Αξιολόγηση συμβατικών καυσίμων και εναλλακτικών καυσίμων σε κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση
Authors: Ζάχος-Σιάγκος Ηρακλής 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στη μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων και των μιγμάτων τους, καθώς και την επίδραση εναλλακτικών καυσίμων (οξυγονούχων συστατικών και παραφινικών ντίζελ) στις εκπομπές καυσαερίων πειραματικού ντιζελοκινητήρα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάπτυξη στρατηγικών ανάμιξης τέτοιων εναλλακτικών καυσίμων με συμβατικό πετρέλαιο, λαμβάνοντας πάντα υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Ο απώτερος στόχος αυτής της μελέτης ήταν να διερευνηθούν μέθοδοι ενσωμάτωσης αυτών των εναλλακτικών (και δυνητικά ανανεώσιμων) συστατικών στα μίγματα καυσίμων που χρησιμοποιούνται στους σύγχρονους αλλά και μελλοντικούς ντιζελοκινητήρες, περιορίζοντας ταυτόχρονα τις εκπομπές καυσαερίων και την εξάρτηση από ορυκτές πηγές ενέργειας. Το κείμενο χωρίζεται σε 4 βασικά θεματικά μέρη. Στο πρώτο μέρος περιλαμβάνονται βασικές γνώσεις, ενώ επίσης γίνεται αναφορά και επεξήγηση των βασικών εννοιών που χρησιμοποιούνται στη διατριβή, ώστε η ανάγνωση του κειμένου να είναι κατά το δυνατόν αυτόνομη, χωρίς να χρειάζεται ο αναγνώστης να ανατρέχει συνεχώς σε άλλα εγχειρίδια ή συγγράμματα. Στο πρώτο μέρος παρατίθενται επίσης αποτελέσματα και συμπεράσματα που έχουν προκύψει από τη διεθνή ερευνητική προσπάθεια των τελευταίων δεκαετιών. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει 4 Κεφάλαια. •Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια βασική εισαγωγή στη χρήση του πετρελαίου και στις βασικές ιδιότητες των ντίζελ σαν καύσιμα μεταφορών. •Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται βασικές αρχές γύρω από την καύση, όπως επίσης και βασικοί μηχανισμοί σχηματισμού ρύπων στους κινητήρες ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 3 παρατίθενται λόγοι που κατέστησαν αναγκαία την ανάπτυξη της έρευνας γύρω από τα εναλλακτικά και ανανεώσιμα καύσιμα. Επίσης γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των εναλλακτικών καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. •Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η διάρθρωση της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας και ο χώρος που καλύπτει σε σχέση με τη διεθνή έρευνα γύρω από το αντικείμενο. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 5 και 6 στα οποία περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική μεθοδολογία και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την περάτωση της παρούσας διατριβής. •Στο Κεφάλαιο 5 περιλαμβάνονται αναλυτικά όλες οι συσκευές και οι αντίστοιχες πρότυπες μέθοδοι για τη μέτρηση φυσικοχημικών ιδιοτήτων των καυσίμων. •Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται μια παρουσίαση της πειραματικής διάταξης του ντιζελοκινητήρα που στεγάζεται στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Καυσίμων και Λιπαντικών του Ε.Μ.Π., καθώς επίσης και αναλυτικά η διαδικασία με την οποία πραγματοποιούνται οι μετρήσεις εκπομπών καυσαερίων και κατανάλωσης καυσίμου. Στο τρίτο μέρος περιλαμβάνονται τα αποτελέσματα και ο σχολιασμός των πειραμάτων που διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια αυτής της ερευνητικής προσπάθειας. Λόγω της φύσης του αντικειμένου, η πειραματική διαδικασία ολοκληρώθηκε σε ένα διάστημα πέντε περίπου ετών, κατά το οποίο έλαβαν χώρα αλλαγές εξοπλισμού, πρώτων υλών και αντιδραστηρίων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ανά κεφάλαιο σαν αυτόνομες ενότητες. •Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται αρχικά μια προκαταρκτική μελέτη συσχετίσεων των φυσικοχημικών ιδιοτήτων διαφόρων συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων που καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Αναπτύσσεται επίσης μια σχέση υπολογισμού του αριθμού κετανίου ναυτιλιακών καυσίμων από τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Τέλος, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη των μεθόδων EN 16144 (ASTM D7170) και EN 16715 (ASTM D7668) για τη μέτρηση του αριθμού κετανίου καυσίμων ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 8 περιλαμβάνεται μια συγκριτική μελέτη της αιθανόλης και βουτανόλης σαν ανανεώσιμα οξυγονούχα συστατικά σε μίγματα με ντίζελ κίνησης. Τα μίγματα που μελετήθηκαν κατασκευάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να χαρακτηρίζονται από την ίδια περιεκτικότητα σε οξυγόνο, με χρήση είτε αιθανόλης είτε βουτανόλης. Αξιολογήθηκαν τόσο οι επιδράσεις των δυο αλκοολών στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων, όσο και η επίδρασή τους στις εκπομπές καυσαερίων και την κατανάλωση καυσίμου στον πειραματικό ντιζελοκινητήρα του εργαστηρίου. •Στο Κεφάλαιο 9 παρουσιάζεται μια μελέτη μιγμάτων ενός ανανεώσιμου παραφινικού καυσίμου που προέρχεται από υδρογονοεπεξεργασμένα τηγανέλαια, με συμβατικό ντίζελ κίνησης. Χρησιμοποιήθηκαν ποσοστά ανάμιξης του βιοκαυσίμου έως 40% κατ’ όγκο και αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις του στις φυσικοχημικές ιδιότητες των μιγμάτων καθώς και στις εκπομπές καυσαερίων και κατανάλωση καυσίμου του πειραματικού ντιζελοκινητήρα. •Στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζεται μια πρόταση στρατηγικής ανάμιξης που συνδυάζει τη χρήση ανανεώσιμων οξυγονούχων συστατικών (βουτανόλη) και ανανεώσιμου παραφινικού καυσίμου με συμβατικό ντίζελ κίνησης. Σκοπός ήταν η ανάδειξη των θετικών επιδράσεων της κάθε κατηγορίας ανανεώσιμου καυσίμου, και η αλληλεξουδετέρωση των αρνητικών τους επιπτώσεων, τόσο στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων, όσο και στις εκπομπές καυσαερίων του ντιζελοκινητήρα. Καθώς το παραφινικό καύσιμο εδώ χρησιμοποιήθηκε σαν βελτιωτικό αριθμού κετανίου, στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται σαν μέτρο σύγκρισης και οι επιδράσεις ενός συμβατικού πρόσθετου βελτιωτικού κετανίου (2-ethylhexyl nitrate) σε μίγματα βουτανόλης/ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 11 παρουσιάζεται ένα οξυγονούχο συστατικό υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο, ο οποίος απαντάται σπανιότερα στη βιβλιογραφία (διαιθυλεστέρας του καρβονικού οξέος – diethyl carbonate). Για να εξαχθούν συγκρίσιμα αποτελέσματα σε σχέση με χρήση πιο δημοφιλών οξυγονούχων συστατικών όπως η βουτανόλη, τα μίγματα προετοιμάστηκαν κατά αντιστοιχία με τη λογική του κεφαλαίου 10, χρησιμοποιώντας κι εδώ ένα παραφινικό καύσιμο σαν βελτιωτικό κετανίου, προερχόμενο από υδρογονοεπεξεργασία φυτικών ελαίων. Κι εδώ αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων και στις εκπομπές καυσαερίων και κατανάλωση καυσίμου του ντιζελοκινητήρα. Το παρόν σύγγραμμα κλείνει με το τέταρτο μέρος στο οποίο γίνεται μια επισκόπηση των συμπερασμάτων της έρευνας ανά αυτόνομη ενότητα αλλά και συνολικά. Επίσης, παρατίθενται προτάσεις για μελλοντική έρευνα που μπορεί να διευρύνει τη γνώση γύρω από το αντικείμενο με απώτερο στόχο την επιτυχή ενσωμάτωση εναλλακτικών καυσίμων στα καύσιμα μεταφορών του αύριο. Συνοπτικά, βρέθηκε πως τόσο τα οξυγονούχα συστατικά όσο και τα παραφινικά καύσιμα μπορούν να δράσουν ευεργετικά όσον αφορά στις εκπομπές ρύπων των ντιζελοκινητήρων όταν χρησιμοποιούνται σε χαμηλές αναλογίες. Oι αλλοιώσεις που προκαλούν αυτές οι δύο κατηγορίες εναλλακτικών καυσίμων στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων μπορούν να περιοριστούν κατά την ταυτόχρονη χρήση τους σε προσεκτικά σχεδιασμένα τριαδικά μίγματα με συμβατικό ντίζελ. Από αυτή τη στρατηγική ανάμιξης προκύπτουν μίγματα με υψηλότερο ανανεώσιμο περιεχόμενο και παραπλήσιες φυσικοχημικές ιδιότητες με αυτές των σύγχρονων συμβατικών καυσίμων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα και χωρίς την ανάγκη μετατροπών ή ρυθμίσεων στον κινητήρα.Κρίνεται μεγάλης σημασίας η συνέχιση της έρευνας γύρω από τη χρήση οξυγονούχων συστατικών υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο (όπως ο διαιθυλεστέρας καρβονικού οξέος ή ο διμεθυλεστέρας καρβονικού οξέος) και παραφινικών καυσίμων (ισομεριωμένων ή μη) σε τριαδικά μίγματα με συμβατικό ντίζελ κατά τη χρήση σε μια ευρεία ποικιλία υλοποιήσεων ντιζελοκινητήρων. Επίσης, σημαντική κρίνεται η συνέχιση της έρευνας γύρω από μεθόδους παρασκευής τέτοιων εναλλακτικών καυσίμων προκειμένου να εξασφαλιστεί η οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής τους, και σε ποσότητες που δυνητικά να καλύπτουν μια ενδεχόμενη μελλοντική ζήτηση.