συμβαίνει στους υπερπληρωμένους κινητήρες. Στην περίπτωση αυτή, ο πρώτος όρος του δεξιού μέλους της Εξίσωσης (4.3.31) εμφανίζεται με αρνητικό πρόσημο, εφόσον τότε η ροή των αερίων κατά την περίοδο επικάλυψης των βαλβίδων έχει κατεύθυνση από την πολλαπλή εισαγωγής στον κύλινδρο και από εκεί στην πολλαπλή εξαγωγής, με αποτέλεσμα να γίνεται ουσιαστικά απόπλυση καυσαερίων από τον κύλινδρο και, συνεπώς, να προκύπτει αρνητική συνεισφορά αυτής της ροής στην τιμή του κλάσματος μάζας του κατάλοιπου καυσαερίου Σύσταση Μείγματος Αέρα-Καυσίμου Εξαιτίας του ότι το καύσιμο στη γενική του περίπτωση (αέριο σύνθεσης) αποτελείται από καύσιμα (CH 4, CO, H 2 ) αλλά και αδρανή (CO 2, N 2 ) αέρια συστατικά, γίνεται η θεώρηση ενός υποθετικού ενεργού καυσίμου, με μοριακό κλάσμα στο καύσιμο: y y y y (4.3.33) comb,f CH,f CO,f H,f 4 2 όπου ych 4,f, y CO,f και y H,f τα μοριακά κλάσματα του CH 4, CO και H 2, αντίστοιχα, στο 2 καύσιμο. Το υπόλοιπο μέρος του καυσίμου αποτελείται από τα αδρανή CO 2 και N 2, με μοριακά κλάσματα στο καύσιμο yco 2,f και y 2 N,f, αντίστοιχα. Ο χημικός τύπος του (υποθετικού) μορίου του ενεργού καυσίμου συμβολίζεται ως CHON * α β γ δ, όπου τα α, β, γ και δ προκύπτουν από την ακόλουθη (υποθετική) αντίδραση σχηματισμού του: * Αν και, σύμφωνα με τη γενική περίπτωση σύστασης καυσίμου (αυτής του αερίου σύνθεσης) που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία, δε μπορεί να υπάρχουν άτομα Ν στο μόριο του ενεργού καυσίμου, εφόσον τα καύσιμα συστατικά είναι CH 4, CO και H 2, επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί ο συγκεκριμένος χημικός τύπος (περιέχων άτομα Ν), έτσι ώστε να υπάρχει συμφωνία της παρούσας ανάλυσης με τους συμβολισμούς του Ferguson [1], του οποίου η μεθοδολογία χρησιμοποιείται παρακάτω. 167

184 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών y CH y CO y H y C H O N (4.3.34) CH,f 4 CO,f H,f 2 comb,f α β γ δ 4 2 θεωρώντας τις εξισώσεις ισοζυγίου για τα άτομα C, H, O και N, αντίστοιχα. Έτσι, προκύπτει: α y y y (4.3.35) CH,f CO,f comb,f 4 β 4y 2y y (4.3.36) CH,f H,f comb,f 4 2 γ y y (4.3.37) CO,f comb,f δ 0 (4.3.38) Η στοιχειομετρική αντίδραση καύσης του καυσίμου ανά kmol αέρα γράφεται [1]: y CO 2,f N 2,f e C H O N e CO e N 0.21O 0.79N comb st α β γ δ comb st 2 comb st ycomb,f ycomb,f yco y 2,f N 2,f 1 ecomb ecomb st st 2 y CO H O ν ν ν comb,f y N (4.3.39) comb,f Η παραπάνω αντίδραση είναι, στην ουσία, η στοιχειομετρική αντίδραση καύσης του ενεργού καυσίμου ανά kmol αέρα, με τις αντίστοιχες ποσότητες των αδρανών CO 2 και N 2 να μεταφέρονται αυτούσιες από τα αντιδρώντα στα προϊόντα. Επίσης, έχει θεωρηθεί ξηρός αέρας με σύσταση yo,a και yn,a , όπου yo,a και y 2 N,a τα μοριακά κλάσματα 2 του Ο 2 και Ν 2, αντίστοιχα, στον αέρα, ενώ είναι ο στοιχειομετρικός μοριακός λόγος e comb st ενεργού καυσίμου-αέρα. Από τις εξισώσεις ισοζυγίου για τα άτομα C, H, O και N στην προηγούμενη αντίδραση, προκύπτει: y e comb st 0.21 αβ 4 γ 2 (4.3.40) Από τον ορισμό, τώρα, του λόγου ισοδυναμίας καυσίμου και την εισαγωγή του κλάσματος μάζας του ενεργού καυσίμου στο καύσιμο, οριζόμενου ως xcomb,f mcomb mf, προκύπτει: mcomb xcomb,f ma m x m comb comb,f a m m m m φ mf ma mcomb m st a f a comb a st Ncomb Na ecomb (4.3.41) N N e comb a st comb st st 168

185 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης από όπου φαίνεται ότι ο λόγος ισοδυναμίας καυσίμου μπορεί εναλλακτικά να ορισθεί ως προς το ενεργό καύσιμο. Με τον τρόπο αυτό, τα μοριακά κλάσματα των επτά συστατικών στο μείγμα αέρακαυσίμου υπολογίζονται ως εξής: ych y y 4,f CO 2,f N 2,f ych φ e φ e 4,af comb st comb y 1 1 st comb,f ycomb,f y comb,f yco y y 2,f CO 2,f N 2,f yco φ e φ e 2,af comb st comb y 1 1 st comb,f ycomb,f y comb,f (4.3.42) (4.3.43) yho,af 2 0 (4.3.44) yn,f y y 2 CO,f 2 N,f 2 yn φ e φ e 2,af 0.79 comb st comb y 1 1 st comb,f ycomb,f y comb,f (4.3.45) y O,af 2 y y φ ecomb 1 st ycomb,f y CO,f N,f 2 2 comb,f (4.3.46) y y y CO,f CO 2,f N 2,f yco,af φ ecomb φ ecomb st y 1 1 st comb,f ycomb,f y comb,f yh,f y y 2 CO,f 2 N,f 2 yh φ e φ e 2,af comb st comb y 1 1 st comb,f ycomb,f y comb,f (4.3.47) (4.3.48) Σύσταση Κατάλοιπου Καυσαερίου Για τον υπολογισμό της σύστασης του κατάλοιπου καυσαερίου, ακολουθείται η μεθοδολογία του Ferguson [1], η οποία βασίζεται σε αυτή των Hires et al. [10]. Το κατάλοιπο καυσαέριο θεωρείται ότι έχει τη σύσταση των προϊόντων καύσης χαμηλής θερμοκρασίας T 1000 K αντιδρώντων με λόγο ατόμων C/O μικρότερο της μονάδας. Η σχετική αντίδραση καύσης του καυσίμου ανά kmol αέρα μπορεί να γραφεί ως εξής [1]: yco y 2,f N 2,f φe C H O N φe CO φe N st st st y y comb α β γ δ comb 2 comb 2 comb,f comb,f 0.21O yco 2,f N 2 ' 1 φ e ν combst y CO ν ' H O comb,f 169

186 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών ' yn,f 2 3 φ e ν combst y N ν ' O ν ' CO ν ' H (4.3.49) comb,f Στην περίπτωση πτωχής-στοιχειομετρικής καύσης φ 1, θεωρείται ότι δε σχηματίζονται ως προϊόντα CO και H 2. Έτσι, οι τέσσερις εξισώσεις ισοζυγίου για τα άτομα C, H, O και N επαρκούν για τον προσδιορισμό των τεσσάρων αγνώστων ' k k 14 ν. Στην περίπτωση, τώρα, πλούσιας καύσης φ 1, πέρα από το ότι γίνεται η παραδοχή πως δε σχηματίζεται ως προϊόν Ο 2, θεωρείται επιπλέον ότι η ακόλουθη αντίδραση, η οποία συνοδεύεται από την αντίστοιχη σταθερά ισορροπίας της με βάση τις μερικές πιέσεις: r r pcopho y y 2 2,rg 5,rg 0 CO2 H2 COH2O Kp0 (4.3.50) r r p p y1,rgy6,rg βρίσκεται σε χημική ισορροπία, όπου y 1,rg, y 2,rg, y5,rg και y 6,rg τα μοριακά κλάσματα του CO 2, H 2 O, CO και H 2, αντίστοιχα, στο κατάλοιπο καυσαέριο. Εισάγοντας στη λύση του προβλήματος τη σταθερά ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις της προηγούμενης αντίδρασης, προκύπτει: CO H 2 2 K p0 ν' φ e ν' ν' 2 5 CO 2,f 1 comb st ν' 6 ycomb,f y (4.3.51) Έτσι, εφαρμόζοντας και σε αυτή την περίπτωση τις εξισώσεις ισοζυγίου για τα άτομα C, H, O και N, προκύπτει για το συντελεστή ν ' 5 από την προηγούμενη εξίσωση: ' 2 ν' ν' ν' ν' ν (4.3.52) 5 b b 4a c 2a ν ' 5 όπου: aν ' 1 Kp0 (4.3.53) 5 yco 2,f bν ' 0.42φ e K φ φe 5 comb 2αγ st p α comb y st comb,f (4.3.54) c yco 2,f ' α ν φ e φ K 5 comb st p0 y 1 comb,f (4.3.55) 170

187 Οι λύσεις για τους συντελεστές ' k 0 6 k 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης ν για τις περιπτώσεις πτωχήςστοιχειομετρικής και πλούσιας καύσης δίνονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 4.3, όπου, για συνέπεια με τη σύσταση του μείγματος αέρα-καυσίμου και, τελικά, με αυτή της άκαυστης ζώνης, έχει συμπεριληφθεί και ο αντίστοιχος συντελεστής του CH 4 ν ' 0. Πίνακας 4.3. Συντελεστές προϊόντων καύσης χαμηλής θερμοκρασίας ενεργού καυσίμου, ν ' k 06 (kmol/kmol αέρα) k k Συστατικό φ 1 φ 1 0 CH CO 2 α α φ e comb st φ e comb ν ' 5 2 H 2 O β 2 φ e comb st 0.42 φ e comb 2αγ ν ' 5 3 N δ 2 φ e comb st st st 0.79 δφ e comb 2 4 O φ 0 5 CO 0 ν ' ' 6 H 2 0 st φ ν 5 Έτσι, προκύπτει για τα μοριακά κλάσματα των επτά συστατικών στο κατάλοιπο καυσαέριο: 6 φ ecomb st ych y y 4,rg ν' 0 ν ' k CO 2,f N 2,f (4.3.56) k0 ycomb,f y 6 CO φ e 2,f comb st yco φ e y y 2,rg ν' 1 comb st ν ' k CO 2,f N 2,f (4.3.57) ycomb,f k0 ycomb,f 6 φ ecomb st yho,rg ν' y y 2 2 ν ' k CO,f 2 N,f (4.3.58) 2 k0 ycomb,f y 6 N,f φ e 2 comb st yn,rg ν' φ e y y 2 3 comb st ν ' k CO,f 2 N,f (4.3.59) 2 ycomb,f k0 ycomb,f 6 φ ecomb st yo,rgν' y y 2 4 ν ' k CO,f 2 N,f (4.3.60) 2 k0 ycomb,f 171

188 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών 6 φ ecomb st yco,rg ν' 5 ν ' k yco y 2,f N 2,f (4.3.61) k 0 ycomb,f 6 φ ecomb st yh,rgν' y y 2 6 ν ' k CO,f 2 N,f (4.3.62) 2 k 0 ycomb,f Σύσταση Καμένων Ζωνών Για τον υπολογισμό της σύστασης των καμένων ζωνών, όπως αυτές προκύπτουν από την καύση του μείγματος αέρα-καυσίμου-κατάλοιπου καυσαερίου, θεωρείται ότι αυτές βρίσκονται σε κατάσταση χημικής ισορροπίας. Για την απλούστευση των σχετικών υπολογισμών, η επίδραση του κατάλοιπου καυσαερίου στη σύσταση των καμένων ζωνών αμελείται. Μία τέτοια παραδοχή βρίσκεται κοντά στην πραγματικότητα στην περίπτωση λειτουργίας του κινητήρα Otto σε υψηλά φορτία, όπου το κλάσμα μάζας του κατάλοιπου καυσαερίου είναι της τάξης του 5% [2]. Παρακάτω, περιγράφεται αναλυτικά η κατάστρωση και επίλυση του συστήματος των εξισώσεων χημικής ισορροπίας, ακολουθώντας, ξανά, τη μεθοδολογία του Ferguson [1] Κατάστρωση Συστήματος Εξισώσεων Χημικής Ισορροπίας Η αντίδραση καύσης (υψηλής θερμοκρασίας) του καυσίμου ανά kmol αέρα γράφεται ως εξής: yco y 2,f N 2,f φ e CHON φ e CO φ e N st st st y y comb α β γ δ comb 2 comb 2 comb,f comb,f 0.21O yco 2,f N 2 '' ν 1φ ecombst y CO ν '' H O comb,f '' yn,f 2 ν φ e st y N ν '' O ν '' CO ν '' H comb,f 3 comb ν'' H ν'' O ν'' OH ν'' NO ν '' N (4.3.63) Από τις εξισώσεις ισοζυγίου για τα άτομα C, H, O και N στην παραπάνω αντίδραση, προκύπτουν οι ακόλουθες τέσσερις εξισώσεις: yco y 2,f CO 2,f C: φ ecomb α φ ecomb 1 φ ecomb 5 y1,b y5,b N st st ν'' '' st ν ycomb,f ycomb,f (4.3.64) 172

189 όπου: 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης comb ,b 6,b 7,b 9,b H: φ e β 2 ν'' 2 ν'' ν'' ν '' 2y 2y y y N (4.3.65) st O: yco 2,f φ ecomb γ 2 φ ecomb st st y 0.42 comb,f 2 '' yco 2,f ν φ e st ν y '' 2 ν '' ν '' ν '' ν '' ν '' comb,f 1 comb y y 2y y y y y N (4.3.66) 1,b 2,b 4,b 5,b 8,b 9,b 10,b yn,f y 2 N,f 2 N: φ e δ 2φ e '' φ e '' '' st st ν y st ν ν comb,f ycomb,f comb comb 3 comb y y y N (4.3.67) 3,b 10,b 11,b 11 1 N ν '' k φ ecomb yco,f yn,f (4.3.68) k1 st y 2 2 comb,f ο συνολικός αριθμός kmol των προϊόντων καύσης ανά kmol αέρα και y k,b k 1 11 τα μοριακά κλάσματα των έντεκα συστατικών σε κάθε μία εκ των καμένων ζωνών, οριζόμενα ως εξής: y k,b ν '' N k 2,4 11 (4.3.69) k yco 2,f y1,b ν '' 1φ ecomb st ycomb,f N (4.3.70) yn,f 2 y3,b ν '' 3 φ ecomb st ycomb,f N (4.3.71) Εξ ορισμού, ισχύει: 11 yk,b 1 (4.3.72) k1 Επιπρόσθετα, γίνεται η θεώρηση ότι οι ακόλουθες επτά αντιδράσεις, οι οποίες συνοδεύονται από τις αντίστοιχες σταθερές ισορροπίας τους με βάση τις μερικές πιέσεις: 173

190 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών r 1 p y H 7,b 12 1 H2 H Kp1 p (4.3.73) r y p 6,b H 2 r 1 p y O 8,b 12 2 O2 O Kp2 p (4.3.74) r y p 4,b O 2 r 1 1 p y OH 9,b 3 H2 O2 OH Kp3 (4.3.75) r r y y p p 4,b 6,b H 2 O2 r 1 1 p y NO 10,b 4 O2 N2 NO Kp4 (4.3.76) r r y y p p 3,b 4,b O 2 N2 r 1 pho y 2 2,b 1 5 H2 O2 H2O Kp5 (4.3.77) r r y y p p p 4,b 6,b H O 2 2 r 1 pco y 2 1,b 1 6 CO O2 CO2 Kp6 (4.3.78) r r y y p p p 4,b 5,b CO O 2 r 1 p y N 11,b 12 7 N2 N Kp7 p (4.3.79) r y p 3,b βρίσκονται σε χημική ισορροπία. Σημειώνεται ότι, στις εκφράσεις των σταθερών ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις των προηγούμενων επτά εξισώσεων, οι μερικές πιέσεις των διαφόρων συστατικών και η (ολική) πίεση δίνονται σε atm. Με τον τρόπο αυτό, καταστρώνεται ένα σύστημα δώδεκα εξισώσεων (βλέπε Εξισώσεις (4.3.64)-(4.3.67) και (4.3.72)-(4.3.79)) με δώδεκα αγνώστους y k,b k 1 11, N. N Επίλυση Συστήματος Εξισώσεων Χημικής Ισορροπίας Αρχικά, γίνεται απαλοιφή του συνολικού αριθμού kmol των προϊόντων καύσης ανά kmol αέρα, N, από το σύστημα των εξισώσεων, διαιρώντας διαδοχικά τις Εξισώσεις (4.3.65)-(4.3.67) με την Εξίσωση (4.3.64), δίνοντας: 2y 2y y y d y y 0 (4.3.80) 2,b 6,b 7,b 9,b 1 1,b 5,b 174

191 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης 2y y 2y y y y y d y y 0 (4.3.81) 1,b 2,b 4,b 5,b 8,b 9,b 10,b 2 1,b 5,b και 2y y y d y y 0 (4.3.82) 3,b 10,b 11,b 3 1,b 5,b αντίστοιχα, όπου: d β α y 1 CO,f comb,f 2 y y φ e y y 2 st 2 d γ α 2 CO,f comb,f comb CO,f comb,f y y φ e y y 2 st 2 d δ α 3 N,f comb,f comb CO,f comb,f Στη συνέχεια, οι Εξισώσεις (4.3.73)-(4.3.79) γράφονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα μοριακά κλάσματα όλων των συστατικών να προκύπτουν συναρτήσει των y 3,b, y 4,b, y 5,b και y 6,b, δίνοντας: y και y c y 12 (4.3.83) 7,b 1 6,b y c y 12 (4.3.84) 8,b 2 4,b ,b 3 4,b 6,b y c y y (4.3.85) ,b 4 3,b 4,b y c y y (4.3.86) 12 2,b 5 4,b 6,b y c y y (4.3.87) 12 1,b 6 4,b 5,b y c y y (4.3.88) αντίστοιχα, όπου: y c y 12 (4.3.89) 11,b 7 3,b c 1 Kp1 p, c 2 Kp2 p, c 3 K p3, c 4 Kp4, (4.3.90) c K p, c K p, c K p 5 p5 6 p6 7 p7 175

192 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Αντικαθιστώντας τις Εξισώσεις (4.3.83)-(4.3.89) στις Εξισώσεις (4.3.72) και (4.3.80)- (4.3.82), προκύπτει το επόμενο σύστημα τεσσάρων εξισώσεων με τέσσερις αγνώστους y, y, y, y : 3,b 4,b 5,b 6,b και ,b 5,b 5 4,b 6,b 3,b 4,b 5,b 6,b 1 6,b 2 4,b c y y c y y y y y y c y c y ,b 6,b 4 3,b 4,b 7 3,b c y y c y y c y 0 (4.3.91) ,b 6,b 6,b 1 6,b 3 4,b 6,b 1 6 4,b 5,b 5,b 2c y y 2y c y c y y d c y y y ,b 5,b 5 4,b 6,b 4,b 5,b 2 4,b 3 4,b 6,b 2c y y c y y 2y y c y c y y ,b 4,b 2 6 4,b 5,b 5,b (4.3.92) c y y d c y y y 0 (4.3.93) ,b 4 3,b 4,b 7 3,b 3 6 4,b 5,b 5,b 2y c y y c y d c y y y 0 (4.3.94) αντίστοιχα. Το παραπάνω μη-γραμμικό αλγεβρικό σύστημα λύνεται με την επαναληπτική μέθοδο Newton-Raphson [11]. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, οι παραπάνω τέσσερις εξισώσεις μπορούν να γραφούν συνοπτικά στην ακόλουθη μορφή:,,, 0 m 1 4 f y y y y m 3,b 4,b 5,b 6,b (4.3.95) όπου οι δείκτες m 1, m 2, m 3 και m 4 αποδίδονται στις συναρτήσεις του αριστερού μέλους των Εξισώσεων (4.3.91), (4.3.92), (4.3.93) και (4.3.94), αντίστοιχα. Συμβολίζοντας τη λύση του συστήματος με το διάνυσμα y y, y, y, y * * * * * b 3,b 4,b 5,b 6,b, μία πρώτη προσέγγισή της, y 1 y 1 y 1 y 1 y 1 b 3,b, 4,b, 5,b, 6,b, μπορεί να υπολογισθεί από τον Πίνακα 4.3 και τις Εξισώσεις (4.3.56)-(4.3.62). Έτσι, οι συναρτήσεις του αριστερού μέλους της Εξίσωσης (4.3.95) μπορούν να αναπτυχθούν σε σειρές Taylor γύρω από το γνωστό 1 διάνυσμα y b, αμελώντας παραγώγους δεύτερης και μεγαλύτερης τάξης, μετατρέποντας την Εξίσωση (4.3.95) ως εξής: f f f y 1 m 1 m 1 b b y b y y y y y m 3,b 4,b 3,b 4,b 176

193 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης fm 1 fm 1 yb y5,b y b y 6,b 0 m14 (4.3.96) y y 5,b 6,b όπου: * 1 y y y k 3 6 (4.3.97) k,b k,b k,b Οι τέσσερις νέες εξισώσεις, οι οποίες περιγράφονται συνοπτικά από την Εξίσωση (4.3.96), είναι πλέον γραμμικές και μπορούν εύκολα να λυθούν ως προς τα y k 3 6 χρησιμοποιώντας άλγεβρα πινάκων. Με αυτό τον τρόπο, η δεύτερη προσέγγιση της λύσης είναι: 2 1 yk,b yk,b y k,b k 3 6 (4.3.98) Θεωρώντας τη δεύτερη προσέγγιση ως μία νέα πρώτη προσέγγιση, η διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς, έως ότου τα τελευταία υπολογιζόμενα y k 3 6 μικρότερα ενός πολύ μικρού αριθμού ξ : k,b k,b να είναι όπου ξ μία προκαθορισμένη τιμή ανοχής. y ξ 1 k 36 (4.3.99) k,b Για να επιλυθεί η Εξίσωση (4.3.96) με άλγεβρα πινάκων, γράφεται ισοδύναμα σε μορφή πινάκων ως εξής: όπου: AX B ( ) ο πίνακας των συντελεστών των αγνώστων, f f f f y y y y f f f f y y y y A f f f f y y y y f f f f y y y y ,b 4,b 5,b 6,b ,b 4,b 5,b 6,b ,b 4,b 5,b 6,b ,b 4,b 5,b 6,b 177

194 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών X y y y y 3,b 4,b 5,b 6,b το διάνυσμα-στήλη των αγνώστων και f1 f 2 B f3 f4 το διάνυσμα-στήλη των σταθερών όρων. Για τον υπολογισμό, τώρα, των στοιχείων του πίνακα A, θεωρούνται οι ακόλουθες μερικές παράγωγοι: D ij yi,b i 1,2,7,8,9,10,11 y j,b j3,4,5,6 y j,b Djj 1 y Από τις Εξισώσεις (4.3.83)-(4.3.89), προκύπτουν οι σχετικές μη-μηδενικές μερικές παράγωγοι: j,b y 12, D y c2 2 4,b D c ,b, y 12 y 12, D y 12 y c3 4,b 2 6,b D c ,b 4,b, y 12 y 12, D y 12 y c4 3,b 2 4,b D c ,b 3,b y y 12 D c 2, D c y 12, ,b 4,b y y ,b 4,b, ,b D c 2, D c y 12, D c ,b y ,b Έτσι, προκύπτει τελικά για τα στοιχεία του πίνακα A : A 11 1D 103 D 113, A 12 D 14 D 24 1D 84 D 94 D 104, A 13 D 15 1, A 14 D 26 1D 76 D 96, 178

195 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης A 21 0, A 22 2D 24 D 94 d 1 D 14, dd d, A 24 2D 26 2 D 76 D 96, A A 31 D 103, A 32 2D 14 D 24 2 D 84 D 94 D 104 d 2 D 14, A 33 2D 15 1d 2 D 15 d 2, A 34 D 26 D 96, A 41 2D 103 D 113, A 42 D 104 d 3 D 14, A 43 dd 3 15 d 3, A Υπολογισμός Σταθερών Ισορροπίας Για ένα μείγμα τελείων αερίων που αποτελείται από συστατικά που αντιδρούν μεταξύ τους, η γενική χημική αντίδραση μέσω της οποίας αυτά συνδέονται μπορεί να γραφεί ως εξής [2, 12]: όπου k R P kmk νkmk k M k το χημικό σύμβολο του k συστατικού, ενώ ν ( ) R ν k και P ν k ο στοιχειομετρικός συντελεστής του στα αντιδρώντα και προϊόντα, αντίστοιχα. Με χρήση του 1 ου Θερμοδυναμικού Νόμου για κλειστό σύστημα, μπορεί να δειχθεί ότι: και 2 ου du TdS pdv ( ) όπου η ανισότητα ισχύει για πραγματικές, δηλαδή μη-αντιστρέψιμες, διεργασίες, ενώ η ισότητα μόνο στην περίπτωση αντιστρέψιμων διεργασιών. Γράφοντας τη σχέση του Gibbs (Gibbs relation) [6] για το μείγμα των συστατικών: και αντικαθιστώντας τη στην Εξίσωση ( ), προκύπτει: du TdS pdv μ dn ( ) k k k μkdnk 0 ( ) k όπου, τώρα, η ισότητα εκφράζει τη συνθήκη ισορροπίας για το σύστημα. Για μία διαφορική μεταβολή του αριθμού των kmol του k συστατικού, μπορεί να γραφεί: 179

196 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών dn P R k k k ν ν dλ ( ) όπου λ η παράμετρος που δηλώνει την πρόοδο της αντίδρασης. Αντικαθιστώντας, τώρα, την προηγούμενη σχέση στην Εξίσωση ( ) στην κατάσταση ισορροπίας, ισχύει: P R μk νk ν k dλ 0 ( ) k Εφόσον, όμως, το διαφορικό d λ είναι διάφορο του μηδενός, συνεπάγεται από την τελευταία σχέση: P R μk νk ν k 0 ( ) k Η εξίσωση αυτή αποτελεί το κριτήριο χημικής ισορροπίας. Προχωρώντας περισσότερο στην ανάπτυξη του κριτηρίου χημικής ισορροπίας, το χημικό δυναμικό του k συστατικού στο μείγμα τελείων αερίων μπορεί να εκφρασθεί στην προηγούμενη εξίσωση σύμφωνα με την Εξίσωση (4.3.19), δίνοντας την ακόλουθη σχέση: r p o k P R μk T RTln νk ν k 0 ( ) k η οποία, μετά από σύντομη μαθηματική επεξεργασία, γίνεται: p o μ ν ν k exp RT T o P R k k k K p T ( ) όπου: K p T k p P R νk ν r k k p o ( ) η σταθερά ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις της αντίδρασης που περιγράφεται από την Εξίσωση ( ). Η Εξίσωση ( ) σχετίζει τη σύσταση του μείγματος, που καθορίζεται από τα μοριακά κλάσματα των διαφόρων συστατικών, τα οποία είναι ανάλογα των μερικών πιέσεών τους στο μείγμα, με τη θερμοκρασία του μείγματος. Το σημαντικό στοιχείο που προκύπτει είναι ότι η σταθερά ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις μίας αντίδρασης είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας. Εκφράζοντας τις μερικές πιέσεις των διαφόρων συστατικών σε atm, η προηγούμενη εξίσωση μπορεί να γραφεί απλούστερα ως εξής: 180

197 K T p P R νk ν r k p k k αφού ισχύει για την πρότυπη πίεση αναφοράς p o 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης ( ) 1atm, όπως προαναφέρθηκε στην Υποπαράγραφο Οι σταθερές ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις των αντιδράσεων που περιγράφονται από τις Εξισώσεις (4.3.50) (κατάλοιπο καυσαέριο) και (4.3.73)-(4.3.79) (καμένες ζώνες) δίνονται από συναρτήσεις ως προς την απόλυτη θερμοκρασία, T, σε Κ, οι οποίες έχουν προκύψει μετά από προσαρμογή σε πειραματικά δεδομένα. Οι συναρτήσεις αυτές έχουν τις ακόλουθες εκφράσεις [1]: και Οι συντελεστές A,B,C,D p0 u u lnk T T 9 3 u T, 400 T K 3200 ( ) log K A ln 10 T B T C D T 3 p b b b 2 T u ET b 17, 600 b K 4000 ( ) και E 1 7 για τις διάφορες σταθερές ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις που δίνονται συνοπτικά από την τελευταία εξίσωση παρουσιάζονται στον Πίνακα

198 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών Πίνακας 4.4. Συντελεστές συναρτήσεων υπολογισμού των σταθερών ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις των Εξισώσεων (4.3.73)-(4.3.79) A B C D E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E Ε E E E E E E E E Ε E E E E E E Μεταβολή Σύστασης Ζωνών ως προς τη Θερμοκρασία και την Πίεση Παρακάτω, παρουσιάζεται αναλυτικά ο υπολογισμός των μερικών παραγώγων ως προς τη θερμοκρασία και την πίεση των μοριακών κλασμάτων των διαφόρων συστατικών στην άκαυστη και τις καμένες ζώνες του μοντέλου. Η εύρεση της μεταβολής της σύστασης κάθε ζώνης συναρτήσει της θερμοκρασίας και της πίεσης είναι αναγκαία για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών παραγώγων της, όπως έχει ήδη φανεί από τις Εξισώσεις (4.3.21)-(4.3.25) Άκαυστη Ζώνη Αναφορικά με την Εξίσωση (4.3.26), μέσω της οποίας υπολογίζονται τα μοριακά κλάσματα των επτά συστατικών στην άκαυστη ζώνη με βάση τα αντίστοιχα στο μείγμα αέρα-καυσίμου και το κατάλοιπο καυσαέριο, προκύπτει, καταρχήν, ότι τα μοριακά κλάσματα y k,af k 0 6 είναι ανεξάρτητα της θερμοκρασίας και της πίεσης, όπως φαίνεται εύκολα από τις Εξισώσεις (4.3.42)-(4.3.48). Αντίθετα, τα μοριακά κλάσματα y k,rg k 0 6 παρουσιάζουν εξάρτηση μόνο από τη θερμοκρασία και μόνο στην περίπτωση πλούσιας καύσης, όπως προκύπτει από τον Πίνακα 4.3 και τις Εξισώσεις (4.3.56)-(4.3.62), εξαιτίας της εξάρτησης του όρου ν ' 5 από τη σταθερά ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις K p0, η οποία είναι με τη σειρά της συνάρτηση της θερμοκρασίας. Σχετικά με το μοριακό κλάσμα του κατάλοιπου καυσαερίου στην άκαυστη ζώνη, y rg, φαίνεται από την Εξίσωση (4.3.27) 182

199 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης ότι αυτό παρουσιάζει εξάρτηση από την θερμοκρασία μόνο εφόσον και το μοριακό βάρος του κατάλοιπου καυσαερίου, M rg, παρουσιάζει την ίδια εξάρτηση. Μπορεί να αποδειχθεί, όμως, για την ακόλουθη σχέση: 6 M y M rg k,rg k k0 6 1 φ ecomb st M y M y M 6 ν ' φ ecomb k 0 y st comb,f ' k yco y ν 2,f N 2,f y k0 comb,f k k CO,f CO N,f N ( ) η οποία αποτελεί ουσιαστικά αναλυτικότερη έκφραση της Εξίσωσης (4.3.29), ότι τα αθροίσματα 6 6 ν ' k και ' k Mk k0 k0 ν είναι ανεξάρτητα του ν ' 5, όπως προκύπτει από τον Πίνακα 4.3, και, συνεπώς, και της θερμοκρασίας. Έτσι, και τα M rg και y rg, τελικά, προκύπτουν ανεξάρτητα της θερμοκρασίας. Με βάση τα παραπάνω, λοιπόν, προκύπτει από την Εξίσωση (4.3.26): yk,u 0 k 0 6, φ 1 Tu p yk,u yk,rg y rg k 06, φ 1 Tu T p u p ( ) και y p k,u T u 0 k 06 ( ) Η Εξίσωση ( ), για την περίπτωση της πλούσιας καύσης φ 1, μπορεί να αναπτυχθεί περαιτέρω ως ακολούθως, κάνοντας χρήση των Εξισώσεων (4.3.56)-(4.3.62) και του Πίνακα 4.3: yk,u 1 ν ' K k ν ' 5 p0 y rg k 06, φ 1 T 6 u φ ecomb ν ' 5 Kp0 T p st u ν ' y y k0 k CO 2,f N 2,f ycomb,f ( ) 183

200 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών όπου έχει ήδη ληφθεί υπόψη ότι το άθροισμα Επίσης, με βάση πάλι τον Πίνακα 4.3, ισχύει: 6 ν ' k δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία. k0 ν ' 0, k 0 1, k 1 1, k 2 0, k 3 k ν ' 5 0, k 4 1, k 5 1, k 6 ( ) ενώ, λαμβάνοντας τη μερική παράγωγο του όρου ν ' 5 ως προς τη σταθερά ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις K p0 από την Εξίσωση (4.3.52), μπορεί να δειχθεί ότι: ν ' K 2 CO 2,f CO 2,f ν' ν' 0.42φ1α φe 0.42α φ e φ 1 5 p0 y y y comb,f st y comb,f 2 ν ' a b 5 5 comb comb 5 ν' ν' 5 5 ( ) Τέλος, από την Εξίσωση ( ), υπολογίζεται η μερική παράγωγος της σταθεράς ισορροπίας με βάση τις μερικές πιέσεις K p0 ως προς τη θερμοκρασία της άκαυστης ζώνης ως εξής: K T p0 K 3 T 2 6 T 3 p u u u 9 4 u u T, 400 T K 3200 ( ) st Καμένες Ζώνες Για τον υπολογισμό των μερικών παραγώγων ως προς τη θερμοκρασία των μοριακών κλασμάτων των διαφόρων συστατικών σε κάθε μία εκ των καμένων ζωνών, yk,b T b k 1 11 p, είναι προφανές, από τις Εξισώσεις (4.3.83)-(4.3.89), ότι αρκεί ο υπολογισμός των εξής τεσσάρων μερικών παραγώγων: 184

201 yk,b T b p k Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης αφού οι υπόλοιπες μερικές παράγωγοι μπορούν να εκφρασθούν, με βάση τις προαναφερθείσες εξισώσεις, συναρτήσει των προηγουμένων τεσσάρων μερικών παραγώγων ως εξής: y 7,b 12 c y 1 c 1 y 6,b 6,b T T 12 b b 2y T 6,b b p p p y c y6,b D Tb Tb ,b 76 p p ( ) y 8,b 12c y 2 c 2 y 4,b 4,b T T 12 b b 2y T 4,b b p p p y c y 4,b D Tb Tb ,b 84 p p ( ) y9,b 12 12c 3y6,b y4,b 3y4,b y 3 c c 6,b y4,b y6,b T T 12 y T 12 b b 2 b y T 4,b 2 6,b b p p p p 12 12c y4,b y 3 6,b y4,b y6,b D94 D96 Tb Tb Tb p p p ( ) y10,b 12 12c 4y4,b y3,b 4y3,b y 4 c c 4,b y3,b y4,b T T 12 y T 12 b b 2 b y T 3,b 2 4,b b p p p p 12 12c y3,b y 4 4,b y3,b y4,b D103 D104 Tb Tb Tb p p p ( ) y2,b 12 c5 c y y 5y 6,b y4,b 12 y y6,b 4,b 6,b c5 4,b T T 12 b b 2y Tb T 4,b b p p p p 12 c y y 5 4,b 6,b y4,b y6,b D24 D26 Tb Tb Tb p p p ( ) y1,b 12 c6 c y y 6 y 5,b y4,b 12 y y5,b 4,b 5,b c6 4,b T T 12 b b 2y Tb T 4,b b p p p p 185

202 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών 12 c y y 6 4,b 5,b y4,b y5,b D14 D15 Tb Tb Tb p p p ( ) y11,b 12c y 7 c 7 3,b y3,b 12 Tb T b 2y T 3,b b p p p y c y3,b D Tb Tb ,b 113 p p ( ) όπου τα διάφορα D ij yi,b i 1,2,7,8,9,10,11 y j,b j3,4,5,6 και c 1 7 έχουν ήδη δοθεί στην επίλυση του συστήματος εξισώσεων χημικής ισορροπίας για τον υπολογισμό της σύστασης των καμένων ζωνών. Οι μερικές παράγωγοι ως προς τη θερμοκρασία των διαφόρων c 17, οι οποίες εμφανίζονται στις προηγούμενες επτά εξισώσεις, γράφονται με βάση την Εξίσωση (4.3.90) ως εξής: c K K K K 1 1 d p1 c2 1 d p2 c3 d p3 c4 d p4, T 12, p T T 12,, b d b b p Tb Tb Tb Tb T p d p d d p p b c 12 dkp5 12 dkp6 dk 5 c6 c7 1 p7 p, p, T T T T T 12 b d b b d b b p dt p p p b ( ) ενώ, από την Εξίσωση ( ), είναι: K T p ln10 K T T 2 p A b B b D b 2ET b 17, 600 Tb K 4000 ( ) Οι τέσσερις, τώρα, μερικές παράγωγοι y T k,b b k 3 6, οι οποίες απαιτείται p να υπολογισθούν, λαμβάνονται από τη λύση του παρακάτω γραμμικού αλγεβρικού συστήματος με χρήση άλγεβρας πινάκων, το οποίο προκύπτει παραγωγίζοντας ως προς τη θερμοκρασία το σύστημα των εξισώσεων που περιγράφεται συνοπτικά από την Εξίσωση (4.3.95): f f y f y f y f y m m 3,b m 4,b m 5,b m 6,b 0 m14 Tb y3,b Tb y4,b Tb y5,b Tb y6,b Tb p p p p ( ) 186

203 Η προηγούμενη εξίσωση μπορεί να γραφεί σε μορφή πινάκων ως εξής: 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης AY C ( ) όπου ο πίνακας A των συντελεστών των αγνώστων είναι ο ίδιος με αυτόν που παρουσιάσθηκε στην επίλυση του συστήματος εξισώσεων χημικής ισορροπίας για τον υπολογισμό της σύστασης των καμένων ζωνών, Y y y y y T T T T 3,b b p 4,b b p 5,b b p 5,b b p το διάνυσμα-στήλη των αγνώστων και το διάνυσμα-στήλη των σταθερών όρων. f f C f f T T T T 1 b 2 b 3 b 4 b Για τον υπολογισμό των μερικών παραγώγων f T χρησιμοποιούνται οι παρακάτω βοηθητικές μεταβλητές: m b m1 4, x y c 1 1,b 6 x y c 2 2,b 5 xk y k,b ck6 k 710 x11 y11,b c7 ( ) για τις οποίες προκύπτει, με βάση τις Εξισώσεις (4.3.83)-(4.3.89), ότι είναι συναρτήσεις μόνο των μοριακών κλασμάτων y 3,b, y 4,b, y5,b και y 6,b. Εισάγοντας τις βοηθητικές μεταβλητές στις συναρτήσεις f -(4.3.94), αυτές γίνονται: m m 1 4 του αριστερού μέλους των Εξισώσεων (4.3.91) f c x c x c x c x c x c x c x y y y y ( ) ,b 4,b 5,b 6,b f 2c x c x c x d c x 2y d y ( ) ,b 1 5,b 187

204 4.3 Θερμοδυναμικές Ιδιότητες και Σύσταση Ζωνών και f 2c x c x c x c x c x d c x 2y y d y ( ) ,b 5,b 2 5,b f c x c x d c x 2y d y ( ) ,b 3 5,b αντίστοιχα. Παραγωγίζοντας, στη συνέχεια, τις παραπάνω τέσσερις συναρτήσεις ως προς τη θερμοκρασία, προκύπτει: f1 c6 c5 c1 c2 x x x x Tb Tb Tb Tb Tb p p p p c3 c4 c7 x x x Tb Tb Tb p p p f2 c5 c1 c3 c6 2 x x x d x Tb Tb Tb Tb Tb p p p p ( ) ( ) f3 c6 c5 c2 c3 c4 c6 2 x x x x x d x Tb Tb Tb Tb Tb Tb Tb p p p p p p ( ) και f4 c4 c7 c6 x x d x Tb Tb Tb Tb p p p ( ) αντίστοιχα. Για τον υπολογισμό, τώρα, των μερικών παραγώγων ως προς την πίεση των μοριακών κλασμάτων των διαφόρων συστατικών σε κάθε μία εκ των καμένων ζωνών, y p k 1 11, ακολουθείται αντίστοιχη μεθοδολογία, χρησιμοποιώντας και πάλι k,b T b τις Εξισώσεις ( )-( ), ( )-( ) και ( )-( ), αντικαθιστώντας όμως αυτή τη φορά το σύμβολο T b με το p. Οι αντίστοιχες p της Εξίσωσης ( ) εκφράσεις γίνονται στην περίπτωση αυτή, με βάση την Εξίσωση (4.3.90): T b 188

205 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης c1 1c1 c2 1c2 c3 c4,, 0, 0, p 2 p p 2 p p p T b T b T b Tb c5 1c5 c6 1c6 c7 1c7,, p 2 p p 2 p p 2 p T b T b Tb ( ) 189

206 4.4 Μοντέλο Καύσης 4.4 Μοντέλο Καύσης Στην παράγραφο αυτή περιγράφονται αναλυτικά τα δύο διαφορετικά μοντέλα καύσης που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία, δηλαδή το 0-διαστατικό και το οιονείδιαστατικό μοντέλο καύσης. Το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης απαιτεί, σε αντίθεση με το 0-διαστατικό, επιπλέον την περιγραφή διαφόρων φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα εντός του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης. Μοντέλα προσομοίωσης αυτών των διεργασιών παρουσιάζονται επίσης στην παράγραφο αυτή. Υπενθυμίζεται ξανά ότι η εκδοχή του (συνολικού) θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης λαμβάνει κάθε φορά την ονομασία της ανάλογα με το μοντέλο καύσης που επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί. Στο σημείο αυτό και πριν περιγραφούν τα δύο μοντέλα καύσης, κρίνεται σκόπιμο να τονιστεί εξ αρχής μία ουσιώδης διαφορά ανάμεσα στα αντίστοιχα μοντέλα προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto, σχετικά με τη χωρική ανάλυση του φαινομένου της καύσης, όπως αυτή καθορίζεται από το κάθε φορά χρησιμοποιούμενο μοντέλο καύσης (βλέπε και Παράγραφο 2.3). Το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης δεν προβλέπει γεωμετρικά την πραγματική θέση της φλόγας και των καμένων ζωνών εντός του θαλάμου καύσης, εξαιτίας του ότι ακολουθεί αποκλειστικά και μόνο την απλή θερμοδυναμική προσέγγιση. Αντίθετα, στο οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης γίνεται η θεώρηση μίας σφαιρικά διαδιδόμενης προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας, καθώς και πολλαπλών σφαιρικά κατανεμημένων καμένων ζωνών, με κέντρο πάντα το σημείο έναυσης. Με τον τρόπο αυτό, το οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης προσφέρει, επιπλέον των θερμοδυναμικών, και γεωμετρικές (χωρικές) πληροφορίες καύσης. Με σκοπό την ευχερέστερη κατανόηση των εξισώσεων του νόμου καύσης του οιονείδιαστατικού μοντέλου καύσης και των υποθέσεων που αυτές ενσωματώνουν για την προσομοίωση της διάδοσης της προαναμειγμένης τυρβώδους φλόγας, παρουσιάζονται αρχικά κάποιες γενικές εισαγωγικές έννοιες σχετικά με την προαναμειγμένη τυρβώδη καύση με τη βοήθεια του λεγόμενου Borghi-Peters διαγράμματος περιοχών προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης (Borghi-Peters regime diagram of premixed turbulent combustion) [13-14], καθώς και μία αναλυτική περιγραφή της φυσικής της διεργασίας της καύσης σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης Περιοχές Προαναμειγμένης Τυρβώδους Καύσης Ο τρόπος αλληλεπίδρασης μίας προαναμειγμένης φλόγας με το τυρβώδες πεδίο ροής στο οποίο αυτή αναπτύσσεται και διαδίδεται μπορεί να περιγραφεί με τη σύγκριση χαρακτηριστικών τυρβωδών και χημικών κλιμάκων μήκους και χρόνου. Με τον τρόπο αυτό, αναδεικνύονται διάφορες περιοχές (regimes) προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης, σε κάθε 190

207 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης μία εκ των οποίων διαφορετικά φυσικοχημικά φαινόμενα ελέγχουν την αλληλεπίδραση μεταξύ φλόγας και τυρβώδους ροής και, συνεπώς, τη φύση και τη φαινομενολογία της καύσης. Αυτό έχει ως άμεσο αποτέλεσμα τη σημαντική προαγωγή της κατανόησης και μοντελοποίησης του φαινομένου της καύσης. ιαγράμματα περιοχών προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης με βάση λόγους κλιμάκων ταχύτητας και μήκους έχουν προταθεί από διάφορους ερευνητές [15-18], με το ευρύτερα διαδεδομένο διάγραμμα να είναι αυτό του Borghi [15], όπως επεκτάθηκε αργότερα από τον Peters [13-14]. Για την κατασκευή αυτού του διαγράμματος, τρεις αδιάστατοι αριθμοί χρησιμοποιούνται: ο τυρβώδης αριθμός Reynolds, οριζόμενος ως Re t ul ' γραφεί και ως Re t ul ' Sδ Schmidt ισούται με τη μονάδα, δηλαδή D S δ ν, ο οποίος μπορεί να, χρησιμοποιώντας την παραδοχή ότι ο αριθμός Sc ν ν 1, όπου έχει ήδη γίνει χρήση του γενικού ορισμού του πάχους της στρωτής φλόγας, δ D S ο αριθμός Damköhler, οριζόμενος ως ο λόγος ενός χρόνου τυρβώδους ανάμειξης τ m Lu' (χρόνος περιστροφής μίας μεγάλης δίνης της τύρβης) προς ένα χρόνο φλόγας τ δ S f, δίνοντας Da τm τf SL u' δ και ο αριθμός Karlovitz, οριζόμενος ως τ τ f m Ka, όπου τ K m 12 K ν є η Kolmogorov κλίμακα χρόνου και є ο ρυθμός καταστροφής της τυρβώδους κινητικής ενέργειας. Χρησιμοποιώντας, ακόμα, τον ορισμό της Kolmogorov κλίμακας μήκους και ταχύτητας, l 14 3 K ν є και K K K u l τ 14 νє, αντίστοιχα, καθώς και την υπόθεση ισορροπίας για την τύρβη (equilibrium hypothesis for turbulence) [19], σύμφωνα με την οποία η μεταφορά ενέργειας από τις μεγάλες δίνες της τύρβης κλίμακας L ισούται με την καταστροφή της ενέργειας στην Kolmogorov κλίμακα μήκους, l K, και με βάση την οποία 3 προκύπτει є u' L, ο αριθμός Karlovitz μπορεί ισοδύναμα να γραφεί ως Ka u' S L δ δ l K. Σχετικά με την επιλογή του κατάλληλου πάχους μίας προαναμειγμένης φλόγας, για το χαρακτηρισμό της περιοχής στην οποία η έκλυση θερμότητας λαμβάνει χώρα, ένας δεύτερος αριθμός Karlovitz μπορεί να θεωρηθεί [13-14], οριζόμενος ως Ka 2 2 l l δ Ka, όπου l δ το πάχος της ζώνης αντίδρασης της φλόγας, η οποία δ δ K ονομάζεται και εσωτερικό στρώμα (inner layer), και δ l δ. Στην τυπική περίπτωση ατμοσφαιρικής πίεσης, έχει βρεθεί ότι δ 0.1, δίνοντας Kaδ γύρω στις 30 atm, έχει επίσης βρεθεί ότι δ 0.03 [14]. δ 0.01 Ka, ενώ για πιέσεις 191

208 4.4 Μοντέλο Καύσης Ο τυρβώδης αριθμός Reynolds περιγράφει το συναγωνισμό μεταξύ των αποσταθεροποιητικών επιδράσεων των αδρανειακών δυνάμεων και των σταθεροποιητικών επιδράσεων των δυνάμεων συνεκτικότητας. Ροές υψηλών τυρβωδών αριθμών Reynolds, στις οποίες λαμβάνουν χώρα χημικές αντιδράσεις, χαρακτηρίζονται από φλόγες με έντονη διακύμανση. Ο αριθμός Damköhler συσχετίζει το χρόνο που απαιτείται για τυρβώδη ανάμειξη με το χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση των χημικών αντιδράσεων. Υψηλοί αριθμοί Damköhler αντιστοιχούν σε φλόγες όπου οι χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα ταχέως και, συνεπώς, η καύση ελέγχεται από διεργασίες ανάμειξης. Οι φλόγες αυτές σχηματίζουν ευδιάκριτα μέτωπα. Αντίθετα, φλόγες χαμηλών αριθμών Damköhler χαρακτηρίζονται από έντονη ανάμειξη, ελέγχονται από τη χημική κινητική των αντιδράσεων και είναι γνωστές ως πλήρως αναδευμένοι αντιδραστήρες (well-stirred reactors). Τέλος, ο αριθμός Karlovitz συγκρίνει το πάχος της περιοχής όπου εξελίσσονται οι χημικές αντιδράσεις, χαρακτηριζόμενο από το πάχος της στρωτής φλόγας, με τη μικρότερη κλίμακα μήκους της τύρβης, χαρακτηριζόμενη από την Kolmogorov κλίμακα μήκους. Ο αριθμός αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως ένα μέτρο της τάσης της φλόγας. Από τους ορισμούς των τριών προαναφερθέντων αδιάστατων αριθμών, προκύπτει ότι οι λόγοι u' S και L δ αριθμών ως εξής: μπορούν να συσχετισθούν μεταξύ τους συναρτήσει αυτών των u' S L Ret δ 1 (4.4.1) u' S Da 1 L δ (4.4.2) u' S 23 L Ka δ 13 (4.4.3) Με τον τρόπο αυτό, κατασκευάζεται το λεγόμενο Borghi-Peters διάγραμμα, το οποίο απεικονίζεται στο Σχήμα 4.1 και το οποίο κατηγοριοποιεί την προαναμειγμένη τυρβώδη καύση σε διάφορες περιοχές. Η μετάφραση των ονομασιών των διαφόρων περιοχών στα Ελληνικά έχει αποφευχθεί, λόγω του ότι η τυχόν επιλογή μη-καθιερωμένων τεχνικών όρων θα μπορούσε να οδηγήσει σε παρερμηνείες. Από εδώ και στο εξής, οι σχετικοί Αγγλικοί όροι, οι οποίοι είναι πλήρως αποδεκτοί στη διεθνή βιβλιογραφία, θα χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία σε εισαγωγικά για το χαρακτηρισμό των περιοχών αυτών. 192

209 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης 100 Σχήμα 4.1. Λόγος έντασης τύρβης προς στρωτή ταχύτητα καύσης broken reaction zones well-stirred reactor laminar flames Ka δ =1 or Ka=100 (l k =l δ ) Da=1 Ret=1 Ka=1 (l k =δ l) Da=10 thin reaction zones corrugated flamelets u'=s l wrinkled flamelets Ret =100 Ret = Λόγος κλίμακας μήκους μεγάλων δινών της τύρβης προς πάχος στρωτής φλόγας Borghi-Peters διάγραμμα περιοχών προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης. Ο άξονας των τετμημένων του Σχήματος 4.1 χαρακτηρίζει το μέγεθος της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης ως προς το πάχος της στρωτής φλόγας, ενώ ο άξονας των τεταγμένων χαρακτηρίζει το μέγεθος της έντασης των διακυμάνσεων του πεδίου ταχυτήτων ως προς τη στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος. Στον Πίνακα 4.5, συνοψίζονται οι διάφορες περιοχές προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης Re > 1, όπως προκύπτουν με βάση το σχήμα αυτό, καθώς και τα χαρακτηριστικά τους. Οι εικόνες που παρέχονται στην τελευταία στήλη του πίνακα παρουσιάζουν τη χαρακτηριστική μορφολογία των διαφόρων φλογών. Με άσπρο χρώμα αναπαρίστανται τα προϊόντα της καύσης, ενώ με γκρίζο τα αντιδρώντα. Η μαύρη παχιά γραμμή, η οποία χωρίζει τα προϊόντα από τα αντιδρώντα, απεικονίζει τη φλόγα, η οποία διαδίδεται από τα δεξιά προς τα αριστερά. Στην wrinkled flamelets περιοχή, εξαιτίας του ότι η ένταση της τύρβης είναι μικρότερη από τη στρωτή ταχύτητα καύσης, ο μηχανισμός της στρωτής διάδοσης επικρατεί του μηχανισμού αυλάκωσης (corrugation) του μετώπου της φλόγας, το οποίο είναι ικανό να κατευνάσει τις διακυμάνσεις της τύρβης. Το μέτωπο της φλόγας απλά εμφανίζει πτυχώσεις, ενώ το πάχος της δε μεταβάλλεται, αφού οι μικρότερες δίνες της τύρβης, της Kolmogorov κλίμακας μήκους, δε μπορούν να εισχωρήσουν στη δομή της φλόγας, εφόσον είναι μεγαλύτερες από το πάχος της Ka < 1. Επίσης, η ζώνη αντίδρασης της φλόγας, και συνεπώς η χημική κινητική των αντιδράσεων, δεν αντιλαμβάνεται την παρουσία του τυρβώδους πεδίου ροής. t 193

210 4.4 Μοντέλο Καύσης Πίνακας 4.5. Περιοχές προαναμειγμένης τυρβώδους καύσης και τα χαρακτηριστικά τους Περιοχή καύσης Re t Da Ka Ka δ u' S απεικόνιση Γραφική φλόγας wrinkled flamelets >1 >1 <1 <1 <1 corrugated flamelets >1 >1 <1 <1 >1 thin reaction zones >1 >1 >1 <1 >1 well-stirred reactor >1 <1 >1 <1 >1 broken reaction zones >1 <1 >1 >1 >1 Στην corrugated flamelets περιοχή, τώρα, λόγω του ότι η ένταση της τύρβης είναι μεγαλύτερη από τη στρωτή ταχύτητα καύσης, ο μηχανισμός πτυχώσεων και αυλακώσεων είναι εντονότερος. Επιπρόσθετα, εξαιτίας της ισχυρής αναδίπλωσης (folding) του μετώπου της φλόγας, θύλακες (pockets) άκαυστου μείγματος μπορούν να αποκολληθούν από το συνεχές μέτωπο της φλόγας και να εμφανισθούν στην περιοχή των προϊόντων της καύσης, όπως και θύλακες καμένου μείγματος στην περιοχή των αντιδρώντων. Ωστόσο, εξαιτίας του ότι ισχύει πάλι Ka < 1, η δομή της φλόγας δεν επηρεάζεται από τις τυρβώδεις διακυμάνσεις και παραμένει ημι-μόνιμη (quasi-steady). Η προηγούμενη περιοχή εκτείνεται μέχρι τη γραμμή όπου Ka 1, η οποία είναι γνωστή ως Klimov-Williams κριτήριο (Klimov-Williams criterion) [20]. Αυτή η γραμμή οριοθετεί τις δύο προαναφερθείσες flamelets περιοχές, στις οποίες η χημική κινητική των αντιδράσεων μπορεί να περιγραφεί από τις ιδιότητες της στρωτής φλόγας S, δ. Με βάση αυτή την παρατήρηση, η προαναμειγμένη τυρβώδης καύση σε αυτές τις περιοχές μπορεί να μοντελοποιηθεί με αρχές καύσης στρωτών flamelets [16], θεωρώντας ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ φλόγας και τύρβης είναι αποκλειστικά κινηματικής φύσης. 194

211 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης Για αριθμούς Karlovitz μεγαλύτερους της μονάδας, η φλόγα πλέον εισέρχεται στην thin reaction zones περιοχή. Σε αυτή την περιοχή, οι μικρότερες δίνες της τύρβης μπορούν να εισχωρήσουν μέσα στη ζώνη προθέρμανσης της φλόγας, αλλά όχι και στη ζώνη αντίδρασης, αφού είναι μεγαλύτερες από το πάχος της τελευταίας Ka < 1. Με τον τρόπο αυτό, επιταχύνονται οι μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας και μάζας στη ζώνη προθέρμανσης λόγω τυρβώδους μεταφοράς, η φλόγα εμφανίζεται να έχει μεγαλύτερο πάχος (thickened flames), ενώ η δομή της ζώνης αντίδρασης παραμένει ανεπηρέαστη από την τυρβώδη κίνηση, έχοντας τη δυνατότητα, απλά, να παρουσιάσει πτυχές. Η επόμενη περιοχή του διαγράμματος Borghi-Peters είναι η well-stirred reactor περιοχή, για την οποία, όπως προαναφέρθηκε, η Ελληνική ορολογία είναι πλήρως αναδευμένος αντιδραστήρας. Στην περιοχή αυτή, ο αριθμός Damköhler είναι μικρότερος της μονάδας, δηλαδή η κλίμακα χρόνου της τυρβώδους ανάμειξης είναι μικρότερη από την κλίμακα χρόνου των χημικών αντιδράσεων. Έτσι, η διεργασία της καύσης ελέγχεται από τη χημική κινητική. Το κύριο χαρακτηριστικό της περιοχής αυτής είναι ότι η έντονη τυρβώδης ανάμειξη προκαλεί τέλεια ανάδευση μεταξύ των αντιδρώντων και των προϊόντων της καύσης, με αποτέλεσμα να μη μπορεί να διακριθεί μέτωπο φλόγας. Με άλλα λόγια, δεν υφίσταται η έννοια της λεπτής ζώνης αντίδρασης, όπου οι χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα. Τέλος, στην broken reaction zones περιοχή, όπου δ Ka δ >1, οι μικρότερες δίνες της τύρβης εισχωρούν μέσα στη ζώνη αντίδρασης, αφού είναι μικρότερες από το πάχος αυτής. Εξαιτίας των υψηλών ρυθμών απώλειας θερμότητας, λόγω τυρβώδους μεταφοράς, από τη ζώνη αντίδρασης προς τη ζώνη προθέρμανσης, καθώς και απώλειας ελευθέρων ριζών, η θερμοκρασία της ζώνης αντίδρασης μειώνεται ραγδαία. Το μείγμα καυσίμου-οξειδωτικού αναμειγνύεται σε περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας, όπου παρατηρείται σβέση της φλόγας, και, συνεπώς, η καύση σταματά. Γενικά, στην περιοχή αυτή, μία προαναμειγμένη φλόγα είναι αδύνατον να υφίσταται. Για το λόγο αυτό, άλλωστε, δεν παρέχεται γραφική απεικόνιση της φλόγας για την περιοχή αυτή στην τελευταία στήλη του Πίνακα Αναλυτική Περιγραφή της Φυσικής της ιεργασίας της Καύσης Κινητήρων Otto Προαναμειγμένης Γόμωσης Στην υποπαράγραφο αυτή δίνεται μία αναλυτική περιγραφή της φυσικής της διεργασίας της καύσης σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης, όπως παρουσιάζεται πολύ κατατοπιστικά στη σχετική εργασία του Heywood [21]. Αν και μία σύντομη περιγραφή του μηχανισμού της καύσης έχει ήδη δοθεί στην Υποπαράγραφο 1.2.1, κρίνεται σκόπιμο σε 195

212 4.4 Μοντέλο Καύσης αυτό το σημείο να παρουσιασθεί με αρκετά αναλυτικότερο τρόπο η φυσική της διεργασίας της καύσης στο τυρβώδες πεδίο ροής του κυλίνδρου των κινητήρων Otto, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης, του οποίου η περιγραφή θα ακολουθήσει. Σημειώνεται ότι οι ορισμοί των διαφόρων σταδίων της καύσης, όπως θα δοθούν παρακάτω ποιοτικά με βάση την ίδια τη φυσική της διεργασίας της καύσης, δεν ταυτίζονται κατ ανάγκη με τους ορισμούς των γωνιών της καύσης της Υποπαραγράφου (βλέπε και Σχήμα 2.1), όπου οι διάφορες γωνίες της καύσης ορίσθηκαν χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες τιμές του κλάσματος καμένης μάζας. Η φάση της καύσης αρχίζει με το στάδιο της έναυσης (ανάφλεξης του καυσίμου μείγματος) ή, αλλιώς, στάδιο σχηματισμού του πυρήνα της φλόγας. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, η ηλεκτρική εκκένωση του σπινθηριστή δημιουργεί ένα υψηλής θερμοκρασίας (έως και K) και τάξης μεγέθους 1 mm διασταλλόμενο κανάλι πλάσματος ανάμεσα στα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή. Αυτή η πολύ υψηλή θερμοκρασία έχει ως αποτέλεσμα τη ραγδαία μεταφορά θερμότητας (με αγωγή) προς το γειτονικό άκαυστο αέριο και τα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή. Η χημική ενέργεια του άκαυστου μείγματος αρχίζει να απελευθερώνεται και ένας πυρήνας φλόγας σχηματίζεται. Κατόπιν, έπεται το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, στη διάρκεια του οποίου ο πυρήνας της φλόγας, ο οποίος αρχικά παρουσιάζει δομή στρωτής φλόγας, μεταβάλλεται σταδιακά σε μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη φλόγα. Στο σημείο αυτό, σημειώνεται ότι ο όρος πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδης φλόγα, όπως χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία, αντιστοιχεί σε μία τυρβώδη φλόγα της οποίας το μέγεθος και ο χρόνος ζωής είναι επαρκώς μεγάλα, έτσι ώστε οι κλίμακες μήκους και χρόνου της τύρβης να μπορούν να επιδράσουν σε αυτή στο μέγιστο δυνατό βαθμό [22]. Ο ορισμός αυτός διαφέρει από αυτόν που χρησιμοποιείται συνήθως στη διεθνή βιβλιογραφία, όπως π.χ. στην εργασία των Dahms et al. [23], όπου μία πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδης φλόγα υφίσταται μόνο όταν το πάχος της και η ταχύτητα διάδοσής της παραμένουν σταθερά στο χρόνο. Καθώς ο αρχικός πυρήνας της φλόγας μετατρέπεται σε μία τυρβώδη φλόγα, η τοπική τυρβώδης ροή διαστρέφει αυξανόμενα το μέτωπο της λεπτής, στρωτής φλόγας, με τη βοήθεια δινών μικρότερης κλίμακας μήκους από την ακτίνα της φλόγας, αυξάνοντας έτσι την επιφάνειά της. Όμως, αυτή η αύξηση του εμβαδού του μετώπου της φλόγας δεν είναι ακόμα αρκετά μεγάλη. Έτσι, η επιφάνεια της φλόγας είναι ακόμα αρκετά ομαλή. Επίσης, επιδράσεις καμπυλότητας της φλόγας επηρεάζουν σημαντικά την ανάπτυξή της, μέσω τάσης φλόγας, όπως θα εξηγηθεί σε επόμενη υποπαράγραφο, όταν η ακτίνα της φλόγας είναι ακόμα μικρή. Οι μεγαλύτερες δίνες της τύρβης, καθώς και το τοπικό μέσο πεδίο ροής, μπορούν μόνο να διαστρέψουν το συνολικό σχήμα της φλόγας, μετατρέποντάς το π.χ. από σφαιρικό σε ελλειπτικό [24], ή να μεταφέρουν το κέντρο της φλόγας μακριά από τη θέση του 196

213 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης σπινθηριστή [24-27]. Καθώς η ακτίνα της φλόγας αυξάνεται, στο μέτωπο της φλόγας δημιουργούνται συνεχώς πτυχές και αυλακώσεις από όλο και περισσότερες κλίμακες μήκους της τύρβης. Στο τέλος του σταδίου αυτού, περαιτέρω μεταφορά του κέντρου της φλόγας δε μπορεί να συμβεί, εξαιτίας του ότι η αδράνεια της μάζας του αερίου που βρίσκεται πίσω από το μέτωπο της φλόγας είναι πολύ μεγάλη για να μετακινηθεί η μάζα αυτή από το τοπικό μέσο πεδίο ροής. Ένα τελευταίο χαρακτηριστικό του σταδίου της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας είναι ότι το ποσό ενέργειας που εκλύεται από την καύση είναι, σε σύγκριση με το συνολικό, πολύ μικρό. Έτσι, η αύξηση της πίεσης του κυλίνδρου λόγω καύσης δε μπορεί να γίνει αντιληπτή στο σχετικό πειραματικά μετρημένο διάγραμμα [2]. Στη συνέχεια, ακολουθεί το στάδιο της διάδοσης της φλόγας, κατά το οποίο η πλήρως ανεπτυγμένη, πλέον, τυρβώδης φλόγα διατρέχει ολόκληρο το θάλαμο καύσης. Στο στάδιο αυτό, πραγματοποιείται η καύση του μεγαλύτερου ποσοστού της γόμωσης του κυλίνδρου. Για τη μακροσκοπικά τυρβώδη φλόγα του σταδίου αυτού, η τυρβώδης μεταφορά αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό μεταφοράς. Εξετάζοντας, όμως, τη μακροσκοπικά τυρβώδη φλόγα σε τοπικό επίπεδο, παρατηρείται ότι η δομή της παραμένει στρωτή και το πάχος της λεπτό. Η φλόγα, σε αυτό το στάδιο της καύσης, εμφανίζει πολύ υψηλούς αριθμούς Reynolds και Damköhler, ενώ συνήθως οι μικρότερες δίνες της τύρβης είναι μεγαλύτερες από το πάχος της στρωτής φλόγας Ka < 1. Αυτά τα χαρακτηριστικά κατατάσσουν τη φλόγα στις περιοχές των δύο flamelets του Σχήματος 4.1 [28], με τη μεγαλύτερη πιθανότητα η φλόγα να βρεθεί στην corrugated flamelets περιοχή u' S >1. Έτσι, η δομή της φλόγας παραμένει ανεπηρέαστη από τις τυρβώδεις κινήσεις. Αποτέλεσμα, όμως, των τελευταίων είναι η δημιουργία πολύ έντονων πτυχών και αυλακώσεων του μετώπου της φλόγας, με συνέπεια την πολύ μεγάλη αύξηση του εμβαδού του και, άρα, του ρυθμού καύσης. Επιπρόσθετα, εξαιτίας της έντονης τύρβης, ενδέχεται να εμφανισθούν θύλακες άκαυστου αερίου πίσω από το μέτωπο της φλόγας, καθώς και θύλακες καμένου αερίου μπροστά από αυτό. Σε αυτό το στάδιο, αυξάνεται κατά πολύ το πάχος της τυρβώδους φλόγας, μέσα στο οποίο, αυξάνοντας την ένταση της τύρβης, παρατηρείται συνεχώς αυξανόμενη ποσότητα μετώπου στρωτής φλόγας. Ταυτόχρονα, το φαινόμενο της τάσης της φλόγας κατέχει σημαντική θέση στην εξέλιξη της καύσης, αυξάνοντας ή μειώνοντας το ρυθμό της καύσης, ανάλογα και με τον αριθμό Lewis του άκαυστου αερίου. ιάδοση τυρβώδους φλόγας εντός του κυλίνδρου παρατηρείται μέχρι τη χρονική στιγμή κατά την οποία αυτή έρχεται σε επαφή με τα τοιχώματα του κυλίνδρου, οπότε και εκκινεί η σβέση της. Η φάση της καύσης ολοκληρώνεται με το τελικό στάδιο του τερματισμού της φλόγας. Κατά τη διάρκεια του σταδίου αυτού, το εναπομείναν ποσοστό της 197

214 4.4 Μοντέλο Καύσης γόμωσης του κυλίνδρου, το οποίο έχει ήδη περιέλθει εντός της τυρβώδους φλόγας από το προηγούμενο στάδιο της καύσης αλλά δεν έχει προλάβει να καεί, πλέον καίγεται με ένα μηχανισμό που ελέγχεται από τη σύσταση και τη θερμοδυναμική κατάσταση του τοπικού άκαυστου αερίου και τις τοπικές κλίμακες της τύρβης. Ένα βασικό συμπέρασμα που προκύπτει από την προηγούμενη περιγραφή των κυριοτέρων χαρακτηριστικών των διαφόρων σταδίων της καύσης σε κινητήρες Otto προαναμειγμένης γόμωσης είναι ότι η τυρβώδης φλόγα, η οποία διαδίδεται εντός του θαλάμου καύσης, καταναλώνοντας με τον τρόπο αυτό το μεγαλύτερο ποσοστό της γόμωσης του κυλίνδρου, ανήκει στην περιοχή των flamelets του Σχήματος 4.1. Πρόκειται, δηλαδή, για μία τοπικά στρωτή φλόγα στη δομή και τη διάδοσή της, της οποίας, όμως, το μέτωπο παρουσιάζει έντονες πτυχώσεις και αυλακώσεις. Οι διάφορες παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη δομή και την ταχύτητα διάδοσης αυτής της τυρβώδους φλόγας συνοψίζονται στο Σχήμα 4.2, το οποίο παρέχει μία διδιάστατη σχηματική απεικόνισή της σύμφωνα με τους Wirth et al. [29]. Σχήμα 4.2. ιδιάστατη σχηματική απεικόνιση της δομής της τυρβώδους φλόγας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης. Το περίγραμμα της τυρβώδους φλόγας (turbulent flame contour) απεικονίζεται ως μία λεπτού πάχους περιοχή αντίδρασης, της οποίας η επιφάνεια παρουσιάζει έντονες πτυχές και αυλακώσεις σε διάφορες κλίμακες μήκους. ιακρίνεται επίσης το περίγραμμα μίας (φανταστικής) μέσης φλόγας (mean flame contour), καθώς και τα περιγράμματα του μέσου μετώπου και του μέσου οπίσθιου μέρους της τυρβώδους φλόγας. Η απόσταση 198

215 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης μεταξύ των δύο τελευταίων περιγραμμάτων αποτελεί το πάχος της τυρβώδους φλόγας. Η τυρβώδης ταχύτητα καύσης, S T, αποτελεί την ταχύτητα με την οποία η τυρβώδης φλόγα διαδίδεται προς το άκαυστο μείγμα. Σε τοπικό επίπεδο, κάθε στοιχείο της φλόγας ή, εναλλακτικά, της λεπτού πάχους περιοχής αντίδρασης αποτελεί στοιχείο στρωτής φλόγας και διαδίδεται προς το άκαυστο μείγμα με την τοπική στρωτή ταχύτητα καύσης. Αυτή εξαρτάται από τη σύσταση του άκαυστου μείγματος (είδος καυσίμου, λόγο ισοδυναμίας καυσίμου και ποσοστό κατάλοιπου ή επανακυκλοφορούντος καυσαερίου), τη θερμοκρασία του άκαυστου μείγματος, την πίεση του κυλίνδρου και τις επιδράσεις τάσης φλόγας λόγω καμπυλότητας και αεροδυναμικής (τυρβώδους) τάσης. Επιπρόσθετα, ο ρόλος των διαφόρων κλιμάκων μήκους της τύρβης είναι δυνατό να αναδειχθεί, αναλύοντας την επίδρασή τους στην τυρβώδη φλόγα του Σχήματος 4.2. Για να υφίσταται, λοιπόν, μία λεπτού πάχους περιοχή αντίδρασης, με έντονες πτυχώσεις και αυλακώσεις της επιφάνειάς της, η Kolmogorov κλίμακα μήκους, που αντιστοιχεί στις δίνες της τύρβης όπου η μοριακή συνεκτικότητα καθίσταται σημαντική, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το πάχος της στρωτής φλόγας, έτσι ώστε η δομή της στρωτής φλόγας να διατηρείται αμετάβλητη. Επίσης, έως ότου η ακτίνα της φλόγας γίνει ίση σε τάξη μεγέθους με την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, που αντιστοιχούν στις δίνες που περιέχουν ουσιαστικά την ενέργεια μίας τυρβώδους ροής, η επίδραση της τύρβης στη φλόγα παραμένει περιορισμένη. Όταν, όμως, η ακτίνα της φλόγας γίνει ίση ή και μεγαλύτερη σε μέγεθος από την κλίμακα μήκους των μεγάλων δινών της τύρβης, η μεγαλύτερη και η μικρότερη κλίμακα μήκους της τύρβης που προκαλούν πτυχώσεις και αυλακώσεις στην επιφάνεια της φλόγας είναι, αντίστοιχα, η κλίμακα των μεγάλων δινών της τύρβης και η Kolmogorov κλίμακα ή η Gibson * κλίμακα. Ενδεικτικές τιμές των διαφόρων παραμέτρων, ταχυτήτων και κλιμάκων μήκους τύρβης της τυρβώδους φλόγας του Σχήματος 4.2, για τυπικές συνθήκες λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης, δίνονται στον Πίνακα 4.6 [21]. Σημειώνεται ότι η ένταση της τύρβης και η τυρβώδης ταχύτητα καύσης αυξάνονται με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, ενώ, αντίθετα, οι κλίμακες μήκους της τύρβης μειώνονται. * Η Gibson κλίμακα της τύρβης, l S 3 G є, προκύπτει μέσω διαστατικής ανάλυσης και αντιστοιχεί στη μικρότερη δίνη που είναι ικανή να προκαλέσει σημαντική αυλάκωση της επιφάνειας της φλόγας. Για να συμβεί αυτό, θα πρέπει η ταχύτητα περιστροφής της δίνης να είναι τουλάχιστον ίση με τη στρωτή ταχύτητα καύσης [13-14, 16]. 199

216 4.4 Μοντέλο Καύσης Πίνακας 4.6. Ενδεικτικές τιμές μεγεθών για το χαρακτηρισμό της τυρβώδους φλόγας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης (ταχύτητα περιστροφής 1500 rpm, στοιχειομετρικό μείγμα) Μέγεθος Τιμή Ένταση τύρβης, u ' 2 m/s Τυρβώδης αριθμός Reynolds, Re t 300 Αριθμός Damköhler, Da 20 Αριθμός Karlovitz, Ka 0.2 Κλίμακα μήκους μεγάλων δινών της τύρβης, L Taylor μικροκλίμακα, λ Kolmogorov κλίμακα μήκους, l K Gibson κλίμακα, l G Πάχος στρωτής φλόγας, δ Στρωτή ταχύτητα καύσης, S 2 mm 0.7 mm 0.03 mm 0.2 mm 0.02 mm 0.5 m/s Λόγος έντασης τύρβης προς στρωτή ταχύτητα καύσης, u' S 4 Λόγος τυρβώδους ταχύτητας καύσης προς στρωτή ταχύτητα καύσης, S S T 4 Ακτίνα καμπυλότητας μέσης φλόγας 2 mm ιαστατικό Μοντέλο Καύσης Για την περιγραφή της χρονικής εξέλιξης του κλάσματος καμένης μάζας κατά τη διάρκεια της καύσης χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία η κλασική συνάρτηση Wiebe [1-2, 4, 30-33], καθώς, όπως αναφέρθηκε ήδη στην Υποπαράγραφο , η συνάρτηση αυτή προσφέρει διευρυμένες δυνατότητες προσαρμογής σε πειραματικά δεδομένα σε σχέση με τα υπόλοιπα 0-διαστατικά μοντέλα καύσης λόγω των επιπρόσθετων σταθερών βαθμονόμησης που περιέχει (παράμετρος απόδοσης, a, και παράγοντας μορφής, m ). H πιο γενική μορφή της συνάρτησης αυτής διατυπώνεται ως εξής [34]: x m * fb bf mfb EOC θ θsoc 1expa θb 1exp a m1 (4.4.4) 200

217 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης όπου x * bf ο βαθμός καύσης του καυσίμου στη γωνία στροφάλου θ, με όρια την τιμή 0 στην αρχή της καύσης και την τιμή 1.0 στο τέλος της, m fb η μάζα του καυσίμου που έχει καεί στη γωνία στροφάλου θ, mfb EOC η μάζα του καυσίμου που έχει καεί στο τέλος της καύσης και θb θeoc θsoc η διάρκεια της καύσης. Το κλάσμα καμένης μάζας του καυσίμου ή, ισοδύναμα, της γόμωσης του κυλίνδρου προκύπτει συναρτήσει του βαθμού καύσης του καυσίμου ως εξής [33]: x b m m m m m b fb fb fbeoc * fbeoc xbf (4.4.5) m m m m m f fb f f EOC όπου m b η καμένη μάζα της γόμωσης του κυλίνδρου στη γωνία στροφάλου θ, m η μάζα της γόμωσης που υπάρχει στον κύλινδρο τη στιγμή του κλεισίματος της βαλβίδας εισαγωγής και m f η μάζα του καυσίμου που υπάρχει στον κύλινδρο τη στιγμή του κλεισίματος της βαλβίδας εισαγωγής. Ορίζοντας, τώρα, το βαθμό απόδοσης της καύσης ως: η c mfb EOC (4.4.6) m f η Εξίσωση (4.4.5) γίνεται, μέσω των Εξισώσεων (4.4.4) και (4.4.6): x b θ θsoc 1expa θb 1exp a m1 η c (4.4.7) Συσχετίζοντας, τώρα, την παράμετρο απόδοσης της συνάρτησης Wiebe με το βαθμό απόδοσης της καύσης μέσω της ακόλουθης σχέσης [33]: 1 a ln 1 η c (4.4.8) προκύπτει από την Εξίσωση (4.4.7) η γνωστή έκφραση για την περιγραφή του κλάσματος καμένης μάζας [1-2, 4, 30-33]: x b θ θsoc 1expa θb m1 (4.4.9) Σημειώνεται ότι, στη διεθνή βιβλιογραφία, έχει επικρατήσει να αναφέρεται ως συνάρτηση Wiebe η προηγούμενη σχέση για το κλάσμα καμένης μάζας και όχι η Εξίσωση (4.4.4) που αναφέρεται στο βαθμό καύσης του καυσίμου. Παραγωγίζοντας, τώρα, την προηγούμενη 201

218 4.4 Μοντέλο Καύσης εξίσωση ως προς τη γωνία στροφάλου, προκύπτει ο ρυθμός μεταβολής του κλάσματος καμένης μάζας: dxb am1 θ θsoc 1 xb dθ θb θb m (4.4.10) που αποτελεί ισοδύναμη έκφραση με το ρυθμό έκλυσης θερμότητας. Βασικό χαρακτηριστικό της Εξίσωσης (4.4.9) αποτελεί η τιμή που υπολογίζεται για το κλάσμα καμένης μάζας στο τέλος της καύσης: x EOC b 1exp a, η οποία, μέσω της Εξίσωσης (4.4.8), γράφεται συντομότερα ως εξής: x b EOC η. Προκύπτει, δηλαδή, ότι η c παράμετρος απόδοσης της συνάρτησης Wiebe, η οποία προσδιορίζει το βαθμό απόδοσης της καύσης, καθορίζει στην ουσία το ποσοστό της μάζας της γόμωσης του κυλίνδρου που παραμένει άκαυστο στο τέλος της καύσης. Σε ότι αφορά τον παράγοντα μορφής της συνάρτησης Wiebe, αυτός καθορίζει το σχήμα της καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας κατά τη διάρκεια της καύσης. Συνήθεις τιμές των δύο αυτών σταθερών βαθμονόμησης είναι a 5 και m 2 [2, 30, 32]. Χρησιμοποιώντας τις τιμές αυτές, έχει βρεθεί ότι τα προσομοιωμένα κλάσματα καμένης μάζας της Εξίσωσης (4.4.9) προσαρμόζονται με αρκετή ακρίβεια σε αντίστοιχα πειραματικά, με αποτέλεσμα να προκύπτει επίσης καλή σύγκλιση και μεταξύ θεωρητικά υπολογισμένων και πειραματικά μετρημένων διαγραμμάτων πίεσης κυλίνδρου. Αυτές οι δύο σταθερές βαθμονόμησης εξαρτώνται από τον κινητήρα και το χρησιμοποιούμενο καύσιμο και είναι ανεξάρτητες από τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα [35-36]. Από τη στιγμή που οι τιμές τους προσδιορισθούν σε ένα σημείο λειτουργίας, διατηρούνται σταθερές για την περιγραφή της καύσης και άλλων σημείων λειτουργίας του ίδιου κινητήρα με το ίδιο καύσιμο. Στην παρούσα εργασία, η φυσική σημασία της παραμέτρου απόδοσης της συνάρτησης Wiebe ως συντελεστή που καθορίζει το βαθμό απόδοσης της καύσης δε λαμβάνεται πλέον υπόψη, αφού η τιμή της προκύπτει από τη διαδικασία σύγκλισης της προσομοιωμένης καμπύλης του κλάσματος καμένης μάζας στην αντίστοιχη πειραματική. Οι άλλες δύο σταθερές βαθμονόμησης που περιέχονται στη συνάρτηση Wiebe, δηλαδή η γωνία στροφάλου στην αρχή της καύσης, θ SOC, που είναι γενικά διαφορετική από τη γωνία της έναυσης, και η διάρκεια της καύσης, θ b, επιλέγονται συνήθως έτσι ώστε η υπολογισμένη μέγιστη πίεση κυλίνδρου και η γωνία στροφάλου στην οποία αυτή συμβαίνει να ταιριάζουν με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές [30]. Στο Σχήμα 4.3, παρουσιάζεται μία σχηματική απεικόνιση του περιεχομένου του κυλίνδρου του κινητήρα Otto κατά τη διάρκεια της καύσης, όπως αυτό θεωρείται στην παρούσα εργασία με βάση το 0-διαστατικό μοντέλο καύσης. Καταρχήν, όπως έχει ήδη 202

219 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης εξηγηθεί, σε ένα τέτοιου είδους μοντέλο καύσης δεν υφίσταται η έννοια της φλόγας. Επίσης, σε ό,τι έχει σχέση με τη γεωμετρική διαμόρφωση των διαφόρων ζωνών εντός του κυλίνδρου, η εικόνα που δίνει το Σχήμα 4.3 είναι μόνο ποιοτικής φύσης και χρησιμοποιείται απλά για να γίνει η διάκριση μεταξύ των διαφόρων καμένων ζωνών του πολυζωνικού μοντέλου. Με άλλα λόγια, το αντίστοιχο μοντέλο προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας δεν κάνει τη θεώρηση κάποιας συγκεκριμένης (π.χ. σφαιρικής) γεωμετρικής κατανομής για τις καμένες ζώνες. V b,1 V b,2 Vu V b,4 V b,3 V b,4 V u Σχήμα 4.3. Σχηματική απεικόνιση του περιεχομένου του κυλίνδρου του κινητήρα Otto κατά τη διάρκεια της καύσης με βάση το 0-διαστατικό μοντέλο καύσης Οιονεί- ιαστατικό Μοντέλο Καύσης Το Σχήμα 4.4 παρουσιάζει μία σχηματική απεικόνιση του περιεχομένου του κυλίνδρου του κινητήρα Otto κατά τη διάρκεια της καύσης, όπως αυτό θεωρείται στην παρούσα εργασία με βάση το χρησιμοποιούμενο οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης, το οποίο ανήκει στην κατηγορία των μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης (βλέπε Υποπαράγραφο ). Στην επεξήγηση των διαφόρων χαρακτηριστικών του μοντέλου αυτού που θα ακολουθήσει, είναι χρήσιμο να γίνει ταυτόχρονα και αντιδιαστολή με τις αντίστοιχες έννοιες της πραγματικής τυρβώδους φλόγας του Σχήματος 4.2. Καταρχήν, στη θέση του πάχους της τυρβώδους φλόγας του Σχήματος 4.2, το οποίο προσδιορίζει μία περιοχή όπου συνυπάρχουν ταυτόχρονα άκαυστο, καιγόμενο και καμένο αέριο, το μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης θεωρεί τη λεγόμενη παχιά τυρβώδη φλόγα (thick turbulent flame). Αυτή περικλείεται μεταξύ των δύο λεπτών και ακανόνιστων γραμμών του Σχήματος 4.4 και έχει την προηγούμενη ιδιότητα του πάχους της τυρβώδους φλόγας ως προς τη σύσταση των αερίων που περιέχει. Μπροστά από την εξωτερική γραμμή υπάρχει μόνο άκαυστο αέριο, ενώ πίσω από την εσωτερική μόνο καμένο. Θεωρείται, επίσης, μία φανταστική φλόγα που ονομάζεται μέση εξωτερική φλόγα (mean outer flame) [21]. Το μέτωπο της φλόγας αυτής είναι μακροσκοπικά σφαιρικό και προσεγγίζει, στη διδιάστατη απεικόνιση του Σχήματος 4.4, την εξωτερική λεπτή και 203

220 4.4 Μοντέλο Καύσης ακανόνιστη γραμμή της παχιάς τυρβώδους φλόγας. Το μέτωπο αυτό, το οποίο αναπαρίσταται στο Σχήμα 4.4 με το τμήμα του κύκλου που απεικονίζεται με συνεχείς τελείες, διαδίδεται προς το άκαυστο αέριο με την τοπική στρωτή ταχύτητα καύσης του μείγματος, η οποία είναι στην πραγματικότητα η τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης. Θύλακες άκαυστου αερίου, που έχουν περιέλθει πίσω από το μέτωπο της μέσης εξωτερικής φλόγας, εντοπίζονται εντός της παχιάς τυρβώδους φλόγας (ζώνης διείσδυσης). δ Μέτωπο φλόγας λ V b,1 V b,2 V b,3 V b,4 r b,1 r b,2 r b,3 r b,4 Ζώνη διείσδυσης s b r f S,str u g u ' V u u b Σχήμα 4.4. Σχηματική απεικόνιση του περιεχομένου του κυλίνδρου του κινητήρα Otto κατά τη διάρκεια της καύσης με βάση το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης. Σημειώνεται ότι, ακόμα και για το μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης, η παχιά τυρβώδης φλόγα δεν κατέχει ουσιαστικά την κλασική έννοια της φλόγας, που αποτελείται από μία ζώνη προθέρμανσης και μία ζώνη αντίδρασης. Πρόκειται, περισσότερο, για μία περιοχή όπου θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα η καύση των δινών. Η τελευταία, φανταστικής βέβαια φύσης, θεώρηση αποτελεί έναν έμμεσο τρόπο για να ληφθεί υπόψη η αύξηση του ρυθμού καύσης που συμβαίνει στην πραγματικότητα, όπως δείχνει το Σχήμα 4.2, λόγω της αύξησης του εμβαδού του μετώπου της πραγματικής τυρβώδους φλόγας εξαιτίας των έντονων πτυχώσεων και αυλακώσεων που προκαλούνται σε αυτό από τις άκαυστες δίνες της τύρβης. Άρα, τελικά, το μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης θεωρεί ως φλόγα, με την αυστηρή της έννοια, μόνο τη μέση εξωτερική φλόγα. Βέβαια, σε ό,τι αφορά αποκλειστικά τους ενεργειακούς υπολογισμούς, η δομή και η σύσταση της φλόγας αυτής δε λαμβάνονται υπόψη, αφού θεωρείται ότι το πάχος της είναι αμελητέο σε σχέση με τις 204

221 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης διαστάσεις του θαλάμου καύσης. Ωστόσο, όπως θα φανεί αργότερα, το πάχος της φλόγας αυτής ως ιδιότητά της λαμβάνεται υπόψη για τον υπολογισμό του ρυθμού καύσης. Τέλος, ο ρυθμός με τον οποίο το άκαυστο αέριο διεισδύει στο μέτωπο της μέσης εξωτερικής φλόγας καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ένταση της τύρβης. Η εικόνα στα αριστερά στο Σχήμα 4.4 παρέχει μία μεγέθυνση συγκεντρωτικά της δομής της περιοχής της καύσης, όπως αυτή θεωρείται με βάση το παρόν μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης. ιακρίνεται το μέτωπο της μέσης εξωτερικής φλόγας, η οποία, όντας στρωτή, έχει το πάχος στρωτής φλόγας, ενώ η διάσταση των δινών του άκαυστου αερίου στις οποίες πραγματοποιείται η καύση στη ζώνη διείσδυσης είναι της τάξης μεγέθους της Taylor μικροκλίμακας Εξισώσεις Νόμου Καύσης Το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία προσομοιώνει διαδοχικά τα στάδια της αρχικής ανάπτυξης, διάδοσης και τερματισμού της φλόγας, όπως εξηγήθηκαν λεπτομερώς στην Υποπαράγραφο Αντίθετα, η μοντελοποίηση του αρχικού σταδίου της έναυσης παραβλέπεται. Η επιλογή αυτή βασίζεται στις σχετικές υποδείξεις της διεθνούς βιβλιογραφίας [22, 37-42] που τονίζουν την αναγκαιότητα ύπαρξης μοντέλου έναυσης μόνο στην περίπτωση κατά την οποία είναι επιθυμητή η εξέταση της πιθανότητας αστοχίας έναυσης, καθώς και όταν εκτιμάται ο ρόλος της έναρξης της καύσης ως πιθανό αίτιο κυκλικής διασποράς. Εφόσον, λοιπόν, οι προηγούμενες ιδιαίτερες καταστάσεις λειτουργικής συμπεριφοράς του κινητήρα Otto δεν αποτελούν αντικείμενο της παρούσας εργασίας, στη θέση μοντέλου έναυσης χρησιμοποιείται η απλή υπόθεση ότι, τη στιγμή της έναυσης, ένας πυρήνας καμένου αερίου διαμέτρου 1 mm δημιουργείται ακαριαία ανάμεσα στα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή [43]. Η θερμοκρασία του πυρήνα αυτού θεωρείται ότι είναι ίση με την αδιαβατική θερμοκρασία καύσης, η οποία αντιστοιχεί στην πίεση του κυλίνδρου και τη θερμοκρασία και σύσταση του άκαυστου αερίου τη στιγμή της έναυσης, δηλαδή στο τέλος της φάσης της συμπίεσης, και υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: h T, p h T, p, θ θ (4.4.11) b ad u u IT Στάδιο Αρχικής Ανάπτυξης και Στάδιο ιάδοσης της Φλόγας Το οιονεί-διαστατικό μοντέλο καύσης προσομοιώνει με ενιαίο τρόπο το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης και το στάδιο της διάδοσης της φλόγας. Χρησιμοποιεί, δηλαδή, τις ίδιες εξισώσεις και για τα δύο αυτά στάδια της καύσης. Ωστόσο, η διαφοροποίηση των εξισώσεων στα δύο στάδια επιτυγχάνεται εμμέσως με τη χρήση εκθετικών παραγόντων στην έκφραση της ταχύτητας διείσδυσης, οι οποίοι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο κατά τη 205

222 4.4 Μοντέλο Καύσης διάρκεια της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, ενώ παύουν να έχουν ουσιαστική επίδραση κατά τη διάρκεια της διάδοσης της φλόγας. Σύμφωνα, λοιπόν, με τις θεωρήσεις των κλασικών μοντέλων καύσης τυρβώδους διείσδυσης [44-47], ο ρυθμός με τον οποίο το άκαυστο μείγμα διεισδύει μέσα στη φλόγα δίνεται από την ακόλουθη σχέση: dm dt e ρ FS (4.4.12) u f e όπου F f το εμβαδό του σφαιρικού μετώπου της μέσης εξωτερικής φλόγας, ακτίνας r f, του Σχήματος 4.4 και S e η ταχύτητα διείσδυσης. Για τη μοντελοποίηση, τώρα, της ταχύτητας αυτής, χρησιμοποιείται η ημι-εμπειρική έκφραση για την τυρβώδη ταχύτητα καύσης του μοντέλου καύσης στρωτών flamelets των Herweg και Maly [22]: S u ' rf SI SI 1exp u' S L τάση φλόγας e 0 0 παράγοντας τύρβης ενεργός κλίμακα μήκους μεγάλων δινών της τύρβης t u' 1exp τ0g S ενεργός κλίμακα χρόνου μεγάλων δινών της τύρβης πλήρως ανεπτυγμένη φλόγα (4.4.13) όπως έχει προταθεί από τους Mugele et al. [48]. Η επιλογή αυτή βασίζεται στη διαπίστωση ότι η συγκεκριμένη έκφραση περιλαμβάνει την επίδραση ενός μεγάλου αριθμού φαινομένων στη διεργασία της καύσης σε σχέση με τις αντίστοιχες εκφράσεις της ταχύτητας διείσδυσης της Υποπαραγράφου Στην προηγούμενη εξίσωση, ο χαρακτηριστικός χρόνος τ 0G αναπαριστά μία ενεργό κλίμακα χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, την οποία ο χρόνος ζωής της τυρβώδους φλόγας πρέπει να υπερβεί πριν αυτή γίνει πλήρως ανεπτυγμένη. Ο χρόνος αυτός υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: τ 0G L (4.4.14) u' S Όπως αναφέρθηκε ήδη, με τη χρήση της Εξίσωσης (4.4.13), λαμβάνεται υπόψη ένας μεγάλος αριθμός φαινομένων, τα οποία επηρεάζουν κυρίως το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας, όπως: α) επιδράσεις μη-μόνιμης τάσης φλόγας σε μικρή ακτίνα του μετώπου της φλόγας, εκφραζόμενης μέσω του παράγοντα τάσης φλόγας, I 0, του οποίου ο ορισμός θα δοθεί παρακάτω, β) επιδράσεις στρωτής διάδοσης της φλόγας σε μικρές τιμές 206

223 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης του λόγου u' S, οι οποίες λαμβάνονται υπόψη μέσω του παράγοντα τύρβης, γ) επιδράσεις κλιμάκων μήκους και χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, όταν η ακτίνα του μετώπου της φλόγας και ο χρόνος ζωής της είναι μικρά σε σχέση με τις ενεργές κλίμακες μήκους και χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, L και τ 0G, αντίστοιχα, και τέλος δ) μετάβαση της φλόγας σε κατάσταση πλήρως ανεπτυγμένης τυρβώδους φλόγας. Οι δύο εκθετικοί παράγοντες στο δεύτερο όρο του δεξιού μέλους της Εξίσωσης (4.4.13), 1exp r L t τ 0G, τείνουν στη μονάδα όταν η φλόγα αρχίζει να διαδίδεται ως μία ελεύθερα κινούμενη επιφάνεια. Σύμφωνα με τις Εξισώσεις (4.4.12) και (4.4.13), ο ρυθμός με τον οποίο το άκαυστο αέριο διεισδύει στη φλόγα προκύπτει ως το άθροισμα των συνεισφορών δύο ξεχωριστών μηχανισμών. Ο πρώτος μηχανισμός περιγράφεται από έναν όρο διάχυσης, ο οποίος είναι η τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης του καυσίμου μείγματος. Ο όρος αυτός καθορίζει τον τοπικό ρυθμό διάδοσης της (στρωτής) φλόγας προς την περιοχή του άκαυστου αερίου, προσδιοριζόμενος από χημικούς παράγοντες, συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, καθώς και συνεισφορές τάσης φλόγας. Ο δεύτερος, τώρα, μηχανισμός χαρακτηρίζει την αλληλεπίδραση μεταξύ της τύρβης και της ανάπτυξης-διάδοσης της φλόγας. Οι επιδράσεις της τύρβης εκφράζονται από έναν όρο μεταφοράς, ο οποίος είναι η ένταση της τύρβης στο άκαυστο αέριο, καθώς και από τις ενεργούς κλίμακες μήκους και χρόνου των μεγάλων δινών της τύρβης, οι οποίες επηρεάζουν κυρίως το στάδιο της αρχικής ανάπτυξης της φλόγας. Ο ρυθμός, τώρα, καύσης του καυσίμου μείγματος υπολογίζεται ως εξής [49]: και 1exp dm b m m ρ FS e u f I0 b (4.4.15) dt τ με το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης, τ b, να αντιπροσωπεύει το χρόνο που μία δίνη του μεγέθους της Taylor μικροκλίμακας της τύρβης, λ, χρειάζεται για να καεί με τη μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης, S : b f τ b λ S (4.4.16) Η Εξίσωση (4.4.15) ορίζει ότι ο συνολικός ρυθμός καύσης καθορίζεται από το ρυθμό με τον οποίο το άκαυστο αέριο καίγεται ακαριαία στο μέτωπο της φλόγας και το ρυθμό με τον οποίο το άκαυστο αέριο που βρίσκεται πίσω από τη φλόγα καίγεται με βάση το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης. 207

224 4.4 Μοντέλο Καύσης Μοντέλο Τάσης Φλόγας Ορισμός Ρυθμού Τάσης Σύμφωνα με την εργασία των Chung και Law [50], η οποία αποτελεί γενίκευση αυτής του Matalon [51], ορίζεται ως ρυθμός τάσης, K, σε ένα τυχαίο σημείο, με κάθετο μοναδιαίο διάνυσμα n, μίας επιφάνειας (φλόγας) κινούμενης με ταχύτητα V f σε ένα πεδίο ροής ταχύτητας v, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.5, η παράγωγος ως προς το χρόνο του λογαρίθμου του εμβαδού, A, ενός απειροστού στοιχείου της επιφάνειας: K 1dA (4.4.17) A d t Σχήμα 4.5. Σχηματική απεικόνιση ενός απειροστού στοιχείου, με κάθετο μοναδιαίο διάνυσμα n, μίας επιφάνειας που κινείται με ταχύτητα V σε ένα πεδίο ροής ταχύτητας v. f Υποθέτοντας ότι η κίνηση του απειροστού στοιχείου εφαπτομενικά κατά μήκος της επιφάνειας πραγματοποιείται με την τοπική εφαπτομενική συνιστώσα της ταχύτητας του πεδίου ροής, δηλαδή Vf,t v s,t, όπου οι δείκτες s και t συμβολίζουν την επιφάνεια και την εφαπτομενική συνιστώσα της ταχύτητας, αντίστοιχα, και μετά από σύντομη διανυσματική ανάλυση, η αρχική απλή μορφή της Εξίσωσης (4.4.17) γίνεται [12, 50, 52-53]: K t s,t f v V n n (4.4.18) Η προηγούμενη εξίσωση αναδεικνύει τα αίτια τα οποία μπορούν να υποβάλουν μία φλόγα σε τάση. Ο πρώτος όρος του δεξιού μέλους της εξίσωσης αναπαριστά την επίδραση της μη-ομοιομορφίας της ροής κατά μήκος της επιφάνειας. Εφόσον η εφαπτομενική συνιστώσα της ταχύτητας του πεδίου ροής επάνω στην επιφάνεια μπορεί εναλλακτικά να v n v n, ο προηγούμενος όρος συμπεριλαμβάνει την επίδραση της μη- γραφεί ως s,t s 208

225 ομοιομορφίας της ροής, μέσω της μεταβολής της 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης v s, και της καμπυλότητας της φλόγας, μέσω της μεταβολής του n. Επιπλέον, για να υπάρχει ο όρος αυτός και, συνεπώς, να υφίσταται τάση φλόγας εξαιτίας του, πρέπει η διεύθυνση της ροής να μην είναι παράλληλη με το επίπεδο της επιφάνειας, έτσι ώστε να είναι vs n 0. Ο δεύτερος, τώρα, όρος του δεξιού μέλους της προηγούμενης εξίσωσης αναπαριστά τάση λόγω μη-στασιμότητας της φλόγας, μέσω ύπαρξης της έτσι ώστε να είναι 0 n. V f, αν και η φλόγα πρέπει ταυτόχρονα να είναι καμπυλωμένη, Συγκεντρωτικά, λοιπόν, τα τρία αίτια που μπορούν να προκαλέσουν τάση σε μία φλόγα είναι [12, 50, 52-53]: α) η αεροδυναμική τάση (aerodynamic straining), μέσω της μεταβολής της v s, β) η καμπυλότητα της φλόγας (flame curvature), μέσω της μεταβολής του n, και γ) η κίνηση της φλόγας (flame motion), μέσω ύπαρξης της Γενικευμένες Εκφράσεις Απόκρισης Φλόγας σε Ασθενείς Ρυθμούς Τάσης Αναγνωρίζοντας τα προηγούμενα τρία αίτια τάσης φλόγας, οι Sun et al. [54] διετύπωσαν γραμμικές γενικευμένες εκφράσεις της απόκρισης της (στρωτής) φλόγας όταν αυτή υπόκειται σε ασθενείς ρυθμούς τάσης και με το σύνολο και των τριών αιτίων τάσης φλόγας να υφίσταται, χρησιμοποιώντας εξισώσεις διατήρησης σε ολοκληρωματική μορφή. Για την περίπτωση, λοιπόν, της αεροδυναμικά τεταμένης, καμπυλωμένης και μη-στάσιμης φλόγας, η ταχύτητα καύσης της ως προς το καμένο αέριο, S b, και η θερμοκρασία του καμένου αερίου αμέσως μετά τη φλόγα, T b, η οποία είναι ουσιαστικά ίση με τη θερμοκρασία της φλόγας, δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: και o o R γ ακ o o S σ α 1 δ o b Ze Λα Λ α T Ze 1 1 α Kδ 1 1 o o o o S 2 Le Le b 1 σ S 2 Le Le u Su V f. o o T T R γ ακ δ R γ ακ δ o b u σ 1 1 Λα α 1α 1 κ δ o o o o T T LeS S 1 σ Le T T o o o T b u u u o T (4.4.19) (4.4.20) αντίστοιχα, όπου S o b η ταχύτητα καύσης της μη-τεταμένης φλόγας ως προς το καμένο αέριο, Ze ο αριθμός Zeldovich της φλόγας, Le ο αριθμός Lewis του άκαυστου αερίου, 209

226 4.4 Μοντέλο Καύσης R dr dt η ταχύτητα διάδοσης του μετώπου της φλόγας, όπου R η θέση της λεπτής ζώνης αντίδρασης της φλόγας, γ t n η καμπυλότητα του μετώπου της φλόγας, S o u η ταχύτητα καύσης της μη-τεταμένης φλόγας ως προς το άκαυστο αέριο, κ K S o u, δ o T το πάχος της μη-τεταμένης φλόγας, T u η θερμοκρασία του άκαυστου αερίου και T o b η θερμοκρασία του καμένου αερίου, η οποία είναι ουσιαστικά ίση με τη θερμοκρασία της φλόγας στην περίπτωση μη-τεταμένης φλόγας, που ισούται τελικά με την αδιαβατική θερμοκρασία καύσης, T ad. Για τα υπόλοιπα σύμβολα που εμφανίζονται στις δύο o o o u b b u προηγούμενες εξισώσεις, ισχύει: σ T T ρ ρ, όπου ρ o b και ρ u η πυκνότητα του καμένου αερίου στην περίπτωση μη-τεταμένης φλόγας και του άκαυστου αερίου, αντίστοιχα, 1 o ρ η o o α d 1lnσ 1σ e ρu δ παράγοντας που λαμβάνει υπόψη του τη θερμική 0 T εκτόνωση του αερίου διαμέσου της φλόγας, όπου η R x η συντεταγμένη στο σύστημα της φλόγας και δ T το πάχος της φλόγας, α 1 lnσ 1 σ e, όπου σ T T ρ ρ u b b u και ρ b η πυκνότητα του καμένου αερίου [55] και τέλος 1 o η o o η 1 η Λ σ 1exp σ 1σ exp d, όπου δ δm δm Le M το πάχος της δ 0 M ζώνης διάχυσης μάζας της φλόγας. Απλοποιημένες Εκφράσεις Απόκρισης Φλόγας σε Ασθενείς Ρυθμούς Τάσης Περιγραφή Παρόντος Μοντέλου Τάσης Φλόγας Εξαιτίας της πολυπλοκότητας της μορφής των Εξισώσεων (4.4.19) και (4.4.20), εφαρμόζονται συνήθως απλουστευτικές παραδοχές, έτσι ώστε να προκύψουν απλοποιημένες εκφράσεις που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ποσοτικούς υπολογισμούς της επίδρασης της τάσης της φλόγας στην απόκρισή της. Θεωρώντας, λοιπόν, στάσιμη φλόγα ( R 0) και αμελώντας το φαινόμενο της θερμικής εκτόνωσης του o αερίου διαμέσου της φλόγας α 1, οι Εξισώσεις (4.4.19) και (4.4.20) γίνονται [12, 56]: S S b o b Ze 1 Ka 1 1 Ka 2 Le Le (4.4.21) και 210

227 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης T T b o b Tu Ka T Le u (4.4.22) KδT o αντίστοιχα, ορίζοντας τον αριθμό Karlovitz ως Ka κ δ o T. S Το μοντέλο τάσης φλόγας που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία βασίζεται στην έννοια του παράγοντα τάσης φλόγας, I 0, σύμφωνα με την ανάλυση των Chung και Law [56] και Law [52]. Ο παράγοντας αυτός τροποποιεί τη στρωτή ταχύτητα καύσης της προαναμειγμένης φλόγας ενός καυσίμου μείγματος με Le 1 εξαιτίας επιδράσεων καμπυλότητας και αεροδυναμικής (τυρβώδους στην προκειμένη περίπτωση) τάσης. Παραβλέποντας, λοιπόν, επιδράσεις απωλειών θερμότητας λόγω ακτινοβολίας από την επιφάνεια της φλόγας, ισχύει η ακόλουθη σχέση για τον παράγοντα τάσης φλόγας [52, 56]: u o I 0 S,str Ka 1 Tact 1 Ka 1 S Le Le 2Tad (4.4.23) η οποία, ουσιαστικά, ταυτίζεται με την απλοποιημένη έκφραση της Εξίσωσης (4.4.21), αφού αναγνωρισθεί ότι ο αριθμός Zeldovich μπορεί να γραφεί ως Ze T T [12]. Όπως έχει ήδη διευκρινιστεί, στην Εξίσωση (4.4.23) S είναι η μη-τεταμένη στρωτή ταχύτητα καύσης, act ad ενώ S,str είναι η αντίστοιχη τεταμένη. Εισάγοντας τον αριθμό Markstein, 1 Ze 1 Tact Ma 1 1 Le 2 Le 2T ad [12], ο οποίος αποτελεί την ιδιότητα του καυσίμου μείγματος που ποσοτικοποιεί την ευαισθησία της στρωτής ταχύτητας καύσης του σε μεταβολές τάσης φλόγας και χρησιμοποιείται με σκοπό να ενσωματωθούν σε μία παράμετρο διάφορες ιδιότητες του μείγματος T, T, Le, η Εξίσωση (4.4.23) γράφεται απλούστερα: act ad I 0 S,str Ka 1 KaMa S Le (4.4.24) Στον παρόν μοντέλο τάσης φλόγας, ο αριθμός Karlovitz στην Εξίσωση (4.4.24) ορίζεται ως ο λόγος του ρυθμού τάσης προς το αντίστροφο ενός χαρακτηριστικού χημικού χρόνου σχετιζόμενου με το πάχος της στρωτής φλόγας [22, 49]: K Ka S δ (4.4.25) 211

228 4.4 Μοντέλο Καύσης Ο ρυθμός τάσης, τώρα, της φλόγας συντίθεται από το άθροισμα του γεωμετρικού ρυθμού τάσης, K g, ο οποίος σχετίζεται με την καμπυλότητα της σφαιρικά διαδιδόμενης μέσης εξωτερικής φλόγας του Σχήματος 4.4, και του τυρβώδους ρυθμού τάσης, K t, ο οποίος λαμβάνει υπόψη του την επίδραση της (αεροδυναμικής) τάσης, την οποία οι μικροδίνες του τυρβώδους πεδίου ροής ασκούν στη φλόγα. Προκύπτει, λοιπόν: K K K (4.4.26) Για μία σφαιρική επιφάνεια (φλόγα) διαδιδόμενη προς τα έξω, ο γεωμετρικός ρυθμός τάσης υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση [12, 22, 48, 57-59]: g t K g 1 dff 2 drf F dt r dt (4.4.27) f η οποία, υποθέτοντας επιπλέον ότι το πάχος της στρωτής φλόγας είναι αμελητέο σε σύγκριση με την ακτίνα του μετώπου της φλόγας δ r f 1 [49], γίνεται: f K g 2 ρu S r ρ (4.4.28) ενώ, ο τυρβώδης ρυθμός τάσης μοντελοποιείται ως εξής [17, 22, 48-49, 60]: f b K t u ' (4.4.29) λ Επίσης, όπως προαναφέρθηκε ήδη στην Υποπαράγραφο 4.4.1, το πάχος της στρωτής φλόγας ορίζεται ως εξής [49]: δ D S m (4.4.30) όπου D m ο συντελεστής διάχυσης μάζας του ελλιπούς αντιδρώντος, δηλαδή του αντιδρώντος που περιορίζει το ρυθμό αντίδρασης. Στην προκειμένη περίπτωση, όπου μόνο πτωχά μείγματα εξετάζονται, το ελλιπές αντιδρών είναι το καύσιμο. Επίσης, εξαιτίας του ότι το καύσιμο (μείγμα βιοαερίου-υδρογόνου) είναι στην ουσία μείγμα καυσίμων (μεθάνιο και υδρογόνο) και αδρανών (διοξείδιο του άνθρακα) αερίων, υπολογίζεται ο συντελεστής διάχυσης μάζας του ενεργού καυσίμου (μείγμα μεθανίου-υδρογόνου), το οποίο αποτελεί το ελλιπές αντιδρών. Ο λόγος του συντελεστή διάχυσης θερμότητας του άκαυστου αερίου προς το συντελεστή διάχυσης μάζας του ελλιπούς αντιδρώντος ορίζει τον αριθμό Lewis του άκαυστου αερίου: 212

229 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης DT k Le (4.4.31) D ρc D m p m όπου όλα τα σύμβολα αναφέρονται στο άκαυστο αέριο. Η προηγούμενη εξίσωση ορίζει στην πραγματικότητα έναν ενεργό αριθμό Lewis, εφόσον το ελλιπές αντιδρών είναι μείγμα δύο συστατικών. Για τον υπολογισμό, τώρα, του ενεργού αριθμού Lewis ενός μείγματος αέρα-καυσίμου που περιέχει μείγμα δύο καυσίμων συστατικών, γίνεται χρήση της έκφρασης των Jackson et al. [61]. Σύμφωνα με αυτή, ο ενεργός αριθμός Lewis υπολογίζεται συναρτήσει του αριθμού Lewis και του κλάσματος έκλυσης θερμότητας του κάθε καυσίμου συστατικού ξεχωριστά. Για την παρούσα περίπτωση του μείγματος μεθανίου-υδρογόνου, η έκφραση αυτή γίνεται: όπου: 1 qch q 4 H2 (4.4.32) Le Le Le CH H 4 2 q CH 4 x CH,comb LHV CH 4 4 x LHV x LHV CH,comb CH H,comb H (4.4.33) και q H 2 x H,comb LHV 2 2 x LHV x LHV CH,comb CH H,comb H H (4.4.34) το κλάσμα έλκυσης θερμότητας του μεθανίου και του υδρογόνου, αντίστοιχα. Επίσης, xch 4,comb και x H,comb 2 είναι το κλάσμα μάζας στο ενεργό καύσιμο του μεθανίου και του υδρογόνου, αντίστοιχα. Επιπλέον, οι αριθμοί Lewis του μεθανίου και του υδρογόνου υπολογίζονται συναρτήσει του συντελεστή διάχυσης θερμότητας του άκαυστου αερίου και των συντελεστών διάχυσης μάζας των δύο αυτών συστατικών: DT k LeCH (4.4.35) 4 D ρc D m p m CH4 CH4 DT k LeH (4.4.36) 2 D ρc D m p m H2 H2 όπου, ξανά, όλα τα σύμβολα αναφέρονται στο άκαυστο αέριο. Έτσι, από την Εξίσωση (4.4.32), ο ενεργός αριθμός Lewis, Le, υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τις Εξισώσεις 213

230 4.4 Μοντέλο Καύσης (4.4.33)-(4.4.36). Κατόπιν, ο συντελεστής διάχυσης μάζας του ενεργού καυσίμου, D m, υπολογίζεται από την εξίσωση (4.4.31). Για τον υπολογισμό του συντελεστή διάχυσης μάζας κάθε καυσίμου συστατικού στο άκαυστο αέριο, γίνεται η υπόθεση ότι η σύσταση του πλεονάζοντος αντιδρώντος (excess reactant) προσεγγίζει αυτή του αέρα. Με τον τρόπο αυτό, διευκολύνονται οι σχετικοί υπολογισμοί, αφού μπορεί πλέον να γίνει χρήση της συσχέτισης των Reid et al. [62] για συστήματα δύο συστατικών. Σύμφωνα με αυτή, σε ένα σύστημα δύο συστατικών A και B, ο συντελεστής διάχυσης μάζας του συστατικού Α στο συστατικό Β, Dm AB με το συντελεστή διάχυσης μάζας του συστατικού Β στο συστατικό Α, Dm BA ως εξής:, ο οποίος ισούται και, υπολογίζεται όπου ο συντελεστής διάχυσης μάζας, Dm AB D 32 T (4.4.37) pm σ Ω mab 12 2 AB AB D πίεση, p, του συστήματος να δίνονται σε K και bar, αντίστοιχα. Για το ενεργό μοριακό βάρος του συστήματος, M AB, ισχύει:, δίνεται σε cm2 /s, με τη θερμοκρασία, T, και M M 2 AB 1 M 1 A B (4.4.38) όπου τα μοριακά βάρη των συστατικών Α και Β, M A και M B, αντίστοιχα, δίνονται σε kg/kmol. Το ενεργό χαρακτηριστικό μήκος του συστήματος, σ AB, ορίζεται ως εξής: σ σ (4.4.39) 2 A B σab όπου τα χαρακτηριστικά μήκη των συστατικών Α και Β, σ A και σ B, αντίστοιχα, δίνονται σε A o. Τέλος, ο αδιάστατος όρος Ω D αναπαριστά το λεγόμενο ολοκλήρωμα σύγκρουσης για διάχυση (collision integral for diffusion), το οποίο είναι συνάρτηση του αδιάστατου όρου T T ε AB K, όπου ε AB η ενεργός χαρακτηριστική ενέργεια του συστήματος και 23 K J K η σταθερά του Boltzmann. Για την ενεργή χαρακτηριστική ενέργεια του συστήματος, ισχύει: ε AB 12 ε ε (4.4.40) A B 214

231 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης όπου οι χαρακτηριστικές ενέργειες των συστατικών Α και Β, ε A και ε B, αντίστοιχα, δίνονται σε J, ενώ η αναλυτική σχέση υπολογισμού του Ω D είναι: Ω D A C E G (4.4.41) B T exp DT exp FT exp HT όπου: A , B , C , D , E , F , G και H Στον Πίνακα 4.7 παρέχονται οι διάφορες απαιτούμενες παράμετροι για τον υπολογισμό των συντελεστών διάχυσης μάζας του μεθανίου και του υδρογόνου στον αέρα. Πίνακας 4.7. Παράμετροι για τον υπολογισμό των συντελεστών διάχυσης μάζας μειγμάτων μεθανίου-αέρα και υδρογόνου-αέρα Συστατικό o σ A K M kg kmol ε K Αέρας Μεθάνιο Υδρογόνο Στάδιο Τερματισμού της Φλόγας Τη χρονική στιγμή κατά την οποία το σφαιρικό μέτωπο της φλόγας έχει διατρέξει πλήρως το θάλαμο καύσης και συμπίπτει πλέον με τα τοιχώματα του κυλίνδρου παύει το στάδιο της διάδοσης της φλόγας και αρχίζει το στάδιο του τερματισμού της. Κατά τη διάρκεια του σταδίου αυτού, το εναπομείναν ποσοστό της γόμωσης του κυλίνδρου που έχει ήδη περιέλθει εντός της τυρβώδους φλόγας από το προηγούμενο στάδιο της καύσης, αλλά δεν έχει προλάβει ακόμα να καεί, θεωρείται ότι καίγεται σύμφωνα με έναν εκθετικό νόμο καύσης [25-26]: dmb dmb t tf exp, t > t dt dt F τb F (4.4.42) Οι όροι dm d t και t F συμβολίζουν το ρυθμό καύσης και τη χρονική στιγμή, αντίστοιχα, b F του τέλους της διάδοσης της φλόγας. Κατά τη διάρκεια του σταδίου του τερματισμού της φλόγας, ο ρυθμός διείσδυσης της Εξίσωσης (4.4.12) μηδενίζεται, εφόσον τότε είναι F f

232 4.4 Μοντέλο Καύσης Μοντέλο Τύρβης Οι εξισώσεις του νόμου καύσης του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης κατά τη διάρκεια των σταδίων της αρχικής ανάπτυξης και της διάδοσης της φλόγας απαιτούν εκτιμήσεις τις έντασης της τύρβης και των κλιμάκων μήκους της στο άκαυστο μείγμα. Πριν την παρουσίαση των εξισώσεων περιγραφής αυτών των τυρβωδών χαρακτηριστικών, είναι χρήσιμο να δοθεί μία εικόνα της δομής της τύρβης στο θάλαμο καύσης. Σύμφωνα με τους Tabaczynski et al. [45-47], οι οποίοι ήταν οι πρώτοι που εισήγαγαν σε ένα μοντέλο καύσης τυρβώδους διείσδυσης μία καθορισμένη δομή για τις μεγάλες δίνες της τύρβης, η τύρβη στο άκαυστο αέριο θεωρείται ομογενής, ισοτροπική και συναφής (coherent). Στο σχήμα 4.6 [46], φαίνεται η δομή μίας μεγάλης δίνης της τύρβης, κλίμακας μήκους L. Σχήμα 4.6. ομή μεγάλης δίνης της τύρβης και κλίμακες μήκους τυρβώδους ροής. Στο ίδιο σχήμα απεικονίζονται και οι άλλες δύο χαρακτηριστικές κλίμακες μήκους της τύρβης. Η Kolmogorov κλίμακα μήκους, l K, θεωρείται ότι αναπαριστά τη διάμετρο των σωλήνων στροβιλότητας (vortex tubes), οι οποίοι ορίζουν περιοχές συγκεντρωμένης στροβιλότητας. Η κλίμακα αυτή καθορίζει την κλίμακα μήκους όπου η τυρβώδης κινητική ενέργεια καταστρέφεται λόγω συνεκτικότητας. Η απόσταση μεταξύ των διαφόρων σωλήνων στροβιλότητας, οι οποίοι παρουσιάζουν μορφή έντονα αναδευμένων νημάτων και καθορίζουν την εσωτερική δομή της μεγάλης δίνης της τύρβης, παριστάνεται με την Taylor μικροκλίμακα της τύρβης, λ. Σε σχέση με την επίδραση της δομής των μεγάλων δινών της τύρβης στη διεργασία της καύσης, αναφορικά βέβαια με τη μάζα του άκαυστου αερίου που βρίσκεται ήδη εντός της ζώνης διείσδυσης του Σχήματος 4.4, θεωρείται [45-47] ότι η ανάφλεξη των δινών 216

233 4. Περιγραφή Μοντέλου Προσομοίωσης λαμβάνει χώρα στους σωλήνες στροβιλότητας. Σε αυτούς, οι χημικές αντιδράσεις εξελίσσονται ακαριαία. Η υπόθεση ότι η καύση στους σωλήνες στροβιλότητας είναι τάξεις μεγέθους ταχύτερη από ότι στις περιοχές του άκαυστου μείγματος που βρίσκονται ανάμεσά τους έχει αποδειχθεί θεωρητικά από τους Daneshyar και Hill [63]. Tα σημεία ανάφλεξης του άκαυστου μείγματος διαδίδονται κατά μήκος των σωλήνων αυτών ουσιαστικά με μία ταχύτητα που ισούται με την ταχύτητα διείσδυσης (θεώρηση με βάση την οποία προκύπτει η Εξίσωση (4.4.12)). Επίσης, η καύση κάθε κελιού μεγέθους λ θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα με τη στρωτή ταχύτητα καύσης του άκαυστου μείγματος. Από αυτή, άλλωστε, την τελευταία θεώρηση προκύπτει και η Εξίσωση (4.4.16) για το χαρακτηριστικό χρόνο καύσης, τ b, που υπεισέρχεται στις εξισώσεις του νόμου της καύσης [47], αν και στην αρχική εκδοχή του μοντέλου [45] είχε υποτεθεί ότι αυτός ο χρόνος σχετίζεται με την καύση μία μεγάλης δίνης της τύρβης κλίμακας μήκους L. Η παραπάνω περιγραφείσα διεργασία της καύσης με βάση τη δομή των μεγάλων δινών της τύρβης απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 4.7 [47]. Σχήμα 4.7. Σχηματική απεικόνιση της διεργασίας της καύσης με βάση τη δομή των μεγάλων δινών της τύρβης. Ο υπολογισμός, τώρα, της έντασης της τύρβης και της κλίμακας μήκους των μεγάλων δινών της μπροστά από το μέτωπο της φλόγας στηρίζεται στην εφαρμογή της θεωρίας ταχείας διαστροφής, η οποία ισχύει από τη στιγμή της έναυσης μέχρι το τέλος της καύσης για την περιοχή του άκαυστου αερίου [45-47]. Η εφαρμογή της θεωρίας αυτής βασίζεται στην παραδοχή ότι, κατά τη διάρκεια της καύσης, το άκαυστο αέριο συμπιέζεται από τη διαδιδόμενη φλόγα με τέτοιο (υψηλό) ρυθμό, ώστε οποιαδήποτε καταστροφή τυρβώδους κινητικής ενέργειας στις μεγάλες δίνες, λόγω των μεταξύ τους μη-γραμμικών 217