بخشی از مقاله
بررسي تجربي اثر افزودن نانوذرات به سوخت گازوئيل -بيوديزل بر عملکرد و آلايندگي موتور ديزل -OM
چکيده
منابع انرژي فسيلي رو به کاهش است و افزايش آلودگي هاي زيست محيطي ناشي از مصرف اين نوع انرژي ها باعث شده تا مجامع مختلف به فکر جايگزيني آنها با منابع انرژي تجديدپذير بيفتند . يکي از اين منابع تجديد پذير گياهي، سوخت بيوديزل است که روش هاي مختلفي براي توليد آن وجود دارد و آزمايش هاي مختلفي بر تاثير آن برعملکرد و آلايندگي موتورهاي ديزل انجام شده است . از طرفي ديگر علم نوپاي نانو نيز در همه عرصه ها داراي پيشرفت سريع مي باشد . در اين تحقيق تلاش شده تا بتوان ارتباطي بين ترکيب نانوذرات با سوخت هاي موجود برقرار کرد تا موجب بهبود عملکرد موتور و کاهش آلايندگي شود.
در تحقيق حاضر، عملکرد يک موتور ديزل پاشش مستقيم با چهار نوع سوخت B٠ ،B٢٠، B٢٠ با ترکيب دو درصد ٠.٠٠٤ و٠.٠٠٨ نانوکسيد آهن مورد بررسي قرار گرفته است . روش انجام تحقيق به اين صورت بوده که آزمايش هاي عملکرد موتور در دورهاي ١٢٠٠،١٦٠٠،٢٠٠٠،٢٤٠٠ دور بر دقيقه انجام شده است . نتايج گشتاور، توان ، ميزان آلايندگي، دماي گازهاي خروجي از اگزوز، مصرف ويژه سوخت ترمزي براي سوخت هاي مذکور يادداشت گرديده و مقايسه شدند . نتايج اين تحقيق نشان داد که در سوخت هاي مورد استفاده گشتاور و توان در سوخت B٢٠ نسبت به سوخت ديزل خالص بهبود يافت و ميزان آلايندگي ها به جز دي اکسيد نيتروژن کاهش يافتند که به دليل احتراق شديدتر، دماي احتراق افزايش يافت . همچنين با سوخت nano٠٠٤+B٢٠
نسبت به سوخت B٢٠ تا اندازه اي در بحث آلايندگي و توان نتايج مثبت به دست آمد.
کليد واژه : روغن کلزا، نانوذرات ، بيوديزل ، نانوکسيد آهن
مقدمه:
در بحث بهينه سازي مصرف انرژي و اصلاح ساختار آن که يکي از ارکان توسعه پايدار در هر کشوري است ، چند پايه کردن انرژي و در واقع عدم وابستگي به نوع خاصي از آن و استفاده از انواع مختلف انرژي در سبد سوخت مصرفي، ضروري است . در اينجا هدف ، بهبود سوخت ديزل مورد استفاده فعلي در جايگاههاي سوخت کشورمان مي باشد همچنين استفاده از منابع سوخت متفاوت نظير بيوديزل به طوري که بتوان به صورت همزمان به افزايش توان و گشتاور توليدي موتور و کاهش آلايندگي دست يافت و نيز مصرف سوخت را کاهش داد . همچن ين سعي براين است که به دست آوردن چنين سوختي با صرف کم ترين هزينه وايجاد کم ترين تغييرات بر روي موتور ديزل انجام شو.د[ ١].
عملکرد موتور با درصد هاي مختلف سوخت ديزل - بيوديزل و همچنين ويژگي گازهاي انتشار يافته از آن بستگي زيادي دارد به مواردي نظير: محفظه احتراق ، طراحي نازل انژکتور، فشار پاشش ، اغتشاش هوا، کيفيت اختلاط سوخت و هوا، زمان واقعي شروع احتراق و بسياري موارد ديگر که نتايج آزمايش متفاوتي را به دست مي دهد . علاوه بر اين ، هر پارامتر موتور با تغيير سرعت وبار تغيير مي کند . طراحي موتورهاي ديزل به گونه اي انجام مي شود که حداکثر توان با حاقل آلودگي و وصرف سوخت ويژه همراه باشد . يکي از مهم ترين عوامل تاثيرگذار بر طراحي موتور، ويژگي هاي سوخت مصرفي است . اگر موتور مورد استفاده فقط با استفاده از يک نوع سوخت کار کند، طراح به هنگام طراحي موتور با يک سري پارامترهاي ثابت به عنوان ويژگي هاي سوخت مصرفي سر وکار دارد . کاهش سوخت هاي فسيلي و ملاحظات زيست محيطي باعث روي آوردن بشر به استفاده از سوخت هاي تجديدپذير مانند بيوديزل شده است . بيشتر اين سوخت ها به همراه سوخت هاي فسيلي در خودروها استفاده مي شوند. ممکن است يک خودرو در بازه هاي زماني مختلف از ترکيب هاي متفاوت سوخت استفاده کند.
در اين شرايط که موتور دوگانه سوز يا چندگانه سوز است ، بهترين طراحي موتور، موتوري است که بتواند هنگام استفاده از هر نوع سوخت ، شرايط خود را متناسب با آن سوخت تغيير دهد.[ ٢].
بيوديزل يک سوخت جايگزين براي استفاده در موتورهاي ديزل است که استفاده از آن در مقايسه با سوخت هاي فعلي باعث کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي مي شود. ويژگي هاي بيوديزل تا حدودي با سوخت ديزل متفاوت است .به عنوان مثال گرانروي آن بالاست که پودر شدن آن را کاهش مي دهد. ترکيب گرانروي بالا و فراريت پايين بيوديزل باعث ايجاد مشکل در سيستم پاشش ، استارت بد در هواي سرد، محترق نشدن و افزايش تاخير اشتعال مي شود. ظرفيت اکسيژن بالاي بيوديزل نسبت به ديزل باعث کاهش ارزش حرارتي شده و در نتيجه باعث کاهش معني دار در توان و افزايش در مصرف ويژه سوخت مي شود[٣].
٢-سوخت بيوديزل
بيوديزل متيل يا اتيل استر روغن هاي گياهي و حيواني است . مخلوط هاي بيوديزل و سوخت ديزل در حال حاضر در بسياري از جايگاه هاي عرضه سوخت در بسياري از کشورها موجود است . به منظور نشان دادن ميزان بيوديزل موجود در مخلوط سوخت از حرف B به همراه درصد بيوديزل استفاده مي شود . به عنوان مثال براي نشان دادن سوختي که شامل ٨٠ درصد ديزل و٢٠ درصد بيوديزل مي باشد از علامت B٢٠ و براي نشان دادن سوخت بيوديزل خالص از علامت B١٠٠ استفاده مي شود [٤].
استفاده از نانوذرات در سوخت
ماکسول از اولين کساني بود که در سال ١٨٨١ با افزودن ذرات جامد کروي به سيالات ترکيبي بسيار رقيق و با صرف نظر از بر هم کنش ذرات با يکديگر را بررسي کرد . نکته اي که بايد مورد توجه قرار داد اين است که معدله اي که ماکسول براي ضريب هدايت حرارتي سيال به دست آورد، فقط يک تخمين اوليه است و بر اي مخلوط هايي با غلظت حجمي کم ذرات کاربرد دارد . .[5]
چوي Choi در سال ١٩٩٥ ميلادي در مؤسسه آرگونه در آمريکا، اولين کسي بود که از لفظ "نانو سيال " براي سوسپانسيون هاي نانوذره در مايع استفاده کرد و ادعا کرد که چنين سيالاتي هم از نظر تهيه و هم از نظر خواص پايدا ري و انتقالي در مقايسه با سوسپانسيون هاي معمولي جامد.مايع و ماکروسيالات تفاوتهاي فراواني دارند[٦].
گورو و همکاران در سال ٢٠٠٢ به طور تجربي تاثير افزودن منيزيم ، منگنز، کلسيم و مس به سوخت ديزل را، بر روي مقادير آلايندگي، بازده و کيفيت اشتعالي سوخت مورد بررسي قرار دادند. آن ها در اين بررسي مقادير آلاينده هاي منوکسيد کربن ، دي اکسيد کربن ، دي اکسيد گوگرد و عدد ستان سوخت را در دو حالت ديزل خالص و ديزل با افزودني هاي مذکور بررسي کردند .
نتايج به دست آمده بيانگر کاهش ١٤.٣ درصدي عدد ستان سوخت در اثر افزودن منگنز به سوخت ديزل بود[٧].
تايگي و همکاران در سال ٢٠٠٨ با افزودن نانوذرات آلومينيوم و اکسيدآلومينيوم به سوخت ديزل ، انتقال حرارت به سوخت و احتمال اشتعال پذيري را مورد بررسي قرار دادند . آنها در اين بررسي ذرات در ابعاد nm١٠ و nm٥٠ و همچنين درصدهاي مختلف کسر حجمي صفر و ٠.١ و ٠.٥ درصد را به سوخت ديزل اضافه کردند. آزمايشات انجام شده ، نشان داد که انتقال حرارت به سوخت و احتمال اشتعال آن با افزودن نانوذرات ، افزايش مي يابد[٨].
آرول مزحي و همکاران در سال ٢٠٠٩ بطور تجربي، اثر افزودن نانوذرات اکسيد سريم به ديزل خالص و مخلوط ديزل - يب وديزل - اتانول را بر روي عملکرد و آلايندگي يک موتور ديزل يررسي کردند . اندازه ذرات اکسيد سريم استفاده شده nm٣٢ و موتور ديزل مورد استفاده تکک سيلندر چهار زمانه نسبت تراکم متغير بود . آن ها در اين بررسي نتيجه گرفتند که بيشينه فشار داخل سيلندر با افزودن اکسيد سريم و اتانول به سوخت ديزل افزايش مي يابد و همچنين اکسيد سريم باعث مي شود که زمان تاخير در اشتعال کاهش يابد. از نظر آلاينده هاي خروجي نيز باعث کاهش منوکسيد کربن ، دوده و هيدروکربن نسوخته در مقايسه ديزل خالص مي شود[٩].
ساجيش و همکاران در سال ٢٠١١ ه طور تجربي ات ثير افزودن نانوذزات اکسيد سريم به سوخت بيوديزل را بررسي کردند. آن ها در تحقيقات آزمايشگاهي خود، افزايش نانو ذرات اکسيد سريم را بر روي عملکرد موتور، خصوصيات شيميايي - فيزيکي سوخت و آلاينده هاي خروجي بررسي کردند . آن ها همچنين با اعمال مقادير مختلف نانوذرات اک سيد سريم ، مقدار بهينه اي براي آن انتخاب کردند. در واقع ، آن ها بصورت مطالعه پارامتريک ، مقدارهاي مختلف اکسيد سريم (٢٠،٤٠،٦٠،٨٠) واحد در ميليون را جهت دستيابي به عملکرد بهينه موتور بررسي کردند. نتايج به دست آمده نشان داد که نقطه اشتعال و ويسکوزيته بيوديزل با افزودن نانوذرات اکسيد سريم ، افزايش مي يابد. همچنين مقادير آلاينده هاي هيدرو کربن و اکسيد نيتروژن به طور قابل ملاحظه اي کاهش مي يابد[١٠].
سولرو در سال ٢٠١٢ با افزودن نانوذرات اکسيد آلومينيوم (آلومينا) به سوخت ديزل ، به بررسي مشخصه هاي اسپري احتراق ديزلي و رفات ر شعله پرداخت . وي در تحقيقات آزمايشگاهي خود نتيجه گرفت نانوذرات آلومينا، مي تواند مکانيسم اشتعالي سوخت را بهبود بخشيده و سبب نفوذ بهتر سوخت تزريق شده به داخل هواي فشرده گردد . همچنين نانوذرات آلومينا باعث مي گردد که تبادل حرارتي بين جت سوخت و گاز اطراف درو ن سيلندر بهبود يابد . لذا باعث بوجود آمدن احتراق پايدار و افزايش راندمان مي شود[١١].
کامران مبيني و همکاران در سال ٢٠١١ طي تحقيقي تجربي، اثر افزودن نانو اکسيد آهن بر روي ديزل با دو درصد ٠.٠٤ و ٠.٠٨ درصد را بر روي عملکرد و آلايندگي موتور بررسي کردند . نتايج به دست آمده نشان داد که ميزان مصرف ويژه سوخت و آلاينده اکسيد نيتروژن کاهش يافته و آلاينده منوکسيدکربن کمي افزايش داشت [١٢].
کاربردهاي نانو سيال ها
بيشترين تاثير ذرات نانو در خواص انتقالي اين سيال به ويژه در خواص انتقال گرما مي باشد . سيال هاي معمولي منتقل کننده گرما مانند: آب ، اتيل گليکول ، روغن موتور و غيره خواص گرمايي ضعيفي را نسبت به جامدات از خود نشان مي دهد و اين در حالي است که بهينه سازي تجهيزات گرمايي با توجه به خواص گرمايي پايين سيالات مرسوم ، تاثير محدودي را در افزايش بازده اين تجهيزات دارد. با توجه ب ه اينکه جامدات فلزي و اکسيدهاي آنها رسانش بالاتري تنسبت به سيال ها دارند، ايده پراکنده سازي ذرات جامد در سيال براي بالا بردن رسانش سيال بوجود آمد، که اين ايده در سال ١٨٨١ به وسيله پراکنده سازي ذرات جامد ميکرو و ميلي متري در سيال عملي شد، ولي همواره مشکلات عدم پايداري، ته نشيني، سائيدگي و فرسايش مجاري و مسدود کردن لوله ها در مورد اين سيال ها مانع از دست يابي به يک محصول تجاري مي شد[١٣].
پيشرفت دانش و دسترسي به نانوتکنولوژي به عنوان انقلابي در علم مواد، دسترسي به مواد در حد و اندازه مولکولي و نسبت سطح به حجم فوق العاده بالا را امکان پذير نمود. براي مثال نسبت حجم به سطح يک ذره ١٠ نانومتري حدود ١٠٠٠ برابر بيشتر از مقدار آن باري يک ذره ١٠ ميکرومتري است که نه تنها باعث افزايش انتقال گرما مي شود بلکه با کاهش چگالي باعث افزايش پايداري سوسپانسيون مي شود. پيش بيني مي شود نانوسيال با داشتن رسانش گرمايي بالا و پايداري فوق العاده آن در آينده نزديک در گستره عظيمي از صنعت و علوم مختلف مورد استفاده قرار گيرد . به عنوان مثال : بيشترين کاربرد براي نانوسيال ها صنعت حمل و نقل مي باشد. از نانو سيال ها مي توان به منظور توسعه سامانه هاي خنک کننده همراه با کنترل درجه گرما در وسايل نقليه سنگين استفاده نمود. با توجه به پايان پذيري منابع انرژي فسيلي ضروري است که تا حد ممکن راندمان انرژي تجيزات گوناگون بالا برده شود[١٤].
٣-١ مواد
در اين تحقيق آزمايش هاي متفاوتي با استفاده از چهار نوع سوخت بر روي يک موتور ديزل انجام شد جدول (٣-١). آزمايش هاي تجربي در محل آزمايشگاه موتور پژوهشکده مکانيک سازمان پژوهش هاي علمي و صنعتي ايران انجام گرفت . در حالت تمام بار موتور و در دورهاي گوناگون ، توسط يک دستگاه دينامومتر، گشتاور و توان موتور ونيز توسط يک دستگاه آناليزور گاز، آلايندگي گازهاي خروجي از اگزوز اندازه گيري شد
سوخت مورد استفاده
ط بق تحقيقات انجام شده توسط محققان ، مي توان سوخت بيوديزل را به نسبت هاي مختلف با سوخت ديزل مخلوط کرد و بون هيچ گونه تغييرات اساسي در ساختمان موتور ديزل ، مورد استفاده قرار داد . بر اساس نتايج حاصل از آزمايش ها در مقالات گوناگون ، نسبت بيوديزل ٢٠ به گازوئيل ٨٠ از ساير نسبت ها مزاياي بيشتري داشته و مناسب تر به نظر مي رسد . به همين دليل در تحقيق حاضر از اين نسبت استفاده مي گردد.همچنين مطابق چند مقاله معتبر، نسبت نانو ذرات را به دو مقدار ٠.٠٤ و ٠.٠٨ درصد حجمي ترکيب مي نمائيم . بين انواع سوخت بيوديزل ، نوع بيوديزل کلزا داراي مزاياي بيشتري نسبت به بقيه مي باشد، بنابراين در تحقيق حاضر از اين نوع استفاده مي شود، که در آزمايشگاه بيوديزل دانشکده کشاورزي دانشگاه تربيت مدرس توليد گرديد.
سوخت هاي مورد استفاده شامل : ١-گازوئيل خالص ٢-ترکيب ٢٠ درصد بيو ديزل کلزا با ٨٠ درصد گازوئيل (B٢٠) ٣-ترکيب
B٢٠ با ٠.٠٤ درصد نانوکسيد آهن ٤- ترکيب B٢٠ با ٠.٠٨ درصد نانوکسيد آهن مي باشد.در جدول ٣-١ برخي از خواص مهم سوخت ديزل و بيوديزل مورد استفاده در اين تحقيق به همراه استانداردهاي مربوطه و حدود مجاز آنها ارائه شده است .شکل (١-١).
موتور تحت آزمايش
موتور تحت آزمايش ، يک موتور چهار سيلندر خطي پاشش مستقيم (٣١٤-OM) مي باشد که ساخت شرکت ايدم تبريز تحت ليسانس شرکت بنز آلمان مي باشد. اين موتور توسط دسته موتورها بر روي پايه اي قرار گرفته است . براي روشن کردن موتور از يک استارتر برقي استفاده مي شود که در کنا ر موتور قرار گرفته است . سامانه سوخت رساني موتور شامل يک پمپ سه گوش است که سوخت توسط آن از باک کشيده شده و با گذر از فيلترها، ناخالصي هاي آن جدا شده و به پمپ انژکتور مي رسد . در اين قسمت سوخت اضافه بر مصرف توسط يک لوله برگشتي به باک بازمي گردد . سوخت مصرفي توسط مجموعه بارل و پلانجر و قسمت فشار قوي پمپ توسط لوله هاي فلزي با فشار بالا به انژکتورها ارسال شده و توسط انژکتور به محفظه احتراق پاشش مي
شود[١٥].شکل ( ٢-١و٣-١).
مشخصات دينامومتر
دينامومتر دستگاهي براي اندازه گيري گشتاور و توان موتور تحت شرايط مختلف بار و دور مي باشد . دينامومترها داراي انواع مختلفي مي باشند که در اين تحقيق به منظور اندازه گيري توان و گشتاور ترمزي موتور از يک دينامومتر جريان گردابي (ادي کارنت ) مدل w٤٠٠، ساخت شرکت شنک آلمان استفاده شده است جدول ٢-٢. دقت اين دينامومتر با خطاي N.m١ مي باشد.
در شکل ٣-٢ بستر آزمون به همراه دينامومتر نشان داده شده است . همانطور که در اين شکل مشاهده مي شود، موتور بر روي يک پايه طوري قرار گرفته که ميل لنگ در راستاي محور دينامومتر مي باشد . محور خروجي موتور بوسيله يک کوپلينگ به محور
دينامومتر بسته شده است .به منظور جلوگيري از انتقال ارتعاشات موتور به دينامومتر، از دو ارتعاش گير لاستيکي بين کوپلينگ استفاده شده است .
دراين دينامومتر از يک ديسک پره دار استفاده شده که اطراف آن را يک سيم پيچ احاطه کرده است . اين سيم پيچ متناسب با ولتاژي که به آن اعمال مي شود، ميدان مغناطيسي ايجاد مي کند .ديسک پره دار به محور دينامومتر متصل بوده و توسط موتور به چرخش در مي آيد.اين ديسک بصورت يک هادي عمل کرده و خطوط شار مغناطيسي را قطع کرده وايجاد جريان گردابي مي کند. با ايجاد جريان گردابي، ديسک پره دار بر محور موتور گشتاور ترمزي وارد مي کند که با ميدان مغناطيسي ايجاد شده متناسب است . گشتاور عکس العملي حاصل از اين گشتاور بر پوسته دينامومتر وارد مي شود.بوسيله يک کرنش سنج ، پوسته دينامومتر مهر و نيروي آن اندازه گيري مي شود . اين ن يرو بيانگر گشتاور ترمزي موتور مي باشد . در هر وضعيت انرژي حاصل از جريان هاي گردابي در ديسک جذب شده و به صورت گرما بوسيله جريان آب سيستم خنک کننده از دينامومتر دفع مي شود. در هنگام انجام آزمايش ها توسط چرخاندن يک پتانسيومتر گشتاور اعمالي به موتور تغيير داده مي شود . گشتاور اعمالي و دور موتور توسط يک نمايشگر در هر وضعيت قابل مشاهده مي باشد.(شکل ٢-٢)
