نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکترا/ دانشگاه بوعلی سینا همدان
2 عضو هیات علمی/ دانشگاه بوعلی سینا همدان
3 عضو هیات علمی/ دانشگاه تربیت مدرس تهران
چکیده
در سالهای اخیر استفاده از روغنها و فرآورده های گیاهی به عنوان جایگزین سوخت دیزل مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از روغنهای گیاهی علاوه بر کاهش قیمت بیودیزل تولید شده، کمکی در جهت حفظ محیط زیست میباشد. تا کنون مناسب بودن روغن کلزا، سویا و روغن نخل در موتور دیزل پاشش مستقیم مورد ارزیابی قرار گرفته است. در موتورهای احتراق داخلی حدود یک سوم کل انرژی سوخت ورودی به کار مفید تبدیل میگردد.کاهش تلفات حرارتی در قسمت های مختلف موتور منجر به افزایش راندمان و کار مفید خواهد شد.هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی اثرات سوخت گیاهی بیودیزل و نانوکاتالیستها شامل نانو اکسید سریم و نانو اکسید مولیبدن بر روی تراز انرژی موتور دیزل با استفاده از ترکیب سوختهای دیزل-بیودیزل-نانوکاتالیست میباشد.یک موتور دیزل تک سیلندر، چهار زمانه، پاشش مستقیم و هوا خنک جهت انجام آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت. موتور در دور rpm 2100 و شرایط تمام بار راهاندازی شد. با استفاده از قانون اول ترمودینامیک، راندمان حرارتی، تلفات سیستم خنک کننده، تلفات حرارتی اگزوز و همچنین تلفات محاسبه نشده که شامل تلفات حرارتی سیستم روغنکاری و انتقال حرارت تشعشعی می باشد محاسبه شد. نتایج نشان داد افزایش بیودیزل و نانوکاتالیستها به سوخت دیزل باعث افزایش راندمان حرارتی میشود. بیشترین افزایش راندمان حرارتی (7/7%) مربوط به ترکیب سوخت B10 به علاوه ppm 90 نانوکاتالیست نسبت به سوخت دیزل خالص بدست آمد. همچنین افزایش بیودیزل باعث افزایش تلفات حرارتی اگزوز و سیستم خنک کننده شد، در صورتی که با اضافه کردن نانوکاتالیست به ترکیب سوختهای دیزل-بیودیزل این مقادیر کاهش یافتند.
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
Feasibility of using biodiesel herbal fuel and nano cerium and molybdenum oxides as additive to diesel fuel in evaluating the energy balance of the diesel engine
نویسندگان [English]
چکیده [English]
In recent years, the use of oils and herbal products are considered as an alternative for diesel fuel. In addition to reducing the price of biodiesel produced from using herbal oils, which help to protect the environment. So far, the suitability of rapeseed, soybean and palm oil in direct injection diesel engine is evaluated. In the internal combustion engines, only approximately 1/3 of total fuel input energy is converted to useful work. Reduction of heat losses in different parts of the engine will lead to increased efficiency and useful work. The main aim of this research paper is to evaluate the effects of the biodiesel herbal fuel and nanocatalysts containing cerium oxide and molybdenum oxide on energy balance of a diesel engine using diesel-biodiesel-nanocatalyst fuel blends. The engine was run at the speeds of 2100 rpm and full load co
کلیدواژهها [English]
امکانسنجی استفاده از سوخت گیاهی بیودیزل و نانواکسیدهای سریم و مولیبدن به عنوان افزودنی به سوخت دیزل در ارزیابی تراز انرژی موتور دیزل
بهداد شدیدی1، حسین حاجی آقا علیزاده1* و برات قبادیان2
1 همدان، دانشگاه بوعلی سینا، دانشکده کشاورزی، گروه مهندسی بیوسیستم
2 تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده کشاورزی، گروه مهندسی بیوسیستم
تاریخ دریافت: 7/10/95 تاریخ پذیرش: 22/8/96
چکیده
در سالهای اخیر استفاده از روغنها و فرآوردههای گیاهی به عنوان جایگزین سوخت دیزل مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از روغنهای گیاهی علاوه بر کاهش قیمت بیودیزل تولید شده، کمکی در جهت حفظ محیط زیست میباشد. تا کنون مناسب بودن روغن کلزا، سویا و روغن نخل در موتور دیزل پاشش مستقیم مورد ارزیابی قرار گرفته است. در موتورهای احتراق داخلی حدود یک سوم کل انرژی سوخت ورودی به کار مفید تبدیل میگردد. کاهش تلفات حرارتی در قسمت های مختلف موتور منجر به افزایش راندمان و کار مفید خواهد شد. هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی اثرات سوخت گیاهی بیودیزل و نانوکاتالیستها شامل نانو اکسید سریم و نانو اکسید مولیبدن بر روی تراز انرژی موتور دیزل با استفاده از ترکیب سوختهای دیزل-بیودیزل-نانوکاتالیست میباشد. یک موتور دیزل تک سیلندر، چهار زمانه، پاشش مستقیم و هوا خنک جهت انجام آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت. موتور در دور rpm 2100 و شرایط تمام بار راهاندازی شد. با استفاده از قانون اول ترمودینامیک، راندمان حرارتی، تلفات سیستم خنک کننده، تلفات حرارتی اگزوز و همچنین تلفات محاسبه نشده که شامل تلفات حرارتی سیستم روغنکاری و انتقال حرارت تشعشعی می باشد محاسبه شد. نتایج نشان داد افزایش بیودیزل و نانوکاتالیستها به سوخت دیزل باعث افزایش راندمان حرارتی میشود. بیشترین افزایش راندمان حرارتی (7/7%) مربوط به ترکیب سوخت B10 به علاوه ppm 90 نانوکاتالیست نسبت به سوخت دیزل خالص بدست آمد. همچنین افزایش بیودیزل باعث افزایش تلفات حرارتی اگزوز و سیستم خنک کننده شد، در صورتی که با اضافه کردن نانوکاتالیست به ترکیب سوختهای دیزل-بیودیزل این مقادیر کاهش یافتند.
واژه های کلیدی: تراز انرژی، سوخت گیاهی بیودیزل، نانو اکسید سریم، نانوکاتالیست، نانو اکسید مولیبدن.
* نویسنده مسئول، تلفن: ۰۹۱۸۱۱۱۳۸۳۰ ، پست الکترونیکی: h-alizade@basu.ac.ir
مقدمه
تامین انرژی یکی از مهمترین مسائل جهان امروز است .بیشترین مصرف سوختهای فسیلی در موتورهای احتراق داخلی میباشد. افزایش قیمت جهانی سوختهای فسیلی و افزایش هشدارهای زیست محیطی در سطح جهان موجب شده تا محققان به دنبال پیدا کردن منابع تجدیدپذیر برای این نوع سوختها باشند (۱۴). جهت برطرف کردن این مشکلات راهکارهای متفاوتی توسط محققان ارائه شده است. یکی از این راهکارها، جایگزین نمودن سوختهای فسیلی با سایر انرژیهای تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، انرژی حاصل از سوختهای زیستی (بیودیزل، بیواتانول و بیوگاز) یا انرژی باد میباشد.
امروزه منابع جدیدی به عنوان سوخت جایگزین سوختهای فسیلی در موتورهای احتراق داخلی معرفی شدهاند. بسیاری از سوختهای جدید منبع آلی دارند. عمدهترین آنها روغنهای گیاهی و بیوگاز میباشند. بنابراین سوختهای گیاهی عمدهترین منابع تولید سوختهای جدید یا جایگزین سوختهای فسیلی محسوب میشوند. سوختهای گیاهی به طور عمده آلودگیهای کمتری نسبت به سوختهای فسیلی دارند. سوختهای گیاهی به راحتی میتواند از بقایای مواد گیاهی تولید گردند. زبالهها و تهماندههای مربوط به غذاها و مواد دور ریختنی شرکتهای صنایع غذایی و همچنین فاضلاب میتواند منبع خوبی جهت تولید سوختهای گیاهی باشد (۱۰). از جمله مهمترین سوختهای جایگزین بیولوژیک میتوان به بیودیزل اشاره کرد که به عنوان سوخت جایگزین قابلیت استفاده در موتور دیزل را دارا می باشد.
از نظر شیمیایی، بیودیزل منو الکیل استر با زنجیره اسید چرب دراز است که از منابع تجدیدپذیر لیپید به وجود میآید. این سوخت میتواند در موتورهای دیزل اشتعال تراکمی با اندکی تغییر و یا بدون تغییر و اصلاح مورد استفاده قرار گیرد. بیودیزل تجدیدپذیر، غیر سمی و بدون گوگرد و ترکیبات آروماتیک است. بیودیزل متیل یا اتیل استر روغنهای گیاهی و حیوانی است. بیودیزل هم اکنون با درصدهای مختلفی با سوختهای دیزل ترکیب میگردد. میزان ترکیب تابعی از شرایط اقتصادی، قوانین زیست محیطی پذیرفته شده، توانایی و قابلیت مواد به کار برده شده و خصوصیات احتراق است (۱).
تا کنون مناسب بودن روغن کلزا و روغن نخل در موتور دیزل پاشش مستقیم مورد ارزیابی قرار گرفته است. روغنهای گیاهی در آزمایشهای کوتاه مدت موتور دارای عملکرد مناسب موتور و سطوح آلایندههای خروجی مورد قبولی هستند (۱۵).
از روغن سویا نیز به عنوان عنوان سوخت در موتور اشتعال تراکمی استفاده شده و آزمایشها نشان میدهند که فقط در بخش بار، راندمان دارای تفاوت کمی با سوخت دیزل است و بهبود در مصرف سوخت ویژه ترمزی با مخلوط حاصل نمیشود (۶).
از روغن نخل گرم شده در موتور اشتعال تراکمی نیز استفاده شده است. گرم کردن سوخت باعث پایین آمدن گرانروی سوخت، پاشش بهتر و اتمیزه شدن مناسب میشود. گشتاور، توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه، آلایندههای خروجی و راندمان حرارتی ترمزی این سوخت با سوخت دیزل قابل مقایسه است (۱۱).
ویسکوزیته بالا، ساختار اسیدی و محتوای اسیدهای چرب آزاد چنین روغنهایی باعث مشکلاتی مانند پلیمری شدن در هنگام نگهداری و احتراق، گرفتگی و دیگر مسائل میشود. تا کنون تلاشهای فراوانی جهت نزدیک کردن خصوصیات روغنهای گیاهی به سوخت دیزل صورت گرفته است. مهمترین مشکلات مناسب نبودن روغنهای گیاهی برای سوخت دیزل گرانروی بالا، فراریت کم و غیراشباع بودن است. یکی از روشهای مهم که برای جایگزین نمودن روغنهای گیاهی به عنوان سوخت دیزل توسعه پیدا کردهاند ترانس استریفیکاسیون میباشد(1).
از معایب استفاده از بیودیزل در موتور، کاهش توان موتور و افزایش مصرف سوخت و آلاینده NOx میباشد (۱۸). لذا جهت برطرف کردن این مشکلات امروزه از نانوکاتالیستها به عنوان مواد افزودنی به سوخت استفاده میکنند. نانوکاتالیست ها باعث بهبود احتراق سوخت دیزل و بیودیزل خواهند شد.
راهکار دوم افزایش بازده موتورهای احتراق داخلی با تمرکز بر کاهش تلفات انرژی در موتور می باشد (۱۶). انرژی ورودی در موتور به چهار بخش تقسیم میگردد: 1) کار مفید (توان ترمزی) 2) تلفات انرژی سیستم خنک کننده 3) تلفات انرژی در اگزوز 4) تلفات محاسبه نشده که شامل تلفات گرمایی ناشی از تشعشع و ... می باشد. همچنین، تلفات روغن توسط محققان جزء تلفات محاسبه نشده در نظر گرفته می شود (۳-۴-۷-۱۳-۱۹).
تراز انرژی یک موتور احتراق داخلی، تحلیل قانون اول ترمودینامیک است که تراز حرارتی نیز نامیده می شود (۱۶). به طور تقریبی 30% انرژی ورودی به کار مفید تبدیل میشود. برای افزایش مقدار توان موتور، بیشتر توجهات بر روی کاهش تلفات گرمایی میباشد (۴).
تحقیقات متعددی بر روی اثرات سوخت بیودیزل به صورت ترکیبی با سوخت دیزل و نانوکاتالیستهای افزودنی بر تراز انرژی موتور دیزل صورت گرفته است.Abedin و همکاران (۲۰۱۴)، از ترکیبات مختلف دیزل-بیودیزل (B5، B10 و B20) برای ارزیابی عملکرد و تلفات حرارتی موتور دیزل استفاده کردند. نتایج بیانگر این موضوع بود که افزایش درصد بیودیزل در ترکیبات سوخت باعث کاهش تلفات اگزوز و افزایش تلفات روغن و سیستم خنک کننده شد (۱). Khoobbakht و همکاران (۲۰۱۶)، اثرات ترکیب سوخت دیزل-بیودیزل-اتانول را بر روی تراز انرژی موتور دیزل ارزیابی نمودند. آنها گزارش کردند که تنها 37% از انرژی ورودی به کار مفید تبدیل خواهد شد و مابقی آن (63%) تلف خواهد شد (۹)Vairamuthu .و همکاران(۲۰۱۵)، از سوخت بیودیزل و افزودنی اکسید سریم در موتور دیزل استفاده کردند. نتایج نشان داد که افزایش اکسید سریم به عنوان افزودنی به سوخت B100+20 باعث کاهش آلایندههای اگزوز و همچنین افزایش ۵/۴% راندمان حرارتی شد (۱۷). Mirzajanzadeh و همکاران (۲۰۱۵)، از اکسید سریم در مخلوط سوخت دیزل-بیودیزل (B5 و B10) استفاده نمودند. نتایج افزایش ۸۱/۷% توان و ۹۱/۴% گشتاور موتور را نشان داد (۱۲).
با توجه به توضیحات فوق و اهمیت افزایش راندمان موتورهای دیزل ارزیابی تراز حرارتی این نوع موتورها با سوختهای گیاهی و افزودنیهای مختلف جهت درک بهتر توزیع انرژی ورودی در این نوع موتورها ضروری به نظر می رسد. لذا در تحقیق حاضر سوخت گیاهی بیودیزل با درصد حجمی 2 و10 درصد با سوخت دیزل ترکیب و نانواکسید سریم و مولیبدن با غلظتهای (ppm 90-60-30) به عنوان ماده افزودنی به این ترکیب سوختها اضافه گردید. موتور مورد آزمایش در دور rpm 2100 و شرایط تمام بار راه اندازی شد. در نهایت تراز حرارتی موتور مورد آزمایش و مقادیر بازده حرارتی، تلفات سیستم خنک کننده و اگزوز با استفاده از ترکیبات سوخت یاد شده، اندازه گیری و با سوخت دیزل خالص هم مقایسه گردید.
مواد و روشها
تهیه سوختهای مورد آزمایش:در این تحقیق از روغن پسماند به عنوان ماده اولیه تولید بیودیزل استفاده گردید. از آنجایی که در حدود %75 قیمت تمام شده سوخت بیودیزل به هزینه ماده اولیه آن (روغن و الکل) بستگی دارد، لذا انتخاب روغنی غیر خوراکی و ارزان قیمت تاثیر بسزایی در رشد و توسعه استفاده ازسوخت گیاهی بیودیزل خواهد داشت. یکی از منابع ارزان قیمت استفاده از روغنهای پسماند و دور ریختنی است که از صنایع غذایی، روغنکشیها و رستورانها بدست میآید. استفاده از این روغنهای گیاهی علاوه بر کاهش قیمت بیودیزل تولید شده، کمکی در جهت حفظ محیط زیست میباشد. بدین منظور در این تحقیق از روغن پسماند آشپزخانه دانشکده کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس استفاده گردید. این روغن توسط صافیهای 500 میکرونی تصفیه شد تا قطعات مواد غذایی موجود در آن حذف شود و سپس دمای آن تا 61 درجه سانتیگراد بالا برده شد و به مدت 15 دقیقه در این دما نگهداشته شد و بعد از 24 ساعت آب تهنشین شده توسط شیر تخلیه جدا میشود. این عملیات توسط دستگاه BioPro 190 انجام شده است (شکل 1).
برای تولید بیودیزل در تحقیق حاضر از روش ترانس استریفیکاسیون با کاتالیزور قلیایی که معمولترین و تجاریترین روش تولید بیودیزل میباشد، استفاده گردید. برای جلوگیری از شکست در روش ترانساستریفیکاسیون ابتدا روغن پسماند آمادهسازی میشود. سپس مخلوط الکل و واکنشگر به آن اضافه میگردد. در مرحله بعد واکنش ترانساستریفیکاسیون انجام میگردد. دراثر این واکنش گلیسرین از استر جدا میشود و استر باقیمانده به وسیله آبشویی، خالص میگردد و در نهایت استر خالص یا بیودیزل به دست میآید.
شکل 1- دستگاه تصفیه روغن پسماند.
استفاده از کاتالیزورها در واکنش ترانساستریفیکاسیون، برای پیشبرد سریع واکنش به سمت تولید بیودیزل ضروری است. از کاتالیزورهای اسیدی یا قلیایی میتوان استفاده کرد. پتاسیم و سدیم هیدروکسید معمولترین کاتالیزورهای قلیایی هستند که در تولید صنعتی بیودیزل از آنها استفاده میشود. متانول و اتانول مناسبترین الکلها برای انجام واکنش ترانساستریفیکاسیون میباشند که از بین این دو نیز متانول به خاطر ارزانی و خواص فیزیکی و شمیایی بهتر نسبت به اتانول برای واکنش ترانساستریفیکاسیون استفاده شد. متانول استفاده شده متعلق به شرکت مرک آلمان با خلوص 99 درصد میباشد. واکنش زیر برای تولید بیودیزل صورت میگیرد:
متانول+روغن à صابون+گلیسیرین+بیودیزل
به منظور اطمینان از بیودیزل تولید شده، تستهای متعددی مطابق با استاندادهای بین المللی که در جدول 2 لیست شده است، صورت پذیرفت.
جدول 1- مشخصات موتور دیزل مورد آزمایش.
مدل |
3LD510 |
کارخانه سازنده |
شرکت لمباردینی ایتالیا |
تعداد سیلندر |
1 |
کورس سیلندر |
90 میلیمتر |
قطر سیلندر |
85 میلیمتر |
حجم سیلندر |
510 سانتی متر مکعب |
حداکثر توان در rpm 3000 |
۲/۱۲ اسب بخار (9 کیلو وات) |
حداکثر گشتاور rpm 1800 |
33 نیوتنمتر |
پس از سنتز نانوکاتالیست و تهیه بیودیزل و انجام آزمونهای مشخصه جهت اطمینان از کیفیت نانو کاتالیست سنتز شده و بیودیزل تولید شده، نمونههای سوخت جهت انجام آزمونهای موتور تهیه گردید.
مشخصات موتور مورد آزمایش: در این تحقیق از یک موتور دیزل تک سیلندر هوا خنک ساخت شرکت لمباردینی ایتالیا مدل 3LD510 استفاده گردید. مشخصات این موتور در جدول 1 آمده است.
جدول2- ویژگیهای بیودیزل تولید شده.
ویژگی |
بیودیزل |
حد مجاز |
واحد |
استاندارد |
گرانروی |
۸۵/۴ |
بین ۹/۱ تا 6 |
mm²/s |
ASTM D 445 |
چگالی |
۸۷۶۷/۰ |
بین ۸۲/۰ تا ۹/۰ |
g/ml |
EN ISO 12185 |
نقطه اشتعال |
176 |
93 به بالا |
° C |
ASTM D93 |
نقطه ابری شدن |
11 |
--- |
° C |
ASTM D 874 |
نقطه ریزش |
5 |
--- |
° C |
ASTM D 874 |
محتوی آب و رسوبات |
۰۵/۰ |
۰۵/۰ به پایین |
% حجمی |
ASTM D 2709 |
عدد ستان |
۲/۹۷ |
47 به بالا |
--- |
ASTM D 613 |
شکل 2- سکوی آزمایش.
جهت اندازهگیری توان و اعمال بار از دینامومتر WE400 ساخت شرکت مبتکران پارس اندیش استفاده گردید. موتور به وسیله یک محور رابط به دینامومتر وصل شده و به صورت یک واحد روی شاسی قرار گرفته است (شکل 2). از ترموکوپلهای نوع K برای اندازهگیری دما در مکانهای مختلف و جریانسنج جهت اندازهگیری جریان هوا استفاده گردید. موتور در دور rpm 2100 و شرایط تمام بار برای ارزیابی و تحلیل تراز انرژی موتور دیزل با استفاده از ترکیبات سوخت دیزل-بیودیزل-نانوکاتالیست راهاندازی شد.
محاسبات تراز انرژی: تحلیل تراز انرژی (تعادل گرمایی موتور) در واقع اطلاعات مفیدی در مورد پخش انرژی اولیه سوخت فراهم میکند.
شکل 3- پایستگی انرژی موتور.
برای بررسی تعادل گرمایی لازم است توان ترمزی (Pb)، تلفات حرارتی سیستم خنک کننده (Qcool)،تلفات حرارتی اگزوز (Qexh) و تلفات محاسبه نشده (Qun) را بدست آورد و با در نظر گرفتن حجم کنترل اطراف موتور معادله پایستگی انرژی را برای پارامترهای بالا نوشت (شکل3)(۷-۸):
(۱)
جایی که Qsانرژی گرمایی کل یا همان انرژی شیمیایی سوخت است که طی فرآیند احتراق به گرما تبدیل میشود و از رابطه زیر محاسبه شد:
(۲)
که در آن، Qs انرژی گرمایی کل بر حسب (kW)، دبی جرمی سوخت بر حسب (kg/s) و QLHV ارزش گرمایی پایینی سوخت بر حسب (kJ/kg) است. توان ترمزی (Pb) در واقع توان روی چرخ لنگر است، که با استفاده از سرعت (N) و گشتاور (T) اندازهگیری شده به وسیله دینامومتر از رابطه زیر محاسبه گردید:
(۳)
همچنین راندمان حرارتی از تقسیم توان ترمزی (Pb) بر انرژی گرمایی کل (Qs) بدست میآید:
(۴)
تلفات حرارتی سیستم خنک کاری از رابطه زیر محاسبه گردید:
(۵)
که در رابطه بالا ، دبی جرمی هوای ورودی به موتور بر حسب کیلوگرم بر ثانیه، Ca گرمای ویژه هوا ، ، اختلاف دما بین هوای خنک کننده ورودی و خروجی از موتور بر حسب درجه کلوین است.
تلفات حرارتی اگزوز با استفاده از تغییرات آنتالپی در فشار ثابت و دمای متوسط اگزوز (میانگین دمای اگزوز و محیط)، و دبی جرمی گازهای خروجی از رابطه زیر بدست آمد:
(۶)
که در آن، Qexh تلفات حرارتی اگزوز بر حسب (kW)، Tg و Ta به ترتیب دمای گازهای خروجی و دمای اگزوز برحسب (K)، Ce، گرمای ویژه متوسط گازهای اگزوز در فشار ثابت و دمای متوسط اگزوز است.
تلفات محاسبه نشده شامل تلفات حرارتی سیستم روغنکاری، به علاوه انتقال حرارت تششع و جابجایی از سطح خارجی موتور میباشد. تلفات حرارتی سیستم روغن کاری شامل تلفات اصطکاکی میان میللنگ و یاتاقانها، رینگها و دیواره سیلندر و غیره است. تلفات محاسبه نشده، با نوشتن معادله پایستگی انرژی از رابطه زیر محاسبه گردید (۱۶):
(۷)
که در رابطه بالا Qun تلفات حرارتی محاسبه نشده بر حسب (kW) میباشد.
نتایج
خواص سوخت بیودیزل:پس از تهیه و آمادهسازی بیودیزل، به منظور بررسی کیفیت محصول تولیدی، برخی از خواص مهم آن، برای مقایسه با ویژگیهای اندازهگیری شده به همراه استانداردهای متداول اندازهگیری گردید. برخی از این ویژگیهای اندازهگیری شده به همراه استانداردهای مربوط و بازه قابل قبول در جدول (2) ارائه شده است.
راندمان حرارتی: شکل 4 راندمان حرارتی موتور دیزل با استفاده از ترکیبات سوخت B2 و B10 به همراه نانوکاتالیستها و سوخت شاهد دیزل (B0) را نشان میدهد. همانطور که از نمودارها مشخص است افزایش بیودیزل به سوخت دیزل باعث افزایش راندمان حرارتی موتور دیزل با استفاده از سوختهای B2 و B10 در مقایسه با سوخت B0 شده است. همچنین اضافه شدن نانوکاتالیستها به سوختهای B2 و B10 باعث افزایش راندمان حرارتی گردیده است. افزایش ppm 30، 60 و 90 نانوکاتالیست به سوخت B2 بترتیب باعث افزایش57/0%، 35/2% و 55/5% راندمان حرارتی و برای سوخت B10 باعث افزایش 28/2%، 28/4% و 7/7% راندمان حرارتی در مقایسه با سوخت B0 در دور rpm 2100 گردید.
تلفات سیستم خنک کننده: شکل 5 نمودارهای مربوط به تلفات سیستم خنک کننده را در هر ترکیب سوخت در دور rpm 2100 نشان میدهد.
همانگونه که قابل مشاهده است افزایش بیودیزل باعث افزایش تلفات سیستم خنک کننده شد اما افزایش نانوکاتالیستها به سوختهای B2 و B10 این تلفات را کاهش داد. همانطور که در قسمت مقدمه توضیح داده شد یکی از معایب استفاده از بیودیزل، افزایش آلاینده NOx میباشد. هنگامی که این آلاینده افزایش یابد باعث افزایش دما در محفظه احتراق میگردد و به همین دلیل مقدار تلفات سیستم خنک کننده افزایش مییابد. اما افزایش ppm 30، 60 و 90 نانوکاتالیست به ترکیبات سوخت B2، بترتیب باعث کاهش 86/۰%، 8۸/0% و 9/1% و سوخت B10، بترتیب باعث کاهش 13/۰%، 52/0% و 1/1% تلفات سیستم خنک کننده در سرعت rpm 2100 در مقایسه با سوخت دیزل خالص گردید.
تلفات حرارتی اگزوز: افزایش بیودیزل باعث افزایش 16/۰% تلفات حرارتی اگزوز در مورد سوخت B2 و 71/۰% در مورد سوخت B10 گردید. از طرفی، افزایش ppm 30، 60 و 90 نانوکاتالیست در ترکیب سوخت B2، بترتیب باعث کاهش 05/۰%، 87/0% و 45/۱% تلفات حرارتی اگزوز و در مورد سوخت B10، بترتیب باعث کاهش 04/۰%، 95/۰% و 66/۱% تلفات حرارتی در دور rpm 2100 در موتور دیزل در مقایسه با ترکیبهای سوخت بدون نانوکاتالیست گردید (شکل 6).
شکل 4- راندمان حرارتی موتور دیزل در دور rpm 2100.
شکل 5- تلفات سیستم خنک کننده موتور دیزل در سرعت rpm 2100.
شکل 6- تلفات حرارتی اگزوز موتور دیزل در دور rpm 2100.
بحث
وجود اکسیژن باعث احتراق کامل در موتور میشود. به عبارت دیگر، کمبود اکسیژن باعث احتراق ناقص در موتور خواهد شد. سوخت بیودیزل و نانوکاتالیستهای سنتز شده در این تحقیق که شامل نانو اکسید سریم و نانو اکسید مولیبدن هستند به دلیل دارا بودن اکسیژن در ترکیب شیمیایی خود باعث بهبود احتراق میشوند. دلیل بالاتر بودن اندک راندمان حرارتی B2 در مقایسه با سوخت B10، ارزش حرارتی پایینتر بیودیزل است (۲-۵-۸-۱۹).
بر اساس معادلات زیر اکسید سریم و اکسید مولیبدن باعث کاهش تولید آلایندههای منوکسید کربن (CO)، هیدروکربنها (HC) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) میشود.
(۸)
(۹)
(۱۰)
(۱۱)
(۱۲)
(۱۳)
(۱۴)
(۱۵)
طبق معادلات شماره (۸-۱۵)، نانواکسید سریم و نانواکسید مولیبدن باعث کاهش تولید آلاینده NOx میشوند و این کاهش همانطور که قبلا اشاره شد باعث کاهش دمای محفظه احتراق میگردد. همچنین با توجه به اثرات این نوع نانوکاتالیستها در کاهش مقدار منوکسیدکرین و هیدروکربنهای نسوخته از طریق فراهم کردن اکسیژن در مرحله احتراق، مقدار تلفات سیستم خنک کننده کاهش یافت.
بر اساس معادلات ارائه شده (۸-۱۵)، استفاده از نانوکاتالیستها باعث کاهش انتشار آلایندههای منوکسید کربن، هیدروکربنهای نسوخته و اکسیدهای نیتروژن میگردد که این کاهش انتشار باعث کاهش دمای گازهای خروجی شده و در نتیجه تلفات حرارتی اگزوز کاهش خواهد یافت. از طرف دیگر، دلیل افزایش تلفات حرارتی اگزوز افزایش اکسیدهای نیتروژن در اثر افزایش بیودیزل میباشد که قبلا به آن اشاره گردید. لازم بذکر است محاسبات مربوط به تلفات محاسبه نشده در موتور در تمام ترکیبهای سوخت، دارای روند واضح و مشخصی نبود. چنین نتیجهای توسط محققان دیگر هم گزارش شده است (۲-۱۳-۲۰).
نتیجهگیری
در این تحقیق، تراز انرژی موتور دیزل با استفاده از ترکیبهای سوخت دیزل و سوخت گیاهی بیودیزل (B2 و B10) و افزودن نانوکاتالسیتهای نانواکسید سریم و نانواکسید مولیبدن با سه غلظت ppm 90، 60 و 30 در دور rpm 2100 موتور و شرایط تمام بار مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت و نتایج زیر بدست آمد:
1- راندمان حرارتی موتور دیزل با استفاده از سوخت بیودیزل در مقایسه با سوخت B0 (دیزل خالص) افزایش یافت.
2- افزایش نانوکاتالیستهای اکسید سریم و اکسید مولیبدن به ترکیبهای سوخت دیزل-بیودیزل، باعث افزایش راندمان حرارتی موتور گردید. بیشترین افزایش راندمان حرارتی مربوط به ترکیب سوخت B10 به علاوه ppm 90 نانوکاتالیست (7/7%) نسبت به سوخت B0 گزارش گردید.
3- افزودن سوخت گیاهی بیودیزل به سوخت دیزل باعث افزایش تلفات سیستم خنک کننده و تلفات حرارتی اگزوز گردید. اما افزودن نانوکاتالیستهای اکسید سریم و اکسید مولیبدن به این ترکیب سوختها باعث رفع و بهبود این نقیصه گردید به طوری که بیشترین کاهش تلفات سیستم خنک کننده (9/1%) در سوخت B2 به علاوه ppm 90 و بیشترین کاهش تلفات حرارتی اگزوز (66/۱%)در سوخت B10 به علاوه ppm 90 در مقایسه با سوخت دیزل خالص مشاهده گردید.