Streszczenie w j. polskim Hussein Ali Ahmed Tytuł: Ocena wpływu

Streszczenie w j. polskim
Hussein Ali Ahmed
Tytuł: Ocena wpływu dodawania ciężkich alkoholi do paliwa bazowego silnika o zapłonie
iskrowym
Powszechnie uważa się, że komponentami paliw silników o zapłonie iskrowym są
głównie alkohole lekkie. Ze studium literaturowego wynika jednak wniosek, że dodawanie
ponad 10% v/v alkoholi lekkich do paliw silników o zapłonie iskrowym jest problemem.
Chcąc zmienić ten stan rzeczy przyjęto założenie, że możliwe jest tworzenie
trójskładnikowych mieszanin paliw zawierających węglowodory, alkohole lekkie oraz
alkohole ciężkie. Przyjęto hipotezę, że taka mieszanina paliwowa może zawierać dowolny
udział poszczególnych komponentów. Prawdziwość hipotezy wykazano przygotowując
szereg mieszanin izooktanu z alkoholem etylowym oraz butylowym (n-butanolem), które
przede wszystkim były jednorodne i nie rozwarstwiały się nawet przy długotrwałym
przechowywaniu.
Postawiono tezę, że komponowanie paliw silnikowych, z wyższą zawartością
alkoholi, jest możliwe, ale wówczas gdy alkohole są mieszaniną alkoholi lekkich
i ciężkich, a stosowanie takich kompozycji nie wpływa znacząco na parametry silników.
Przeprowadzono wnikliwe studium literaturowe, z którego wynika, że wyżej
wymienione mieszaniny opisane są w literaturze w sposób niewyczerpujący (rozdział 3). Z
danych literaturowych wynika ponadto, że w większości przypadków badano paliwa
zawierające niewielki udział procentowy (zwykle około 5-10%) alkoholi w paliwie
silnikowym. Szeroko opisywane są natomiast badania z udziałem jednego alkoholu natomiast
prezentowane wyniki tych badań, są bardzo rozbieżne. Na podstawie przeglądu literatury
wysunięto wniosek nie tylko o dużych rozbieżnościach w ocenie wpływu dodawania
alkoholu(i) do paliw na parametry zasilanego nim silnika, ale zauważono również braki
metodologiczne w badania kompozycji paliwowych, z czego m.in. rozbieżności te wynikają.
Dowód tezy przeprowadzono na podstawie badań, wcześniej opracowując stosowną
ich metodykę (rozdział 4).
Przyjęta metodyka badawcza opiera się na założeniu, że komponowanie paliw
trójskładnikowych powinno być zgodne z odpowiednim planem eksperymentu, natomiast
ocena wpływu kompozycji na parametry silnika dokonana powinna być na drodze
eksploatacji multirównaniowego modelu matematycznego, a każde z tych równań, jako
podmodel, musi być zweryfikowane statystycznie. Jako podmodele przyjęto równania
nieliniowe trzech zmiennych (udziałów poszczególnych komponentów w paliwie) z członami
interakcyjnymi.
W ramach pracy zbadano mieszanki trójskładnikowe złożone z izooktanu z dodatkiem
dwóch alkoholi: lekkiego i ciężkiego. Chcąc dowieść słuszności tezy przeprowadzono
szerokie badania, których celami było:
 po pierwsze wyznaczenie właściwości komponowanych mieszanin,
 po drugie, zbadanie mieszanin paliwowych złożonych z dwóch alkoholi
i węglowodorów do zasilania silników o zapłonie iskrowym pod względem
sprawności silnika i emisji spalin,
 po trzecie, sprawdzenie możliwość zwiększenia udziału etanolu w mieszaninie
paliwowej bez konieczności dokonywania modyfikacji silnika.
W badaniach prowadzonych na hamowni silnikowej wykorzystano czterocylindrowy
silnik o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem paliwa. Silnik nie był wyposażony
w system kontroli składu spalin. Prowadzono pomiary zużycia paliwa, wydajności cieplnej
silnika, mocy użytecznej, momentu obrotowego oraz jednostkowego zużycia paliwa.
Mierzono stężenia takich toksycznych składników spalin, jak tlenek węgla (CO), niespalone
węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx) oraz w wybranych punktach pracy silnika pobierano
próbki do analiz chromatograficznych na lotne związki organiczne (LZO).
Wszystkie badania były prowadzone przy użyciu każdej z przygotowanych wcześniej
mieszanin izooktanu z dodatkiem alkoholi etylowego i butylowego przy różnym udziale
poszczególnych składników mieszaniny.
Wykonano charakterystyki obciążeniowe silnika w zakresie obciążeń 0-100 Nm co 20
Nm, przy stałych prędkościach obrotowych w przedziale 1000-5000 obr/min co 500 obr/min.
W celu wyznaczenia maksymalnego momentu obrotowego oraz granicy spalania stukowego
wykonano również badania przy zmiennym kącie wyprzedzenia zapłonu. Zmieniano również
czas trwania wtrysku tak, aby współczynnik nadmiaru powietrza, przy zasilaniu silnika
poszczególnymi mieszaninami, był równy λ = 1.0 (±1%).
Mieszaniny zostały wybrane w oparciu o skonstruowany wcześniej sympleksowy plan
eksperymentu. Czynnikami wymuszającymi w planie eksperymentu były udziały
objętościowe składników paliwa, tj. izooktanu, etanolu i butanolu. Łącznie przygotowano
i przebadano 11 mieszanin o różnych proporcjach poszczególnych składników: B50, B25,
E50, B50E10, E50B10, E24B24, E25, E35B35, B50E20, E50B20, gdzie liczba przy B
oznacza procentową zawartość butanolu w mieszaninie, natomiast liczba przy E oznacza
procentową zawartość etanolu w mieszaninie. Pozostałą część mieszaniny, jako uzupełnienie
do 100% stanowił izooktan.
Wyznaczono stałe i zmienne parametry poszczególnych podmodeli będących
równaniami nieliniowymi z członami interakcyjnymi (rozdział 5). Przeprowadzono analizę
adekwatności poszczególnych podmodeli wyznaczając wartości charakterystyk
współczynnika determinacji (R2) i graniczny poziom istotności (P). Przeprowadzono też
analizę istotności poszczególnych członów podmodeli i usunięto z nich człony nieistotne
statystycznie.
Wartości optymalne składów kompozycji paliwowych wyznaczano w oparciu o normę
PN-ISO 3534-3, a powierzchnię odpowiedzi obiektu (w ujęciu systemowym) uzyskano
stosując metodę ANOVA.
Rezultatem badań i przeprowadzonych analiz jest 7-mio równaniowy model
matematyczny ujmujący wielkość badanych parametrów w funkcji udziałów poszczególnych
komponentów trójskładnikowego paliwa.
Optymalizacja mieszanin polegała na wyznaczeniu składu kompozycji paliwowej,
przy którym uzyskiwano ekstrema poszczególnych odpowiedzi obiektu. Jako odpowiedzi
obiektu oceniane były m.in. następujące parametry: jednostkowe zużycie paliwa, wydajność
cieplna silnika oraz emisje toksycznych składników spalin, tj. CO, NOx, HC i LZO.
W wyniku realizacji pracy (rozdziały 6 i 7) stwierdzono, że:
 możliwe jest opracowanie metodyki badawczej komponowania wieloskładnikowych
paliw silnikowych i jednoznacznej oceny wpływu kompozycji na poszczególne
parametry silnika w drodze eksploatacji zweryfikowanego, multirównaniowego
modelu matematycznego.
 możliwe jest komponowanie paliw silników o zapłonie iskrowym o dowolnym udziale
komponentów pod warunkiem, że komponentami tymi są węglowodory, alkohole
lekkie i ciężkie. Optima emisji poszczególnych składników spalin, w funkcji udziałów
komponentów paliwa nie pokrywają się. Nie korelują również z optimami parametrów
silnika takimi choćby np. jak jednostkowe zużycie paliwa. Wieloaspektowa
optymalizacja parametrów musi być kompromisem.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono ponadto, że:




obrana metodologia pozwala na określenie optymalnych własności nowych paliw,
w tym mieszanin węglowodorów z alkoholami;
analiza statystyczna umożliwia predykcję adekwatnych odpowiedzi obiektu
wewnątrz i poza obszarem prowadzonych testów („poza planem eksperymentu”)
badania wykazały, że istnieje możliwość zastosowania 50% etanolu w mieszaninie
bez konieczności przeprowadzania istotnych modyfikacji silnika zarówno pod
względem mechanicznym, jak również sterowania;
jeśli przyjąć odpowiednie kompromisy to w składzie najlepszej, pod względem
wszystkich analizowanych parametrów, mieszaniny zawarte powinno być ok 80%
v/v izooktanu uzupełnionego o etanol i butanol będących w szerokiej proporcji
między nimi.
ABSTRACT
The effect of the heavy alcohol additive to the base fuel of spark
ignition engine
This study has investigated the effect of the heavy alcohol addition to the base fuel of spark
ignition engine on performance and exhaust emissions. It was done using dual alcohols isooctane in order to investigate three objectives.
Firstly, in alcohol-isooctane blends, (dual alcohol-base fuel blends) have not been sufficiently
proven yet as suitable alternatives to single alcohol- base fuel blends in spark ignition engines
as far as performance and emissions are concerned.
Secondly; the possibility of increasing the proportion of ethanol in the mixture without any
modifications to the engine.
Thirdly; the effect of properties of blends on engine performance and pollutants. And thus to
know over the validity of the research methodology which was adopted. The engine used for
this study included four-cylinder, MP injection, four-stroke spark ignition engine without
control system of pollutants connected to it. Performance tests were conducted for fuel
consumption, brake thermal efficiency, brake power, engine torque and brake specific fuel
consumption, while exhaust emissions were analyzed for carbon monoxide (CO), unburned
hydrocarbon (HC), Oxides of nitrogen (NOx) , Oxygen (O2) and volatility organic compounds
(VOCS) using isooctane and additives blends with different percentages at variable torque and
constant engine speed for wide range (1000-5000) rpm and partial open throttle. The spark
timing was changed in order to identify the maximum brake torque and the knocking limit.
The duration of injection (DOI) was changed in order to set λ = 1.0 (±1%) as measured by a
lambda sensor at the engine exhaust. The dual blends where constrained to meet the vapor
issues regarding fuels and regulations. The blends were selected in terms of a combination by
volume of one being higher alcohol (n-butanol) and the lower alcohol ( ethanol) according to
design of experiments . Constrained Surface and Mixture Design with 3 factors (isooctane,
ethanol butanol) was chosen and lead to 11 sets of blends (B50, B25, E50, B50E10, E50B10,
E24B24, E25, E35B35, B50E20, E50B20) and 100% isooctane. Quadratic model equation
which has chosen evaluates with significance, goodness of fit, and R2, P -values. The optimal
values obtains by statistical analysis of each blend, performed with accordance to PN-ISO
3534-3 internationals standard, the analysis of the response surface, the ANOVA, and the
optimal conditions are obtained. The optimization of blends evaluates by the statistical
evaluation of optimal mixture for the (BSFC, BTE, CO, NOx, UHC, O2 and VOCS) by
identifying the significant input factors, verification of residuals Gaussian distribution and 3D
& 2D Response surface of fuel mixture optimization.
The findings were as follows: The methodology is useful for finding of optimal properties of
new fuel, especially blending hydrocarbons with alcohols. The statistical analysis provides a
good predict value inside and beyond the tested region. In comparison with the studies by
others, the dual alcohols-isooctane blends performed better than the single alcohol-base fuel
blends depending on certain compositional ratios of the alcohols in isooctane which were
obtained by the fit equation (mathematic model) of each parameter was tested inside tested
region regardless of vapor pressure consideration. Also the results showed that is possibility
to reach proportion 50% of ethanol in the mixture without having to make any modifications
to the engine. As it can be seen the best mixture to realize the best result in term of all
parameters which tested should be composite of 0.80-0.85 of isooctane with sharing of
ethanol and butanol.