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]

  • Behdad Shadidi 1
  • Barat Ghobadian 3

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]

  • Biodiesel herbal fuel
  • Energy balance
  • Nano cerium oxide
  • Nano molybdenum oxide
  • Nanocatalyst

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 Qs انرژی 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.

۱- خاتمی فر، م.، ۱۳۸۵. طراحی، ساخت، آزمایش و ارزیابی دستگاه فرآوری بیودیزل. پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک ماشینهای کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس. تهران، ایران.

 

2- Abedin M.J., Masjuki H.H., Kalam M.A., Sanjid A., Ashrafur Rahman S.M., Rizwanul Fattah I.M., 2014, Performance, emissions, and heat losses of palm and jatropha biodiesel blends in a diesel engine, Industrial Crops and Products 59: 96–104.

3- Abedin M.J., Masjuki H.H., Kalam M.A., Sanjid A., AshrafurRahman S.M., Masum B.M., 2013, Energy balance of internal combustion engines using alternative fuels, Renewable and Sustainable Energy Reviews 26: 20–33.

4- Durgun O., Sahin Z., 2009, Theoretical investigation of heat balance in direct injection (DI) diesel engines for neat diesel fuel and gasoline fumigation, Energy Conversion and Management  50: 43–51.

5- Ekrem Buyukkaya, 2010, Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics, Fuel 89: 3099–3105.

6- Ghormade, T. K., Deshpande N. V., 2002, Soyabean oil as an alternative fuel for I. C. engines, Proceedings of Recent Trends in Automotive Fuels, Nagpur, India.

7- Heywood J.B., 1988, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, NewYork, NY.

8- Kaplan C, Arslan R, Surmen A., 2006, Performance characteristics of sunflower methyl esters as biodiesel, Energy Sources 28(Part A): 751–5.

9- Khoobbakht G., Karimi M., Najafi G., 2016, Analysis of the exergy and energy and investigating the effect of blended levels of biodiesel and ethanol in diesel fuel in a DI diesel engine, Applied Thermal Engineering, Accepted Manuscript.

10- Kuwahara, N., Berni, M. D. and Bajay, S. V., 1999, Energy supply from municipal wastes: The potential of biogas – fuelled buses in Brazile. Renewable energy, 16: 1000– 1003.

11- Masjuki, H, A., 2001, Investigation on preheated palm oil-methyl ester in diesel engine, SAE 15-Z10-A2-131.

12- Mirzajanzadeh M., Tabatabaei M., Ardjman M., Rashidi A., Ghobadian B., Barkhi M., Pazouki M., 2015, A novel soluble nano-catalysts in diesel–biodiesel fuel blends to improve diesel engines performance and reduce exhaust emissions, Fuel 139: 374–382.

13- Özcan H, Söylemez M., 2006, Thermal balance of a LPG fuelled, four stroke SI engine with water addition, Energy conversion and management 47: 570–81.

14- Shadidi B., Yusaf T., Alizadeh H. H. A., Ghobadian B., 2014, Experimental investigation of the tractor engine performance using diesohol fuel. Applied Energy 114: Pages 874–879.

15- Tadashi, Y., 1984, Low carbon build up, low smoke and efficient diesel operation with vegetable oil by conversion to monoesters and blending with diesel oil or alcohols. SAE 841161.

16- Taymaz I., 2006,  An experimental study of energy balance in low heat rejection diesel engine, Energy 31: 364–371.

17- Vairamuthu G., Sundarapandian S., Kailasanathana C. and Thangagiri B., 2015, Investigation on the effects of NanoCerium oxide on the performance of Calophylluminophyllum (Punnai) biodiesel in a DI diesel engine, Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences  Special Issue 7: 92-95.

18- Xue J., Grift T.E., Hansen A.C., 2011, Effect of biodiesel on engine performances and emissions, Renew. Sust. Energy Rev. 15 (2): 1098-1116.

19- Yucesu HS, Cumali I., 2006, Effect of cotton seed oil methyl ester on the performance and exhaust emission of a diesel engine, Energy Source Part A 28: 389–98.

20- Yüksel F., Ceviz M., 2003, Thermal balance of a four stroke SI engine operating on hydrogen as a supplementary fuel, Energy  28: 1069–1080.