Αξιολόγηση συμβατικών καυσίμων και εναλλακτικών καυσίμων σε κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση

Abstract

The present doctoral thesis concerns the study of the physicochemical properties of fossil and alternative fuels and their mixtures, as well as the impact of alternative fuels (oxygenates and paraffinic fuels) on the exhaust emissions of a stationary diesel engine. Special emphasis has been placed on the development of mixing strategies of such alternative fuels and conventional diesel, with respect to their unique characteristics. The ultimate goal of this study was to investigate ways that can facilitate the integration of these alternative (and potentially renewable) components on fuel blends to be used in contemporary and future compression ignition engines, reducing exhaust emissions and dependence on fossil energy sources. The text is divided into 4 main parts. In the first part, basic knowledge is provided and the basic concepts of the dissertation are mentioned and explained, so that the reading of the text is as autonomous as possible without the need for the reader to constantly refer to other textbooks or writings. The first part also includes results and conclusions that have emerged from the international research effort during the last decades. The first part contains 4 chapters. •Chapter 1 is a basic introduction to crude oil and the basic properties of diesel fuel used in the transport sector. •Chapter 2 presents basic principles of combustion as well as basic mechanisms of pollutant formation in diesel engines. •Chapter 3 lists the reasons that have led to the development of research related to alternative and renewable fuels. A brief presentation of the alternative fuels used in the present thesis is also given. •Chapter 4 describes the structure of this research effort and presents the state of the art on the topic. The second part includes two chapters which present information about the experimental methodology and the equipment used for the completion of the present dissertation. •Chapter 5 presents all devices and their corresponding standard methods for measuring the physicochemical properties of fuels. •Chapter 6 presents in detail the experimental setup of the diesel engine housed in the Fuels and Lubricants Technology Laboratory of National Technical University of Athens, as well as the procedure for the measurement of exhaust emissions and fuel consumption. The third part includes the results of the experiments conducted during this research effort as well as comments on the findings. Due to the nature of the subject, the experimental process was completed over a period of about five years, during which changes in instrumentation, raw materials and reagents occurred, as is expected to happen in an active research laboratory. The results are presented per chapter as autonomous units. •Chapter 7 involves a preliminary study of the physicochemical properties of various conventional and alternative fuels covering a wide range of applications. Also, an equation to predict the ignition quality of marine distillates based on their physicochemical properties is developed. Finally, a comparative study of the methods EN 16144 (ASTM D7170) and EN 16715 (ASTM D7668) for measuring the cetane number of diesel fuels is presented. •Chapter 8 includes a comparative study of ethanol and n-butanol as renewable oxygenates for diesel fuels. They were studied in blends with exactly the same oxygen content (obtained with the use of either alcohol), in order to investigate their impact on both exhaust emissions and physicochemical properties, for each target oxygen concentration. The effects of both alcohols on physicochemical properties of the final blends, as well as their impact on exhaust emissions and fuel consumption of a stationary diesel engine were evaluated. •Chapter 9 evaluates the effects of a paraffinic diesel derived from hydrotreating of used cooking oil (HUCO) in blends with conventional diesel fuel. HUCO concentrations up to 40% v/v were studied and its impact on the physicochemical properties of the blends as well as exhaust emissions and fuel consumption of a stationary diesel engine were evaluated. The mixing strategy for this work was developed to investigate the effects of the paraffinic nature of this fuel, apart from its very high cetane number. For this reason, a high cetane number diesel was used as base fuel, mitigating the effect of HUCO as cetane booster. •Chapter 10 presents a blending strategy using blends of n-butanol and HUCO with conventional diesel fuel. The aim was to combine the positive effects of each renewable fuel and also counterbalance their negative effects on physicochemical properties and exhaust emissions of the diesel engine. Because HUCO was mainly used as a cetane improver, n-butanol/diesel blends were also studied using 2-ethylhexyl nitrate (EHN), a widely used cetane booster, as a measure of comparison. •Chapter 11 presents a study on diethyl carbonate (DEC), a promising oxygenate, rarely found in the literature. To obtain comparable results with respect to the use of more popular oxygenated components such as n-butanol, the blends were prepared according to the blending strategy of Chapter 10, using a commercial paraffinic fuel derived from hydrotreating vegetable oils (HVO) as cetane improver. Here again, the effects on blend’s physicochemical properties and engine’s exhaust emissions and fuel consumption were assessed. This thesis concludes with the fourth part, which provides a summary of the research findings per chapter as well as overall. It also includes suggestions for future research that can expand the knowledge on the subject, with the ultimate goal of successfully integrating alternative fuels into tomorrow's transport fuels. In summary, it has been found that both oxygenates and paraffinic fuels can reduce diesel emissions when used in low proportions. The impact on the final blends’ physicochemical properties caused by these two categories of alternative fuels can be mitigated with simultaneous use of both oxygenates and paraffinic fuels in carefully designed ternary blends with conventional diesel fuel. This mixing strategy results in blends with higher renewable content and similar physicochemical properties to those of conventional diesel fuel, which can be used directly and without the need for any modifications or adjustments to the engine. It is of great importance to further investigate the use of oxygenates characterized by high oxygen content (such as diethyl carbonate or dimethyl carbonate) and paraffinic fuels (isomerized or not) in ternary blends with conventional diesel fuel in a wide variety of diesel engines. It is also important further developing processes for production of such alternative fuels in order to ensure the economic viability of their production and in quantities that can meet future demand.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στη μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων και των μιγμάτων τους, καθώς και την επίδραση εναλλακτικών καυσίμων (οξυγονούχων συστατικών και παραφινικών ντίζελ) στις εκπομπές καυσαερίων πειραματικού ντιζελοκινητήρα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάπτυξη στρατηγικών ανάμιξης τέτοιων εναλλακτικών καυσίμων με συμβατικό πετρέλαιο, λαμβάνοντας πάντα υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Ο απώτερος στόχος αυτής της μελέτης ήταν να διερευνηθούν μέθοδοι ενσωμάτωσης αυτών των εναλλακτικών (και δυνητικά ανανεώσιμων) συστατικών στα μίγματα καυσίμων που χρησιμοποιούνται στους σύγχρονους αλλά και μελλοντικούς ντιζελοκινητήρες, περιορίζοντας ταυτόχρονα τις εκπομπές καυσαερίων και την εξάρτηση από ορυκτές πηγές ενέργειας. Το κείμενο χωρίζεται σε 4 βασικά θεματικά μέρη. Στο πρώτο μέρος περιλαμβάνονται βασικές γνώσεις, ενώ επίσης γίνεται αναφορά και επεξήγηση των βασικών εννοιών που χρησιμοποιούνται στη διατριβή, ώστε η ανάγνωση του κειμένου να είναι κατά το δυνατόν αυτόνομη, χωρίς να χρειάζεται ο αναγνώστης να ανατρέχει συνεχώς σε άλλα εγχειρίδια ή συγγράμματα. Στο πρώτο μέρος παρατίθενται επίσης αποτελέσματα και συμπεράσματα που έχουν προκύψει από τη διεθνή ερευνητική προσπάθεια των τελευταίων δεκαετιών. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει 4 Κεφάλαια. •Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια βασική εισαγωγή στη χρήση του πετρελαίου και στις βασικές ιδιότητες των ντίζελ σαν καύσιμα μεταφορών. •Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται βασικές αρχές γύρω από την καύση, όπως επίσης και βασικοί μηχανισμοί σχηματισμού ρύπων στους κινητήρες ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 3 παρατίθενται λόγοι που κατέστησαν αναγκαία την ανάπτυξη της έρευνας γύρω από τα εναλλακτικά και ανανεώσιμα καύσιμα. Επίσης γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των εναλλακτικών καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. •Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η διάρθρωση της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας και ο χώρος που καλύπτει σε σχέση με τη διεθνή έρευνα γύρω από το αντικείμενο. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 5 και 6 στα οποία περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική μεθοδολογία και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την περάτωση της παρούσας διατριβής. •Στο Κεφάλαιο 5 περιλαμβάνονται αναλυτικά όλες οι συσκευές και οι αντίστοιχες πρότυπες μέθοδοι για τη μέτρηση φυσικοχημικών ιδιοτήτων των καυσίμων. •Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται μια παρουσίαση της πειραματικής διάταξης του ντιζελοκινητήρα που στεγάζεται στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Καυσίμων και Λιπαντικών του Ε.Μ.Π., καθώς επίσης και αναλυτικά η διαδικασία με την οποία πραγματοποιούνται οι μετρήσεις εκπομπών καυσαερίων και κατανάλωσης καυσίμου. Στο τρίτο μέρος περιλαμβάνονται τα αποτελέσματα και ο σχολιασμός των πειραμάτων που διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια αυτής της ερευνητικής προσπάθειας. Λόγω της φύσης του αντικειμένου, η πειραματική διαδικασία ολοκληρώθηκε σε ένα διάστημα πέντε περίπου ετών, κατά το οποίο έλαβαν χώρα αλλαγές εξοπλισμού, πρώτων υλών και αντιδραστηρίων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ανά κεφάλαιο σαν αυτόνομες ενότητες. •Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται αρχικά μια προκαταρκτική μελέτη συσχετίσεων των φυσικοχημικών ιδιοτήτων διαφόρων συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων που καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Αναπτύσσεται επίσης μια σχέση υπολογισμού του αριθμού κετανίου ναυτιλιακών καυσίμων από τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Τέλος, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη των μεθόδων EN 16144 (ASTM D7170) και EN 16715 (ASTM D7668) για τη μέτρηση του αριθμού κετανίου καυσίμων ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 8 περιλαμβάνεται μια συγκριτική μελέτη της αιθανόλης και βουτανόλης σαν ανανεώσιμα οξυγονούχα συστατικά σε μίγματα με ντίζελ κίνησης. Τα μίγματα που μελετήθηκαν κατασκευάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να χαρακτηρίζονται από την ίδια περιεκτικότητα σε οξυγόνο, με χρήση είτε αιθανόλης είτε βουτανόλης. Αξιολογήθηκαν τόσο οι επιδράσεις των δυο αλκοολών στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων, όσο και η επίδρασή τους στις εκπομπές καυσαερίων και την κατανάλωση καυσίμου στον πειραματικό ντιζελοκινητήρα του εργαστηρίου. •Στο Κεφάλαιο 9 παρουσιάζεται μια μελέτη μιγμάτων ενός ανανεώσιμου παραφινικού καυσίμου που προέρχεται από υδρογονοεπεξεργασμένα τηγανέλαια, με συμβατικό ντίζελ κίνησης. Χρησιμοποιήθηκαν ποσοστά ανάμιξης του βιοκαυσίμου έως 40% κατ’ όγκο και αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις του στις φυσικοχημικές ιδιότητες των μιγμάτων καθώς και στις εκπομπές καυσαερίων και κατανάλωση καυσίμου του πειραματικού ντιζελοκινητήρα. •Στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζεται μια πρόταση στρατηγικής ανάμιξης που συνδυάζει τη χρήση ανανεώσιμων οξυγονούχων συστατικών (βουτανόλη) και ανανεώσιμου παραφινικού καυσίμου με συμβατικό ντίζελ κίνησης. Σκοπός ήταν η ανάδειξη των θετικών επιδράσεων της κάθε κατηγορίας ανανεώσιμου καυσίμου, και η αλληλεξουδετέρωση των αρνητικών τους επιπτώσεων, τόσο στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων, όσο και στις εκπομπές καυσαερίων του ντιζελοκινητήρα. Καθώς το παραφινικό καύσιμο εδώ χρησιμοποιήθηκε σαν βελτιωτικό αριθμού κετανίου, στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται σαν μέτρο σύγκρισης και οι επιδράσεις ενός συμβατικού πρόσθετου βελτιωτικού κετανίου (2-ethylhexyl nitrate) σε μίγματα βουτανόλης/ντίζελ. •Στο Κεφάλαιο 11 παρουσιάζεται ένα οξυγονούχο συστατικό υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο, ο οποίος απαντάται σπανιότερα στη βιβλιογραφία (διαιθυλεστέρας του καρβονικού οξέος – diethyl carbonate). Για να εξαχθούν συγκρίσιμα αποτελέσματα σε σχέση με χρήση πιο δημοφιλών οξυγονούχων συστατικών όπως η βουτανόλη, τα μίγματα προετοιμάστηκαν κατά αντιστοιχία με τη λογική του κεφαλαίου 10, χρησιμοποιώντας κι εδώ ένα παραφινικό καύσιμο σαν βελτιωτικό κετανίου, προερχόμενο από υδρογονοεπεξεργασία φυτικών ελαίων. Κι εδώ αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων και στις εκπομπές καυσαερίων και κατανάλωση καυσίμου του ντιζελοκινητήρα. Το παρόν σύγγραμμα κλείνει με το τέταρτο μέρος στο οποίο γίνεται μια επισκόπηση των συμπερασμάτων της έρευνας ανά αυτόνομη ενότητα αλλά και συνολικά. Επίσης, παρατίθενται προτάσεις για μελλοντική έρευνα που μπορεί να διευρύνει τη γνώση γύρω από το αντικείμενο με απώτερο στόχο την επιτυχή ενσωμάτωση εναλλακτικών καυσίμων στα καύσιμα μεταφορών του αύριο. Συνοπτικά, βρέθηκε πως τόσο τα οξυγονούχα συστατικά όσο και τα παραφινικά καύσιμα μπορούν να δράσουν ευεργετικά όσον αφορά στις εκπομπές ρύπων των ντιζελοκινητήρων όταν χρησιμοποιούνται σε χαμηλές αναλογίες. Oι αλλοιώσεις που προκαλούν αυτές οι δύο κατηγορίες εναλλακτικών καυσίμων στις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών μιγμάτων μπορούν να περιοριστούν κατά την ταυτόχρονη χρήση τους σε προσεκτικά σχεδιασμένα τριαδικά μίγματα με συμβατικό ντίζελ. Από αυτή τη στρατηγική ανάμιξης προκύπτουν μίγματα με υψηλότερο ανανεώσιμο περιεχόμενο και παραπλήσιες φυσικοχημικές ιδιότητες με αυτές των σύγχρονων συμβατικών καυσίμων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα και χωρίς την ανάγκη μετατροπών ή ρυθμίσεων στον κινητήρα.Κρίνεται μεγάλης σημασίας η συνέχιση της έρευνας γύρω από τη χρήση οξυγονούχων συστατικών υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο (όπως ο διαιθυλεστέρας καρβονικού οξέος ή ο διμεθυλεστέρας καρβονικού οξέος) και παραφινικών καυσίμων (ισομεριωμένων ή μη) σε τριαδικά μίγματα με συμβατικό ντίζελ κατά τη χρήση σε μια ευρεία ποικιλία υλοποιήσεων ντιζελοκινητήρων. Επίσης, σημαντική κρίνεται η συνέχιση της έρευνας γύρω από μεθόδους παρασκευής τέτοιων εναλλακτικών καυσίμων προκειμένου να εξασφαλιστεί η οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής τους, και σε ποσότητες που δυνητικά να καλύπτουν μια ενδεχόμενη μελλοντική ζήτηση.