ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL ΘΕΟΔΩΡΟΣ Κ. ΖΑΝΝΗΣ Δρ Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π. Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Θ. ΧΟΥΝΤΑΛΑΣ Μέλη Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής: Δ.Θ. ΧΟΥΝΤΑΛΑΣ, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Ε.Δ. ΡΟΓΔΑΚΗΣ, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Κ.Δ. ΡΑΚΟΠΟΥΛΟΣ, Καθηγητής Ε.Μ.Π. 1. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και η θεωρητική εξέταση της επίδρασης συμβατικών και οξυγονούχων καυσίμων diesel στη λειτουργική συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel. Η λειτουργική και περιβαλλοντική αξιολόγηση που διενεργήθηκε είχε αντικειμενικό στόχο να εξετάσει το κατά πόσο και με ποιο τρόπο επηρεάζεται η ενεργειακή απόδοση και οι εκπομπές αέριων και σωματιδιακών ρύπων κινητήρων diesel άμεσης έγχυσης από: - Τη διακύμανση της περιεκτικότητας και της σύστασης σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες των συμβατικών καυσίμων diesel. - Τη μεταβολή των φυσικών (επιφανειακή τάση, πυκνότητα, συνεκτικότητα και συντ. συμπιεστότητας) και των χημικών (αριθμός κετανίου, πτητικότητα και θερμογόνος δύναμη) ιδιοτήτων των υγρών καυσίμων diesel. - Την προσθήκη οξυγόνου στο καύσιμο μέσω της ανάμιξης συμβατικών καυσίμων diesel με συνθετικά παρασκευαζόμενες και βιολογικά ανανεώσιμες οξυγονούχες ενώσεις. Για την εκπλήρωση αυτού του στόχου στήθηκαν αντίστοιχες πειραματικές εγκατα-

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 στάσεις σε δυο μονοκύλινδρους κινητήρες diesel φυσικής αναπνοής ( Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra ) και πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές δοκιμές με δύο σειρές υγρών καυσίμων diesel. Η πρώτη σειρά αποτελούνταν από εννέα συμβατικά και τρία οξυγονούχα καύσιμα με μεταβαλλόμενο αρωματικό περιεχόμενο από 0 ως 27%κ.β. Η δεύτερη σειρά αποτελούνταν από εννέα συμβατικά καύσιμα με μεταβλητές φυσικές ιδιότητες και τρία οξυγονούχα καύσιμα. Τα συμβατικά καύσιμα αυτής της σειράς είχαν χωρισθεί σε ομάδες, έτσι ώστε κάθε ομάδα καυσίμων να έχει αντίστοιχα μεταβαλλόμενη επιφανειακή τάση, πυκνότητα, συνεκτικότητα και συντελεστή συμπιεστότητας. Δύο από τα οξυγονούχα καύσιμα περιείχαν μείγμα διμεθυλαιθέρα και διβουτυλαιθέρα διαιθυλογλυκόλης (γλυκολαιθέρες), οι οποίοι είναι συνθετικά παρασκευαζόμενες οξυγονούχες ενώσεις, ενώ το τρίτο οξυγονούχο μείγμα περιείχε μεθυλεστέρα κραμβελαίου, το οποίο είναι βιοκαύσιμο. Έτσι, διευκολύνθηκε η συγκριτική αξιολόγηση της επίδρασης του είδους του οξυγονούχου πρόσθετου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. Οι πειραματικές διερευνήσεις με τις δύο σειρές καυσίμων έγιναν στα πλαίσια δύο ερευνητικών προγραμμάτων χρηματοδοτούμενων από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Με σκοπό τον προσδιορισμό του μηχανισμού πρόκλησης των αποκλίσεων που παρατηρήθηκαν στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων κατά τη διενέργεια των εργαστηριακών μετρήσεων μεταξύ των καυσίμων, αναπτύχθηκε θερμοδυναμικό μοντέλο προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. Το μοντέλο υπολογίζει τη χρονική εξέλιξη των τοπικών τιμών θερμοκρασίας, σχετικής αναλογίας καυσίμου αέρα, αιθάλης και μονοξειδίου του αζώτου (NO), όπως επίσης και την εξέλιξη της πίεσης στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης, χωρίζοντας τη εγχυόμενη δέσμη καυσίμου σε στοιχειώδη τμήματα («ζώνες»), τα οποία αντιμετωπίζονται ως ανοικτά θερμοδυναμικά συστήματα που συναλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον μέσο. Ο υπολογισμός της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης σε κάθε γωνία στροφάλου και κατ επέκταση της πίεσης καύσης βασίζεται στην επίλυση αντίστοιχων συνήθων διαφορικών εξισώσεων. Η τελική διαμόρφωση του συστήματος Δ.Ε. βασίσθηκε στο κατάλληλο συνδυασμό διαφορικών εκφράσεων του 1 ου Θερμοδυναμικού Νόμου για

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 ανοικτό θερμοδυναμικό σύστημα και της καταστατικής εξίσωσης τελείου αερίου. Η αξιοπιστία των προβλέψεων του πολυζωνικού μοντέλου καύσης πιστοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης των θεωρητικών αποτελεσμάτων για την πίεση καύσης και τις εκπομπές αιθάλης και μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, τόσο για τον κινητήρα Lister LV1, όσο και για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra. Πραγματοποιώντας κατάλληλες τροποποιήσεις στο πολυζωνικό μοντέλο καύσης, έγινε εφικτή η συγκριτική αξιολόγηση της επίδρασης που έχει στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων η αύξηση της διαθέσιμης ποσότητας οξυγόνου στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης είτε μέσω της προσθήκης οξυγόνου στο καύσιμο, είτε μέσω της αύξησης της συγκέντρωσης οξυγόνου στον αέρα εισαγωγής. Για να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς, η σύγκριση αυτή έγινε για την ίδια ποσότητα γραμμομορίων οξυγόνου στο μίγμα αντιδρώντων του θαλάμου καύσης. Απώτερος σκοπός της θεωρητικής ανάλυσης και της πειραματικής διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε ήταν η διαμόρφωση μιας σαφούς και ολοκληρωμένης εικόνας, όσον αφορά στη χημική σύνθεση και τις φυσικές ιδιότητες που θα πρέπει να έχουν τα υγρά καύσιμα στο εγγύς μέλλον, ώστε να έχουμε ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και διατήρηση ή και βελτίωση της οικονομίας καυσίμου από τον υπάρχοντα και το μελλοντικό στόλο κινητήρων diesel. 2. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΚΑΥΣΗΣ ΚΑΙ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΡΥΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL Για την προσομοίωση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης κατά τη διάρκεια του κλειστού κύκλου λειτουργίας (βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής κλειστές), αναπτύχθηκε ένα δισδιάστατο πολυζωνικό μοντέλο καύσης. Σύμφωνα με αυτό, η δέσμη του καυσίμου που προκύπτει κατά τη διάρκεια της έγχυσης χωρίζεται σε διακριτούς όγκους ελέγχου που ονομάζονται «ζώνες». Κάθε ζώνη αντιμετωπίζεται ως ανοικτό θερμοδυναμικό σύστημα το οποίο συναλλάσσει ενέργεια και μάζα

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 με το περιβάλλον του. Η διαμέριση της δέσμης του καυσίμου σε «ζώνες» επιτρέπει τον υπολογισμό της θερμοκρασίας και της χημικής σύστασης κάθε ζώνης σε κάθε μοίρα στροφάλου. Η καύση σε ένα κινητήρα diesel χαρακτηρίζεται από μεγάλη πολυπλοκότητα. Καθώς το υγρό καύσιμο εγχύεται στο θάλαμο καύσης, ο οποίος περιέχει αέρα υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας, ατμοποιείται και αναμιγνύεται με τον αέρα που εισέρχεται στη δέσμη (φυσική προετοιμασία). Στη συνέχεια, οι ατμοί του καυσίμου διασπώνται σε ελαφρύτερα κλάσματα υδρογονανθράκων (χημική προετοιμασία καυσίμου). Το καύσιμο δεν αναφλέγεται αμέσως, αλλά μετά από ορισμένο χρονικό διάστημα, το οποίο είναι γνωστό ως «Καθυστέρηση Ανάφλεξης». Στη συνέχεια, ξεκινά η καύση των ατμοποιημένων ποσοτήτων καυσίμου σε κάθε ζώνη. Οι θερμοδυναμικές συνθήκες σε κάθε ζώνη υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τον 1 ο Θερμοδυναμικό Νόμο και τους νόμους διατήρησης μάζας και ορμής, ενώ η πίεση στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης θεωρείται ότι είναι ομοιόμορφη. Ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας σε κάθε ζώνη εξαρτάται άμεσα από την ενέργεια που εισέρχεται στη ζώνη λόγω του ατμοποιημένου καυσίμου και του αέρα διείσδυσης, τις απώλειες θερμότητας, τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αέριου μείγματος της ζώνης και του στοιχειώδους τεχνικού έργου. Συνδυάζοντας όλες αυτές τις εξισώσεις, προκύπτει μια συν διαφορική εξίσωση, η οποία επιλυόμενη αποδίδει την πίεση καύσης στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης. Μετά την επίλυση αυτής της διαφορικής εξίσωσης, ολοκληρώνουμε τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής για κάθε ζώνη, με σκοπό τον υπολογισμό της τοπικής θερμοκρασίας μέσα στη ζώνη. Μια αντιπροσωπευτική περιγραφή της διασποράς του καυσίμου σε ζώνες κατά την ακτινική και αξονική διεύθυνση, όπως επίσης και η επίδραση του πεδίου ροής του αέρα στην κίνηση της δέσμης του καυσίμου δίνεται στην εικόνα 1.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 Εικόνα 1. Σχηματική απεικόνιση του πεδίου ροής αέρα και μιας εκ των τριών δεσμών καυσίμου σε ένα επίπεδο κάθετο στον άξονα του κυλίνδρου 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΔΟΚΙΜΗΣ Τα καύσιμα που εξετάσθηκαν στην παρούσα διατριβή αποτελούνταν από δύο σειρές μειγμάτων diesel που παρασκευάσθηκαν στα πλαίσια αντίστοιχων ερευνητικών προγραμμάτων στα οποία συμμετείχε η ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Δ.Θ. Χουντάλα: α. Η 1 η σειρά καυσίμων είχε ως κύριο στόχο την εξέταση του ποσοστού αρωματικών υδρογονανθράκων (Y/A) στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel. β. Η 2 η σειρά καυσίμων δοκιμής είχε ως βασικό σκοπό τη μελέτη της επίδρασης των φυσικών ιδιοτήτων στη λειτουργική συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων από κινητήρες diesel. Ορισμένα μείγματα και στις δύο σειρές καυσίμων περιείχαν οξυγονούχα πρόσθετα (συνθετικές οξυγονούχες ενώσεις και biodiesel), επιτρέποντας έτσι την εξέταση της επίδρασης του ποσοστού οξυγόνου και του τύπου του οξυγονούχου πρόσθετου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 3.1 Πρώτη σειρά καυσίμων δοκιμής: Συμβατικά & οξυγονούχα καύσιμα με μεταβλητό αρωματικό περιεχόμενο Στο πλαίσιο ενός ερευνητικού προγράμματος, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Κοινότητα, παρασκευάσθηκαν από μια εταιρεία καυσίμων στη Φινλανδία, δεκατρία (13) καύσιμα δοκιμής, τα οποία είχαν διαφορετικό αρωματικό περιεχόμενο. Σκοπός του προγράμματος ήταν η εξέταση της επίδρασης του ποσοστού αρωματικών υδρογονανθράκων στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel με τελικό στόχο τον προσδιορισμό του ποσοστού εκείνου πέραν του οποίου περαιτέρω αύξηση της ποσότητας αρωματικών στο καύσιμο δεν θα είχε ουσιαστική επίπτωση στις εκπομπές αιθάλης. Το ερευνητικό έργο πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του κοινοτικού προγράμματος JOULE II και είχε τίτλο: Low Aromatic Threshold: Determination of an Aromatic Threshold in Diesel Fuels concerning the Soot/Particulate and Gaseous Emissions. Εκτός του Ε.Μ.Π., στο έργο συμμετείχαν διάφορα ευρωπαϊκά εργαστήρια και ερευνητικά ινστιτούτα, τα οποία πραγματοποίησαν εργαστηριακές δοκιμές σε διαφορετικούς τύπους κινητήρων diesel (άμεσης και έμμεσης έγχυσης) και σε πετρελαιοκίνητα οχήματα. Η χημική σύσταση και οι φυσικοχημικές ιδιότητες των συμβατικών και οξυγονούχων καυσίμων diesel που χρησιμοποιήθηκαν στις εργαστηριακές δοκιμές περιγράφεται αναλυτικά στην παραπομπή [1]. Η παρασκευή των καυσίμων έγινε με βάση τους ακόλουθους περιορισμούς: - Να παραμείνει η περιεκτικότητα σε θείο του καυσίμου όσο το δυνατόν χαμηλότερη (<50 ppm). - Να διατηρηθεί η καμπύλη απόσταξης εντός περιορισμένων ορίων. - Να μην υπάρχουν σημαντικές μεταβολές στις φυσικές ιδιότητες του καυσίμου. Διάφορες ποσότητες καυσίμου diesel, τολουενίου (υδρογονάνθρακας με έναν αρωματικό δακτύλιο) και μεθυλοναφθαλενίου (υδρογονάνθρακας με δύο αρωματικούς δακτυλίους) προστέθηκαν στο καύσιμο D1 με σκοπό την παρασκευή των καυσίμων D2 ως D12. Το D1 είναι συνθετικό καύσιμο, με υψηλή περιεκτικότητα σε παραφίνες (95%κ.β.) και αρωματικό περιεχόμενο κοντά στο μηδέν (<1%κ.β.). Το D0, το οποίο είναι ένα καύσιμο χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο που διατίθεται στην Ευρώπη και είναι σχεδιασμένο για οχήματα diesel, χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο αναφοράς

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 κατά τις δοκιμές στον κινητήρα. 3.2 Δεύτερη σειρά καυσίμων δοκιμής: Συμβατικά καύσιμα με μεταβλητές φυσικές ιδιότητες & οξυγονούχα καύσιμα Η σειρά αυτή αποτελούνταν από εννέα συμβατικά και τρία οξυγονούχα καύσιμα diesel. Τα καύσιμα παρασκευάσθηκαν στο ερευνητικό ινστιτούτο Fortum Oil & Gas Oy της Φινλανδίας στα πλαίσια του ερευνητικού έργου με τίτλο: New Diesel Engines and New Diesel Fuels NΕDΕNΕF : Influence of Future Formulations on Emissions and Performance of New DI Diesel Technology. Το έργο χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Κοινότητα στα πλαίσια του προγράμματος Ανταγωνιστική και Βιώσιμη Ανάπτυξη (Competitive & Sustainable Growth). Οι βασικοί στόχοι του προγράμματος NΕDΕNΕF ήταν: - Ο προσδιορισμός των αναγκών που έχουν οι σύγχρονοι κινητήρες diesel αυτοκινήτων και φορτηγών για καύσιμα με δεδομένα χαρακτηριστικά, ώστε να επιτυγχάνεται ο βέλτιστος συνδυασμός καυσίμου κινητήρα όσον αφορά στην αύξηση του βαθμού απόδοσης και τη μείωση των εκπομπών ρύπων. - Η αναγνώριση ορισμένων πολλά υποσχόμενων, όσον αφορά στη μείωση των εκπομπών ρύπων, εναλλακτικών καυσίμων diesel. Τα καύσιμα του ερευνητικού έργου NΕDΕNΕF παρασκευάσθηκαν με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης των παρακάτω χαρακτηριστικών καυσίμου στη λειτουργική συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων σύγχρονων κινητήρων diesel με υψηλή πίεση έγχυσης: - Επιφανειακή Τάση. - Πυκνότητα. - Συνεκτικότητα. - Συντελεστής Συμπιεστότητας. - Ποσοστό Οξυγόνου. Η επιφανειακή τάση και η συμπιεστότητα, ως ιδιότητες του καυσίμου, γίνονται αντικείμενο επισταμένης έρευνας για πρώτη φορά. Στόχος αυτής της έρευνας ήταν η κατανόηση της επίδρασης του καυσίμου στη συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Αναλυτική περιγραφή της χημικής σύνθε-

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 σης, των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων της 2 ης σειράς καυσίμων δοκιμής δίνεται στην παραπομπή [1]. 3.3 Στατιστική ανάλυση συσχέτισης της χημικής σύνθεσης με τις φυσικοχημικές ιδιότητες του καυσίμου Κατά την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών των καυσίμων δοκιμής, διαπιστώθηκε ότι υπάρχει σχέση αλληλεξάρτησης μεταξύ των ιδιοτήτων του καυσίμου, η οποία μεταξύ ορισμένων από αυτές είναι ιδιαίτερα ισχυρή. Επομένως, είναι ιδιαίτερα δύσκολο οι μεταβολές που παρατηρούνται στη λειτουργική συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων πετρελαιοκινητήρων κατά τη δοκιμή καυσίμων να αποδοθούν σε μια ή περισσότερες ιδιότητες του καυσίμου. Αυτό οφείλεται στο ότι η μεταβολή μιας ιδιότητας επισύρει τη μεταβολή μιας ή περισσότερων ιδιοτήτων που είναι εξαρτημένες άμεσα ή έμμεσα από αυτή. Έτσι, οποιαδήποτε απόπειρα απευθείας συσχέτισης μεταξύ πειραματικών τιμών ρύπων και ιδιοτήτων καυσίμου θα οδηγούσε σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η πραγματοποίηση μιας στατιστικής ανάλυσης συσχέτισης μεταξύ των ιδιοτήτων του καυσίμου με σκοπό τον προσδιορισμό των ζευγών ιδιοτήτων καυσίμου που είναι στατιστικά ανεξάρτητα μεταξύ τους. Έτσι, πραγματοποιείται μια ανάλυση πολλαπλών μεταβλητών (multivariable analysis) για να προσδιορισθούν οι συντελεστές συσχέτισης μεταξύ της χημικής σύστασης και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του καυσίμου. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται ενδεικτικά τα αποτελέσματα της ανάλυσης πολλαπλών μεταβλητών για τις ιδιότητες της 1 ης σειράς καυσίμων δοκιμής. Ο πίνακας απεικονίζει την αντίστοιχη στατιστική συσχέτιση Pearson (Pearson product moment correlation) για κάθε ζεύγος ιδιοτήτων καυσίμου. Οι συντελεστές συσχέτισης R 2 κυμαίνονται μεταξύ 1 και +1 και αντιστοιχούν στο βαθμό γραμμικής συσχέτισης μεταξύ των χαρακτηριστικών του καυσίμου. Σε κάθε θέση του πίνακα, δίνεται η τιμή του συντελεστή Pearson Ρ, η οποία αντιπροσωπεύει τη στατιστική σημαντικότητα των εκτιμώμενων συσχετίσεων. Τιμές του συντελεστή Pearson Ρ μικρότερες από 0.05 δείχνουν στατιστικά σημαντικές μη

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 μηδενικές συσχετίσεις στο 95% του βαθμού εμπιστοσύνης. Όλα τα άλλα ζεύγη που έχουν τιμές του συντελεστή Pearson Ρ μεγαλύτερες από 0.05 απορρίπτονται επειδή έχουν πολύ ισχυρή συσχέτιση μεταξύ τους. Πίνακας 1. Συντελεστές συσχέτισης ιδιοτήτων καυσίμου 1 η Σειρά Καυσίμων Δοκιμής. Αριθμός Κετανίου Λόγος C/H Πυκνότητα Διαρωματικοί Υ/Α Θερμ. Απόσταξης 50% Τελικό Σημείο Βρασμού Θερμογόνος Δύναμη Αρχικό Σημείο Βρασμού Μονοαρωματικοι Υ/Α Ναφθενικοί Υ/Α Παραφι -νικοί Υ/Α Αρωματικοί Υ/Α Συνεκτικότητα Αριθμός Κετανίου 1 Λόγος C/H *-0.92 **0.00 1 Πυκνότητα -0.86 0.99 0.00 0 1 Διαρωματικοί Υ/Α -0.70 0.46 0.32 0.04 0.21 0.39 1 Θερμ. Απόσταξης 50% -0.62 0.85 0.92-0.07 0.08 0.01 0.00 0.87 1 Τελικό Σημείο Βρασμού -0.57 0.51 0.54 0.16 0.48 0.11 0.16 0.13 0.67 0.19 1 Θερμογόνος Δύναμη 0.62-0.47-0.40-0.49-0.21 0.14 0.07 0.20 0.29 0.18 0.60 0.72 1 Αρχικό Σημείο Βρασμού -0.52 0.44 0.39 0.48 0.24 0.33 0.06 0.15 0.24 0.30 0.19 0.54 0.39 0.88 1 Μονοαρωματικοί Υ/Α -0.75 0.93 0.97 0.12 0.98 0.53-0.31 0.30 0.02 0.00 0.00 0.76 0.00 0.14 0.42 0.44 1 Ναφθενικοί Υ/Α -0.77 0.92 0.96 0.16 0.94 0.51-0.45 0.25 0.96 0.02 0.00 0.00 0.69 0.00 0.16 0.22 0.52 0.00 1 Παραφινικοί Υ/Α 0.83-0.96-0.98-0.24-0.93 0.53 0.45 0.31-0.97-0.99 0.01 0.00 0.00 0.53 0.00 0.14 0.23 0.41 0.00 0.00 1 Αρωματικοί Υ/Α -0.92 0.99 0.99 0.45 0.86 0.54-0.45 0.43 0.94 0.92-0.96 0.00 0.00 0.00 0.22 0.00 0.14 0.23 0.25 0.00 0.00 0.00 1 Συνεκτικότητα -0.65 0.88 0.94-0.01 0.99 0.48-0.22 0.26 0.99 0.96-0.95 0.88 0.06 0.00 0.00 0.98 0.00 0.20 0.58 0.50 0.00 0.00 0.00 0.02 1 *Οι τιμές με έντονους χαρακτήρες δηλώνουν συντελεστές συσχέτισης R 2. **Οι τιμές με κανονικούς χαρακτήρες αντιστοιχούν σε τιμές P. 4. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Για την πραγματοποίηση του πειραματικού μέρους της διατριβής στήθηκαν πειραματικές διατάξεις στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π., με σκοπό τη λήψη

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 10 πειραματικών μετρήσεων από τους κινητήρες diesel Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra. 4.1 Περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης του κινητήρα Lister LV1 Η Εικόνα 2 παρουσιάζει ένα γενικό, απλοποιημένο σχεδιάγραμμα, στο οποίο διακρίνονται αφενός μεν τα διάφορα επιμέρους τμήματα της πειραματικής εγκατάστασης, αφετέρου δε η συνδεσμολογία κάθε τμήματος με τα υπόλοιπα. Σε αυτή την εικόνα διακρίνονται τα παρακάτω βασικά στοιχεία που αποτελούν το χρησιμοποιούμενο πειραματικό εξοπλισμό: Μονοκύλινδρος κινητήρας diesel Lister LV1. Υδραυλικό δυναμόμετρο Heenan & Froude. Διάταξη μέτρησης της παροχής αναρροφούμενου αέρα. Διάταξη μέτρησης παροχής καυσίμου. Αναλυτές καυσαερίων. Διατάξεις μέτρησης θερμοκρασιών. Διατάξεις μέτρησης πιέσεων αερίων κυλίνδρου και εγχυθέντος υγρού καυσίμου. Διάταξη καταγραφής Α.Ν.Σ. Διάταξη ελέγχου σημάτων κατά τη διάρκεια της μετρητικής διεργασίας (παλμογράφος). Σύστημα αναλογοψηφιακής εγγραφής και πρόγραμμα δειγματοληψίας και ελέγχου. Δευτερεύουσες μετρητικές διατάξεις. Ο κινητήρας Lister LV1 είναι άμεσης έγχυσης, τετράχρονος (4-Χ), μονοκύλινδρος, αερόψυκτος, φυσικής αναπνοής, βιομηχανικού τύπου. Η κεφαλή του εμβόλου έχει κοίλη διαμόρφωση. Ο κινητήρας έχει διάμετρο κυλίνδρου 85.73 mm και διαδρομή εμβόλου 82.55 mm. Το πεδίο λειτουργίας του καλύπτει ταχύτητες περιστροφής μεταξύ 1000 και 3000 σαλ ενώ ο λόγος συμπίεσης είναι 18:1. Το σώμα του κυλίνδρου του κινητήρα είναι από αλουμίνιο, ενώ η παράπλευρη εξωτερική επιφάνειά του είναι καλυμμένη από κατάλληλα διαμορφωμένα πτερύγια ψύξεως. Ο όγκος εμβολισμού του κινητήρα είναι 476.5

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 11 cm 3, ενώ η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς στον άξονα είναι περίπου 6.7 kw στις 3000 σαλ. Η μέγιστη αποδιδόμενη στρεπτική ροπή είναι 25 Νm στις 2000 σαλ. Το καύσιμο εγχύεται στον κινητήρα μέσω εγχυτήρα, ο οποίος βρίσκεται τοποθετημένος υπό μικρή κλίση στην κεφαλή του κυλίνδρου. Ο εγχυτήρας φέρει ακροφύσιο τριών οπών διαμέτρου 0.23 mm έκαστη, ενώ η πίεση ανοίγματός του είναι 180 bar. Η αντλία καυσίμου υψηλής πίεσης, η οποία παίρνει κίνηση με κατάλληλο μηχανισμό από τον εκκεντροφόρο άξονα, είναι παλινδρομικού τύπου της εταιρείας Bryce Berger. Η αντλία καυσίμου βρίσκεται σε σύνδεση με κατάλληλο ρυθμιστή στροφών μηχανικού τύπου και μεταβλητής ταχύτητας περιστροφής. Εικόνα 2. Σχηματική απεικόνιση της πειραματικής εγκατάστασης του κινητήρα diesel Lister LV1. Στον κινητήρα Lister LV1 ο στατικός χρονισμός έγχυσης είναι 26 o CA πριν το Α.Ν.Σ. Οι βαλβίδες, μια εξαγωγής και μια εισαγωγής, λειτουργούν με τη βοήθεια ζυγώθρων, τα οποία με τη σειρά τους παίρνουν κίνηση από τον εκκεντροφόρο άξονα με τις αντίστοιχες ωστηρίους ράβδους. Η βαλβίδα εισαγωγής έχει διάμετρο 34.5 mm, ενώ η βαλβίδα εξαγωγής 31.5 mm.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 12 Σύμφωνα με τα στοιχεία που δίνει ο κατασκευαστής, ο στατικός χρονισμός των βαλβίδων έχει ως ακολούθως: α. Εισαγωγής: Άνοιγμα: 15 o CA πριν Α.Ν.Σ. Κλείσιμο: 41 ο CA μετά Κ.Ν.Σ. β. Εξαγωγής: Άνοιγμα: 41 ο CA πριν Κ.Ν.Σ. Κλείσιμο: 15 ο CA μετά Α.Ν.Σ. Οι Εικόνες 3(α)-(β) παρουσιάζουν την πραγματική απεικόνιση όλης της πειραματικής εγκατάστασης του κινητήρα Lister LV1 εντός του χώρου του Εργ. Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π.. ( ) Εικόνα 3. (α) Άποψη του κινητήρα Lister LV1 και (β) Γενική άποψη της πειραματικής εγκατάστασης, όπου διακρίνεται ο παλμογράφος παρακολούθησης σημάτων και οι αναλυτές καυσαερίων. ( ) 4.2 Περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης του κινητήρα Ricardo/ Cussons Hydra Μια δεύτερη πειραματική εγκατάσταση μετά από εκείνη του κινητήρα Lister LV1 διαμορφώθηκε και χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση μιας εκτεταμένης πειραματικής διερεύνησης με σκοπό την εξέταση της επίδρασης της χημικής σύνθεσης και των φυσικών ιδιοτήτων συμβατικών και μη καυσίμων στη λειτουργική συμπεριφορά και στις εκπομπές ρύπων από κινητήρες diesel. H εγκατάσταση αποτελείται από τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra, την πέδη, το μετασχηματιστή, τον «Πίνακα Ελέγχου Λειτουργίας» του κινητήρα, τη διάταξη μέτρησης της παροχής καυσίμου, τη διάταξη δειγματοληψίας μετρήσεων με τον Η/Υ και τη φορητή εγκατάσταση των αναλυτών καυσαερίων (NO, CO και HC).

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 13 Εικόνα 4. Σχηματική απεικόνιση της πειραματικής εγκατάστασης του κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra. Ο κινητήρας Ricardo/Cussons Hydra είναι πειραματικός μονοκύλινδρος υδρόψυκτος κινητήρας diesel φυσικής αναπνοής με έναν επικεφαλής εκκεντροφόρο, ο οποίος παρέχει κίνηση σε δύο βαλβίδες. Έχει λόγο συμπίεσης 20:1, διάμετρο κυλίνδρου 80.26 mm, διαδρομή εμβόλου 88.9 mm, μήκος διωστήρα 180 mm και ο όγκος εμβολισμού του είναι 450 ml (0.45 l). Ο κινητήρας έχει μέγιστη ταχύτητα περιστροφής 4500 σαλ και αποδίδει μέγιστη πραγματική ισχύ ίση με 8 kw (όριο καπνισμού). Η μέγιστη πίεση καύσης του φθάνει τα 120 bar. Στον Πίνακα 2 δίνεται ο χρονισμός των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής. Πίνακας 2. Χρονισμός βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής του κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra Άνοιγμα Βαλβίδας Εισαγωγής Κλείσιμο Βαλβίδας Εισαγωγής Άνοιγμα Βαλβίδας Εξαγωγής Κλείσιμο Βαλβίδας Εξαγωγής 10 o CA πριν το Α.Ν.Σ 42 o CA μετά το Κ.Ν.Σ 58 o CA πριν το Κ.Ν.Σ 10 o CA μετά το Α.Ν.Σ Οι Εικόνες 5(α)-(β) παρουσιάζουν την πραγματική απεικόνιση της πειραματικής διάταξης του πετρελαιοκινητήρα Ricardo/Cussons Hydra, όπως αυτή είναι εγκατεστημένη στο Εργ. Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π..

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 14 ( ) ( ) Εικόνα 5. (α) Μερική άποψη της εγκατάστασης του κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra, όπου διακρίνεται ο πίνακας ελέγχου της λειτουργίας του κινητήρα και (β) Άποψη της εγκατάστασης του κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra, όπου διακρίνεται η διάταξη μέτρησης της κατανάλωσης καυσίμου και οι αναλυτές καυσαερίων. 5. ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 5.1 Διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων Κατά τη διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων καταγράφονταν τα ακόλουθα μεγέθη: Παροχή καυσίμου. Παροχή αναρροφούμενου αέρα με χρήση της συσκευής Alcock. Ένδειξη υδραυλικής πέδης. Σήμα πίεσης καύσης, σήμα πίεσης έγχυσης και θέσης Α.Ν.Σ. (Σε κάθε περίπτωση μέτρησης καταγράφονταν πειραματικές τιμές από 100 συνεχείς κύκλους 4-Χ λειτουργίας). Πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος. Θερμοκρασία εξαγωγής καυσαερίων. Αιθάλη. Εκπομπές αερίων ρύπων (NO, CO και HC). Στον κινητήρα Lister LV1 οι πειραματικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στις 1500, 2000 και 2500 σαλ και σε τέσσερα διαφορετικά σημεία λειτουργίας του κινητήρα: 20%,

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 15 40%, 60% και 80% του πλήρους φορτίου για τα δεκατρία καύσιμα μεταβλητού αρωματικού περιεχομένου. Στα ίδια φορτία και στις 2500 σαλ πραγματοποιήθηκαν οι εργαστηριακές δοκιμές με τα δώδεκα καύσιμα μεταβλητών φυσικών ιδιοτήτων. Σε όλη τη διάρκεια των μετρήσεων έγινε προσπάθεια να διατηρηθούν σταθερά τα ακόλουθα μεγέθη: Η στατική προπορεία του κινητήρα, η οποία είχε ρυθμιστεί στις 26 ο γωνίας στροφάλου πριν το Α.Ν.Σ.. Η πίεση και η θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής. Συγκεκριμένα, η θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής διατηρήθηκε περίπου ίση με 24 ο C και η πίεση ίση με 1.01 bar. Στον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra οι πειραματικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στις 2000 σαλ και σε τρία διαφορετικά σημεία λειτουργίας του κινητήρα: 40%, 60% και 80% του πλήρους φορτίου. 5.2 Επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων Πολλά από τα πειραματικά μεγέθη δεν προκύπτουν από την απευθείας ανάγνωση ή καταγραφή της ένδειξης του αντίστοιχου οργάνου, αλλά κατόπιν επεξεργασίας με τη βοήθεια κατάλληλων μαθηματικών σχέσεων. Γι αυτό αναπτύχθηκε ένας υπολογιστικός κώδικας σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN, με σκοπό την επεξεργασία των σημάτων πίεσης καύσης, πίεσης έγχυσης και θέσης Α.Ν.Σ. και τον προσδιορισμό του «μέσου» (επί των 100 κύκλων) διαγράμματος πίεσης καύσης και του αντίστοιχου διαγράμματος πίεσης έγχυσης. Στη συνέχεια, ο κώδικας αξιοποιεί τα «μέσα» διαγράμματα πίεσης καύσης και πίεσης έγχυσης, με σκοπό τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, αλλά και των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα όπως η προπορεία έγχυσης, η καθυστέρηση ανάφλεξης, η ενδεικνυόμενη ισχύς και η διάρκεια καύσης.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 16 6. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DIESEL Εξετάσθηκε η επίδραση του συνολικού αρωματικού περιεχομένου, των μονοαρωματικών και διαρωματικών υδρογονανθράκων καυσίμων diesel στα χαρακτηριστικά της καύσης και κυρίως στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. Για το σκοπό αυτό αναλύθηκαν οι πειραματικές μετρήσεις που ελήφθησαν στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος JOULE III, με στόχο τον προσδιορισμό της βέλτιστης περιεκτικότητας σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες των συμβατικών καυσίμων diesel, ώστε να επιτυγχάνεται ελαχιστοποίηση των αέριων και σωματιδιακών εκπομπών. Τα καύσιμα αυτού του προγράμματος είχαν μεταβλητό μονοαρωματικό, διαρωματικό και πολυαρωματικό περιεχόμενο και εξετάσθηκαν σε έναν κινητήρα diesel αμέσου έγχυσης Lister LV1 σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, επιτρέποντας την εξέταση των επιδράσεων στα χαρακτηριστικά της καύσης και στις εκπομπές ρύπων. 6.1 Συμπεράσματα για την επίδραση των αρωματικών υδρογονανθράκων του καυσίμου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel Η εξέταση της επίδρασης του είδους και της ποσότητας των αρωματικών υδρογονανθράκων στις παραμέτρους λειτουργίας και στους αέριους και σωματιδιακούς ρύπους οδήγησε στα ακόλουθα συμπεράσματα: α. Η καθυστέρηση ανάφλεξης αυξάνει με το συνολικό αρωματικό περιεχόμενο του καυσίμου λόγω της μείωσης του αριθμού κετανίου, ενώ η μέγιστη πίεση καύσης αυξάνει ελαφρώς. Συνολικά, μπορεί να λεχθεί ότι το αρωματικό περιεχόμενο φαίνεται να μην έχει σημαντική επίδραση στη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα. β. Η αιθάλη αυξάνεται ακολουθώντας την αύξηση των αρωματικών υδρογονανθράκων στο καύσιμο. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, η αύξηση της αιθάλης είναι ιδιαίτερα έντονη για τιμές του ποσοστού των αρωματικών υδρογονανθράκων στο καύσιμο μικρότερη από 15%, ενώ για μεγαλύτερες τιμές του αρωματικού ποσοστού η μεταβολή της αιθάλης είναι σχεδόν αμελητέα. Παρόμοια αποτελέσματα ελήφθησαν και

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 17 κατά τη θεώρηση της μεταβολής του ποσοστού μονοαρωματικών υδρογονανθράκων. Συνεπώς, σημαντικές μειώσεις στις εκπομπές αιθάλης από κινητήρες diesel μπορούν να επιτευχθούν με μείωση του ποσοστού αρωματικών υδρογονανθράκων κάτω από το 14-15%κ.β. γ. Σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα, η αύξηση του ποσοστού αρωματικών υδρογονανθράκων στο καύσιμο από 0% σε 27% οδηγεί σε αύξηση του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ). Αυτή μπορεί να αποδοθεί στην αύξηση της ποσότητας του καυσίμου που καίγεται προαναμεμειγμένα ως αποτέλεσμα της αύξησης της καθυστέρησης ανάφλεξης. δ. Η αύξηση του λόγου άνθρακα προς υδρογόνο, λόγω της αύξησης του ποσοστού αρωματικών, αποτελεί μια πιθανή αιτία για την αύξηση των εκπομπών CO και HC. ε. Η αντικατάσταση των μονοαρωματικών από διαρωματικούς υδρογονάνθρακες οδηγεί σε αύξηση των εκπομπών CO και HC και σε μια μικρή βελτίωση της καμπύλης μεταβολής ειδικής κατανάλωσης καυσίμου/νο, αλλά έχει αρνητική επίδραση στην αντίστοιχη καμπύλη μεταβολής αιθάλης/νο. µ (%) 32 28 24 20 16 12 320 280 2500-40% R 2 = 0.88 NO (ppm) 240 200 160 120 R 2 = 0.87 80 40 0 4 8 12 16 20 24 28. µ µ (%..) Σχήμα 1. Μεταβολή της αμαύρωσης αιθάλης και των εκπομπών ΝΟ με το συνολικό αρωματικό περιεχόμενο στις 2500 σαλ και στο 40% του πλήρους φορτίου Πειραματικά αποτελέσματα από τον κινητήρα Lister LV1.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 18 στ. Οι τιμές αιθάλης που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας τα καύσιμα δοκιμής, αξιοποιήθηκαν σε μια ανάλυση ευαισθησίας βασισμένη σε γραμμική ανάλυση πολλαπλής παρεμβολής, με σκοπό την επιβεβαίωση των συμπερασμάτων που ελήφθησαν από την πειραματική διερεύνηση. Η ανάλυση αυτή απεκάλυψε ότι οι εκπομπές αιθάλης επηρεάζονται, κατά σειρά σημαντικότητας, από: i. Το λόγο άνθρακα προς υδρογόνο (C/H Ratio). ii. Το τελικό σημείο βρασμού (FBP). iii. Τον αριθμό κετανίου. iv. Το αρχικό σημείο βρασμού (IBP). v. Το ποσοστό μονοαρωματικών υδρογονανθράκων. vi. Το ποσοστό συνολικών αρωματικών υδρογονανθράκων. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι τόσο η απευθείας επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων, όσο και η στατιστική ανάλυση όχι μόνο αναγνώρισαν την άρρηκτη σχέση μεταξύ των αρωματικών υδρογονανθράκων του καυσίμου και των εκπομπών αιθάλης, αλλά απεκάλυψαν επίσης τη σχετική επίδραση απλών και σύνθετων αρωματικών δομών στο σχηματισμό της αιθάλης. 7. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DIESEL Εξετάσθηκε κυρίως η επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων των συμβατικών καυσίμων diesel στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel. Συγκεκριμένα, αξιοποιώντας πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν για τα καύσιμα DI1 - DI9 του ερευνητικού προγράμματος NEDENEF από τους κινητήρες diesel Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra, εξετάζεται η επίδραση της επιφανειακής τάσης, της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συμπιεστότητας στα λειτουργικά χαρακτηριστικά και στις εκπομπές ρύπων των δύο κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 19 7.1 Συμπεράσματα για την επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων του καυσίμου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel Αξιοποιώντας τα πειραματικά αποτελέσματα από τους κινητήρες Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra, προέκυψαν τα ακόλουθα γενικά συμπεράσματα για την επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων καυσίμου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel: α. Η μεταβολή της επιφανειακής τάσης του καυσίμου δεν προκαλεί αξιοσημείωτες μεταβολές στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. β. Η αύξηση της πυκνότητας σε συνδυασμό με την αύξηση της συνεκτικότητας και τη μείωση του συντελεστή συμπιεστότητας προκαλεί (βλ. Σχήματα 2 & 3): i. Ταχύτερη έναρξη της έγχυσης και της καύσης. ii. Μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης. iii. Αύξηση του ρυθμού ανόδου της πίεσης έγχυσης και ελαφρά μεγαλύτερες μέγιστες πιέσεις έγχυσης. iv. Μικρή αύξηση της πίεσης καύσης. v. Αύξηση της αιθάλης. vi. Μείωση της συνολικά εκπεμπόμενης ποσότητας ακαύστων υδρογονανθράκων (HC). Αξίζει να αναφερθεί ότι στον κινητήρα Lister LV1 παρατηρήθηκε τάση για αύξηση των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου (NO) και μικρή μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. Όμως, οι παρατηρήσεις αυτές δεν επαληθεύτηκαν από τα πειραματικά ευρήματα του κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra. Επίσης, με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα και των δύο κινητήρων δεν έγινε δυνατή η διαμόρφωση μιας ξεκάθαρης τάσης όσον αφορά στη μεταβολή των εκπομπών CO με την πυκνότητα, τη συνεκτικότητα και το συντελεστή συμπιεστότητας του καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση οι επιπτώσεις στην ειδική κατανάλωση καυσίμου, στις εκπομπές NO και CO δεν ήταν σημαντικές.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 20 µ µ (J/deg) 32 28 24 20 16 12 8 4 Lister LV1 2500 20% DI7 DI6 µ µ (J/deg) 50 40 30 20 10 Ricardo Hydra 2000 40% DI7 DI6 bsfc (% µ ) 20 10 0-10 µ DI7/DI6 Ricardo Hydra - 2000 Lister LV1-2500 0 170 1 80 19 0 200 210 2 20 23 0 (deg) 0 170 1 80 19 0 200 210 2 20 23 0 (deg) -20 20 40 60 80 (%) Σχήμα 2. Επίδραση της αύξησης της συνεκτικότητας, της πυκνότητας και της ταυτόχρονης μείωσης της συμπιεστότητας στον καθαρό ρυθμό έκλυσης θερμότητας και στην ποσοστιαία μεταβολή της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου (bsfc). Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν από τους κινητήρες «Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra με τα μείγματα DI6 DI7 της 2 ης σειράς καυσίμων δοκιμής. NO (% µ ) 30 20 10 0-10 -20 µ DI7/DI6 Ricardo Hydra - 2000 Lister LV1-2500 (% µ ) 250 200 150 100 50 0-50 -100-150 -200 µ DI7/DI6 Ricardo Hydra - 2000 Lister LV1-2500 CO (% µ ) -30 60 40 20 0-20 -40 20 40 60 80 (%) µ DI7/DI6 Ricardo Hydra - 2000 Lister LV1-2500 HC (% µ ) -250 30 20 10 0-10 -20 20 40 60 80 (%) µ DI7/DI6 Ricardo Hydra - 2000 Lister LV1-2500 -60 20 40 60 80 (%) -30 20 40 60 80 (%) Σχήμα 3. Επίδραση της αύξησης της συνεκτικότητας, της πυκνότητας και της ταυτόχρονης μείωσης της συμπιεστότητας στην ποσοστιαία μεταβολή των εκπομπών ΝΟ, αιθάλης, CO και HC. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν από τους κινητήρες «Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra με τα μείγματα DI6 DI7 της 2ης σειράς καυσίμων δοκιμής. 8. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΟΞΥΓΟΝΟΥΧΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DIESEL Εξετάσθηκε, αξιοποιώντας πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα, η επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων από κινητήρες diesel αμέσου έγχυσης. Αρχικά, αναλύθηκαν τα αποτελέσματα μιας εκτεταμένης πειραματικής διερεύνησης, η οποία πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις του Εργ. Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π. στους μονοκύλινδρους κινητήρες diesel Lister LV1 και Ricardo/

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 21 Cussons Hydra. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάσθηκαν κατά τρόπο ώστε να διευκρινισθεί το αν το βιολογικό οξυγονούχο πρόσθετο (Mεθυλεστέρας κραμβελαίου Rapeseed methyl ester (RME)), σε σχέση με τα συνθετικά οξυγονούχα (γλυκολαιθέρες), είναι περισσότερο αποτελεσματικό στη μείωση των ρύπων χωρίς δυσμενείς ή και με ευεργετικές συνέπειες στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα. Επειδή όμως από την εξέταση μόνο των πειραματικών ευρημάτων δεν ήταν δυνατό να κατανοηθεί και να ερμηνευθεί πλήρως η επίδραση του οξυγόνου που περιέχει το καύσιμο στο σχηματισμό των ρύπων εντός του θαλάμου καύσης, πραγματοποιήθηκε μια θεωρητική μελέτη για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra, χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλα τροποποιημένο πολυζωνικό μοντέλο καύσης. Η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια την επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων πιστοποιείται μέσω συγκρίσεων των θεωρητικών τιμών της πίεσης καύσης, της αιθάλης και του μονοξειδίου του αζώτου (NO) με αντίστοιχες πειραματικές τιμές που ελήφθησαν για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra. Στη συνέχεια, εξετάζεται η επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στα χαρακτηριστικά της καύσης (θερμοκρασία και λόγος ισοδυναμίας καυσίμου) και στο σχηματισμό των ρύπων στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης. Η θεωρητική μελέτη δεν περιορίζεται μόνο στα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν στις πειραματικές δοκιμές, αλλά επεκτείνεται σε οξυγονούχα καύσιμα με μεγαλύτερο ποσοστό ανάμιξης οξυγονούχου πρόσθετου, αλλά και για αμιγώς οξυγονούχο καύσιμο (διμεθυλαιθέρας διαιθυλογλυκόλης). Σκοπός αυτής της επιπρόσθετης μελέτης είναι η αξιολόγηση των επιπτώσεων που έχει η καύση μειγμάτων diesel με υψηλό ποσοστό οξυγόνου (πάνω από 30%κ.β.) στη λειτουργική απόδοση και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. 8.1 Συμπεράσματα πειραματικής διερεύνησης για την επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel Αξιοποιώντας τα πειραματικά αποτελέσματα από τις εργαστηριακές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στον κινητήρα Lister LV1 και στον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 22 σε διάφορες περιπτώσεις λειτουργίας, εξετάσθηκε η επίδραση του είδους του οξυγονούχου πρόσθετου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. 8.1.1 Συμπεράσματα πειραματικής διερεύνησης κινητήρα Lister LV1 Η εξέταση των πειραματικών αποτελεσμάτων για τον κινητήρα Lister LV1 οδήγησε στη διαμόρφωση των ακόλουθων συμπερασμάτων: α. Η προσθήκη μεθυλεστέρα κραμβελαίου (RME) σε καύσιμο diesel οδήγησε σε: i. Ταχύτερη έναρξη της καύσης και σε ελαφρά αυξημένες πιέσεις καύσης λόγω της μικρής μεταβολής της προπορείας έγχυσης, η οποία οφείλεται στην αύξηση της συνεκτικότητας καυσίμου. ii. Αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου λόγω της μείωσης της θερμογόνου δύναμης. Εντούτοις είναι ενθαρρυντικό ότι η εκατοστιαία αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου είναι μικρότερη και στη χειρότερη περίπτωση περίπου ίση με αυτή που θα αναμενόταν με βάση την ποσοστιαία μείωση της θερμογόνου δύναμης των οξυγονούχων καυσίμων. Αυτό υποδηλώνει βελτίωση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα. iii. Μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης του καυσίμου. iv. Αύξηση της αιθάλης λόγω ανεπαρκούς οξείδωσης της πρόσθετης ποσότητας αιθάλης που σχηματίσθηκε στο θάλαμο καύσης λόγω της αύξησης της διάρκειας έγχυσης καυσίμου. v. Αύξηση των εκπομπών ΝΟ λόγω της αύξησης της διαθεσιμότητας οξυγόνου στο θάλαμο καύσης. vi. Επιβάρυνση των εκπομπών CO κυρίως στο υψηλό φορτίο (80%). vii. Μείωση των εκπομπών HC σε όλα τα φορτία του κινητήρα. β. Η προσθήκη γλυκολαιθέρων σε καύσιμο diesel οδήγησε σε: i. Ταχύτερη έναρξη της καύσης, χαμηλότερες πιέσεις καύσης λόγω μείωσης της θερμογόνου δύναμης και λιγότερο έντονη προαναμεμειγμένη καύση σε σχέση με το «βασικό» καύσιμο.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 23 ii. Αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου σε όλα τα φορτία του κινητήρα λόγω της μείωσης της θερμογόνου δύναμης. iii. Μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, εξαιτίας της αύξησης του αριθμού κετανίου. γ. Η προσθήκη γλυκολαιθέρων σε συμβατικό καύσιμο diesel σε ποσοστό 10%κ.β. (3%κ.β. οξυγόνο) έχει αρνητικές συνέπειες σε όλους τους ρύπους που εξετάσθηκαν. δ. Η προσθήκη γλυκολαιθέρων σε εμπορικό καύσιμο diesel σε ποσοστό 30%κ.β. (9%κ.β. οξυγόνο) οδήγησε σε: i. Σημαντική μείωση της αιθάλης. ii. Αμελητέα επιβάρυνση των εκπομπών NO με εξαίρεση το χαμηλό φορτίο (20%) όπου παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη αύξηση. iii. Διατήρηση των εκπομπών CO σε επίπεδα ίδια με εκείνα του «βασικού» καυσίμου, με εξαίρεση το υψηλό φορτίο (80%), όπου παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση. iv. Μικρή μείωση των εκπομπών HC σε όλα τα σημεία λειτουργίας του κινητήρα που εξετάστηκαν. Επομένως, με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα του κινητήρα Lister LV1, η προσθήκη μείγματος συνθετικών οξυγονούχων ενώσεων (γλυκολαιθέρων) σε ποσοστό 30%κ.β. (9%κ.β. οξυγόνο) σε εμπορικό καύσιμο diesel προκαλεί: Α. Μείωση των εκπομπών αιθάλης και HC. Β. Επουσιώδη επιβάρυνση των εκπομπών NO και CO σε όλο σχεδόν το εύρος λειτουργίας του κινητήρα. Γ. Μικρή επιδείνωση της οικονομίας καυσίμου, η οποία δεν ξεπερνά τη μείωση του ενεργειακού περιεχομένου του καυσίμου λόγω της προσθήκης οξυγόνου σε αυτό. Δ. Μείωση του θορύβου του κινητήρα λόγω λιγότερο έντονης προαναμεμειγμένης καύσης. 8.1.2 Συμπεράσματα πειραματικής διερεύνησης κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra Από την ανάλυση των πειραματικών ευρημάτων από τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 24 α. Παρατηρήθηκε νωρίτερη έναρξη της καύσης και αύξηση της πίεσης καύσης όταν ένα μείγμα γλυκολαιθέρων αναμίχθηκε με ένα συμβατικό καύσιμο, εξαιτίας της αύξησης του αριθμού κετανίου. Στην περίπτωση της ανάμιξης με RME, η νωρίτερη έναρξη της καύσης αποδίδεται στη μικρότερη μεταβολή της προπορείας έγχυσης λόγω αύξησης της συνεκτικότητας καυσίμου σε σχέση με τη μεταβολή του σημείου ανάφλεξης σε σχέση με τη συμβατική λειτουργία. β. Η προσθήκη 30%κ.β. γλυκολαιθέρων σε ένα εμπορικό καύσιμο diesel σε αντιδιαστολή με την προσθήκη 30%κ.β. μεθυλεστέρα κραμβελαίου (RME) οδήγησε σε ταχύτερη έναρξη της καύσης και σε μεγαλύτερες τιμές πίεσης καύσης. γ. Η προσθήκη τόσο του RME, όσο και των γλυκολαιθέρων οδήγησε σε: i. Μικρή αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. ii. Μείωση της διάρκειας καύσης και της καθυστέρησης ανάφλεξης. iii. Σημαντική μείωση της αιθάλης. iv. Μείωση των εκπομπών CO και HC. v. Αύξηση των εκπομπών NΟ. δ. Το καύσιμο που αναμιγνύεται με τους γλυκολαιθέρες συγκρινόμενο με το καύσιμο που περιέχει ίσο ποσοστό RME (30%κ.β.) εμφανίζει: i. Ελαφρώς υψηλότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου λόγω μικρής αύξησης της θερμογόνου δύναμης. ii. Ελαφρώς μικρότερη διάρκεια καύσης. iii. Μικρότερη καθυστέρηση ανάφλεξης λόγω αύξησης του αριθμού κετανίου. iv. Μείωση της αιθάλης και των εκπομπών CO και ΗC. v. Αυξημένες εκπομπές NΟ. ε. Η αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου, χρησιμοποιώντας μόνο το μείγμα των γλυκολαιθέρων ως πρόσθετο, οδήγησε σε: i. Αύξηση της πίεσης καύσης λόγω αύξησης του αριθμού κετανίου. ii. Μικρή αύξηση της ειδικής κατανάλωσης λόγω μείωσης της θερμογόνου δύναμης. iii. Μείωση της διάρκειας καύσης και της καθυστέρησης ανάφλεξης. iv. Σημαντική μείωση της αιθάλης και των εκπομπών CO ως 40% στην περίπτωση

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 25 υψηλής συγκέντρωσης οξυγόνου στο καύσιμο (9%κ.β.). v. Σημαντική μείωση των εκπομπών HC λόγω βελτίωσης του βαθμού απόδοσης της καύσης. vi. Μικρή αύξηση των εκπομπών NΟ για μεταβολή του ποσοστού οξυγόνου από 0% σε 3% και μεγαλύτερη επιδείνωση των εκπομπών NΟ, όταν το ποσοστό οξυγόνου αυξηθεί περαιτέρω στο 9%. στ. Ενίσχυση των θετικών επιδράσεων του αυξανόμενου ποσοστού οξυγόνου στις εκπομπές αιθάλης στην περίπτωση του υψηλού φορτίου (80%), όπου η εκπομπή αιθάλης είναι έντονη. Συνεπώς, θα πρέπει να υπογραμμισθούν οι ακόλουθες δύο συμπερασματικές παρατηρήσεις: Α. Οι γλυκολαιθέρες εμφανίζουν βελτιωμένη συμπεριφορά ως προς το μεθυλεστέρα κραμβελαίου (RME) όσον αφορά στη μείωση της διάρκειας καύσης και της καθυστέρησης ανάφλεξης και κυριότερα, στη μείωση της αιθάλης, των εκπομπών CO και HC. Παρόλα αυτά, οι γλυκολαιθέρες είναι πιο δραστικοί στην επιδείνωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών NO συγκρινόμενοι με το βιολογικό πρόσθετο RME. Σε αυτό κατατείνουν τα ευρήματα των πειραματικών διερευνήσεων και από τους δύο κινητήρες. Β. Οι θετικές επιδράσεις του ποσοστού οξυγόνου στη διάρκεια καύσης, στην καθυστέρηση ανάφλεξης, στην αιθάλη και στις εκπομπές CO και HC ενισχύονται στην περίπτωση του υψηλού ποσοστού οξυγόνου (9%) χωρίς συνολικά σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις στην ειδική κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές NO. Προηγούμενες μελέτες υποστήριξαν ότι η μείωση της αιθάλης εξαρτάται αποκλειστικά από την αύξηση του ποσοστού οξυγόνου και δεν επηρεάζεται από τον τύπο του οξυγονούχου [2-5]. Παρόλα αυτά, η παρούσα ανάλυση έδειξε ότι η διαφορά στο ποσοστό οξυγόνου μεταξύ δύο οξυγονούχων καυσίμων είναι αποτέλεσμα της ανάμιξης ενός συμβατικού καυσίμου diesel με δύο διαφορετικά οξυγονούχα πρόσθετα. Επομένως, για το ίδιο ποσοστό ανάμιξης η βελτίωση της συμπεριφοράς κατά την καύ-

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 26 ση και η μείωση των σωματιδιακών και αέριων εκπομπών ρύπων πρέπει να αποδοθεί στις διαφορές στη χημική σύνθεση των οξυγονούχων πρόσθετων, η οποία είναι πρωταρχικά υπεύθυνη για τις μεταβολές που παρατηρούνται στο ποσοστό οξυγόνου στο καύσιμο. 8.2 Συμπεράσματα θεωρητικής διερεύνησης για την επίδραση του είδους και του ποσοστού οξυγονούχου πρόσθετου στα χαρακτηριστικά καύσης και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel 8.2.1 Συμπεράσματα για την επίδραση του είδους του οξυγονούχου πρόσθετου Η ανάλυση των θεωρητικών αποτελεσμάτων αναφορικά με την επίδραση του ποσοστού οξυγονούχου προσθέτου οδηγεί στα ακόλουθα συμπεράσματα: α. Αποκαλύπτεται μείωση των εκπεμπόμενων τιμών αιθάλης με την αύξηση του ποσοστού οξυγόνου, συνοδευόμενη από επιβάρυνση των εκπομπών ΝΟ ανεξαρτήτως του προσθέτου που χρησιμοποιείται (βλ. Σχήματα 4-7). Η ευεργετική επίδραση του ποσοστού οξυγόνου στο καύσιμο στις εκπομπές αιθάλης είναι πιο εμφανής στην περίπτωση του υψηλού φορτίου του κινητήρα (80% του πλήρους φορτίου). Το γεγονός αυτό είναι αρκετά ενθαρρυντικό, έχοντας υπόψη τα υψηλότερα επίπεδα αιθάλης που εκπέμπονται στα υψηλά φορτία. β. Παρατηρείται ταχύτερη έναρξη της καύσης και αύξηση της μέγιστης πίεσης καύσης όταν ένα μείγμα γλυκολαιθέρων προστίθεται σε ένα συμβατικό καύσιμο diesel εξαιτίας της αύξησης του αριθμού κετανίου. Στην περίπτωση του μεθυλεστέρα κραμβελαίου (RME) οι παρόμοιες επιδράσεις που διαπιστώνονται αποδίδονται στη μεταβολή της δυναμικής προπορείας έγχυσης που προκύπτει από τη σχετικά υψηλότερη πυκνότητα και συνεκτικότητά της. γ. Παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας του εργαζομένου μέσου στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης κατά τη διάρκεια της φάσης εκτόνωσης όταν το ποσοστό οξυγόνου αυξάνει από 0% σε 9%κ.β. ως αποτέλεσμα της μείωσης της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου. Διαπιστώνονται ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες για τα οξυγονούχα καύσιμα κατά τη διάρκεια των αρχικών σταδίων της καύσης, εξαιτίας της παρουσίας του οξυγόνου που ενισχύει το ρυθμό καύσης.

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 27 δ. Όπως αποκαλύπτεται, ο ρυθμός οξείδωσης της αιθάλης ελέγχεται κυρίως από την τοπική διαθεσιμότητα οξυγόνου μέσω της μερικής πίεσης οξυγόνου. Η μέγιστη συγκέντρωση αιθάλης του καυσίμου RME30 είναι τοπικά μεγαλύτερη από εκείνες των υπολοίπων καυσίμων. Αυτό αποδίδεται στη μικρή αύξηση της θερμοκρασίας αερίου λόγω της ταχύτερης έναρξης της καύσης και της αύξησης του λόγου μαζών C/H λόγω της πολύπλοκης χημικής δομής του μεθυλεστέρα κραμβελαίου (RME). Συνεπώς, ο σχηματισμός της αιθάλης ελέγχεται από τον τύπο του οξυγονούχου πρόσθετου, ενώ η οξείδωση της αιθάλης επηρεάζεται από το περιεχόμενο σε οξυγόνο του καυσίμου. ε. Διαπιστώθηκε αύξηση της μέγιστης συγκέντρωσης ΝΟ με την αύξηση του ποσοστού οξυγόνου στο καύσιμο, αποδιδόμενη στην υψηλότερη διαθεσιμότητα οξυγόνου σε τοπικό επίπεδο στη διάρκεια της καύσης (βλ. Σχήματα 4-7). στ. Παρατηρήθηκε ότι η μείωση της μέσης θερμοκρασίας εργαζομένου μέσου στο θάλαμο καύσης στην περίπτωση των οξυγονούχων καυσίμων κατά τη διάρκεια της εκτόνωσης λόγω χαμηλότερης θερμογόνου δύναμης αντισταθμίζει μερικώς την αρνητική επίδραση του οξυγόνου στο σχηματισμό του ΝΟ (βλ. Σχήματα 4-7). Συνολικά, μπορεί να λεχθεί ότι η χρήση οξυγονούχων καυσίμων με μεγάλη συγκέντρωση οξυγόνου (προσθήκη γλυκολαιθέρων) μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μείωση των εκπομπών αιθάλης χωρίς σημαντικές επιβαρύνσεις στα οξείδια του αζώτου. 1.15 1.05 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 µ DI1 0%.. µ DGM50 (50%.. ) 15.9%.. µ DGM (100%.. ) 35.8%.. Σχήμα 4. Επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στην κατανομή του λόγου ισοδυναμίας Φ στο εσωτερικό της δέσμης καυσίμου. Παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν με το πολυζωνικό μοντέλο καύσης για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra στις 2000 σαλ και στο 80% του πλήρους φορτίου (Στιγμιότυπο της δέσμης καυσίμου 20 ο CA μετά το Α.Ν.Σ.)

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 28 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 µ DI1 0%.. µ DGM50 (50%.. ) 15.9%.. µ DGM (100%.. ) 35.8%.. Σχήμα 5. Επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στην κατανομή της θερμοκρασίας (K) στο εσωτερικό της δέσμης καυσίμου. Παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν με το πολυζωνικό μοντέλο καύσης για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra στις 2000 σαλ και στο 80% του πλήρους φορτίου (Στιγμιότυπο της δέσμης καυσίμου 20 ο CA μετά το Α.Ν.Σ.) 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 µ DI1 0%.. µ DGM50 (50%.. ) 15.9%.. µ DGM (100%.. ) 35.8%.. Σχήμα 6. Επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στην κατανομή της συγκέντρωσης αιθάλης (mg/l) στο εσωτερικό της δέσμης καυσίμου. Παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν με το πολυζωνικό μοντέλο καύσης για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra στις 2000 σαλ και στο 80% του πλήρους φορτίου (Στιγμιότυπο της δέσμης καυσίμου 20 ο CA μετά το Α.Ν.Σ.) 5000 4000 3000 2000 1000 0 µ DI1 0%.. µ DGM50 (50%.. ) 15.9%.. µ DGM (100%.. ) 35.8%.. Σχήμα 7. Επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στην κατανομή της συγκέντρωσης ΝΟ (ppm) στο εσωτερικό της δέσμης καυσίμου. Παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν με το πολυζωνικό μοντέλο καύσης για τον κινητήρα Ricardo/Cussons Hydra στις 2000 σαλ και στο 80% του πλήρους φορτίου (Στιγμιότυπο της δέσμης καυσίμου 20 ο CA μετά το Α.Ν.Σ.)

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 29 8.2.2 Συμπεράσματα για την επίδραση του ποσοστού οξυγονούχου πρόσθετου (ποσοστό οξυγόνου του καυσίμου) στην καύση & στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel Η ανάλυση των αποτελεσμάτων σχετικά με την επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στα λειτουργικά χαρακτηριστικά και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης έδωσε τα ακόλουθα συμπεράσματα: α. Το πολυζωνικό μοντέλο καύσης που χρησιμοποιήθηκε εδώ είναι ικανό να περιγράψει την επίδραση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου στα λειτουργικά χαρακτηριστικά της καύσης και κυρίως, στις εκπομπές αιθάλης και ΝΟ υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας σε ποιοτική βάση. β. Η προσθήκη του διγλυκολαιθέρα σε ένα συμβατικό καύσιμο diesel ως 75%κ.β. (25.4%κ.β. οξυγόνο στο καύσιμο) συνοδεύεται από ταχύτερη άνοδο της πίεσης καύσης, οδηγώντας, έτσι, σε υψηλότερες μέγιστες πιέσεις καύσης. Αντίθετα, παρατηρείται μείωση της μέγιστης πίεσης καύσης στην περίπτωση του διγλυκολαιθέρα (DGM). γ. Η αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου από 0 ως 9%κ.β. οδήγησε σε ταχύτερη άνοδο της μέσης θερμοκρασίας αερίου λόγω αύξησης του αριθμού κετανίου. Παρόλα αυτά, παρατηρείται μείωση της μέγιστης τιμής και της αντίστοιχης τιμής στο άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής για τη μέση θερμοκρασία εργαζομένου μέσου. Οι μειώσεις αυτές είναι συμβατές με την αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρούνται με την προσθήκη του διγλυκολαιθέρα στο «βασικό» καύσιμο. δ. Όταν χρησιμοποιείται καθαρός διγλυκολαιθέρας, παρατηρείται μετακίνηση της περιοχής υψηλών θερμοκρασιών και μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) προς την οπή του εγχυτήρα, αποκαλύπτοντας, έτσι, έναν υψηλό ρυθμό οξείδωσης του καυσίμου που ευνοεί τον περιορισμό των τοπικών τιμών αιθάλης στο εσωτερικό του πυρήνα της δέσμης του καυσίμου. Συνεπώς, ο εμπλουτισμός με οξυγόνο των καυσίμων diesel ή η χρήση καθαρών οξυγονούχων καυσίμων πετυχαίνει να εισάγει ένα οξειδωτικό σε περιοχές της δέσμης που είναι πλούσιες σε καύσιμο, με αποτέλεσμα αυτό να είναι άμεσα διαθέσιμο για καύση. ε. Η αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου από 0 σε 9%κ.β., οδηγεί σε μείωση

ΙΟΥΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2007 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 30 της αιθάλης στην εξαγωγή χωρίς σημαντική μείωση των μέγιστων τιμών της στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης. Σημαντική μείωση της συγκέντρωσης αιθάλης στην εξαγωγή επιτυγχάνεται με περαιτέρω αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου από 9% σε 25.4%κ.β. με προσθήκη διγλυκολαιθέρα στο «βασικό» καύσιμο σε ποσοστό 50%κ.β (DGM50). Σε αυτή την περίπτωση, οι μέγιστες τιμές συγκέντρωσης αιθάλης στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης μειώνονται σημαντικά και το μεγαλύτερο μέρος της αιθάλης που έχει σχηματισθεί οξειδώνεται στην εκτόνωση. στ. Η αύξηση της περιεκτικότητας του καυσίμου σε οξυγόνο είτε λόγω της προσθήκης μείγματος γλυκολαιθέρων, είτε λόγω της προσθήκης διγλυκολαιθέρα (DGM), οδήγησε σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ΝΟ τόσο τοπικά, όσο και στην εξαγωγή του κινητήρα εξαιτίας της μεγαλύτερης διαθεσιμότητας οξυγόνου. Για κλάσματα οξυγόνου του καυσίμου μεγαλύτερα από 25%κ.β., η επιβάρυνση των εκπομπών ΝΟ περιορίζεται σημαντικά εξαιτίας της σημαντικής μείωσης της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου και στην αρνητική επίδραση στην τοπική θερμοκρασία του εργαζομένου μέσου στο θάλαμο καύσης (βλ. Σχήμα 8). ζ. Συνολικά, η αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου από 0% ως 35.8%κ.β. οδηγεί σε σημαντική μείωση της αιθάλης και αύξηση των εκπομπών ΝΟ. Για ακραία ποσοστά οξυγόνου στο καύσιμο (35.8%κ.β.), η συγκέντρωση αιθάλης στην εξαγωγή είναι σχεδόν μηδενική («άκαπνη» λειτουργία). Οι συγκεντρώσεις αιθάλης και ΝΟ συσχετίζονται ισχυρά με το ποσοστό οξυγόνου του καυσίμου, γεγονός που φανερώνει την άμεση εξάρτηση της αιθάλης και του ΝΟ από το οξυγόνο του καυσίμου (βλ. Σχήμα 8). η Συνολικά, μπορεί να λεχθεί ότι ο ρυθμός μείωσης της αιθάλης με το ποσοστό οξυγόνου του καυσίμου είναι εμφανώς πιο έντονος από το ρυθμό αύξησης της συγκέντρωσης ΝΟ στην εξαγωγή. Αυτό σημαίνει ότι η αύξηση του ποσοστού οξυγόνου επιβαρύνει λιγότερο, κατ αναλογία, το μονοξείδιο του αζώτου από όσο ευνοεί τη μείωση της αιθάλης.