Πειραματική διερεύνηση της χρήσης φυτικών ελαίων ως καύσιμα σε κινητήρα ανάφλεξης συμπίεσης γεωργικού ελκυστήρα

Abstract

The objective of this study was to investigate vegetable oil use as fuel in a compression ignition engine of an agricultural tractor to achieve full or partial independence of a Greek farm from liquid fossil fuels and reduce its environmental impact. Vegetable oils of Greek origin were tested in a standard tractor engine for Greek agriculture and their impact on performance and emissions was analyzed. An experimental apparatus was designed and developed using a diesel engine of 74 kW and many parameters were recorded including power, torque, fuel consumption, NOₓ and CO₂. Primarily, testing was conducted using diesel fuel (reference fuel). Later, measurements of the engine using three vegetable oils (sunflower oil, rapeseed oil, cottonseed oil) and blends with diesel fuel (20/80, 40/60, 70/30 by volume) were taken and compared with each other and the reference fuel. Rapeseed oil was shown to be the best vegetable oil as fuel. Sunflower oil was selected for further investigation, mainly due to the inability of rapeseed to be installed and have a solid performance in the Greek countryside. It was chosen to differentiate the fuel injection timing by ±2 ◦CA and injector protrusion by ±0.5mm of the engine and pure sunflower oil and 3 blends with diesel fuel (20/80, 40/60, 70/30 by volume) were tested to investigate possible positive impact of these parameters on engine operation using sunflower oil fuels. A complete Life Cycle Analysis on energy consumption and greenhouse gas emissions through the production of sunflower oil and its consumption by an agricultural tractor was conducted. Subsequently, multicriteria analysis was applied to the results of the extensive sunflower oil tests with two methods (AHP and TOPSIS) to select the best combination between fuel type, injection timing and injector protrusion. The optimal configuration was the blend 70/30 with injection timing +2 ◦CA and manufacturer’s injector protrusion. Finally, an endurance test of the engine for 42 h was executed using the selected combination and it was found that there were no significant changes in operation.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η τεχνική διερεύνηση της χρήσης φυτικών ελαίων ως καύσιμων σε ένα κινητήρα ανάφλεξης συμπίεσης γεωργικού ελκυστήρα με σκοπό την πλήρη ή μερική ανεξαρτητοποίηση μιας ελληνικής γεωργικής εκμετάλλευσης από τα υγρά ορυκτά καύσιμα και την μείωση του περιβαλλοντικού της αντίκτυπου. Δοκιμάσθηκαν φυτικά έλαια ελληνικής προελεύσεως σε κινητήρα τυπικού για την ελληνική γεωργία γεωργικού ελκυστήρα και αναλύθηκαν οι επιπτώσεις τους στις επιδόσεις του και τους εκπεμπόμενους ρύπους. Σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε πειραματική διάταξη δοκιμών κινητήρα 74 kW και καταγράφηκαν μεταξύ άλλων παραμέτρων η ισχύς, η ροπή, η κατανάλωση καυσίμου, τα ΝΟₓ και το CO₂. Έγιναν μετρήσεις του κινητήρα με καύσιμο πετρέλαιο κίνησης (καύσιμο αναφοράς). Έγιναν μετρήσεις του κινητήρα με χρήση τριών φυτικών ελαίων (ηλιέλαιο, κραμβέλαιο, βαμβακέλαιο) και σε μίγματά τους με πετρέλαιο (20/80, 40/60, 70/30 κατ’ όγκο) και έγινε σύγκριση μεταξύ τους και ως προς το καύσιμο αναφοράς, αναδεικνύοντας το κραμβέλαιο ως το καλύτερο φυτικό έλαιο ως καύσιμο. Επιλέχθηκε το ηλιέλαιο για περαιτέρω διερεύνηση, κυρίως λόγω της αδυναμίας της ελαιοκράμβης να εγκατασταθεί και να έχει σταθερή απόδοση στην ελληνική ύπαιθρο. Επιλέχθηκαν να διαφοροποιηθούν ο χρονισμός και το βάθος έγχυσης του καυσίμου κατά ±2 ◦CA και ±0.5 mm αντίστοιχα και δοκιμάσθηκε το καθαρό ηλιέλαιο και 3 μίγματά του με πετρέλαιο (20/80, 40/60, 70/30 κατ’ όγκο) για να βρεθεί πιθανή θετική επίδραση των παραμέτρων αυτών στην λειτουργία του κινητήρα με τα καύσιμα ηλιελαίου. Έγινε ολοκληρωμένη Ανάλυση Κύκλου Ζωής ως προς την ενεργειακή κατανάλωση και την παραγωγή αερίων του θερμοκηπίου για την παραγωγή και κατανάλωση ηλιελαίου από γεωργικό ελκυστήρα εντός μιας ελληνικής γεωργικής εκμετάλλευσης. Στη συνέχεια, έγινε πολυκριτηριακή ανάλυση των αποτελεσμάτων των εκτενών δοκιμών με ηλιέλαιο με δύο μεθόδους (AHP και TOPSIS) για την επιλογή της βέλτιστης λύσης τύπου καυσίμου-χρονισμού έγχυσης-βάθους έγχυσης που ήταν το μίγμα 70/30 με χρονισμό έγχυσης +2 ◦CA και βάθος έγχυσης του κατασκευαστή. Τέλος, έγινε δοκιμή διαρκείας του κινητήρα για 42 h με τον επιλεγμένο συνδυασμό και διαπιστώθηκε πως δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές αλλαγές στην λειτουργία του.