بررسی تجربی تأثیر استفاده از بیودیزل و بیوگاز به جای گازوییل و گاز طبیعی در موتور دیزل دوگانه­ سوز

نجفی, بهمن

بررسی تجربی تأثیر استفاده از بیودیزل و بیوگاز به جای گازوییل و گاز طبیعی در موتور دیزل دوگانه سوز

نویسنده

بهمن نجفی

گروه مهندسی مکانیک ماشین‌های کشاورزی ،دانشگاه محقق اردبیلی،اردبیل،ایران

چکیده

در این تحقیق، با انجام یک سری تغییرات اساسی در سیستم سوخت‌رسانی موتور دیزل، استفاده از دو سوخت جایگزین بیودیزل و بیوگاز در موتور دیزل دوگانه‌سوز (موتور دیزل دوگانه‌سوز بیولوژیک) بررسی شد. سوخت بیودیزل مورد استفاده از روغن پسماند رستوران به روش ترنس‌استریفیکاسیون تولید و سوخت بیوگاز نیز از طریق تخمیر بی‌هوازی فضولات دامی تهیه شد.سوخت بیوگاز شامل 70 درصد گاز متان و 30 درصد دی‌اکسیدکربن بود و از نظر تولید انرژی تا 90 درصد جایگزین سوخت گاز طبیعی شد. مابقی 10 درصد انرژی نیز توسط سوخت بیودیزل به عنوان سوخت آتشزا تامین شد که جایگزین سوخت گازوییل شده بود. به منظور مقایسه تأثیر جایگزینی سوخت بیودیزل و بیوگاز به جای گازوییل و گاز طبیعی، ابتدا موتور دیزل پایه (لیستر M8/1) با استفاده از تجهزاتی مانند میکسر، ریگلاتور، فیلتر، شیرِقطع‌کن سریع و فلومتر به دوگانه سوز تبدیل شد و سپس آزمونهای عملکرد و آلایندگی، در بار کامل و در دورثابت rpm750 برای هر یک از سوخت های فسیلی (گازوییل و گاز طبیعی) و بیولوژیک (بیودیزل و بیوگاز) انجام شد. نتایج تجربی نشان داد که استفادة همزمان از سوخت‌های بیولوژیکِ بیودیزل و بیوگاز در موتور دوگانه سوز امکان پذیر است، ولی موجب افت توان موتور می‌شود. در این حالت، انتشار آلاینده‌ NOx برخلاف COCO2 و UHC کاهش می‌یابد

تازه های تحقیق

نتایج حاصل از این تحقیق حاکی از این واقعیت است که استفادة همزمان از سوخت‌های بیولوژیکِ بیودیزل و بیوگاز در موتور دوگانه‌سوز امکان‌پذیر است، ولی موجب افت توان موتور می‌شود. توان ترمزی موتور در حالت دوگانه‌سوز بیولوژیک (10 درصد بیودیزل بهعنوان سوخت آتش‌زا و 90 درصد بیوگاز بهعنوان سوخت اصلی) نسبت به حالت دوگانه‌سوز متعارف (10 درصد گازوییل بهعنوان سوخت آتش‌زا و 90 درصد گاز طبیعی به عنوان سوخت اصلی) به اندازه 8/5 درصد کمتر است، زیرا به دلیل وجود 30 درصد CO₂ در سوخت بیوگاز ارزش گرمایی آن در حدود 60 درصد کمتر از ارزش گرمایی گاز طبیعی است و درنتیجه، با مصرف حجم مشخصی از هر دو سوخت، توان گرمایی معادل سوخت گاز طبیعی بیشتر است. از طرف دیگر، ارزش گرمایی واحد جرم سوخت بیودیزل بهعنوان سوخت آتشزا کمتر از ارزش گرمایی گازوییل است، ولی در عوض چگالی سوخت بیودیزل بیشتر از چگالی گازوییل است که تا حدودی پایینبودن ارزش گرمایی آن را جبران می‌کند. نتایج تجربی نیز حاکی از تأثیر کم سوخت بیودیزل بهعنوان سوخت آتشزا بر احتراق سوخت بیوگاز است. میزان جایگزینی سوخت بیودیزل 0774/1 برابر سوخت گازوییل است که در حدود 07/0 بیشتر از گازوییل است. لذا مصرف ویژه ترمزی در حالت دیزل دوگانه‌سوز برای دو سوخت بیودیزل و گازوییل تفاوت چندانی ندارد. همچنین، در حالت موتور دیزل خالص استفاده از سوخت بیودیزل موجب کاهش آلاینده NOx تا 18 درصد نسبت به استفاده از سوخت گازوییل می‌شود، ولی در حالت موتور دیزل دوگانه‌سوز با سوخت‌های فسیلی گازوییل و گاز طبیعی بیشترین مقدار انتشار آلاینده NOx را داریم. جالب توجه این است که در حالت موتور دیزل دوگانه‌سوز، با استفاده از سوخت‌های بیولوژیکِ بیودیزل و بیوگاز، مقدار آلاینده NOx کمترین مقدار را دارد. این پدیده می‌تواند رهیافتی جدید برای کاهش آلایندة NOx در موتورهای دوگانه‌سوز باشد. استفاده از سوخت بیودیزل به جای گازوییل در موتور دیزل خالص مقدار انتشار آلاینده CO و CO₂ تا 10 درصد نسبت به گازوییل کاهش می‌دهد. در حالت دیزل دوگانه‌سوز، در صورت استفاده از بیودیزل و بیوگاز، با اینکه سوخت بیودیزل موجب کاهش آلاینده CO و CO₂ می‌شود، ولی به دلیل وجود 30 درصد گاز CO₂ در سوخت بیوگاز مقدار انتشار آلاینده‌های CO و CO₂ بیشترین مقدار را دارد. کاهش 75 درصدی انتشار هیدروکربن‌های نسوخته (UHC) با استفاده از سوخت بیودیزل در حالت دیزل خالص یکی از نتایج مهم آزمونهای تجربی است، ولی در حالت دیزل دوگانه‌سوز بیولوژیک مقدار کاهش هیدروکربنهای نسوخته به اندازه حالت دیزل دوگانه‌سوز متعارف نیست که دلیل آن پایینبودن دمای محفظه احتراق و ناخالصی‌های سوخت بیوگاز است.

سوخت‌های بیودیزل و بیوگاز از مواد اولیه آلی و طبیعی به دست میآیند؛ بنابراین سوختهای تجدیدپذیراند. در تولید این سوخت‌ها عموما از ضایعات کشاورزی یا حیوانی (زباله) استفاده می‌شود؛ لذا سوختهای ارزانقیمتاند و در صورت توسعه صنعت تولید آنها می‌توانند به آسانی دردسترس باشند. تبدیل ضایعات (زباله) به سوخت قابل استفاده در موتورهای احتراق داخلی نهتنها باعث حذف مواد زائد می‌شود، بلکه انرژی ارزانی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد و بهعنوان یک تکنولوژی پایدار می‌تواند جایگزین مناسبی برای سوخت موتورهای احتراق داخلی مطرح شود.

کلیدواژه‌ها

بیودیزل

بیوگاز

گازوییل

گازطبیعی

موتوردیزل دوگانه سوز

عنوان مقاله English

Experimental Investigation of the Effect of Using Biodiesel and Biogas on Dual Fuel Diesel Engine

نویسنده English

Bahman Najafi

Department of Agricultural Machinery Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

چکیده English

In this study, the diesel engine fuel system was modified and the use of alternative fuels, i.e. biodiesel and biogas, was investigated in biological dual-fuel diesel engines. Biodiesel fuel from waste cooking oil was produced by transesterification method and biogas fuel was produced through anaerobic fermentation of livestock waste. Biogas comprised primarily methane (70%) and carbon dioxide (30%). In the present study, 90% of the diesel was replaced by biogas, while the remaining 10% was used as a pilot fuel. Using equipment such as mixer, regulator, filter, valve and flow meter, the basic diesel engine (Lister M8/1) was converted into dual-fuel diesel engine. Afterwards, the engine performance and emission tests at full load and at fixed speed of 750 rpm were investigated for fossil fuels (diesel and natural gas) and biofuel (biodiesel and biogas). The experimental results indicated that the simultaneous use of biofuels (biodiesel and biogas) in dual-fuel engines is possible, though it is accomponied by the loss of engine power. In these conditions, the NOx emission decreased, unlike the enhanced emission of CO, CO₂ and UHC.

کلیدواژه‌ها English

Biodiesel

Biogas

Diesel fuel

Natural gas

Dual fuel diesel engine

1. B. Najafi, V. Piruzpanah and B. Ghobadian, “Experimental Investigation of Performance and Emission Parameters of a Small Diesel Engine Using CNG and Biodiesel,” SAE Paper No. 2007-32-0075, 2007.

2. S. H. Yoon, H. K. Suh and C. S. Lee, “Effect of Spray and EGR Rate on the Combustion and Emission Characteristics of Biodiesel Fuel in a Compression Ignition Engine,” Energy and Fuels, 23, pp. 1486-149, 2009.

3. S. H. Park, S. H. Yoon and C. S. Lee, “Effect of the Temperature Variation on Properties of Iodiesel and Biodiesel-Ethanol Blends Fuels,” Oil & Gas Science and Technology, 63, No. 6, pp. 737-745, 2008.

4. C. Rahmouni, M. Tazerout and O. Le Corre, “A Method to Determine Biogas Composition for Combustion Control,” SAE 2002-01-1708, 2002.

5. C. Tricase and M. Lombardi, “State of the Art and Prospects of Italian Biogas Production from Animal Sewage: Technical-Economic Considerations,” Renewable Energy, 34, pp. 477-485, 2009.

6. B. B. Sahoo, N. Sahoo and U. K. Saha, “Effect of Engine Parameters and Type of Gaseous Fuel on the Performance of Dual-Fuel Gas Diesel Engines-A Critical Review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp. 1151-1184, 2009.

7. R. G. Papagiannakis and D. T. Hountalas, “Experimental Investigation Concerning the Effect of Natural Gas Percentage on Performance and Emissions of a DI Dual Fuel Diesel Engine,” Applied Thermal Engineering, 23, pp. 353-365, 2003.

8. O. M. I. Nwafor, “Effect of Advanced Injection Timing on the Performance of Natural Gas in Diesel Engines,” 25, pp. 11-20, 2000

9. N. N. Mustafi and R. R. Raine, “A Study of the Emissions of a Dual Fuel Engine Operating with Alternative Gaseous Fuels,” SAE 2008-01-1394, 2008.

10. S. Maji and B. B. Arora, “Use of CNG and Diesel in CI Engines in Dual Fuel Mode,” SAE 2008-28-0072, 2008.

11. A. Henham and M. K. Makkar, “Combustion of Simulated Biogas in a Dual Fuel Diesel Engine,” Energy Conversion & Management, 39, pp. 2001-2009, 1998.