Θερμοδυναμική ανάλυση και πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των υγρών καυσίμων σε κινητήρες Diesel
Authors: Ζάννης Θεόδωρος 
Published: September 2022

Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από δώδεκα κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί την εισαγωγή της διατριβής και σε αυτό δίνονται αρχικά τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του κινητήρα diesel σε σχέση με άλλες θερμικές μηχανές. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι ρύποι που εκπέμπονται από κινητήρες diesel και δίνεται συνοπτικά ο τρόπος που επιδρά ο καθένας στη φθορά του φυσικού περιβάλλοντος και της ανθρώπινης υγείας. Έπειτα περιγράφεται συνοπτικά ο μηχανισμός της καύσης και ο σχηματισμός των αέριων και σωματιδιακών ρύπων στο θάλαμο καύσης του κινητήρα diesel. Δίνονται επίσης τα όρια εκπομπής αιθάλης και μονοξειδίου του αζώτου (NO) από κινητήρες diesel που ισχύουν και πρόκειται να ισχύσουν στην Ευρώπη, τις Η.Π.Α και την Ιαπωνία. Στη συνέχεια περιγράφονται εν συντομία οι τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες σήμερα για τη μείωση των εκπομπών ρύπων και τη βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς κινητήρων diesel. Ακόμη δίνεται σύντομη περιγραφή της χημικής σύνθεσης και των βασικότερων φυσικοχημικών ιδιοτήτων των συμβατικών καυσίμων diesel. Τέλος, γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας που είναι σχετική με την επίδραση που έχουν τα συμβατικά καύσιμα diesel, τα οξυγονούχα καύσιμα και ο εμπλουτισμός του αέρα εισαγωγής με οξυγόνο στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος ανάπτυξης και η διάρθρωση του πολυζωνικού μοντέλου προσομοίωσης της καύσης και του σχηματισμού ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. Δίνεται έμφαση στην περιγραφή του κώδικα υπολογισμού της πίεσης έγχυσης και του ρυθμού έγχυσης όπως επίσης και των θερμοφυσικών ιδιοτήτων διαφόρων υδρογονανθράκων και οξυγονούχων ενώσεων. Η λεπτομερής περιγραφή των δυο σειρών καυσίμων που εξετάσθηκαν δίνεται στο Κεφάλαιο 3. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η στατιστική ανάλυση πολλαπλής παρεμβολής, η οποία πραγματοποιήθηκε μεταξύ της χημικής σύστασης και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του καυσίμου με σκοπό να προσδιορισθούν τα ζεύγη των χαρακτηριστικών του καυσίμου τα οποία είναι στατιστικά ανεξάρτητα μεταξύ τους. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται διεξοδικά οι πειραματικές εγκαταστάσεις των κινητήρων Lister LV1 και Ricardo Hydra. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα υποσυστήματα και τα συστήματα ελέγχου λειτουργίας κάθε κινητήρα, των αναλυτών καυσαερίων και της διάταξης λήψης και ηλεκτρονικής καταγραφής των σημάτων από τον κύλινδρο κάθε κινητήρα. Ο τρόπος διεξαγωγής των εργαστηριακών δοκιμών περιγράφεται στο Κεφάλαιο 5. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την επεξεργασία των μετρήσεων και τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών λειτουργίας του κινητήρα σε κάθε σημείο λειτουργίας όπως το «μέσο» δυναμοδεικτικό διάγραμμα και ο καθαρός ρυθμός έκλυσης θερμότητας. Το Κεφάλαιο 6 αφιερώνεται στην εξέταση της επίδρασης του συνολικού αρωματικού περιεχομένου, των μονοαρωματικών και των διαρωματικών υδρογονανθράκων του καυσίμου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αξιοποιώντας σχετικά πειραματικά αποτελέσματα από τον κινητήρα Lister LV1. Η διερεύνηση της επίδρασης των φυσικών ιδιοτήτων συμβατικών καυσίμων στη λειτουργική και περιβαλλοντική συμπεριφορά των κινητήρων Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 7. Αξιοποιώντας αποτελέσματα που προήλθαν από την επεξεργασία των μετρήσεων αξιολογείται η επίδραση της επιφανειακής τάσης, της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συμπιεστότητας του καυσίμου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και κυρίως, στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel άμεσης έγχυσης. Επίσης γίνεται μια στατιστική ανάλυση ευαισθησίας ώστε να γίνει ιεράρχηση των ιδιοτήτων ανάλογα με την σχετική τους επίδραση στις εκπομπές ρύπων. Η επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στις εκπομπές ρύπων και στη λειτουργία κινητήρων diesel παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 8. Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου, αξιοποιούνται πειραματικά αποτελέσματα από τους κινητήρες Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra με σκοπό την εξέταση της επίδρασης του είδους του οξυγονούχου πρόσθετου και του ποσοστού οξυγόνου στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων. Στο δεύτερο μέρος αρχικά γίνεται η ίδια διερεύνηση αξιοποιώντας αυτή τη φορά θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από το πολυζωνικό μοντέλο καύσης με τα οξυγονούχα καύσιμα δοκιμής. Έπειτα εξετάζεται θεωρητικά η επίδραση που έχει στα χαρακτηριστικά της καύσης και στις εκπομπές αιθάλης και ΝΟ η περαιτέρω (σε σχέση με τα καύσιμα δοκιμής) αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου καθώς και η χρήση 100% οξυγονούχου καυσίμου. Στο Κεφάλαιο 9 αξιοποιούνται πειραματικά αποτελέσματα του κινητήρα Lister LV1 για τα συμβατικά και οξυγονούχα καύσιμα με μεταβλητό αρωματικό περιεχόμενο. Σκοπός είναι η αξιολόγηση της επίδρασης που έχει στη λειτουργική και περιβαλλοντική συμπεριφορά κινητήρων diesel η μείωση της ποσότητας αρωματικών υδρογονανθράκων σε οξυγονούχα καύσιμα. Το πολυζωνικό μοντέλο καύσης αξιοποιείται στο Κεφάλαιο 10 με σκοπό τη συγκριτική αξιολόγηση της επίδρασης που έχει στα χαρακτηριστικά της καύσης όπως επίσης και στο σχηματισμό ρύπων η προσθήκη οξυγόνου στο καύσιμο και ο εμπλουτισμός του αέρα εισαγωγής με οξυγόνο. Η σύγκριση γίνεται διατηρώντας και στις δυο περιπτώσεις το γραμμομοριακό κλάσμα οξυγόνου στο θάλαμο καύσης σταθερό ώστε να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς. Στο Κεφάλαιο 11 δίνονται τα γενικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής ενώ στο Κεφάλαιο 12 αναφέρονται τα πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής και επισημαίνονται μερικές ιδέες για ερευνητική ενασχόληση στο μέλλον.