vpliv biogoriv na karakteristike dizelskega motorja · zelo pomembne so tudi karakteristike, ki jih...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Gregor DOBNIK

VPLIV BIOGORIV NA KARAKTERISTIKE

DIZELSKEGA MOTORJA

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2012

Fakulteta za strojništvo

VPLIV BIOGORIV NA KARAKTERISTIKE

DIZELSKEGA MOTORJA

Diplomsko delo

Študent: Gregor DOBNIK

Študijski program: univerzitetni študijski program 1. stopnje

Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: red. prof. dr. Breda KEGL

Somentor: univ. dipl. inž. str. Blaž VAJDA

Maribor, september 2012

II

Vložen original sklepa o potrjeni temi

diplomskega dela

III

I Z J A V A

Podpisani Gregor Dobnik izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.

dr. Brede Kegl in somentorstvom univ. dipl. inž. str. Blaža Vajde;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, __________________ Podpis:

___________________________

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Bredi

Kegl in somentorju univ. dipl. inž. str. Blažu Vajdi za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi asist. Luki Lešniku in tehn.

sodelavcu Andreju Pagonu za pomoč pri izvedbi

meritev.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij.

V

VPLIV BIOGORIV NA KARAKTERISTIKE DIZELSKEGA MOTORJA

Ključne besede: dizelski motorji, eksperimentalne meritve, karakteristike motorja,

emisije, biodizelsko gorivo, MAN 2566 MUM

UDK: 621.436-6(043.2)

POVZETEK

Diplomska naloga opisuje vpliv biodizelskega goriva na karakteristike dizelskega motorja. V

nalogi so predstavljene karakteristike dizelskega motorja, lastnosti biodizelskega in

dizelskega goriva ter postopek merjenja in izračuna potrebnih parametrov za izdelavo

potrebnih karakteristik. Na podlagi dobljenih rezultatov smo ugotovili, da se z uporabo

biodizelskega goriva zmanjšata moč in navor motorja, povečajo se emisije NOx ter zmanjšajo

emisije CO, HC in saj.

VI

INFLUENCE OF BIOFUELS ON DIESEL ENGINE CHARACTERISTICS

Key words: diesel engines, engine characteristics, emissions, biodiesel, experimental

work, MAN 2566 MUM

UDK: 621.436-6(043.2)

ABSTRACT

Thesis describes the impact of biodiesel on characteristics of the diesel engine. In it are

presented characteristics of the diesel engine, properties of biodiesel and diesel fuel as well

as the process of measuring and calculating the necessary parameters to produce the

necessary characteristics. Through the results we found that the use of biodiesel reduces

engine power and torque, increases the NOx emissions and reduces emissions of CO, HC and

soot.

VII

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................. - 1 -

1.1 Namen in cilj diplomske naloge .................................................................. - 2 -

2 KARAKTERISTIKE DIZELSKEGA MOTORJA ............................................. - 3 -

2.1 Zunanje hitrostne karakteristike ................................................................... - 3 -

2.2 Hitrostne karakteristike pri delnih obremenitvah ........................................ - 4 -

2.3 Emisije ......................................................................................................... - 4 -

3 ALTERNATIVNA GORIVA ............................................................................. - 6 -

3.1 D2 ................................................................................................................. - 6 -

3.2 Biodizel ........................................................................................................ - 7 -

3.3 Primerjava biodizelskega goriva z mineralnim dizelskim gorivom ............ - 8 -

4 DOLOČANJE KARAKTERISTIK DIZELSKEGA MOTORJA .................... - 10 -

4.1 ESC test ...................................................................................................... - 10 -

5 MERITVE IN IZRAČUN ................................................................................. - 12 -

5.1 Potek eksperimentalnega dela .................................................................... - 12 -

5.2 Enačbe za izračun korigiranih vrednosti motorja ...................................... - 13 -

6 REZULTATI IN ANALIZA ............................................................................. - 17 -

6.1 Zunanje karakteristike ................................................................................ - 17 -

6.2 Emisije ....................................................................................................... - 26 -

7 ZAKLJUČEK .................................................................................................... - 32 -

7.1 Napotki za nadaljnje delo .......................................................................... - 32 -

8 LITERATURA .................................................................................................. - 33 -

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

Pe efektivna moč

Gh urna poraba goriva

ge specifična poraba goriva

Me efektivni navor

n vrtilna hitrost

p tlak

T temperature

ρ gostota

IX

UPORABLJENE KRATICE

FS Fakulteta za strojništvo

ISO International Organisation for Standardization

NOx dušikovi oksidi

CO ogljikov monoksid

HC ogljikovodiki

CO2 ogljikov dioksid

B100 biodizelsko gorivo

D2 mineralno dizelsko gorivo

° RG PMZL kot ročične gredi pred zgornjo mrtvo lego

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

V zadnjih letih vedno več govorimo o okoljski problematiki, predvsem o globalnem

segrevanju, ki povzroča segrevanje ozračja, taljenje ledu in naraščanje števila in moči

naravnih katastrof. Globalno segrevanje se stopnjuje z emisijami tako-imenovanih

toplogrednih plinov v atmosfero. Ti plini so ogljikov dioksid, metan, vodna para, dušikov

oksid in ozon. Človeštvo je vse od industrijske revolucije naprej konstantno povečevalo

izpuste ogljikovega dioksida, ki se sprošča z zgorevanjem fosilnih goriv. Največ fosilnih

goriv se porabi za proizvodnjo električne energije, ogrevanje in transport. To je eden izmed

razlogov, da so se v avtomobilski industriji v zadnjih desetletjih začele raziskave, kako

zmanjšati emisije ogljikovega dioksida in dušikovih oksidov. Trenutno obstajajo tri glavne

smeri razvoja zmanjšanja emisij: elektronsko krmiljenje ventilov, naknadna obdelava izpušnih

plinov in goriva, ki ne bazirajo na nafti.

Elektronsko krmiljenje ventilov omogoča statičen zagon motorja, kar poveča izkoristek

in zmanjša onesnaženje v enaki meri kot majhen hibridno-električni pogon, le da ni stroškov s

prevelikim in kompleksnim zaganjalnikom. Z natančnostjo odpiranja ventilov, ki jo omogoča

elektronika, pa zmanjšamo tudi porabo goriva med delovanjem motorja.

Naknadna obdelava izpušnih plinov se izvaja s pomočjo filtrov in katalizatorjev, ki

zmanjšujejo emisije. Prva uporabljena metoda je dovajanje sekundarnega kisika, kar omogoča

zgorevanje ogljikovodikov. Druga metoda je vodenje izpušnih plinov v zgorevalno komoro,

kar zmanjšuje najvišje temperature zgorevanja, od katerih je odvisen nastanek dušikovih

oksidov. Najnovejša metoda pa je uporaba katalizatorjev, ki vsebujejo snovi, ki v kemičnih

reakcijah reagirajo z izpušnimi plini in jih tako razgradijo v okolju manj nevarne snovi.

Raziskuje pa se tudi uporaba alternativnih goriv, s katerimi bi zmanjšali nevarne

emisije. Za motorje s samovžigom se uporabljajo netradicionalno dizelsko gorivo RFD,

dimetil eter DME, gorivo Fischer-Tropsh in biodizelsko gorivo. Večina alternativnih goriv se

mora zaradi neprilagojenih motorjev mešati s tradicionalnim dizelskim gorivom, da se

izognemo neprijetnim posledicam [5].


- 2 -

1.1 Namen in cilj diplomske naloge

V diplomskem delu so s pomočjo meritev preučeni vplivi goriva B100 na karakteristike

dizelskega motorja in kako se razlikujejo od karakteristik pri gorivu D2. Meritve so bile

izvedene na motorju MAN 2566 MUM, ki se nahaja v Laboratoriju za motorje z notranjim

zgorevanjem.

V nalogi so predstavljene lastnosti biodizelskega goriva, njihovo odstopanje napram

lastnostim dizelskega goriva in kako lahko lastnosti mešanic biodizla z dizlom približamo

lastnostim dizelskega goriva. V nadaljevanju predstavljeni potek eksperimentalnih meritev in

enačbe, s katerimi smo izračunali potrebne parametre za predstavitev podatkov v diagramih.

Cilj naloge je preučiti vpliv biogoriv na karakteristike dizelskega motorja in izmeriti

zmanjšanje emisij v primerjavi z dizelskim gorivom.


- 3 -

2 KARAKTERISTIKE DIZELSKEGA MOTORJA

Pri vsakem motorju imamo podane imenske karakteristike, ki jih proizvajalec priloži k

podatkom o motorju; največkrat sta to imenska moč in imenska vrtilna frekvenca, pri kateri se

ta moč razvije. Imenska moč je moč, ki jo motor doseže pod določenimi delovnimi pogoji [4].

Zelo pomembne so tudi karakteristike, ki jih je potrebno določiti z eksperimentalnim

delom in obdelavo eksperimentalnih podatkov v enačbah. Te karakteristike so moč in navor

motorja, ekonomske karakteristike, kot sta specifična poraba goriva in urna poraba goriva ter

tudi ekološke karakteristike, kjer so zajete emisije NOx (dušikovi oksidi), CO (ogljikov

monoksid), CO2 (ogljikov dioksid), HC (ogljikovodiki), saj ipd. [4].

Pri hitrostnih karakteristikah je neodvisna spremenljivka vrtilna frekvenca. V odvisnosti

od frekvence pa podajamo navor, efektivno moč motorja, porabo goriva, specifično porabo

goriva, efektivni izkoristek, stopnjo polnitve, relativni razmernik zraka in razne emisije. Za

hitrostne karakteristike je značilna tudi konstantna obremenitev.

Glede na položaj regulacijskega elementa ločimo zunanje hitrostne karakteristike in

hitrostne karakteristike pri delnih obremenitvah [4].

2.1 Zunanje hitrostne karakteristike

Zunanje hitrostne karakteristike dobimo z maksimalno obremenitvijo motorja, kadar

dovajamo maksimalno količino goriva. Zaradi narave dizelskega motorja mora le-ta imeti

prigrajen regulator maksimalne vrtilne frekvence, ki zmanjšuje dovajanje goriva, kar se

odraža v padcu moči in navora po regulacijski hitrostni karakteristiki [4].

Slika 2.1: Zunanje hitrostne karakteristike dizelskega motorja[4]


- 4 -

2.2 Hitrostne karakteristike pri delnih obremenitvah

Hitrostne karakteristike pri delnih obremenitvah določimo, ko preizkušamo motor in je

regulacijski element postavljen v vmesni položaj med prostim tekom in maksimalno dobavo

goriva. Pri dizelskem motorju ostane maksimalna moč pri približno enaki vrtilni hitrosti, kot

jo dosežemo pri zunanji hitrostni karakteristiki. Krivulje navora so pri polni in delnih

obremenitvah skorajda vzporedne [4].

Slika 2.2: Hitrostne karakteristike dizelskega motorja pri delnih obremenitvah[4]

2.3 Emisije

Pojem emisije največkrat razumemo kot škodljive produkte zgorevanja. Pri dizelskem

motorju so ti produkti naslednji:

- CO,

- nezgoreli HC,

- NOx,

- saje [4].

Ogljikov monoksid CO

Največje vrednosti CO pri dizelskem motorju se pojavijo v področju maksimalnih

obremenitev in v področju prostega teka. Emisije CO lahko znižamo z dovajanjem dodatnega

kisika v proces zgorevanja [4].

Nezgoreli ogljikovodiki HC

Nastanek nezgorelih ogljikovodikov je odvisen od zmanjšane količine zraka v področjih

maksimalne obremenitve in nizkih temperatur v prostem teku [4].


- 5 -

Dušikovi oksidi NOx

Nastanek dušikovih oksidov je odvisen od procesa vžiga, trajanja periode zakasnitve vžiga in

od količine vbrizganega goriva v času zakasnitve vžiga. Koncentracija NOx narašča z

povečevanjem obremenitve, saj narašča temperatura, od katere so odvisne kemične reakcije

dušikovih oksidov in vodne pare [4].

Saje

Nastanek saj je predvsem odvisen od sestave goriva, najbolj od deleža aromatov in žvepla, pa

tudi ogljika samega. Saje nastanejo ob pomanjkanju kisika, visokih temperaturah in slabem

mešanju reaktantov [4].


- 6 -

3 ALTERNATIVNA GORIVA

Z večanjem skrbi za okolje in zmanjševanjem zalog fosilnih goriv se uvajajo ukrepi za

pridobivanje trajne zaloge alternativnih goriv. Prednosti biogoriv so sledeče:

- so obnovljiv vir energije,

- so čistejša od mineralnega dizelskega goriva,

- so lahko proizvedena lokalno,

- ponujajo zmanjšanje nevarnih emisij motorja brez drastičnega poslabšanja moči

motorja in porabe goriva.

Biogoriva primerna za uporabo v dizelskem motorju so:

- rastlinska olja,

- biodizel, ki je lahko čist ali mešan z dizelskim gorivom,

- določene mešanice etanola in dizelskega goriva [2] [5].

3.1 D2

Standardno dizelsko gorivo, ki se pridobiva iz nafte in ga uporabljamo za pogon dizelskih

motorjev že od samega začetka uporabe dizelskega motorja, je najbolj razširjeno gorivo za

dizelske motorje, zato je velika večina le-teh prirejena predvsem za gorivo D2. Z ostalimi

gorivi zato dobimo slabše rezultate in jih je potrebno mešati z aditivi, da se sam motor ne

pokvari. Pomembnejše lastnosti goriva so navedene v tabeli 3.1.

Tabela 3.1: Lastnosti D2 [1]

Lastnost Enota Mejne vrednosti

EN 590 (D2) min/max

D2

Gostota pri 15°C kg/m3 820/845 837,3

Motnišče °C - -3

Točka tečenja °C - -9

CFPP °C - -8

Točka samovžiga °C >55 66,0

Mazivnost WS 1.4 µm Max. 460 448,0

Cetansko število - Min. 46 51,8

FPT - - 1,02

Tlak/prostornina kPa/mL - 20/300


- 7 -

Vsebnost CHO (%w/w) - 86,13 C 13,87 H 0 O

Kinematična viskoznost pri

40°C

mm2/s 2/4,5 2,78

Vsebnost vode mg/kg Max. 200 50

Korozija Cu, 3 h pri 50°C ocena Razred 1 1a

FT-IR analiza - - brez nezaželenih

komponent

3.2 Biodizel

Eno izmed zanimivejših alternativnih goriv na področju zmanjšanja škodljivih emisij je

biodizel. Proizveden je iz različnih sestavin, najpogosteje pa se uporabljajo kulturne rastline,

kot so oljna ogrščica, soja in sezam, lahko pa tudi alge in odpadno olje iz gospodinjstva.

Biodizel nudi prednosti pri obrabi motorja in razpoložljivosti, hkrati pa ne vsebuje

karcinogenih snovi, kot so poli-aromatski ogljikovodiki in dušikovi poli-aromatski

ogljikovodiki. Pri zgorevanju biodizla nastajajo emisije, ki so človeku manj škodljive kot

emisije, ki nastanejo pri zgorevanju D2.

Slabost biodizelskega goriva so visoka viskoznost, slaba zgorevalnost, visoka

molekulska masa ipd., ki vodijo k nastanku problemov, kot so usedline v motorju, koksanje v

injektorju in zaribanje bata. Ti problemi so očitni predvsem pri nizkih temperaturah goriva, ko

viskoznost biodizla preseže priporočeno vrednost.

Lastnosti biodizla so močno odvisne od surovine, iz katere je izdelano, podnebnih

razmer, načina pridelave, pa tudi od postopkov predelave v biodizel. Zato moramo lastnosti

biodizla, ki ga uporabljamo, vedno izmeriti. V tabeli 3.2 so navedene lastnosti biodizelskega

goriva, pridobljenega iz oljne ogrščice, ki je bilo proizvedeno v podjetju Biogoriva d.o.o. [2]

[5].


- 8 -

Tabela 3.2: Lastnosti B100 [2]

Lastnost Enota Mejne vrednosti

EN 590 (D2) min/max

D2

Gostota pri 15°C kg/m3 860/900 882,6

Motišče °C - -3

Točka tečenja °C - -6

CFPP °C - -10

Točka samovžiga °C Min 120 138,5

Mazivnost µm - 175

Vsebnost sulfatnega pepela % (m/m) 0,02 <0,02

Stabilnost oksidacije pri 110°C h 6 9,8

Vsebnost vode mg/kg 500 150

Trdne nečistoče mg/kg 24 14

Vsebnost žvepla mg/kg 10 5,8

Korozivnost Cu, 3 h pri 50°C - razred 1 1a

FPT - - 6,08

Tlak/prostornina kPa/mL - 105/50

Vsebnost CHN - - 76,68% C

11,07% H,

<0,09% N

3.3 Primerjava biodizelskega goriva z mineralnim dizelskim gorivom

V tabeli 3.3. je narejena primerjava lastnosti uporabljenih goriv. Iz tabele je razvidno, da se

gorivi razlikujeta po kinematični viskoznosti že pri standardnih temperaturnih pogojih, in

sicer ima B100 skoraj dvakrat višjo viskoznost, kar se pozna še posebej pri nižjih

temperaturah, ko je B100 že zelo počasi tekoče. Viskoznost in gostota pa vplivata tudi na

emisije, porabo goriva ter moč, in sicer je ob nižji viskoznosti manj emisij, ob višji

viskoznosti pa poveča moč.

Točka samovžiga je najnižja temperatura, pri kateri se lahko sproži samovžig goriva.

Zaradi povečanja viskoznosti pri nizkih temperaturah je samovžig z dizelskimi gorivi težje

doseči, pri biodizelskem gorivu pa še veliko težje.


- 9 -

D2 ima približno 12% višjo kalorično vrednost, kar pomeni, da bi morala urna poraba

biti nižja v primerjavi z B100, saj za dosego enakih temperatur potrebujemo manj goriva.

Iz tabel 3.1 in 3.2 pa razberemo, da se gorivi razlikujeta tudi pri sami elementarni

strukturi; tako ima B100 nižjo vsebnost ogljika, vsebuje pa tudi dušik in kisik, ki ju D2 ne

vsebuje. Vsebnost kisika v biodizlu vpliva na boljše zgorevanje in posledično manjše emisije

CO in saj.

Tabela 3.3: Primerjava lastnosti D2 in B100 [5]

Gorivo D2 B100

Kinematična viskoznost pri 30°C (mm2/s) 3,34 5,51

Kalorična vrednost (kJ/kg) 43,800 38,177

Cetansko število 45-55 >51


- 10 -

4 DOLOČANJE KARAKTERISTIK DIZELSKEGA MOTORJA

Preizkušanje motorja se izvaja pri točno določenih pogojih, ki predpisujejo način izvajanja

eksperimenta, vrednotenje rezultatov glede na stanje okolice, prikazovanje v diagramih,

neodvisno spremenljivko in druge veličine.

Najprimernejši način delovanja za preizkušanje motorje je pri izpolnjenem pogoju

ravnovesja delovne skupine, ko je navor motorja enak navoru upora zavore oziroma

delovnega stroja.

(4.1)

Enačba 4.1 je pogoj za ustaljen režim delovanja motorja. Za ta režim velja, da so merjeni

parametri časovno neodvisni, kar pa je praktično nemogoče. Preizkušanja se vršijo pri

kvaziustaljenih pogojih delovanja – tolerirajo se manjša časovna nihanja parametrov motorja

v vnaprej določenih in dogovorjenih mejah.

Rezultati eksperimentov se večinoma prikažejo v obliki diagramov – med seboj

povežemo posamezne diskretne točke določenih parametrov motorja. Te odvisnosti v obliki

diagramov so karakteristike motorjev [4].

4.1 ESC test

Od leta 2000 se v Evropi za certifikacijo emisij težkih dizelskih motorjev uporablja ESC test

(Directive 1999/96/EC 13. december, 1999). Motor je preizkušen na dinamometru motorja

preko zaporedja stanj dinamičnega ravnovesja. V tabeli 4.1 so podane točke, ki jih merimo z

ESC testom [1].

Tabela 4.1: 13 točk ESC testa

Točka Hitrost motorja % obremenitve Faktor teže, % Čas trajanja

1 nizki prosti tek 0 15 4 minute

2 A 100 8 2 minuti

3 B 50 10 2 minuti

4 B 75 10 2 minuti

5 A 50 5 2 minuti

6 A 75 5 2 minuti


- 11 -

7 A 25 5 2 minuti

8 B 100 9 2 minuti

9 B 25 10 2 minuti

10 C 100 8 2 minuti

11 C 25 5 2 minuti

12 C 75 5 2 minuti

13 C 50 5 2 minuti

Hitrosti motorja so določene po naslednjem principu:

1. Visoka hitrost nhi je določena z izračunom 70% deklarirane največje neto moči

motorja. Najvišja hitrost motorja, kjer se ta moč pojavi na krivulji moči, je določena

kot nhi.

2. Nizka hitrost nlo je določena z izračunom 50% deklarirane največje neto moči motorja.

Najnižja hitrost motorja, kjer se ta moč pojavi na krivulji moči, je določena kot nlo.

3. Hitrosti motorja A, B in C, ki so uporabljene v preglednici, so izračunane po

naslednjih enačbah:

A = nlo + 0.25(nhi – nlo)

B = nlo + 0.50(nhi – nlo)

C = nlo + 0.75(nhi – nlo)

Slika 4.1: ESC test 13 točkovni cikel [1]

Prosti tek Hitrost motorja, %

Obremenitev, %


- 12 -

5 MERITVE IN IZRAČUN

5.1 Potek eksperimentalnega dela

Za eksperimentalne meritve smo uporabljali motor MAN 2566 MUM, njegove glavne

lastnosti navaja tabela 5.1. Motor je generalno obnovljen, saj je bil nameščen v avtobusu in

ima za sabo že 500.000 km prevoženih poti. Mesta, na katerih smo zajemali različne

parametre motorja, so prikazana na sliki 5.1.

Tabela 5.1: Podatki motorja

Tip motorja 4-valjni motor s 6 cilindri, hlajen z vodo

Delovna prostornina 11 413 cm3

Kompresijsko razmerje 17,5

Vrtina in hod 125 mm 155 mm

Največja moč pri min-1

162 kW pri 2200 min-1

Sistem za vbrizg goriva direkten M sistem vbrizgavanja

Črpalka za vbrizg goriva Bosch PES 6A 95D 410 LS 2542

Črpalni bat 9,5 mm 8 mm (premer dvig)

Črpalka za gorivo 1024 mm 1,8 mm (dolžina premer)

Brizgalne šobe 1 0,68 mm (število premer šobe)

Maksimalni dvig igle 0,3 mm

Tlak odpiranja igle 175 bar

Slika 5.1: Razporeditev merilnih mest na motorju MAN 2566 MUM


- 13 -

5.2 Enačbe za izračun korigiranih vrednosti motorja

Za primerjavo podatkov, ki smo jih pridobili z eksperimentalnim delom, smo morali

izračunati korigirane vrednosti motorja, ki upoštevajo vpliv okolice na rezultate meritev.

Moč motorja

kWnM

Pe5,9549

(5.1)

M [Nm]

n [min-1

]

Korigirana moč motorja Pkor po E/ECE/ 324

kWPP edkor

(5.2)

Stanje okolice

pro = 990 mbar

Tro = 298 K = 273 + 25oC (5.3)

Korekcijski faktor d

mf

ad f

(5.4)

fa – faktor vpliva okolja

fm – koeficient motorja


- 14 -

Faktor vpliva okolja fa

Dizelski motor: sesalna izvedba in tlačno polnjenje z mehanskim kompresorjem

7,0

298

990

a

a

a

T

pf

(5.5)

Dizelski motor: tlačno polnjenje s turbokompresorjem

5,17,0

298

990

a

a

a

T

pf

(5.6)

Ta – izmerjena dejanska temperatura okolja (K)

pa – parcialni tlak suhega zraka (K)

wvoa ppp (5.7)

po – izmerjeni dejanski barometrski tlak (mbar)

pwv – parcialni tlak vodne pare (mbar)

wsrwv pp (5.8)

r – relativna vlažnost zraka (%)

pws – parcialni tlak vodne pare pri 100% vlažnosti

Tabela 5.2: Vrednosti parcialnega tlaka vodne pare pri 100% vlažnosti v odvisnosti od temperature

Ta (K) 273 275 277 279 281 283 285 287 289 291

pws

(mbar)

6,1 7,0 8,0 9,3 10,7 12,3 14,0 16,0 18,0 20,6

Ta (K) 293 295 297 299 301 303 305 307 309 311

pws

(mbar)

23,4 26,4 30,0 33,6 37,8 42,4 47,5 51,2 59,4 66.2

Ta (K) 313 315 317 319 321 323

pws

(mbar)

73,7 82,0 91,0 101,0 111,6 123,4


- 15 -

Korekcija vpliva okolja z ozirom na vlažnost zraka ni potrebna, če je parcialni tlak vodne pare

v zraku

mbarpws 10

Faktor motorja fm

14,1036,0 cm qf

(5.9)

pogoj:

3./1.

2,165

3,040

dmciklmgV

Vq

fq

fq

h

cc

mc

mc

(5.10)

Vc – vbrizgana količina goriva (mm3/cikl)

Vh – delovna prostornina motorja (dm3)

- kompresijsko razmerje turbokompresorja

ρ – gostota goriva (mg/mm3)

1

2

p

p

(5.11)

p1 – tlak pred turbokompresorjem

p2 – tlak za turbokompresorjem

Srednji efektivni tlak pe

barnV

Pp

h

e

e

1200

(5.12)

Pe – efektivna moč motorja (kW)

Vh – delovna prostornina motorja (dm3)

n – vrtilna hitrost motorja (min-1

)


- 16 -

Specifična poraba goriva be

kWhgP

Gb

e

h

e /103

(5.13)

Gh – urna poraba goriva (kg/h)

Vbrizgana količina goriva Vc

ciklmmni

GV h

c /6,3...

10.120. 3

6

(5.14)

i – število valjev motorja

ρ – gostota goriva (kg/m3); ρ za dizelsko gorivo = 825 kg/m

3

n – vrtilna hitrost motorja (min-1

)

Izračun pretoka zraka Qzr

smf

Q OD

zr /720

3348,0 3

(5.15)

fOD – izmerjena frekvenca na pretokomeru zraka (Hz)


- 17 -

6 REZULTATI IN ANALIZA

V tem poglavju so prikazani rezultati eksperimentalnega dela, ki smo ga opravili v

Laboratoriju za Motorje z notranjim zgorevanjem. Rezultati meritev so bili uporabljeni v

enačbah iz poglavja 5, nato pa smo jih s pomočjo programa Microsoft Excel pretvorili v

diagrame, ki so vključeni v to poglavje. Prikazani so diagrami zunanjih hitrostnih

karakteristik, delnih hitrostnih karakteristik, primerjava moči in navora in emisije NOx, CO,

HC in saje. Diagrami prikazujejo rezultate za gorivi D2 in B100 pri kotih vbrizga 19 °, 21 ° in

23 ° RG PMZL.

6.1 Zunanje karakteristike

Na slikah 6.1, 6.2, 6.3 in 6.4 vidimo zunanje hitrostne karakteristike goriva D2 pri kotih

vbrizga 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML. Priporočen kot vbrizga proizvajalca je 23 ° RG PZL, kar

je razvidno predvsem iz moči, ki je, razen v dveh točkah, vedno največja ravno pri kotu 23 °

RG PZL, prav tako pa je specifična poraba goriva pri tem kotu najmanjša. Z kotom 19 ° RG

PZL lahko dosežemo največjo možno moč motorja pri 2350 obratih na minuto, vendar je

specifična poraba goriva višja kot pri ostalih dveh kotih. Pri 2350 obratih na minuto opazimo

padec moči in navora, kar je posledica regulatorja maksimalne vrtilne frekvence.

Slika 6.1: Zunanja karakteristika motorja pri kotu vbrizga 19 ° RG PZML za gorivo D2

Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(NM

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (g

/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)

Vrtilna hitrost (min-1)


- 18 -



Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(NM

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (g

/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)

Vrtilna hitrost n (min-1)

Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(NM

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (g

/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3/c

ike

l)

Vrtinalna hitrost n (min-1)


- 19 -

Slika 6.4: Primerjava zunanjih karakteristik motorja za gorivo D2

Pe 21°

qc 21°

Pe 23°

qc 23°

Pe 19°

qc 19°

Me 19°

ge 19°

Me 21°

ge 21°

Me 23°

ge 23°

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(Nm

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (

g/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)



- 20 -

Na slikah 6.5, 6.6, 6.7 in 6.8 so predstavljene zunanje hitrostne karakteristike motorja pri

kotih vbrizga 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZL ob uporabi goriva B100. Opazno je, da krivulje razen

pri kotu 23 ° RG PZL ne odstopajo od pričakovane oblike, pri kotu 23 ° RG PZL pa se pri

visokih vrtilnih hitrostih pojavi padec porabe goriva. Največjo moč in navor dosegamo pri

kotu 21 ° RG PZL, pri tem kotu pa je relativno najmanjša tudi poraba goriva.

Slika 6.5: Zunanja karakteristika motorja pri kotu vbrizga 19 ° RG PZML za gorivo B100


Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(Nm

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (

g/kW

h)

Mo

č P

e (

kW),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3/c

ike

l)


Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(Nm

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (g

/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)



- 21 -


Slika 6.8: Primerjava zunanjih karakteristik motorja za gorivo B100

Pe

qc

Me

ge

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(Nm

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (

g/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)


Pe 19°

qc 19° qc 21°

Pe 23 °

Pe 21°

qc 23°

Me 23°

ge 23°

Me 19°

ge 19°

Me 21°

ge 21°

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450 Nav

or

Me (

Nm

), S

pe

c. p

ora

ba

gori

va g

e (g

/kW

h)

Mo

č P

e (k

W),

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)



- 22 -

Na sliki 6.9 je prikazana primerjava moči za kote 19 °, 21 ° in 23° RG PZML ob uporabi

goriv B100 in D2. Pričakovano je dosežena moč največja z gorivom D2, nekoliko

presenetljivo pa dosežemo visoko moč tudi z B100 pri kotu 21°. Moči pri ostalih štirih

meritvah so si zelo podobne.

Slika 6.9: Primerjava moči ob uporabi B100 in D2

80,00

90,00

100,00

110,00

120,00

130,00

140,00

150,00

160,00

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Mo

č P

e (

kW)


19 ° RG PZML B100

21 ° RG PZML B100

23 ° RG PZML B100

19 ° RG PZML D2

21 ° RG PZML D2

23 ° RG PZML D2


- 23 -

Slika 6.1 prikazuje primerjavo navorov za kote 19 °, 21 ° in 23° RG PZML ob uporabi goriv

B100 in D2. Z gorivom D2 dosegamo višje navore kot z B100. Do padca navora pri gorivu

B100 pride zaradi različnih lastnosti goriva, kot so na primer viskoznost, gostota, hitrost

zvoka in kurilnost, pa tudi tega, da je motor, na katerem merimo, primarno namenjen uporabi

goriva D2.

Slika 6.10: Primerjava navora ob uporabi B100 in D2

400

450

500

550

600

650

700

750

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Nav

or

Me

(Nm

)


19 ° RG PZML B100

21 ° RG PZML B100

23 ° RG PZML B100

19 ° RG PZML D2

21 ° RG PZML D2

23 ° RG PZML D2


- 24 -

Na sliki 6.11 je prikazana primerjava vbrizgane količine goriva za kote 19 °, 21 ° in 23° RG

PZML ob uporabi goriv B100 in D2. Razvidno je, da se pri uporabi B100 vbrizgana količina

goriva poveča, kar je posledica manjše kurilne vrednosti v primerjavi z D2.

Slika 6.11: Primerjava vbrizgane količine goriva ob uporabi B100 in D2

60

70

80

90

100

110

120

130

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Vb

rizg

ana

količ

ina

gori

va q

c (m

m3 /

cike

l)


19 ° RG PZML B100

21 ° RG PZML B100

23 ° RG PZML B100

19 ° RG PZML D2

21 ° RG PZML D2

23 ° RG PZML D2


- 25 -

Na sliki 6.12 vidimo primerjavo specifične porabe goriva za kote 19 °, 21 ° in 23° RG PZML

ob uporabi goriv B100 in D2. Opazna je višja specifična poraba goriva ob uporabi B100, kar

je znova posledica nižje kurilne vrednosti.

Slika 6.12: Primerjava specifične porabe goriva D2 in B100

200

220

240

260

280

300

320

340

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Spe

cifi

čna

po

rab

a go

riva

ge

(g/k

Wh

)


19 ° RG PZML B100

21 ° RG PZML B100

23 ° RG PZML B100"

19 ° RG PZML D2

21 ° RG PZML D2

23 ° RG PZML D2


- 26 -

6.2 Emisije

Na slikah 6.13, 6.14 in 6.15 so predstavljene emisije NOx, CO, HC in saj pri kotih vbrizga

19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML za gorivo D2. Vidno je naraščanje NOx ter upadanje saj in CO z

večanjem vrtilne hitrosti. Spreminjaje emisij HC je zanemarljivo majhno.

Slika 6.13: Emisije pri kotu vbrizga 19 ° RG PZML za gorivo D2


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Saje

(B

osc

h)

CO

(p

pm

), N

Ox

(pp

m),

HC

(p

pm

)


CO HC NOx Saje

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

3,6

4

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Saje

(B

osc

h)

CO

(p

pm

), N

Ox

(pp

m),

HC

(p

pm

)


CO HC NOx Saje


- 27 -


0

0,35

0,7

1,05

1,4

1,75

2,1

2,45

2,8

3,15

3,5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Saje

(B

osc

h)

HC

, NO

x, C

O (

pp

m)


CO HC NOx Saje


- 28 -

Na sliki 6.16 vidimo emisije NOx pri kotih 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML za gorivi D2 in B100.

Pri vseh kotih in obeh gorivih je opazno naraščanje vrednosti NOx v izpustu, vendar pa je ta

vrednost ob uporabi goriva B100 višja za skoraj 1000 ppm razen pri kotu 19°, kjer so

vrednosti blizu vrednostim za gorivo D2. Emisije NOx naraščajo z vrtilno hitrostjo zaradi

povečanja toka plinov v valju, kar poviša gradient tlaka in višjo temperaturo plinov. Povišanje

emisij NOx pri biodizelskem gorivu je posledica večje hitrosti zvoka, višje gostote in večje

viskoznosti kot pri D2, kar se odrazi v večjem tlaku vbrizga in zgodnejšem vbrizgu, to pa

vpliva na višji tlak in temperaturo v valju, ki najbolj vplivata na emisije NOx.

Slika 6.16: Emisije NOx pri 100% obremenitvi

500

1000

1500

2000

2500

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

NO

x (p

pm

)


19 ° RG PZML B100 21 ° RG PZML B100 23 ° RG PZML B100

19 ° RG PZML D2 21 ° RG PZML D2 23 ° RG PZML D2


- 29 -

Na sliki 6.17 vidimo emisije HC pri kotih 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML za gorivi D2 in B100.

Opazno je majhno znižanje izpustov HC pri uporabi B100 v primerjavi z D2, kar je posledica

boljšega zgorevanja zaradi večje vsebnosti kisika v gorivu.

Slika 6.17: Emisije HC pri 100% obremenitvi

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

HC

(p

pm

)





- 30 -

Na sliki 6.18 vidimo emisije saj pri kotih 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML za gorivi D2 in B100.

Emisije saj z naraščanjem vrtilne hitrosti upadajo, saj je pri večjih hitrostih boljše zgorevanje.

Izpusti se pri uporabi B100 znižajo za 40%, kar je posledica skoraj 10% manjšega deleža

ogljika v sestavi biodizla v primerjavi s sestavo dizelskega goriva. Kot vbrizga z najmanjšimi

emisijami saj je 21°.

Slika 6.18: Emisije saj pri 100% obremenitvi

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

Saje

(B

osc

h)


19 ° RG PZM B100 21 ° RG PZM B100 23 ° RG PZM B100

19 ° RG PZM D2 21 ° RG PZML D2 23 ° RG PZM D2


- 31 -

Na sliki 6.19 vidimo emisije CO pri kotih 19 °, 21 ° in 23 ° RG PZML za gorivi D2 in B100.

Emisije CO se ob večanju vrtilne hitrosti nižajo zaradi boljšega in hitrejšega zgorevanja.

Opazna je razlika med emisijami CO pri uporabi B100 in D2, saj so emisije CO pri uporabi

goriva B100 bistveno nižje, kar je najverjetneje odraz manjše vsebnosti ogljika in večje

vsebnosti kisika, ki omogoča popolnejše zgorevanje.

Slika 6.19: Emisije CO pri 100% obremenitvi

0

100

200

300

400

500

600

700

550 1200 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2250 2350 2450

CO

(p

pm

)





- 32 -

7 ZAKLJUČEK

Alternativna goriva postajajo vse pomembnejša v razvoju motorjev, saj se z njihovo uporabo

zmanjšuje odvisnost od fosilnih virov energije, katerih zaloge vedno hitreje upadajo.

Biodizelsko gorivo je eno pomembnejših alternativnih goriv. Kljub nekaterim slabim

lastnostim ostaja kot ena izmed boljših možnosti za uporabo v motorjih z notranjim

zgorevanjem predvsem zaradi opaznega znižanja emisij in le majhnega znižanja moči in

navora motorja.

S praktičnim poskusom, ki je obsegal meritve in analizo moči, navora, vrtilne hitrosti,

porabe goriva in emisij smo poskušali ugotoviti, kakšen je dejanski vpliv biodizelskega goriva

na karakteristike dizelskega motorja ob spreminjajočem kotu vbrizga. Meritve smo izvajali ob

standardnih pogojih merjenja v Laboratoriju za Motorje z notranjim zgorevanjem.

Opravili smo meritve z gorivi D2 in B100 pri kotih vbrizga 19 °, 21 ° in 23 ° RG

PZML. Rezultati so pokazali občutno izboljšanje pri emisijah CO in saj pri uporabi goriva

B100, kar je pričakovano, saj vsebuje B100 manjši delež ogljika in večji delež kisika, ki

izboljša zgorevanje. Emisije NOx so se pričakovano povišale zaradi višjih vrednosti lastnosti

kot so viskoznost, hitrost zvoka in gostota, ki vplivajo na tlak vbrizga in zgodnejši vbrizg.

Zgodnejši vbrizg goriva vpliva na višji tlak in temperaturo v valju, ki sta poglavitna dejavnika

pri nastanku NOx. Opazno je tudi, da se karakteristike spreminjajo pri drugačnem kotu

vbrizga, vendar noben kot ne izstopa po posebej dobrih lastnostih. Pri nižjih kotih se znižajo

emisije NOx, povečajo pa se emisije CO in saj. Opazno je tudi zmanjšanje moči in navora

motorja.

7.1 Napotki za nadaljnje delo

Dobro bi bilo opraviti meritve pri nestandardnih pogojih merjenja, na primer pri zimskih

razmerah, kjer se lastnosti biodizelskega goriva močno poslabšajo, prav tako pa bi bilo

zanimivo izvajati meritve na motorju, ki bi bil prilagojen za uporabo biodizelskega goriva, saj

bi to lahko prineslo občutno izboljšanje karakteristik.


- 33 -

8 LITERATURA

[1] KEGL, Breda. Effects of biodiesel on emissions of a bus diesel engine. Bioresource

technology, 2008, vol. 99, iss. 4, str. 863-873.

[2] TORRES JIMÉNEZ, Eloisa, SVOLJŠAK, Marta, GREGORC, Andreja, LISEC, Irenca,

DORADO, M. P., KEGL, Breda. Physical and chemical properties of ethanol-biodiesel

blends for diesel engines. Energy & fuels, 2010, 24, 3, str. 2002-2009.

[3] TORRES JIMÉNEZ, Eloisa, SVOLJŠAK, Marta, GREGORC, Andreja, LISEC, Irenca,

PILAR DORADO, M., KEGL, Breda. Physical and chemical properties of ethanol-diesel fuel

blends. Fuel, 2011, vol. 90, no. 2, str. 795-802.

[4] KEGL, Breda. Osnove motorjev z notranjim zgorevanjem. Maribor, Fakulteta za

Strojništvo, 2006.

[5] DOBOVIŠEK, Želimir, VAJDA, Blaž, PEHAN, Stanislav, KEGL, Breda. Influence of

fuel properties on engine characteristics and tribology parameters. Goriva i maziva, 2009,

vol. 48, no. 2, str. 145-158.

vpliv biogoriv na karakteristike dizelskega motorja · zelo pomembne so tudi karakteristike, ki jih...

Documents