Καύση και εκπομπή ρύπων υγρών βιοκαυσίμων σε κινητήρες diesel
Authors: Ρακόπουλος Δημήτριος 
Published: August 2021

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πραγματοποίηση εκτεταμένης πειραματικής και θεωρητικής διερεύνησης της επίδρασης της χρήσης υγρών βιοκαυσίμων στη λειτουργική συμπεριφορά και τις εκπομπές ρύπων κινητήρα Diesel. Τα υγρά βιοκαύσιμα, τα οποία αποτέλεσαν το αντικείμενο της πειραματικής και θεωρητικής έρευνας, είναι το βιοντίζελ, τα φυτικά έλαια και η βιοαιθανόλη. Η πειραματική διερεύνηση έλαβε χώρα στον πρότυπο, πειραματικό, τετράχρονο κινητήρα Diesel άμεσης έγχυσης Ricardo/Cussons ‘Hydra’, ο οποίος είναι εγκατεστημένος σε μια πλήρως αυτοματοποιημένη κλίνη δοκιμών στο Εργαστήριο ΜΕΚ. Η πειραματική διερεύνηση του βιοντίζελ και των φυτικών ελαίων διενεργήθηκε παράλληλα, λόγω των κοινών χαρακτηριστικών των δύο καυσίμων, και συνίσταται σε δύο σειρές πειραματικών μετρήσεων. Η πρώτη σειρά μετρήσεων αφορά τη χρήση μιας μεγάλης ποικιλίας βιοντίζελ ή φυτικών ελαίων διαφόρων προελεύσεων σε μίγματα 10/90 και 20/80 (κατ’ όγκο) με το συμβατικό καύσιμο ντίζελ, με τον κινητήρα να λειτουργεί σε ταχύτητα περιστροφής 2000 rpm και σε ένα μεσαίο και ένα υψηλό φορτίο. Η δεύτερη σειρά μετρήσεων αποτελεί επέκταση μέρους της πρώτης και περιλαμβάνει τη χρήση διαφόρων μιγμάτων βαμβακελαίου ή του μεθυλεστέρα του (βιοντίζελ βαμβακελαίου) με το καύσιμο ντίζελ, σε κλάσματα μίγματος (κατ’ όγκο) 10/90, 20/80, 50/50 και 100/0 (δηλ. έως και καθαρό έλαιο ή βιοντίζελ), με τον κινητήρα να λειτουργεί πάλι σε ταχύτητα περιστροφής 2000 rpm και σε ένα μεσαίο και ένα υψηλό φορτίο. Η διερεύνηση της βιοαιθανόλης, τέλος, συνίσταται στη χρήση μιγμάτων αιθανόλης με συμβατικό καύσιμο ντίζελ, με 5%, 10% και 15% (κατ’ όγκο) αιθανόλη, με τον κινητήρα να λειτουργεί σε ταχύτητα περιστροφής 2000 rpm και σε τέσσερα φορτία. Από την άλλη πλευρά, η θεωρητική μελέτη που έλαβε χώρα σχετίζεται με την κατασκευή ενός πλήρους, διδιάστατου, πολυζωνικού μοντέλου καύσης, για τον υπολογισμό του κλειστού κύκλου λειτουργίας ενός κινητήρα Diesel άμεσης έγχυσης, για την περίπτωση της λειτουργίας του όχι μόνο με συμβατικό καύσιμο ντίζελ, αλλά και με φυτικό έλαιο ή με βιοντίζελ ή με μίγματα βιοαιθανόλης - κανονικού καυσίμου ντίζελ. Το μοντέλο περιέχει αναβαθμισμένα υπομοντέλα ανάμιξης δέσμης, καύσης και σχηματισμού ρύπων, που είναι κατάλληλα για τα διαφορετικά καύσιμα, χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν πιο απλά την αριθμητική επίλυση των σχετικών διαφορικών και αλγεβρικών εξισώσεων, οδηγώντας έτσι σε καλή σύγκλιση επίλυσης με μειωμένο κόστος υπολογιστικού χρόνου. Τα αποτελέσματα από το σχετικό πρόγραμμα Η/Υ για τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και τα επίπεδα εκπομπών ρύπων στην εξαγωγή καυσαερίων, συγκρίνονται ευνοϊκά με τις αντίστοιχες μετρήσεις που ελήφθησαν από την πειραματική διερεύνηση στον κινητήρα Ricardo/Cussons ‘Hydra’, για την περίπτωση της λειτουργίας του με συμβατικό καύσιμο ντίζελ, καθαρό βαμβακέλαιο, καθαρό μεθυλεστέρα βαμβακελαίου και μίγμα 15% (κατ’ όγκο) αιθανόλης με καύσιμο ντίζελ, πιστοποιώντας έτσι την αξιοπιστία των προβλέψεων του μοντέλου για όλα τα διαφορετικά εξεταζόμενα καύσιμα. Το 1° Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της διδακτορικής διατριβής. Γίνεται μια σύντομη περιγραφή της υπάρχουσας τάξης πραγμάτων για τον κινητήρα Diesel, με τις προκλήσεις που καλείται να αντιμετωπίσει και τις τεχνικές που έχουν επικρατήσει τα τελευταία χρόνια για την επίλυσή τους. Εξηγείται η αναγκαιότητα διερεύνησης και εισαγωγής στην αγορά των βιοκαυσίμων, με γνώμονα περιβαλλοντικά και κοινωνικοοικονομικά ζητήματα, και παρατίθενται οι ορισμοί και οι κατηγορίες των βιοκαυσίμων σύμφωνα με την ελληνική νομοθεσία. Αναλύονται οι άξονες διαπραγμάτευσης της παρούσας εργασίας, πραγματοποιώντας μια σύνοψη της βιβλιογραφίας σχετικά με τη χρήση των τριών επιλεγμένων υγρών βιοκαυσίμων σε κινητήρες Diesel, επεξηγώντας παράλληλα τους λόγους επιλογής και τη χρησιμότητα της πειραματικής και θεωρητικής έρευνας που έλαβε χώρα στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Στο 2° Κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική διάταξη του κινητήρα, στην οποία διεξήχθη η πειραματική διερεύνηση. Γίνεται μια περιγραφή του κινητήρα Ricardo/Cussons ‘Hydra’ και δίνονται τα γεωμετρικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του. Περιγράφονται τα κυκλώματα που κατασκευάστηκαν για τη λειτουργία του κινητήρα, οι πίνακες ελέγχου και τροφοδοσίας, η πέδη ηλεκτρογεννήτριας συνεχούς ρεύματος ‘McClure’, τα διάφορα μετρητικά όργανα και οι συσκευές μέτρησης των τεσσάρων κύριων (ελεγχόμενων) ρύπων μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Επίσης, αναλύεται το ειδικά αναπτυγμένο σύστημα ταχείας λήψης και ψηφιακής εγγραφής των σημάτων της πίεσης του κυλίνδρου και του καυσίμου στον εγχυτήρα και του σήματος της θέσης του Άνω Νεκρού Σημείου. Στο 3° Κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος διεξαγωγής και επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων. Καταγράφεται η διαδικασία που ακολουθείται κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιμών και αναφέρονται οι συνθήκες λειτουργίας στις οποίες έγιναν οι μετρήσεις με τα καύσιμα δοκιμής στην πειραματική εγκατάσταση του κινητήρα Diesel άμεσης έγχυσης Ricardo/Cussons ‘Hydra’. Εξηγείται ο τρόπος υπολογισμού των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας και δίνονται η ακρίβεια των μετρήσεων και η αβεβαιότητα των υπολογισμένων αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια, αναλύεται η δομή και ο τρόπος κατασκευής του υπολογιστικού μοντέλου που αναπτύχθηκε με βασικό σκοπό τον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας αλλά και των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τον κύκλο λειτουργίας του κινητήρα, όπως η δυναμική προπορεία έγχυσης του καυσίμου, η χρονική στιγμή έναυσης, η καθυστέρηση ανάφλεξης κλπ., κατόπιν επεξεργασίας των πειραματικών διαγραμμάτων πίεσης. Τέλος, παρουσιάζονται συνοπτικά σε πίνακα τα αποτελέσματα των μετρήσεων (πρωτογενή και επεξεργασμένα) για τα διάφορα υπό εξέταση καύσιμα, στις διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Το 4° Κεφάλαιο παρέχει την περιγραφή του πλήρους, διδιάστατου, πολυζωνικού μοντέλου καύσης, που κατασκευάστηκε για τον υπολογισμό του κλειστού κύκλου λειτουργίας ενός κινητήρα Diesel άμεσης έγχυσης. Εξηγείται ο μηχανισμός σχηματισμού της δέσμης καυσίμου, αναλύοντας τη διεργασία έγχυσης του καυσίμου, τη μέθοδο εύρεσης του σημείου διάσπασης και της αρχικής γωνίας της δέσμης καυσίμου, τον τρόπο χωρισμού της δέσμης σε ζώνες, της ανάπτυξής τους και της συμπαράσυρσης του αέρα και τη διεργασία εξάτμισης των σταγόνων του καυσίμου. Διατυπώνονται ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής και η καταστατική εξίσωση των τελείων αερίων, προκειμένου να εξαχθεί το ιστορικό των (τοπικών) θερμοκρασιών κάθε ζώνης και της πίεσης του κυλίνδρου, και υπολογίζονται οι θερμοδυναμικές ιδιότητες του εργαζομένου μέσου. Δίνονται τα υπομοντέλα των απωλειών της θερμότητας, της καθυστέρησης ανάφλεξης και του ρυθμού καύσης. Καταστρώνεται και επιλύεται το σχήμα χημικής ισορροπίας για το σύστημα C-H-0-N των 11 θεωρούμενων προϊόντων της καύσης και παρέχονται οι εξισώσεις χημικής κινητικής για τον υπολογισμό του μονοξειδίου του αζώτου (NO) και ένα υπομοντέλο για την εκτίμηση των ρυθμών σχηματισμού και οξείδωσης της αιθάλης. Στο 5° Κεφάλαιο πραγματοποιείται η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του μοντέλου, χρησιμοποιώντας μια προϊούσα στο χρόνο τεχνική (time-marching technique), και εξηγείται η διάρθρωση του σχετικού προγράμματος ηλεκτρονικού υπολογιστή. Αναλύεται βήμα προς βήμα η μεθοδολογία μοντελοποίησης της φάσης της συμπίεσης, της καύσης και της αποτόνωσης. Ο υπολογισμός των δύο τελευταίων φάσεων γίνεται σε διάφορα στάδια, που περιλαμβάνουν τα εξής: Αρχικά τους υπολογισμούς στην άκαυστη ζώνη (ζώνη του αέρα), τον υπολογισμό μιας υποθετικής ισενθαλπικής ανάμιξης του νεοεισερχόμενου σε κάθε ζώνη αέρα με τα ήδη υπάρχοντα σε κάθε ζώνη συστατικά, κατόπιν τους υπολογισμούς στις καμένες ζώνες και τελευταία την εκτίμηση της μέσης (αναμεμιγμένης) κατάστασης όλων των ζωνών. Το 6° Κεφάλαιο εφαρμόζει το αναπτυχθέν υπολογιστικό μοντέλο για την περίπτωση της λειτουργίας του κινητήρα Diesel Ricardo/Cussons ‘Hydra’ με συμβατικό καύσιμο ντίζελ, καθαρό βαμβακέλαιο και καθαρό μεθυλεστέρα βαμβακελαίου. Καταγράφονται οι ιδιότητες των συγκεκριμένων καυσίμων και επεξηγείται η τακτική που ακολουθήθηκε για την εύρεση των συντελεστών των διαφόρων υπομοντέλων του μοντέλου. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και τα επίπεδα εκπομπών ρύπων στην εξαγωγή καυσαερίων και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές, προκειμένου να αξιολογηθεί η ικανότητα του μοντέλου για πρόβλεψη τόσο της απόδοσης όσο και των εκπομπών του κινητήρα. Παρέχονται, ακόμη, διαγράμματα ισοϋψών καμπύλών αρκετών μεγεθών που χαρακτηρίζουν τη διαμόρφωση της δέσμης καυσίμου, την εξέλιξη της καύσης και το σχηματισμό ρύπων, στο εσωτερικό της δέσμης καυσίμου σε διάφορες χρονικές στιγμές, ρίχνοντας φως στους μηχανισμούς που κρύβονται κάτω από την καύση και την παραγωγή ρύπων και αποκαλύπτοντας πώς οι διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες των υπό εξέταση βιοκαυσίμων, έναντι του συμβατικού καυσίμου ντίζελ, επηρεάζουν σημαντικά το σχηματισμό της δέσμης, το μηχανισμό της καύσης και τις σχετικές εκπομπές. Στο 7° Κεφάλαιο εφαρμόζεται το αναπτυχθέν υπολογιστικό μοντέλο για την περίπτωση της λειτουργίας του κινητήρα Ricardo/Cussons ‘Hydra’ με συμβατικό καύσιμο ντίζελ και μίγμα 15% (κατ’ όγκο) αιθανόλης με καύσιμο ντίζελ. Η δομή του κεφαλαίου αυτού, όπως είναι ευνόητο, είναι η ίδια με αυτήν του προηγούμενου κεφαλαίου. Το 8° Κεφάλαιο περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της χρήσης βιοντίζελ και φυτικών ελαίων στον κινητήρα Diesel Ricardo/Cussons ‘Hydra’. Η έρευνα αυτή συνίσταται σε δύο σειρές πειραματικών δοκιμών. Η πρώτη σειρά μετρήσεων αφορά τη χρήση μιας μεγάλης ποικιλίας βιοντίζελ ή φυτικών ελαίων διαφόρων προελεύσεων σε μίγματα 10/90 και 20/80 (κατ’ όγκο) με το συμβατικό καύσιμο ντίζελ. Πιο συγκεκριμένα, ως συμπλήρωμα του κανονικού καυσίμου ντίζελ χρησιμοποιούνται βαμβακέλαιο, σογιέλαιο, ηλιέλαιο και οι αντίστοιχοι μεθυλεστέρες τους, καθώς και μεθυλεστέρας κραμβελαίου, μεθυλεστέρας φοινικέλαιου, καλαμποκέλαιο (αραβοσιτέλαιο) και ελαιόλαδο. Η δεύτερη σειρά μετρήσεων περιλαμβάνει τη χρήση διαφόρων μιγμάτων βαμβακελαίου ή του μεθυλεστέρα του (βιοντίζελ βαμβακελαίου) με το καύσιμο ντίζελ, σε κλάσματα μίγματος από 10/90 έως και 100/0 (κατ’ όγκο). Καταγράφονται οι ιδιότητες των διαφόρων καυσίμων και παρέχονται οι συνθήκες λειτουργίας, οι μετρούμενες παράμετροι και η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε. Για κάθε μία σειρά μέτρησης, παρουσιάζονται τα μετρημένα αποτελέσματα και προσδιορίζονται και συγκρίνονται οι διαφορές στις παραμέτρους απόδοσης και εκπομπής καυσαερίων από τη λειτουργία της βάσης αναφοράς του κινητήρα Diesel, δηλ. όταν λειτουργεί με καθαρό κανονικό καύσιμο ντίζελ. Διάφορες θεωρητικές πτυχές της καύσης σε κινητήρες Diesel, σε συνδυασμό με τις ευρέως διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες των εξεταζόμενων βιοκαυσίμων έναντι του συμβατικού καυσίμου ντίζελ, χρησιμοποιούνται για να διευκολύνουν τη σωστή ερμηνεία της παρατηρούμενης συμπεριφοράς του κινητήρα. Το 9° Κεφάλαιο διαπραγματεύεται την πειραματική διερεύνηση της χρήσης μιγμάτων βιοαιθανόλης - καυσίμου ντίζελ στον κινητήρα Diesel Ricardo/Cussons ‘Hydra’. Τα εν λόγω μίγματα είναι περιεκτικότητας 5%, 10% και 15% (κατ’ όγκο) σε αιθανόλη. Καταγράφονται οι ιδιότητες του καυσίμου ντίζελ και της αιθανόλης και παρέχονται οι συνθήκες λειτουργίας, οι μετρούμενες παράμετροι και η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε. Χρησιμοποιείται η ανάλυση του ρυθμού έκλυσης θερμότητας των πειραματικά μετρημένων διαγραμμάτων πίεσης κυλίνδρου, που αναπτύχθηκε στο 3° Κεφάλαιο, προκειμένου να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός της καύσης όταν χρησιμοποιούνται αυτά τα μίγματα. Επιπλέον, προσδιορίζονται και συγκρίνονται οι διαφορές στις παραμέτρους απόδοσης και εκπομπής καυσαερίων από τη λειτουργία της βάσης αναφοράς του κινητήρα Diesel, δηλ. όταν λειτουργεί με καθαρό κανονικό καύσιμο ντίζελ. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης έκλυσης θερμότητας για το σχετικό μηχανισμό καύσης, σε συνδυασμό με τις ευρέως διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες της αιθανόλης έναντι του καυσίμου ντίζελ, χρησιμοποιούνται για να διευκολύνουν τη σωστή ερμηνεία της παρατηρούμενης συμπεριφοράς του κινητήρα. Η παρούσα εργασία ολοκληρώνεται με το 10° Κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί ουσιαστικά και τον επίλογό της. Γίνεται μια σύνοψη της πειραματικής και θεωρητικής έρευνας που διενεργήθηκε στα πλαίσια της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής και συγκεντρώνονται για κάθε εξεταζόμενο βιοκαύσιμο, ξεχωριστά, τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη συνδυασμένη αυτή έρευνα, όσον αφορά τις επιπτώσεις τους στην απόδοση και τις εκπομπές ρύπων κινητήρα Diesel. Το κεφάλαιο κλείνει με την αναφορά των στοιχείων πρωτοτυπίας της παρούσας εργασίας, ορισμένων ενδεικτικών προτάσεων για μελλοντική ερευνητική ενασχόληση που θα επέκτειναν περαιτέρω τη χρησιμότητά της και των σχετικών δημοσιεύσεων που πραγματοποιήθηκαν σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια με πρακτικά και κρίση στο πλήρες κείμενο.