ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΩΣ ΚΑΥΣΙΜΟ ΣΕ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ *Αραπατσάκος Ι. Χαράλαµπος, Καρκάνης Ν. Αναστάσιος, Σπάρης. Παναγιώτης * ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Τηλ 25410-79522, E-mail: xarapat@agro.duth.gr Περίληψη Η εργασία αυτή εξετάζει τη χρήση του φυσικού αερίου σε τετράχρονο βενζινοκινητήρα που χρησιµοποιείται για τη κίνηση µικρής γεννήτριας εναλλασσόµενης τάσης. Η ηλεκτρική γεννήτρια λειτουργούσε µε διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία. Κατά την διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα µετρήθηκαν οι εκποµπές του µονοξειδίου του άνθρακα (CO) και των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC). Η χρήση του φυσικού αερίου ως καύσιµo παρουσιάζει µειωµένες εκποµπές CO και HC σε κάθε φορτίο. Η ροή του φυσικού αερίου ήταν ρυθµισµένη έτσι ώστε, στο µέγιστο φορτίο των 2000W η συµπεριφορά του βενζινοκινητήρα από πλευράς απόδοσης να είναι η ίδια µε αυτήν της βενζίνης. Αυτό σηµαίνει ότι όταν χρησιµοποιήθηκε η βενζίνη και όταν χρησιµοποιήθηκε το φυσικό αέριο ως καύσιµα, οι στροφές του κινητήρα ήταν οι ίδιες για κάθε ηλεκτρικό φορτίο χωρίς καµία µεταβολή. Κατά τη διάρκεια των δοκιµών, η κατανάλωση της βενζίνης και του φυσικό αέριου καταγράφονταν για κάθε φορτίο. Η κατανάλωση του φυσικού αερίου που καταγράφηκε ήταν αυτή που αντιστοιχούσε σε ίδια συµπεριφορά του τετράχρονου βενζινοκινητήρα από πλευράς ισχύος και στροφών, µε αυτή που ο κατασκευαστής ορίζει στην περίπτωση της χρήσης της βενζίνης ως καύσιµο. Abstract This paper examines the use of natural gas in a small four-stroke engine of internal combustion that is used for the movement of a small alternative generator. The electrical generator functioned at different electrical loads. CO and HC emissions were observed during the tests. The use of natural gas as fuel showed a CO and HC emissions decrease under different load. The flow of natural gas was regulated so as until the load of 2000W the behavior of the engine from the aspect of efficiency to be the same with that of gasoline. This means that when gasoline was used and also when natural gas was used the engine rpm were the same for every electrical load. During the tests, the consumption of gasoline and natural gas was recorded and it was observed that it increased when the electrical load was increased. The consumption of natural gas that was recorded was that which gives the same behavior of the engine from the aspect of power and engine rpm that the manufacturer gives for the use of gasoline. 1.Εισαγωγή Η ατµοσφαιρική ρύπανση βλάπτει κυρίως την ανθρώπινη υγεία, προκαλώντας αναπνευστικά προβλήµατα όπως εµφύσηµα και άσθµα. Πρόβληµα δηµιουργείται και στα φυτά από την απόθεση των ρύπων στα φύλλα, το χώµα και το νερό. Επιπλέον, η ατµοσφαιρική ρύπανση µπορεί να βλάψει υλικά, ή εξωτερικές επιφάνειες κτηρίων, καθώς και µαρµάρινων µνηµείων [1]. Η ρύπανση της ατµόσφαιρας δεν αναγνωρίζει σύνορα χωρών και οδηγεί σε πολλά προβλήµατα όπως το φαινόµενο του θερµοκηπίου µε την µείωση του προστατευτικού στρώµατος του όζοντος στη στρατόσφαιρα [2]. Μια από τις σηµαντικότερες πηγές που προκαλούν την ατµοσφαιρική ρύπανση στις αστικές περιοχές είναι οδική κυκλοφορία και γενικότερα οι ρύποι που προέρχονται από τις µηχανές εσωτερικής καύσης. Οι κύριοι ρύποι από τις εκποµπές των µηχανών εσωτερικής καύσης είναι το 1
µονοξείδιο άνθρακα (CO), οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC), και τα οξείδια του αζώτου (NOx). Όταν το µονοξείδιο άνθρακα είναι παρόν στους πνεύµονες, µετατοπίζει το οξυγόνο από την αιµογλοβίνη και µειώνει το ποσό οξυγόνου που µπορεί να παραδοθεί στους ιστούς [2]. Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες που παράγονται από την ελλιπή καύση των καυσίµων µπορούν να προκαλέσουν καρκίνο στον άνθρωπο. Επίσης τα οξείδια του αζώτου βοηθούν στον σχηµατισµό όξινης βροχής [3]. Το είδος των καυσίµων που χρησιµοποιούνται για την κίνηση των µηχανών εσωτερικής καύσης αποτελούν καθοριστικό παράγοντα που επηρεάζει την ποιότητα και την ποσότητα των καυσαερίων. Εναλλακτικά καύσιµα χρησιµοποιούνται σήµερα αντί των συνηθισµένων µε σκοπό την µείωση των εκπεµπόµενων ρύπων [4]. Εναλλακτικό καύσιµο που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι το φυσικό αέριο. Το φυσικό αέριο είναι ένα µίγµα αερίων που εµφανίζεται φυσικά και βρίσκεται στους πορώδεις γεωλογικούς σχηµατισµούς, οι οποίοι καλούνται δεξαµενές, κάτω από τη γήινη επιφάνεια. Η χηµική σύνθεση και το ενεργειακό περιεχόµενο του φυσικού αερίου ποικίλλουν ανάλογα µε την πηγή των δεξαµενών. Το φυσικό αέριο είναι κυρίως µίγµα υδρογονανθράκων µε την ακόλουθη σύνθεση: µεθάνιο (93%), αιθάνιο (3.1%), προπάνιο (0.5%), ισοβουτάνιο (0.06%), n-βουτάνιο (0.05%), ισοπεντάνιο (0,02%), n-πεντάνιο (0.02%), εξάνιο (+ 0,04%), Ν 2 (1.2%), και CO 2 (0.6%). Το φυσικό αέριο όταν χρησιµοποιείται στις µηχανές εσωτερικής καύσεως είναι σε υγρή µορφή και αποθηκεύεται σε κυλινδρικές δεξαµενές[5,6]. Η εργασία αυτή εξετάζει πώς το φυσικό αέριο συµπεριφέρεται σε τετράχρονο βενζινοκινητήρα από πλευράς εκποµπών, λειτουργίας και κατανάλωσης. 2.Πειραµατικά αποτελέσµατα Οι πειραµατικές µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε αερόψυκτο, µόνοκύλινδρο, τετράχρονο βενζινοκινητήρα 162cm 3 που χρησιµοποιείται για την κίνηση γεννήτριας εναλλασσόµενης τάσης(230v/50hz), µε µέγιστο ηλεκτρικό φορτίο περίπου 2000W (Εικόνα 1). Η µηχανή λειτουργούσε χωρίς φορτίο και υπό διαφορετικά φορτία 500W, 1000W, 1500W και 2000W, χρησιµοποιώντας ως καύσιµο βενζίνη και φυσικό αέριο. Κατά τη διάρκεια των δοκιµών, γίνονταν µέτρηση του CO και των HC και κατά την χρήση της βενζίνης και κατά την χρήση του φυσικού αερίου, χρησιµοποιώντας διαφορετικά φορτία. Για την µέτρηση αυτή χρησιµοποιήθηκε αναλυτής καυσαερίων τύπου HORIBA MEXA-574GE µε δυνατότητα µέτρησης για το CO: 0-10% κ.ο. ενώ για τους HC: 0-10000 ppm. Επίσης, κατά την διάρκεια της λειτουργίας της µηχανής γίνονταν µέτρηση της κατανάλωσης για κάθε καύσιµο και για κάθε φορτίο λειτουργίας. Εικόνα 1. Η απεικόνιση της πειραµατικής µονάδας 2
Πρέπει να αναφερθεί ότι η ρύθµιση του κινητήρα σχετικά µε την ποσότητα της βενζίνης ήταν αυτός που αναφέρονταν από τον κατασκευαστή, ενώ για το φυσικό αέριο η ποσότητα του αερίου ρυθµίστηκε έτσι ώστε, στο µέγιστο φορτίο των 2000W η συµπεριφορά του βενζινοκινητήρα από πλευράς ισχύος να είναι η ίδια µε αυτήν της βενζίνης. Το διάγραµµα του αριθµού των στροφών του κινητήρα για τη χρήση βενζίνης και φυσικού αερίου σε σχέση µε το ηλεκτρικό φορτίο παρουσιάζεται στο σχήµα 1: 3200 3100 3000 2900 rpm 2800 2700 2600 2500 2400 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 time(s) Σχήµα 1. Ο αριθµός των στροφών του κινητήρα σε σχέση µε το καύσιµο και το ηλεκτρικό φορτίο. Το σχήµα 1 παρουσιάζει τις στροφές του κινητήρα χρησιµοποιώντας ως καύσιµο βενζίνη και φυσικό αέριο, σε σχέση µε το ηλεκτρικό φορτίο. Το χρονικό διάστηµα 0-300s αναφέρεται στην λειτουργία της µηχανής χωρίς φορτίο. Το χρονικό διάστηµα 300-550s αναφέρεται στη λειτουργία της µηχανής υπό φορτίο 500W. Το χρονικό διάστηµα 550-800s αναφέρεται στη λειτουργία της µηχανής υπό φορτίο 1000W. Το χρονικό διάστηµα 800-1000s αναφέρεται στη λειτουργία της µηχανής υπό φορτίο 1500W. Από 1000s µέχρι 1250s η µηχανή λειτουργεί υπό ηλεκτρικό φορτίο 2000W. Από 1250s µέχρι 1350s η µηχανή λειτουργεί υπό ηλεκτρικό φορτίο 1000W. Τέλος, από 1350s µέχρι 1400s η µηχανή λειτουργεί χωρίς φορτίο. Στο σχήµα 1 παρατηρείται µείωση των rpm όταν αυξάνεται το φορτίο. Αυτή η µείωση είναι φυσιολογική και είναι µεταξύ των καθορισµένων ορίων της κανονικής λειτουργίας του ζεύγους κινητήρα-γεννήτριας. Οι µέσες τιµές των στροφών/λεπτό του κινητήρα σε σχέση µε το ηλεκτρικό φορτίο παρουσιάζονται στο σχήµα 2: 3
3200 rpm average 3100 3000 2900 2800 2700 3081 3046 3017 2954 2737 2600 2500 2400 Electrical load (W) Σχήµα 2. Οι µέσες τιµές των στροφών του κινητήρα σε σχέση µε το ηλεκτρικό φορτίο. Οι εκποµπές του CO και των HC κατά την χρήση βενζίνης και φυσικού αερίου, για κάθε φορτίο, παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήµατα: CO% average value 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Natural gas Gasoline Electrical load(w) Σχήµα 3. Η µέση τιµή του CO για τη βενζίνη και το φυσικό αέριο κατά τη διάρκεια των δοκιµών. 4
Το σχήµα 3 αναφέρεται στην µεταβολή των εκποµπών του CO κατά τη διάρκεια των δοκιµών για κάθε ηλεκτρικό φορτίο και για κάθε καύσιµο χωριστά (βενζίνη, φυσικό αέριο). Παρατηρείται σηµαντική µείωση των εκποµπών του CO κατά τη διάρκεια της χρήσης του φυσικού αερίου σε κάθε ηλεκτρικό φορτίο. Σε ότι αφορά στους υδρογονάνθρακες η µεταβολή τους παρουσιάζεται στο σχήµα 4: 500 HC(ppm) average value 400 300 200 100 Natural gas Gasoline 0 Electrical load(w) Σχήµα 4. Η µέση τιµή των HC για τη βενζίνη και το φυσικό αέριο κατά τη διάρκεια των δοκιµών. Στo σχήµα 4 παρατηρείται µείωση των εκποµπών HC κατά τη διάρκεια της χρήσης φυσικού αερίου σε κάθε ηλεκτρικό φορτίο. Η συµπεριφορά της µηχανής από πλευράς στροφών είναι η ίδια και για τη χρήση της βενζίνης και για τη χρήση του φυσικού αερίου. Από πλευράς κατανάλωσης τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήµα 5 : 5
20 Fuel consumption (ml/s) 15 10 5 0 Natural gas Gasoline Electrical load(w) Σχήµα 5. Η κατανάλωση καυσίµων Στο σχήµα 5 παρουσιάζεται η κατανάλωση των δύο καυσίµων σε σχέση µε τα διαφορετικά φορτία. Η κατανάλωση αυξάνεται και κατά την χρήση βενζίνης και κατά την χρήση φυσικού αερίου όταν αυξάνεται το ηλεκτρικό φορτίο της γεννήτριας. 3.Επίλογος Παρατηρείται κατά την χρήση του φυσικού αερίου µείωση στις εκποµπές του CO και των HC σε όλα τα φορτία λειτουργίας. Η ροή φυσικού αερίου ρυθµίστηκε έτσι ώστε η συµπεριφορά του κινητήρα από πλευράς στροφών, να είναι η ίδια µε αυτήν της βενζίνης σε όλα τα φορτία. Αυτό σηµαίνει ότι κατά τη διάρκεια της χρήσης της βενζίνης και κατά τη διάρκεια της χρήσης του φυσικού αερίου οι στροφές/λεπτό του κινητήρα για κάθε ηλεκτρικό φορτίο ήταν οι ίδιες. Τέλος, είναι σηµαντικό το γεγονός ότι το φυσικό αέριο ως καύσιµο, παρουσιάζει µειωµένες εκποµπές και έχει και χαµηλότερο κόστος έναντι της βενζίνης. 6
4.References [1] Ian L. Pepper, Charles P. Gerba, Mark L. Brusseau, "Pollution Science", Academic press, (1996). [2] Buell Ph. And Girard J., "Chemistry An Environmental Perspective", Prentice Hall. Englewood Cliffs, New Jersey 07632, (1994). [3] Harrison M. R., "Pollution: Causes, Effects and Control", Royal Society of Chemistry, (1996). [4] Timothy T. Maxwell and Jesse C. Jones, "Alternative fuels Emissions, Economics and Performance", Published by SAE, (1995). [5] ASTM MNL ''Manual on significance of tests for petroleum products'', 6 th edition by G.V. Dyroff, editor 1993. [6] ASTM D 4150 ''Standard technology relating to gaseous fuels''. 7