بخشی از مقاله
چکیده
افزایش گازهای گلخانهای و مضر، بدلیل افزایش مصرف روزافزون سوخت، شدت بیشتری یافته است. مقررات سختگیرانه در مورد آلایندههای خروجی از موتور خودرو، محققین را بسمت بهبود کیفیت احتراق سوق داده است. استفاده از افزودنی آب یکی از روشهای منحصر بفردی است که میتواند آلایندههای خروجی از موتور بویژه NOx را کاهش دهد. آب میتواند هم بصورت مستقیم بداخل سیلندر و یا منیفلد ورودی هوا تزریق شود و هم اینکه بصورت امولسیون همراه با سوخت دیزل بداخل سیلندر پاشیده شود. بدلیل خاصیت خنک کنندگی آب، هرکدام از این روشها مقدار آلاینده NOx را بطور قابل ملاحظهای کاهش میدهند. اما استفاده از روش امولسیون دیزل-آب، میتواند آلایندههای دیگر را نیز کاهش دهد و همچنین عملکرد موتور را نیز بهبود ببخشد. در این مطالعه سوخت امولسیون آب-دیزل مقادیر آلاینده HC و NOx را کاهش داد و همچنین توانست مقدار BTE بالاتر و BSFC کمتری نسبت به سوخت دیزل خالص را منجر شود.
کلمات کلیدی: افزودنی، موتور دیزل، عملکرد، آلاینده ها، پدیده ریز انفجار
مقدمه
منابع انرژی فسیلی و افزایش آلایندگیهای زیست محیطی یکی از نگرانی-های جامعه بشری است. افزایش روزافزون مقررات مربوط به تولید آلاینده های منتشره شده خودروها، محققین حوزههای سوخت و تحقیقات موتور شرکتهای سازنده خودرو را برای یافتن راه حل مناسب سوق داده است - شکل . - 1 به دلیل این مقررات سختگیرانه، مراکز تولید موتور برای کاستن آلایندههای خروجی از موتور، تکنولوژیهای مختلفی را به طراحی موتور اضافه کردهاند.از جمله این تغییرات میتوان به استفاده از سیستم پاشش سوخت متغیر، سیستم زمانبندی باز و بسته شدن متغیر سوپاپها، استفاده از کاتالیستها و غیره اشاره کرد. در این میان، موتورهای دیزلی بدلایل بازده حرارتی بالاتر، گشتاور بیشتر، آلایندههای کمتر، بیشتر از موتورهای اشتعال جرقهای در کانون توجه قرار گرفتهاند و استفاده از این نوع موتورها نیز بیشتر شده است .[1]
اگرچه این پیشرفتها توانستهاند مقدار توان بالاتر و مصرف سوخت پایینتر و آلایندگی کمتری را تولید کنند اما نگرانیهای مربوط به سوخت-های فسیلی و گازهای گلخانهای را برطرف نکرده است. در واقع آلودگی هوا یکی از مهمترین مشکلات امروزه کلانشهرها در سراسر جهان میباشد. این مشکل در ایران نیز بسیار قابل لمس میباشد. به عنوان مثال، مقدار آلاینده-ها در شهر تهران در سال 1393 دریک سوم روزهای سال در شرایط ناسالم بوده است و مهمتر اینکه بر اساس آمار شرکت کنترل کیفیت هوای تهران، %85 این آلایندهها مربوط به گازهای منتشر شده از وسایل حمل و نقل است .[2] یکی از راهحلها برای حل مشکل بزرگ استفاده از افزودنیها میباشد. افزودنیهای مختلفی در موتور دیزل بکار گرفته میشوند. بیودیزل یکی از معمولترین افزودنیهاست که کشورهای زیادی آنرا در سیستم پخش سوخت بکار گرفتهاند.
بیودیزل به دلیل تجدیدپذیر بودن و کاهنده آلایندههای هیدروکربنهای نسوخته - HC - ، مونو اکسید کربن - CO - ، ذرات معلق - PM - میشود اما آلاینده اکسیدهای نیتروژن - NOx - را افزایش میدهد. از دیگر افزودنیهای میتوان الکلها، نانو فلزات و آب را برشمرد. در این میان استفاده از آب در موتور دیزل راهکار جالب توجهای در کاهش آلایندهها، بویژه آلاینده NOx و همچنین در برخی مطالعات نشان داده است که میتواند بهبود دهنده عملکرد موتور نیز باشد. در واقع، از آنجا که یکی از عوامل اصلی اثرگذار در افزایش مقدار NOx بالا بودن دمای داخل سیلندر در زمان احتراق میباشد استفاده از افزودنی آب میتواند راهحل مناسبی برای کاهش آلایندهها بویژه NOx باشد.مطالعه و بررسی تحقیقات پیشین نشان میدهد که تکنیکهای افزودن آب به موتور دیزل با سه روش امکانپذبر است.
· تزریق مستقیم آب به داخل سیلندر - DWI1 -
با استفاده از این روش پاشش آب به داخل سیلندر با کنترل دقیقی انجام گرفته و هر زمان که نیاز شد آب به داخل محفظه احتراق پاشیده میشود. این نکته باعث میشود که DWI در مقایسه با دیگر روشها برتری نسبی داشته باشد. بدلیل کنترل بر روی مقدار آب پاشیده شده، در این روش می-توان کنترل زیادی بر روی تاخیر داشت .[3] برای استفاده از این روش، موتور بایستی به تجهیزاتی اضافی مجهز شود. در روش DWI، پاشش آب یا با استفاده از یک نازل جداگانه انجام میگیرد و یا اینکه پاشش آب با استفاده از همان نازل پاشش سوخت انجام میشود و مقدار و زمان پاشش آب با استفاده از یک سیستم الکترونیکی کنترل میگردد. این روش هزینه های زیادی را به قیمت تمام شده موتور اضافه میکند و بهمین دلیل نتوانسته توفیق چندانی را پیدا کند. یکی از تحقیقات خوب انجام گرفته در این زمینه، توسط بدفورد و همکاران در سال 2000 انجام گرفت .[4] مطالعه مورد نظر نتیجه یک کار محاسباتی توسط دینامیک سیالات عددی - CFD1 - با استفاده از نرم افزار Kiva -3v code را با نتایج کار تجربی مقایسه نمود. نتایج کار آنها نشان داد که در نصف بارگذاریها مصرف سوخت، PM و NOx کاهش یافتند ولی کاهش آلاینده NOx در بیشتر حالات بارگذاری ثبت شد.
· افزودن آب به داخل ورودی هوا - WF2 -
استفاده از روش DWI به دلیل تجهیزات پیشرفته روند تحقیقات را بسمت اضافه نمودن آب به داخل ورودی هوا و اصطلاحا روش WF سوق داد. در روش WF، پاشش آب توسط یک نازل، کاربراتور و یا با استفاده از یک سیستم بخاردهی بداخل منیفلد ورودی هوا انجام میشود. کاربرد این روش نیز همانند روش DWI نیازمند مجهز کردن موتور به تجهیزاتی اضافی است با اینحال هزینه اضافه شده کمتر میباشد و به نظر میرسد آسانترین روش برای اضافه کردن آب بداخل موتور میباشد. در این روش نیز میتوان مقدار و زمان پاشش آب را با استفاده از یک سیستم الکترونیکی کنترل نمود .[5]
استراتژیهای مختلفی برای پاشش آب بداخل محفظه در مطالعات یافت میشود: پاشش چند نقطهای نزدیک سوپاپ هوا، پاشش تک نقطهای بالادست کمپرسور و یا پایین دست کمپرسور - شکل . - 3 در تمامی این استراتژیها نسبت آب به سوخت تا %50 میتواند تنظیم شود. برخی از مزایای این روشها شامل تغییرات برخط یکنواختی از مقدار آب، افزایش بازدهی بخاطر خاصیت خنک کنندگی، پخش تقریبا یکنواخت آب در داخل سیلندر. یکی از معایب بزرگ این روش این است که مقدار آب خیلی زیادی - %65-60 - مورد نیاز است تا آلاینده %50 NOx کاهش یابد و این مقدار بسیار زیادی است - تقریبا 4 برابر مقدار سوخت - تا بتوان به مقدار قابل قبولی از کاهش NOx دست یافت 6] و .[7
محققین زیادی تکنیک WF را مورد بررسی قرار دادهاند . [7-5] تاوزیا و همکاران در سال 2010 اثر پاشش آب بر روی تاخیر در احتراق، نرخ حرارت آزاد شده، و آلاینده در موتور دارای پاشش سرعت بالای common-rail انجام دادند. موتور مورد استفاده یک موتور دیزل توربوشارژ 2 لیتری مجهز به سیستم بازخورانی گازهای خروجی کم فشار بود. در ایت مطالعه، سیستم پاشش بعد از اینترکولر و درست قبل از ورودی هوا نصب شده بود. آنها عنوان کردند که نرخ بالای پاشش آب منجر به تاخبر در اشتعال بیشتر، پیک حرارت آزاد شده بالاتر و آلاینده NOx کمتر شد اما مقدار آلاینده CO و HC را افزایش داد .[7]
· امولسیون آب-دیزل - WDE5 -
از روشهای مناسب افزودن آب به داخل موتور دیزل، ترکیب آن با سوخت دیزل بوده که بیشتر تحقیقات انجام شده نیز بر کارایی بهتر این روش تاکید دارند. به دلیل خواص روغن و آب این دو ماده به سادگی قابل مخلوط کردن با همدیگر نمیباشند و بسرعت تبدیل به دوفاز جداگانه خواهند شد. برای اینکه آب را بتوان در دیزل و یا مخلوط بیودیزل-دیزل حل نمود، بایستی از یک ماده جاذب سطحی - Surfactant - به عنوان ماده واسط بهره گرفت. به عنوان مثال، مواد جاذب span و tween جزو مواد شناخته شده در این راستا میباشند .[8] هر کدام از مواد جاذب بسته به اینکه هدف تهیه امولسیون حل نمودن آب در روغن و یا روغن در آب باشد کاربرد متفاوتی خواهد داشت. امولسیونهای مختلف قابل استفاده در موتور را میتوان به روشهای زیر تقسیم کرد:
.امولسیون روغن در آب - oil in water -
.امولسیون آب در روغن - water in oil -
. امولسیون مخلوط روغن و آب، در روغن - oil-water in oil - امولسیون سازی آب در روغن در موتور بیشتر از موارد یگر مورد استفاده قرار میگیرد. شکل 4 شماتیکی از امولسیون دو فاز و سه فاز را نشان می-دهد .[9] مخلوط آب و روغن بدلیل خواص متفاوت آنها براحتی با همدیگر تشکیل امولسیون نمیدهند و محققین از تکنیک التراسونیک برای تهیه امولسیون پایدار استفاده میکنند.گرچه تهیه امولسیون آب-دیزل نیازمند استفاده از سورفکتنت و همچنین دستگاه التراسونیک میباشد. اما استفاده از آب در سوخت دیزل و بصورت امولسیون مزایای جالبی دارد که استفاده از آن را در قیاس با سایر روشها متمایز مینماید. یکی از اثرات امولسیون WDE این است که در کنار اثر حنک کنندگی آب، این مولسیون موجب بروز پدیده ریز انفجار مربوط در حین احتراق میشود. پدیده ریز انفجار موجب تبخیر شدن سریعتر ذرات آب محاط شده توسط ذرات سوخت میباشد، که موجب انفجار ثانویه در قطرات پاشیده شده داخل سیلندر گشته و موجبات مخلوط شدن بهتر سوخت با هوا را فراهم میآورد .[10] تصویری شماتیک از پدیده ریز انفجار که موجب از هم گسسته شدن قطرات سوخت میشود را در شکل 5 مشاهده میکنید.
در سال 2013، کوک و عبداالله مطالعهای را بر روی امولسیون آب-دیزل-بیودیزل و بر روی یک موتور دیزلی 4 سیلندر انجام دادند .[11] نسبت آب مورد استفاده در امولسیون 5، 10 و %15 انتخاب شده بود. یافتههای ایشان نشان داد امولسیون آب-دیزل-بیودیزل، موجب انتشار آلاینده NOx و دوده ی کمتری در قیاس با B5 و B20 شد. افزایش مقدار غلظت آب نانو امولسیون موجب افزایش مصرف سوخت ویژه ترمزی - BSFC1 - و آلاینده CO می شود. نتایج تحقیق آنها نشان داد که با افزایش مقدار آب موجود در امولسیون کاهش NOx و CO بیشتری بدست آمد.بدلیل اینکه پیش از این در کنفرانسهای داخلی موضوع استفاده از آب در موتور دیزل بصورت کلی مورد بررسی قرار نگرفته است هدف این مقاله معرفی این روش و همچنین بررسی اثر افزودن آب به سوخت دیزل خالص و سوخت B5 و بررسی نتایج آنها با یکدیگر میباشد. آزمونها بر روی یک موتور تک سیلندر ریکاردو E6 با حجم موتور 507cc انجام گرفت.
مواد و روش
سوخت بیودیزل در آزمایشگاه و با استفاده از روغن پسماند آشپزخانه تولید شد. روش مورد استفاده برای تولید ترانس استریفیکاسیون متانول با هیدروکسید پتاسیم بود. افزودنی مورد استفاده آب و به مقدار %3 وزنی بود که به سوخت های دیزل خالص و B5 اضافه شد. برای انجام آزمونهای تست موتور، از یک موتور تک سیلندر چهار زمانه پاشش مستقیم مدل Ricardo E6 استفاده گردید - شکل . - 6 دستگاه آلانیده سنج مورد استفاده، 5 گاز و ساخت شرکت AVL بود که آلایندههای HC، CO2، CO و NOx را سنجش مینمود. آزمونهای تست موتور در شرایط آزمایشگاهی دور موتور 1000 دور بر دقیقه و بارگذاریهاب 25و 50و 75 و %100 انجام شدند.
