ΜΕΙΩΣΗ ΡΥΠΩΝ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ ΚΑΙ ΦΙΛΤΡΟΥ ΚΑΤΑΚΡΑΤΗΣΗΣ ΑΙΘΑΛΗΣ Στογιαντζίκης Ηλίας 1 και Γώγος Μερκούριος 2 1 Τµήµα Χηµείας, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, 451 10 Ιωάννινα, e-mail: stog_hlias@yahoo.gr 2 Τµήµα Οχηµάτων, Α.Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης, 574 00 Σίνδος, e-mail: mgogos@vt.teithe.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας µελέτης είναι η διερεύνηση των επιπτώσεων στην απόδοση του κινητήρα καθώς επίσης και στις εκποµπές ρύπων από τη χρήση µιγµάτων βιοντίζελ και πετρελαίου κίνησης σε οχήµατα. Χρησιµοποιήθηκαν τα καύσιµα Β0, Β10, Β50 και Β100 σε πετρελαιοκίνητο αυτοκίνητο 1600cc, παλαιάς τεχνολογίας, µε καταλυτικό φίλτρο σωµατιδίων ντίζελ. Οι µετρήσεις της ροπής, των στροφών, καθώς επίσης και της κατανάλωσης καυσίµου πραγµατοποιήθηκαν σε δυναµοπέδη κυλίνδρων για πλήρες φορτίο κινητήρα και µε διαφορετικές σχέσεις στο κιβώτιο ταχυτήτων. Όσον αφορά τις εκποµπές ρύπων, καταγράφηκαν οι συγκεντρώσεις CO 2, CO, HC και ΝΟ x. Οι µετρήσεις έδειξαν ότι η αύξηση του ποσοστού βιοντίζελ στο καύσιµο επιδρά αρνητικά στην εκποµπή ΝΟ x. Οι πετρελαιοκινητήρες λειτουργούν µε φτωχά µίγµατα αέρα-καυσίµου, οπότε οι εκποµπές CO και HC δεν έχουν πρακτική σηµασία. Οι εκποµπές CO 2 εξαρτώνται κυρίως από τις πρώτες ύλες και τη διεργασία παραγωγής του βιοντίζελ. Σχετικά µε την αιθάλη, παρατηρήθηκε µείωση µε την αύξηση του ποσοστού βιοντίζελ στο καύσιµο. Για τα καύσιµα Β10, Β50 και Β100 παρατηρήθηκε αύξηση της ροπής και ισχύος µε ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης καυσίµου. Τα καλύτερα συνολικά αποτελέσµατα σε όλες τις ταχύτητες (ειδικά σε ότι αφορά την αιθάλη) επιτεύχθηκαν µε τη χρήση του καυσίµου Β100. EMISSIONS REDUCTION OF A DIESEL ENGINE USING BIODIESEL BLENDS AND DIESEL PARTICULATE FILTER Stogiantzikis Ilias 1 and Gogos Merkourios 2 1 Department of Chemistry, University of Ioannina, Ioannina, e-mail: stog_hlias@yahoo.gr 2 Department of Vehicles, Technological Educational Institute of Thessaloniki, Thessaloniki, e-mail: mgogos@vt.teithe.gr ABSTRACT The purpose of this study is to investigate the effects on the engine's efficiency and exhaust gas emissions by the use of biodiesel/diesel blends in vehicles. The fuels,, and 0 were tested in a 1600cc diesel engine, old technology vehicle with a catalytic diesel particulate filter. The measurements of the engine's brake torque, revolutions and fuel consumption were accomplished on a chassis dynamometer for full throttle engine load and with different gear ratios. Regarding the exhaust gas emissions, the concentrations of CO 2, CO, HC, ΝΟ x, and soot were recorded. The results have shown that increasing the biodiesel percentage in the blend has increased the NO x emissions. engines consume lean airfuel mixtures, so the CO and HC emissions have minor significance. CO 2 emissions depend mainly on the raw materials and the process used for the production of biodiesel. As for the soot, there was a reduction along with increased biodiesel percentage in the blend with the exception of at low vehicle speed. For fuels, and 0 an increase on the engine s brake torque and power along with an increase in fuel consumption were observed. The best overall results (especially for the soot) were obtained by using the 0 fuel.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βιοντίζελ είναι το όνοµα «καθαρών» καυσίµων που µπορούν να αντικαταστήσουν το ορυκτό πετρέλαιο ντίζελ ή να προστεθούν σε αυτό και να σχηµατιστούν καύσιµα µίγµατα. Παρασκευάζεται από φυσικές, ανανεώσιµες πηγές όπως τα νέα ή και χρησιµοποιηµένα φυτικά έλαια και τα ζωικά λίπη. Είναι βιοδιασπώµενο, µη τοξικό και ουσιαστικά δεν περιέχει θείο και αρωµατικές ενώσεις. Η χρήση καυσίµων ντίζελ που παράγονται από φυτικά έλαια δεν είναι νέα διαδικασία, αλλά η παρουσία, τα τελευταία 60 χρόνια, του σχετικά φθηνού και τεχνικά ανώτερου πετρελαίου ντίζελ εµπόδισε την ευρεία χρήση του. Η ιδέα της χρησιµοποίησης καυσίµων βασισµένων σε φυτικά έλαια χρονολογείται από το 1895 όταν ο ρ. Rudolf ανέπτυξε την πρώτη µηχανή ανάφλεξης µε συµπίεση σχεδιασµένη να λειτουργεί µε φυτικά έλαια. Κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1970, µε την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, η ιδέα χρήσης βιοκαυσίµων επανήλθε στην επιφάνεια, αλλά εγκαταλείφθηκε από τη µετέπειτα οµαλοποίηση των διεθνών αγορών. Τα τελευταία χρόνια µε αφορµή την πετρελαϊκή κρίση του 2008, τις πρόσφατες εξελίξεις στο περιβάλλον, τις κλιµατικές αλλαγές, και την κατάσταση της Παγκόσµιας Οικονοµίας ανανεώθηκε το ενδιαφέρον για τη χρήση βιοκαυσίµων ώστε να ξεπεραστούν περιβαλλοντικά προβλήµατα που συνδέονται µε τη χρήση ορυκτού πετρελαίου. Σήµερα, ο κύριος περιβαλλοντικός λόγος χρήσης του βιοντίζελ είναι η µείωση των εκποµπών CO 2 και των επιπτώσεών τους στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Η Ε.Ε. µε την ψήφιση της οδηγίας 2003/30 προτρέπει τα κράτη µέλη της να προωθήσουν τα βιοκαύσιµα στις αγορές τους σε κάποια ελάχιστα ποσοστά. Ο στόχος που έθεσε η Ε.Ε. είναι το έτος 2010 το 5,75% των καυσίµων να είναι βιοκαύσιµα [1]. Επειδή έχει παρόµοιες ιδιότητες µε το ορυκτό ντίζελ (ή αλλιώς, πετρέλαιο κίνησης), το βιοντίζελ µπορεί να συνδυαστεί σε οποιαδήποτε αναλογία µε αυτό και µπορεί να χρησιµοποιηθεί στους κινητήρες ντίζελ χωρίς σηµαντικές τροποποιήσεις. Τα µίγµατα µέχρι 20% του βιοντίζελ µε πετρέλαιο κίνησης (B20) µπορούν να χρησιµοποιηθούν σχεδόν σε όλο τον εξοπλισµό κινητήρων ντίζελ, είναι συµβατά µε τον εξοπλισµό αποθήκευσης και διανοµής και γενικά δεν απαιτούν οποιεσδήποτε τροποποιήσεις των κινητήρων. Τα υψηλότερα µίγµατα, ακόµη και καθαρό βιοντίζελ (0), µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολλούς κινητήρες που κατασκευάστηκαν µετά το 1994 µε ελάχιστη ή καµία τροποποίηση. Η µεταφορά και η αποθήκευση, όµως, απαιτούν ειδική διαχείριση. Για τη µελέτη των επιπτώσεων από την καύση µιγµάτων βιοντίζελ/ορυκτού ντίζελ σε Μ.Ε.Κ. πρέπει να εξεταστούν ορισµένες χαρακτηριστικές ιδιότητες του βιοντίζελ. Οι κυριότερες ιδιότητες καθώς και η επίδραση αυτών είναι οι παρακάτω: Το βιοντίζελ είναι καύσιµο που κατασκευάζεται από φυτικά έλαια, ανακυκλωµένα µαγειρικά λίπη, ή ζωικά λίπη. Μπορεί να περιέχει χαρακτηριστικά µέχρι 14 διαφορετικούς τύπους λιπαρών οξέων που µετασχηµατίζονται χηµικά στους µεθυλικούς εστέρες λιπαρών οξέων. Κάθε τύπος λιπαρού οξέος εµφανίζεται µε διαφορετικό ποσοστό στις διάφορες πρώτες ύλες επηρεάζοντας, εποµένως, τις ιδιότητες του καυσίµου. Το µόριο του βιοντίζελ περιέχει οξυγόνο 11% κατά βάρος (γενικός µοριακός τύπος C n H 1,857n O 0,107n ) επιτρέποντας τη χρήση φτωχότερου µίγµατος αέρα/καυσίµου µε αποτέλεσµα καλύτερη καύση και αύξηση των εκποµπών CO 2. Οι ανανεώσιµες πηγές, όµως, ανακυκλώνουν το CO 2 και δεν επιβαρύνουν συνολικά το περιβάλλον. Η καλύτερη καύση έχει επίσης σαν επακόλουθο τη µείωση των εκποµπών CO, άκαυστων HC και αιθάλης. Επειδή δεν περιέχει θείο (η περιεκτικότητα κυµαίνεται από 0,0 έως 0,0024% κ.β.) δεν παράγονται οξείδια του θείου κατά την καύση του (στο ορυκτό ντίζελ, S = 0,05% κ.β. max). Οι εκποµπές NO x αυξάνονται µε την αύξηση της περιεκτικότητας του βιοντίζελ στo καύσιµo µίγµα. Κάποια είδη βιοντίζελ παράγουν περισσότερα οξείδια αζώτου από άλλα, αν και µερικές πρόσθετες ουσίες έχουν ενθαρρυντικά αποτελέσµατα στον περιορισµό των εκποµπών NO x. Απαιτείται, όµως, περισσότερη έρευνα για την επίλυση αυτού του ζητήµατος. 2
Το βιοντίζελ έχει υψηλότερο αριθµό κετανίου (CN = 48 έως 65) και υψηλότερο σηµείο ανάφλεξης (100-170 o C) σε σχέση µε το ορυκτό ντίζελ (CN = 40 έως 55, σηµείο ανάφλεξης 60-80 o C) και γι αυτό επιτρέπει το σχεδιασµό κινητήρων µε µεγαλύτερο βαθµό συµπίεσης και κατά συνέπεια µεγαλύτερη ισχύ [2]. Η κατώτερη θερµογόνος δύναµη του βιοντίζελ, δεδοµένης της ύπαρξης οξυγόνου στο µόριό του, είναι 38340 kj/kg η οποία συγκρινόµενη µε αυτή του ορυκτού ντίζελ (42600 kj/kg) είναι αρκετά µικρότερη. Πρακτικά αυτό σηµαίνει λιγότερα χιλιόµετρα ανά λίτρο και την ανάγκη µεγαλύτερης δεξαµενής καυσίµου ή συχνότερου ανεφοδιασµού. Το βιοντίζελ είναι ελαφρώς βαρύτερο από το πετρέλαιο κίνησης (ειδικό βάρος 0,88 kg/l έναντι 0,85 kg/l του ορυκτού ντίζελ, στους 15,5 o C) και γι αυτό πρέπει να προστεθεί κατά την ανάµιξη του πάνω από το συµβατικό ντίζελ, διαφορετικά, τα καύσιµα µπορεί να µην αναµιχθούν. Τα µίγµατα βιοντίζελ/ορυκτού ντίζελ δεν διαχωρίζονται στα συστατικά τους µε την παρουσία νερού, διότι δεν αποτελούν πολικές ενώσεις. Το βιοντίζελ µπορεί να αναµιχθεί µε πετρέλαιο κίνησης χωρίς προβλήµατα εάν η θερµοκρασία καυσίµων ντίζελ είναι 10 C ή υψηλότερη. Εάν η θερµοκρασία των καυσίµων είναι µικρότερη, οι κορεσµένες ενώσεις στο βιοντίζελ µπορούν να κρυσταλλωθούν και να αποφράξουν τα φίλτρα και τις σωληνώσεις, λόγω του υψηλότερου σηµείου νέφωσης (-3 έως 12 o C) και του υψηλότερου κινηµατικού ιξώδους (1,9 έως 6,0 cst στους 40 o C) σε σχέση µε το ορυκτό ντίζελ (σηµείο νέφωσης: -15 έως 5 o C, κινηµατικό ιξώδες: 1,3 έως 4,1 cst στους 40 o C). Το ορυκτό ντίζελ τείνει να διαµορφώσει ιζήµατα που κολλούν και συσσωρεύονται στα συστήµατα αποθήκευσης, σχηµατίζοντας στρώµατα λάσπης ή γλίτσας στο σύστηµα τροφοδοσίας. Καθώς το βιοντίζελ είναι ήπιος διαλύτης θα διαλύσει αυτά τα ιζήµατα και παρά το ότι τα φίλτρα καυσίµων θα συλλέξουν το µεγαλύτερο µέρος τους, σε ορισµένες περιπτώσεις, ενδέχεται να προκαλέσουν βλάβες στους εγχυτήρες καυσίµου [2]. Ο ορείχαλκος, ο χαλκός, ο µόλυβδος, ο κασσίτερος και ο ψευδάργυρος οξειδώνονται από τα καύσιµα ντίζελ και βιοντίζελ και δηµιουργούνται ιζήµατα. Τα υλικά συγκολλήσεως από µόλυβδο και οι επενδύσεις ψευδαργύρου πρέπει να αποφεύγονται, όπως επίσης οι χάλκινοι σωλήνες και εξαρτήµατα και οι ρυθµιστές ορείχαλκου. Τα καύσιµα ή τα εξαρτήµατα τείνουν να αλλάξουν χρώµα και να σχηµατιστούν ιζήµατα, µε συνέπεια να βουλώσουν τα φίλτρα των καυσίµων. Ο εξοπλισµός που επηρεάζεται πρέπει να αντικατασταθεί µε ανθεκτικά υλικά όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, το αργίλιο, το φθοριωµένο πολυαιθυλένιο, το φθοριωµένο πολυπροπυλένιο, και το τεφλόν. Η επίδραση του B20 στα ευπρόσβλητα υλικά είναι αµβλυµµένη έναντι των πλουσιότερων µιγµάτων. Το βιοντίζελ µπορεί να επηρεάσει µερικές φλάντζες, τσιµούχες, και κόλλες που κατασκευάστηκαν κυρίως πριν το 1993, ενώ αυτές που κατασκευάστηκαν µετά το 1994 είναι γενικά ανθεκτικές στο βιοντίζελ. Είναι φανερό ότι πολλές από τις ιδιότητες του βιοντίζελ έχουν αλληλοσυγκρουόµενες επιπτώσεις και για το λόγο αυτό είναι δύσκολη η συνολική θεωρητική τους εκτίµηση. Τα τελευταία χρόνια, µε την όξυνση των περιβαλλοντικών προβληµάτων, αρκετές έρευνες έχουν διεξαχθεί µε σκοπό τη µελέτη των επιπτώσεων του βιοντίζελ στην απόδοση και στις εκποµπές ρύπων των οχηµάτων. Τα αποτελέσµατα της παρούσας έρευνας συγκρίνονται µε αντίστοιχες µελέτες των Κ.Γ. Παπαζήση και συνεργατών [3] και. Σαββίδη και συνεργατών [4]. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Το όχηµα που χρησιµοποιήθηκε για τις µετρήσεις ήταν ένα Ford Escort µε πετρελαιοκινητήρα 1.6 L µε καταλυτικό φίλτρο σωµατιδίων ντίζελ που µέσω µετασκευής αντικατέστησε το σιγαστήρα του οχήµατος. Πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις χρησιµοποιώντας ως καύσιµα 100% πετρέλαιο κίνησης (ορυκτό ντίζελ), 100% βιοντίζελ (βαµβακέλαιο) και µίγµατα βιοντίζελ/ορυκτού ντίζελ. Οι 3
κατά βάρος αναλογίες των µιγµάτων που χρησιµοποιήθηκαν ήταν 10% βιοντίζελ 90% ορυκτό ντίζελ (Β10) και 50% βιοντίζελ 50% ορυκτό ντίζελ (Β50). Πίνακας 1. Τεχνικά χαρακτηριστικά κινητήρα. Αριθµός κυλίνδρων: 4 / OHV Κυβισµός: 1,6 L Σχέση συµπίεσης: 21,5:1 Υπερπλήρωση: Όχι Ανακύκλωση καυσαερίων (EGR): Όχι Ηλεκτρονικό σύστηµα διαχείρισης κινητήρα: Όχι Η σύνθεση του µίγµατος γινόταν σε καθηµερινή βάση πριν από την διεξαγωγή των µετρήσεων έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι πιθανότητες µεταβολής της αναλογίας των συστατικών λόγω εξάτµισης, επίδρασης της ατµοσφαιρικής υγρασίας ή της διαφορετικής πυκνότητας των καυσίµων. Πριν την έναρξη των µετρήσεων έγινε τεχνικός έλεγχος του οχήµατος και η απαιτούµενη προληπτική συντήρηση. Επί πλέον έγινε αντικατάσταση των ελαστικών. Το αυτοκίνητο δεν υπέστη καµία µετατροπή εκτός από την επέµβαση στο σύστηµα τροφοδοσίας καυσίµου µε την αποµόνωση της δεξαµενής καυσίµου και την τροφοδοσία του κινητήρα από δοχείο καυσίµου εκτός του οχήµατος τοποθετηµένου πάνω σε ζυγαριά ακριβείας. Σκοπός της µετατροπής αυτής ήταν η καταγραφή της κατανάλωσης του καυσίµου κατά τη διάρκεια της κάθε µέτρησης. Όλες οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε το όχηµα τοποθετηµένο πάνω στη δυναµοπέδη κυλίνδρων του εργαστηρίου Μ.Ε.Κ. ΙΙ του τµήµατος Οχηµάτων του Α.Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης. Πριν από κάθε σειρά µετρήσεων ο κινητήρας του οχήµατος λειτουργούσε µέχρι τη σταθεροποίηση της θερµοκρασίας του λαδιού και επί πλέον γινόταν ικανός αριθµός δυναµοµετρήσεων έτσι ώστε το όχηµα να διανύσει κάποια απόσταση και να επιτευχθεί η βέλτιστη και σταθερή κατάσταση λειτουργίας όλων των συστηµάτων του οχήµατος. Για τις µετρήσεις η λειτουργία της δυναµοπέδης ρυθµιζόταν έτσι ώστε η ταχύτητα του οχήµατος να διατηρείται σε προκαθορισµένες σταθερές τιµές µε την εφαρµογή της κατάλληλης ροπής πέδησης. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε πλήρες φορτίο οι δε ταχύτητες που χρησιµοποιήθηκαν ήταν 30 km/h µε δεύτερη σχέση στο κιβώτιο ταχυτήτων, 50 km/h µε τρίτη σχέση και 90 km/h µε τέταρτη σχέση στο κιβώτιο. Για κάθε καύσιµο και για κάθε ταχύτητα καταγράφηκαν τουλάχιστον 20 µετρήσεις και ακολούθησε στατιστική ανάλυση µε εφαρµογή του κριτηρίου του Chauvenet για την απόρριψη κάποιων µη αποδεκτών τιµών λόγω σφαλµάτων των οργάνων. Ο χρόνος που επιλέχθηκε για τη διάρκεια κάθε µέτρησης ήταν 40 s µετά από την επίτευξη και σταθεροποίηση της προκαθορισµένης ταχύτητας του οχήµατος στη δυναµοπέδη. Ο χρόνος αυτός ήταν αρκετός για την σταθεροποίηση των τιµών των καυσαερίων. Τα δεδοµένα που καταγράφηκαν στο λογισµικό της δυναµοπέδης κυλίνδρων που χρησιµοποιήθηκε ήταν οι στροφές και η ροπή στρέψης του κινητήρα. Το λογισµικό υπολόγιζε και την ισχύ βάσει των τιµών των στροφών και της ροπής. Αν και οι αναλυτές καυσαερίων που κυκλοφορούν στην αγορά έχουν τη δυνατότητα υπολογισµού του λ, εν τούτοις δεν µπορούν να δώσουν σωστή ένδειξη για οποιοδήποτε καύσιµο παρά µόνο για αυτά που είναι προγραµµατισµένα. Αυτά είναι συνήθως τα πιο διαδεδοµένα βενζίνη (εξάνιο), LPG (προπάνιο), CNG ή LNG (µεθάνιο) και diesel. Έτσι κρίθηκε απαραίτητος ο υπολογισµός του λ για κάθε µέτρηση βάσει των συγκεντρώσεων των καυσαερίων µε εφαρµογή της εξίσωσης του Brettschneider [5]. 4
3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Οι πρώτες µετρήσεις έγιναν µε το καύσιµο αναφοράς Β0 δηλαδή 100% ορυκτό ντίζελ και για τις τρεις επιλεχθείσες ταχύτητες. Ακολούθησαν οι µετρήσεις για τα δύο µίγµατα βιοντίζελ/ ορυκτού ντίζελ Β10, Β50 και, τέλος, µε 100% βιοντίζελ (Β100). 3.1. Κατανάλωση καυσίµου 2,0 Κατανάλωση καυσίµου [g/s] 410 Ειδική κατανάλωση καυσίµου [g/kwh] 1,8 390 370 1,6 1,4 1,2 0 350 330 310 290 0 1,0 270 Εικόνα 1. Μεταβολή της κατανάλωσης και της ειδικής κατανάλωσης καυσίµου Στα ιστογράµµατα της εικόνας 1 φαίνεται η επίδραση στην κατανάλωση και στην ειδική κατανάλωση των 4 καυσίµων που χρησιµοποιήθηκαν. Γενικά παρατηρήθηκε αύξηση της κατανάλωσης καυσίµου [g/s] µε την προσθήκη βιοντίζελ στο πετρέλαιο κίνησης. Όσο µεγαλύτερο το ποσοστό βιοντίζελ στο µίγµα, τόσο µεγαλύτερη είναι και η κατανάλωση, η οποία µεγιστοποιείται µε τη χρήση καθαρού βιοντίζελ (Β100). Στο ίδιο συµπέρασµα κατέληξε η µελέτη του κ. Σαββίδη και των συνεργατών του [4]. Οµοίως και η µελέτη του κ. Παπαζήση και των συνεργατών του, που χρησιµοποίησαν µίγµατα βιοντίζελ µε προσθήκη 5% έως 10% βαµβακέλαιο και στη συνέχεια µίγµατα µε 5% έως 10% ηλιέλαιο [3]. Πιο πλήρη εικόνα µπορούµε να έχουµε µε τον υπολογισµό της ειδικής κατανάλωσης [g/kwh]. Όπως φαίνεται από την εικόνα 1, οικονοµικότερη λειτουργία παρουσιάζει το ορυκτό ντίζελ, ενώ όσο περισσότερο βιοντίζελ περιέχεται στο καύσιµο τόσο λιγότερο αποδοτικό είναι. Αυτό οφείλεται στο χαµηλότερο ενεργειακό περιεχόµενο του βιοντίζελ σε σχέση µε το πετρέλαιο ντίζελ. Στο ίδιο συµπέρασµα καταλήγουν και οι µελέτες αναφοράς. 3.2 Ροπή και ισχύς Στα ιστογράµµατα της εικόνας 2 φαίνεται η επίδραση στη ροπή και στην ισχύ των 4 καυσίµων που χρησιµοποιήθηκαν. Οι µετρήσεις έδειξαν ότι η προσθήκη βιοντίζελ στο καύσιµο, µπορεί να επιδράσει θετικά ανάλογα µε το ποσοστό της στο καύσιµο. 78 Ροπή [Nm] 18 Ισχύς [kw] 76 74 72 70 68 66 64 0 17 16 15 14 13 0 62 12 Εικόνα 2. Μεταβολή της ροπής και της ισχύος 5
Λόγω της κατώτερης θερµογόνου δύναµης του βιοντίζελ που είναι µικρότερη σε σχέση µε αυτή του ορυκτού ντίζελ, η ροπή αναµενόταν να είναι µικρότερη µε την προσθήκη βιοντίζελ στο καύσιµο µίγµα. Εν τούτοις, παρατηρήθηκε αύξηση της αποδιδόµενης ροπής. Πιθανότατα αυτό οφείλεται στο µεγαλύτερο αριθµό κετανίου του βιοντίζελ που συνεπάγεται µικρότερη περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης του καυσίµου µίγµατος. Άλλος λόγος ενδέχεται να είναι η µεγαλύτερη κατανάλωση καυσίµου στα µίγµατα µε βιοντίζελ (που αναφέρθηκε στην παράγραφο 3.1). Η µεταβολή του λόγου λ σε φτωχότερο µίγµα µε την προσθήκη βιοντίζελ στο καύσιµο (εικόνα 5), µεταθέτει τη λειτουργία του κινητήρα προς την περιοχή οικονοµικότερης λειτουργίας, άρα προς την περιοχή µέγιστης ροπής. 3.3 Εκποµπές καυσαερίων CO 2, CO, HC, NO x και PM 0,16 (CO)dry [% vol] 10 (HC)dry [ppm] 0,14 8 0,12 0,10 0,08 0,06 0 6 4 2 0 0,04 0 Εικόνα 3. Συγκεντρώσεις CO και HC στα καυσαέρια Όσο πιο οµογενές και φτωχό είναι το µίγµα, τόσο λιγότερο CO παράγεται [6]. εδοµένου ότι το ιξώδες του βιοντίζελ είναι µεγαλύτερο από αυτό του ορυκτού ντίζελ κατά την έγχυση του τελευταίου είναι λεπτότερος ο διαµερισµός των σταγονιδίων καυσίµου στον στροβιλιζόµενο αέρα εντός του κυλίνδρου και, σε συνδυασµό µε τη µεγαλύτερη πτητικότητά του έναντι του βιοντίζελ, δηµιουργεί πιο οµογενές µίγµα A/F. εδοµένου και του µεγαλύτερου αριθµού κετανίου του βιοντίζελ που οδηγεί σε µικρότερο χρόνο καθυστέρησης ανάφλεξης του µίγµατος, πριν προλάβει να καταστεί οµογενές, ίσως να είναι οι λόγοι για τους οποίους παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης CO µε αύξηση του ποσοστού βιοντίζελ [2]. Εξαίρεση αποτελούν τα αποτελέσµατα που προέκυψαν για τέταρτη σχέση στο κιβώτιο και ταχύτητα 80 km/h. Η µελέτη του κ. Παπαζήση κατέληξε στο συµπέρασµα πως µε την προσθήκη βαµβακελαίου κατά 5% έως 10% στο χρησιµοποιούµενο καύσιµο παρατηρήθηκε ελαφρά µείωση των εκποµπών CO [3]. Όταν όµως προστέθηκε ηλιέλαιο στο πετρέλαιο ντίζελ σε ποσοστό 5% έως 10% παρουσιάστηκε αυξητική τάση εκποµπής CO, η οποία συµφωνεί µε τα αποτελέσµατα της πειραµατικής µας διαδικασίας. Στη µελέτη του κ. Σαββίδη σηµειώθηκε µείωση εκποµπών CΟ µε αύξηση της περιεκτικότητας βιοντίζελ στο καύσιµο [4]. Στον κινητήρα ντίζελ το καύσιµο µίγµα A/F είναι πάντα φτωχό και υπάρχει περίσσεια αέρα (λ>1). Επιπλέον, ο κινητήρας ήταν έµµεσης έγχυσης που σηµαίνει ότι ο βαθµός ανάµιξης του αέρα και του καυσίµου ήταν υψηλός και το παραγόµενο µίγµα αρκετά οµογενές. Για τους λόγους αυτούς παρατηρήθηκαν αξιοσηµείωτα χαµηλές εκποµπές HC κατά τη χρήση όλων των διαθέσιµων καυσίµων, οι οποίες πρακτικά θεωρούνται αµελητέες. Όπως φαίνεται από την εικόνα 4 το ορυκτό ντίζελ παρουσιάζει το µικρότερο ποσοστό CO 2 στα καυσαέρια, ενώ τα µίγµατα µε βιοντίζελ παρουσιάζουν τα υψηλότερα ποσοστά. Αυτό, οφείλεται στην ύπαρξη οξυγόνου στο τυπικό µόριο υδρογονάνθρακα του βιοντίζελ που οδηγεί σε καλύτερη καύση. Βέβαια, αν συνυπολογιστεί ολόκληρος ο κύκλος ζωής του βιοντίζελ, δεδοµένου ότι προέρχεται από φυτά που απορροφούν ατµοσφαιρικό CO 2 κατά την ανάπτυξή τους το οποίο αποδίδουν και πάλι στην ατµόσφαιρα κατά την καύση τους, 6
θεωρείται πως τα καύσιµα βιοντίζελ ρυπαίνουν λιγότερο το περιβάλλον µε το συγκεκριµένο «αέριο του θερµοκηπίου» συγκριτικά µε το πετρέλαιο κίνησης. 11,5 (CO2)dry [% vol] 360 (NOx)dry [ppm] 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 0 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 0 Εικόνα 4. Συγκεντρώσεις CO 2 και NO x στα καυσαέρια Σχετικά µε τις εκποµπές NO x παρατηρείται πως αυξάνουν µε την προσθήκη βιοντίζελ στο καύσιµο, µε τις µέγιστες τιµές να εµφανίζονται κατά τη χρήση καθαρού βιοντίζελ (Β100). Παροµοίως, η ύπαρξη οξυγόνου στο µόριο του βιοντίζελ οδηγεί σε φτωχότερο µίγµα A/F, όπως φαίνεται και από το λόγο λ (εικόνα 5), και αυτό ευνοεί το σχηµατισµό των NO x. Τα αποτελέσµατα της πειραµατικής διαδικασίας του κ. Παπαζήση ήταν παρόµοια. ηλαδή, µε µικρή προσθήκη βιοντίζελ (10%) παρατηρήθηκε µείωση των εκποµπών NO x συγκριτικά µε το καθαρό ορυκτό ντίζελ, αλλά µε αύξηση της ποσότητας βιοντίζελ στο χρησιµοποιούµενο καύσιµο οι εκποµπές NO x παρουσίασαν αυξητική τάση [3]. Οµοίως, στη µελέτη του κ. Σαββίδη και των συνεργατών του παρατηρήθηκε αυξητική τάση των εκποµπών NO x µε την αύξηση του ποσοστού βιοντίζελ (βαµβακέλαιου) [4]. 1,8 K [1/m] 1,8 Λάµδα λ 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 0 0,0 2η (30 Km/h) 3η (50 Km/h) 4η (80 Km/h) 1,0 Εικόνα 5. Συγκεντρώσεις σωµατιδίων αιθάλης στα καυσαέρια και τιµές λ Όπως φαίνεται από την εικόνα 5 παρατηρείται µείωση της θολερότητας (άρα µείωση της συγκέντρωσης σωµατιδίων αιθάλης) στα καυσαέρια όσο αυξάνει το ποσοστό του βιοντίζελ στο χρησιµοποιούµενο καύσιµο και µάλιστα είναι εντονότερο το φαινόµενο µε την αύξηση της ταχύτητας. Οι µικρότερες τιµές παρατηρούνται κατά τη χρήση καθαρού βιοντίζελ (Β100). Όπως ήδη αναφέρθηκε, η ύπαρξη οξυγόνου στο τυπικό µόριο του βιοντίζελ σε συνδυασµό µε τη χαµηλότερη κατά βάρος περιεκτικότητά του σε άνθρακα (περίπου κατά 10%) σε σχέση µε τον τυπικό υδρογονάνθρακα του ορυκτού ντίζελ είναι η αιτία που εµφανίζονται τα παραπάνω αποτελέσµατα. εδοµένου ότι απαιτούνται ποσότητες οξυγόνου και για την οξείδωση της δεσµευµένης αιθάλης στο φίλτρο, είναι φανερό πως το βιοντίζελ λόγω της σύστασής του παρουσιάζει πλεονέκτηµα σε ότι αφορά τις εκποµπές σωµατιδίων αιθάλης συγκριτικά µε το ορυκτό ντίζελ. 7
Η µελέτη του κ. Σαββίδη και των συνεργατών του κατέληξε στο ίδιο συµπέρασµα, µε τη µεγαλύτερη µείωση να εµφανίζεται κατά τη χρήση καθαρού βιοντίζελ (Β100) από βαµβακέλαιο [4]. Η µελέτη, όµως, του κ. Παπαζήση και των συνεργατών του κατέδειξε αύξηση των εκποµπών σωµατιδίων αιθάλης µε αύξηση της προσθήκης βιοντίζελ στο καύσιµο, εκτός από την περίπτωση της προσθήκης 5% κ.ό. βαµβακέλαιο για την οποία παρατηρήθηκαν κατά µέσο όρο παρόµοιες εκποµπές σωµατιδίων αιθάλης όπως αυτές του ορυκτού ντίζελ. Επισηµαίνει, ωστόσο, πως στη µελέτη του, η ανεπάρκεια δεδοµένων σχετικά µε τις εκποµπές σωµατιδίων στην περιοχή από 70 100 km/h απαγορεύει την εξαγωγή ασφαλών συµπερασµάτων [3]. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε χαµηλά ποσοστά στο καύσιµο το βιοντίζελ επιφέρει αύξηση της ισχύος και µπορεί να χρησιµοποιηθεί χωρίς µετατροπές στον κινητήρα Προϋπόθεση βέβαια να υπάρχει συµβατότητα υλικών. Η αύξηση του ποσοστού βιοντίζελ στο καύσιµο µειώνει τις εκποµπές σωµατιδίων αιθάλης κατά τη σύγκριση µε το ορυκτό ντίζελ. Οι υπόλοιποι ρύποι συγκριτικά δεν είναι σηµαντικοί, µε εξαίρεση τα οξείδια του αζώτου. Κατά την καύση µιγµάτων βιοντίζελ οι εκποµπές οξειδίων του αζώτου εµφανίζουν σηµαντική αύξηση και αυτό αποτελεί σοβαρό πρόβληµα. Οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου (CO 2 ) µειώνονται σε ποσοστό που εξαρτάται από την πρώτη ύλη και τη διεργασία παραγωγής του βιοντίζελ (όχι από τη χρήση του). Από τα τέσσερα καύσιµα που χρησιµοποιήθηκαν το Β100 παρουσίασε τα καλύτερα αποτελέσµατα τόσο από πλευράς απόδοσης του κινητήρα όσο και εκποµπής ρύπων. 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. European Parliament (2003), Directive 2003/30/EC, on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport. OJ L 123/42 of 17.5.2003. 2. Τουµπέλη Αθηνά (2007), Επιπτώσεις της Προσθήκης του Βιοντίζελ FAME στην Ποιότητα του Πετρελαίου Κίνησης, 2 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Εναλλακτικών Καυσίµων & Βιοκαυσίµων. 3. Παπαζήσης Κ.Γ., Αντωνάκου Ε., Λάππας Α.Α., Τσάκης Α., Ζάρβαλης., Κωνσταντόπουλος Α. (2007), Χρήση Μιγµάτων Ντίζελ/Βιοντίζελ από Βαµβακέλαιο και Ηλιέλαιο ως Εναλλακτικά Καύσιµα σε Μηχανή Ντίζελ, 2 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Εναλλακτικών Καυσίµων & Βιοκαυσίµων. 4. Dimitrios Savvidis, Vassilios Grammatikis, John Triandafyllis, Mark Pecqueur (2008), An Old Ford Escort 1.6 was Tested on a Chassis Dynamometer and Compared with a New Volvo V70 2.5, Using the Same Blends of Cottonseed Biodiesel and Neat. SAE Paper 2008 01 2611. 5. Brettschneider, v. J. (1979), Calculation of the Air Ratio of Air-Fuel Mixtures and the Influence of Measurement Error on Lambda, Bosch Technische Berichte, Vol 6 (1979) No. 4, pp 177-186, cited in [7] 6. Arcoumanis C. and K.P. Schindler (1997) Mixture formation and combustion in the DI Engine. SAE Paper No. 972681. 7. Bridge analyzers Inc., Lambda Calculation The Brettschneider Equation, general principles and methods White Paper No. 1, Bridge analyzers Inc., Alameda, CA, U.S.A [online] Available from: http://www.allbrit.de/downloads/allgemein/brettschneider_lambda.pdf [Accessed 20 October 2008] 8