Θερμοδυναμική ανάλυση και πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των υγρών καυσίμων σε κινητήρες Diesel

Abstract

The present doctoral thesis consists of twelve chapters. Chapter 1 constitutes the introduction of the thesis, and it initially gives the comparative advantages of the diesel engine in relation to other heat engines. Next, the pollutants emitted by diesel engines are described and the way each affects the deterioration of the natural environment and human health is briefly given. Then the mechanism of combustion and the formation of gaseous and particulate pollutants in the combustion chamber of the diesel engine are briefly described. Soot and nitrogen monoxide (NO) emission limits from diesel engines in force and to be enforced in Europe, USA and Japan are also given. Technologies available today to reduce emissions and improve diesel engine performance are briefly described below. A brief description of the chemical composition and the most basic physicochemical properties of conventional diesel fuels is also given. Finally, the literature relevant to the effect of conventional diesel fuel, oxygenated fuel and intake air oxygen enrichment on diesel engine operation and emissions is reviewed. Chapter 2 describes in detail the way of development and the structure of the multi-zone simulation model of the combustion and pollutant formation of direct injection diesel engines. Emphasis is placed on describing the injection pressure and injection rate calculation code as well as the thermophysical properties of various hydrocarbons and oxygenated compounds. The detailed description of the two series of fuels examined is given in Chapter 3. In this chapter, the statistical analysis of multiple interference is described, which was carried out between the chemical composition and the physicochemical properties of the fuel to determine the pairs of fuel characteristics which are statistically independent of each other. Chapter 4 describes in detail the experimental installations of the Lister LV1 and Ricardo Hydra engines. In particular, the sub-systems and operation control systems of each engine, the exhaust gas analyzers, and the device for receiving and electronically recording the signals from the cylinder of each engine are described. How the laboratory tests were carried out is described in Chapter 5. This chapter describes the procedure followed to process the measurements and determine the engine operating characteristics at each operating point such as the "average" torque curve and the net heat release rate. Chapter 6 is devoted to examining the effect of total aromatic content, monoaromatic and diaromatic hydrocarbons of the fuel on the operation and emissions of diesel engines using relevant experimental results from the Lister LV1 engine. The investigation of the effect of the physical properties of conventional fuels on the operational and environmental behavior of Lister LV1 and Ricardo/Cussons Hydra engines is presented in Chapter 7. Utilizing results derived from the processing of measurements, the effect of surface tension, density, cohesiveness and of the compressibility factor of the fuel in the operating characteristics and mainly, in the emissions of direct injection diesel engines. A statistical sensitivity analysis is also performed to prioritize the properties according to their relative effect on pollutant emissions. The effect of oxygenated fuels on diesel engine emissions and operation is presented in Chapter 8. In the first part of the chapter, experimental results from the Lister LV1 and Ricardo/Cussons Hydra engines are used to examine the effect of the type of oxygenate and the of oxygen percentage on operating parameters and emissions. In the second part, the same investigation is initially carried out, this time using theoretical results obtained from the multizone combustion model with the oxygenated test fuels. The effect on combustion characteristics and soot and NO emissions of a further (relative to the test fuels) increase in the oxygen percentage of the fuel as well as the use of 100% oxygenated fuel is then theoretically examined. Chapter 9 utilizes experimental results of the Lister LV1 engine for conventional and oxygenated fuels with variable aromatic content. The purpose is to evaluate the effect of reducing the percentage of aromatic hydrocarbons in oxygenated fuels on the operational and environmental behavior of diesel engines. The multizone combustion model is used in Chapter 10 to benchmark the effect of adding oxygen to the fuel and enriching the intake air with oxygen on combustion characteristics as well as pollutant formation. The comparison is made keeping in both cases the molar fraction of oxygen in the combustion chamber constant so that there is a common reference base. In Chapter 11 the general conclusions of the present thesis are given, while in Chapter 12 the original elements of the thesis are mentioned and some ideas for research engagement in the future are highlighted.

Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από δώδεκα κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί την εισαγωγή της διατριβής και σε αυτό δίνονται αρχικά τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του κινητήρα diesel σε σχέση με άλλες θερμικές μηχανές. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι ρύποι που εκπέμπονται από κινητήρες diesel και δίνεται συνοπτικά ο τρόπος που επιδρά ο καθένας στη φθορά του φυσικού περιβάλλοντος και της ανθρώπινης υγείας. Έπειτα περιγράφεται συνοπτικά ο μηχανισμός της καύσης και ο σχηματισμός των αέριων και σωματιδιακών ρύπων στο θάλαμο καύσης του κινητήρα diesel. Δίνονται επίσης τα όρια εκπομπής αιθάλης και μονοξειδίου του αζώτου (NO) από κινητήρες diesel που ισχύουν και πρόκειται να ισχύσουν στην Ευρώπη, τις Η.Π.Α και την Ιαπωνία. Στη συνέχεια περιγράφονται εν συντομία οι τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες σήμερα για τη μείωση των εκπομπών ρύπων και τη βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς κινητήρων diesel. Ακόμη δίνεται σύντομη περιγραφή της χημικής σύνθεσης και των βασικότερων φυσικοχημικών ιδιοτήτων των συμβατικών καυσίμων diesel. Τέλος, γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας που είναι σχετική με την επίδραση που έχουν τα συμβατικά καύσιμα diesel, τα οξυγονούχα καύσιμα και ο εμπλουτισμός του αέρα εισαγωγής με οξυγόνο στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος ανάπτυξης και η διάρθρωση του πολυζωνικού μοντέλου προσομοίωσης της καύσης και του σχηματισμού ρύπων κινητήρων diesel αμέσου έγχυσης. Δίνεται έμφαση στην περιγραφή του κώδικα υπολογισμού της πίεσης έγχυσης και του ρυθμού έγχυσης όπως επίσης και των θερμοφυσικών ιδιοτήτων διαφόρων υδρογονανθράκων και οξυγονούχων ενώσεων. Η λεπτομερής περιγραφή των δυο σειρών καυσίμων που εξετάσθηκαν δίνεται στο Κεφάλαιο 3. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η στατιστική ανάλυση πολλαπλής παρεμβολής, η οποία πραγματοποιήθηκε μεταξύ της χημικής σύστασης και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του καυσίμου με σκοπό να προσδιορισθούν τα ζεύγη των χαρακτηριστικών του καυσίμου τα οποία είναι στατιστικά ανεξάρτητα μεταξύ τους. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται διεξοδικά οι πειραματικές εγκαταστάσεις των κινητήρων Lister LV1 και Ricardo Hydra. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα υποσυστήματα και τα συστήματα ελέγχου λειτουργίας κάθε κινητήρα, των αναλυτών καυσαερίων και της διάταξης λήψης και ηλεκτρονικής καταγραφής των σημάτων από τον κύλινδρο κάθε κινητήρα. Ο τρόπος διεξαγωγής των εργαστηριακών δοκιμών περιγράφεται στο Κεφάλαιο 5. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την επεξεργασία των μετρήσεων και τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών λειτουργίας του κινητήρα σε κάθε σημείο λειτουργίας όπως το «μέσο» δυναμοδεικτικό διάγραμμα και ο καθαρός ρυθμός έκλυσης θερμότητας. Το Κεφάλαιο 6 αφιερώνεται στην εξέταση της επίδρασης του συνολικού αρωματικού περιεχομένου, των μονοαρωματικών και των διαρωματικών υδρογονανθράκων του καυσίμου στη λειτουργία και στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel αξιοποιώντας σχετικά πειραματικά αποτελέσματα από τον κινητήρα Lister LV1. Η διερεύνηση της επίδρασης των φυσικών ιδιοτήτων συμβατικών καυσίμων στη λειτουργική και περιβαλλοντική συμπεριφορά των κινητήρων Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 7. Αξιοποιώντας αποτελέσματα που προήλθαν από την επεξεργασία των μετρήσεων αξιολογείται η επίδραση της επιφανειακής τάσης, της πυκνότητας, της συνεκτικότητας και του συντελεστή συμπιεστότητας του καυσίμου στα χαρακτηριστικά λειτουργίας και κυρίως, στις εκπομπές ρύπων κινητήρων diesel άμεσης έγχυσης. Επίσης γίνεται μια στατιστική ανάλυση ευαισθησίας ώστε να γίνει ιεράρχηση των ιδιοτήτων ανάλογα με την σχετική τους επίδραση στις εκπομπές ρύπων. Η επίδραση των οξυγονούχων καυσίμων στις εκπομπές ρύπων και στη λειτουργία κινητήρων diesel παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 8. Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου, αξιοποιούνται πειραματικά αποτελέσματα από τους κινητήρες Lister LV1 και Ricardo/Cussons Hydra με σκοπό την εξέταση της επίδρασης του είδους του οξυγονούχου πρόσθετου και του ποσοστού οξυγόνου στις παραμέτρους λειτουργίας και στις εκπομπές ρύπων. Στο δεύτερο μέρος αρχικά γίνεται η ίδια διερεύνηση αξιοποιώντας αυτή τη φορά θεωρητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από το πολυζωνικό μοντέλο καύσης με τα οξυγονούχα καύσιμα δοκιμής. Έπειτα εξετάζεται θεωρητικά η επίδραση που έχει στα χαρακτηριστικά της καύσης και στις εκπομπές αιθάλης και ΝΟ η περαιτέρω (σε σχέση με τα καύσιμα δοκιμής) αύξηση του ποσοστού οξυγόνου του καυσίμου καθώς και η χρήση 100% οξυγονούχου καυσίμου. Στο Κεφάλαιο 9 αξιοποιούνται πειραματικά αποτελέσματα του κινητήρα Lister LV1 για τα συμβατικά και οξυγονούχα καύσιμα με μεταβλητό αρωματικό περιεχόμενο. Σκοπός είναι η αξιολόγηση της επίδρασης που έχει στη λειτουργική και περιβαλλοντική συμπεριφορά κινητήρων diesel η μείωση της ποσότητας αρωματικών υδρογονανθράκων σε οξυγονούχα καύσιμα. Το πολυζωνικό μοντέλο καύσης αξιοποιείται στο Κεφάλαιο 10 με σκοπό τη συγκριτική αξιολόγηση της επίδρασης που έχει στα χαρακτηριστικά της καύσης όπως επίσης και στο σχηματισμό ρύπων η προσθήκη οξυγόνου στο καύσιμο και ο εμπλουτισμός του αέρα εισαγωγής με οξυγόνο. Η σύγκριση γίνεται διατηρώντας και στις δυο περιπτώσεις το γραμμομοριακό κλάσμα οξυγόνου στο θάλαμο καύσης σταθερό ώστε να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς. Στο Κεφάλαιο 11 δίνονται τα γενικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής ενώ στο Κεφάλαιο 12 αναφέρονται τα πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής και επισημαίνονται μερικές ιδέες για ερευνητική ενασχόληση στο μέλλον.