4. Kettős tüzelőanyag‐elegyek hatásának értékelése
4.1. Változtatható kompresszióviszonyú motoron végzett vizsgálatok
Az n‐butanol bekeverés hatásának vizsgálatára első lépésben az égéstérnyomás és hőmérséklet hatását célszerű vizsgálni. Mivel motoros körülmények között a két paraméter egymástól csak részlegesen választható szét, ezért erre a célra a rendelkezésemre álló cetánszám mérőmotoron végeztem vizsgálatokat. Ennek a motornak két fontos tulajdonsága az előkamrás égéstér és az előkamra térfogatának módosításával a változtatható kompresszióviszony. Megjegyzendő, hogy ténylegesen az előkamra közelebb áll a perdítő kamrához, mivel a fő égésteret és az előkamrát összekötő csatorna tangenciális kialakítású (perdítő furat, M‐7 melléklet). Az ezen a motoron végzett mérések eredményeit csak konferenciákon mutattam be (pl. [S‐12]), mivel ezek a mérések elsősorban a disszertációhoz készültek, hogy a folyamatok még érthetőbbek legyenek.
Ennél a motornál a befecskendező 120 bar nyitónyomáson a tüzelőanyagot elsősorban a kompresszióállító dugattyú falára és az előkamra falára fecskendezi.
Három kompresszióviszony esetén végeztem méréseket (19,92, 15,27 és 12,53 [‐]), a tüzelőanyag‐ fogyasztást 13 ml/perc értéken, míg az előbefecskendezési szöget 18 °‐ra állítottam a jobb kezelhetőség miatt.
A mért indikált nyomások és az abból számolt hasznos hőváltozások (HRR) az 54.
ábrán láthatóak.
dc_1761_20
54. ábra Az indikált nyomás és az abból számolt hasznos hőváltozás (HRR) a főtengelyszög függvényében különböző kompresszióviszonyok és n-butanol részarányok esetén, ( Pi, ±3,59 %, HRR, ±21,66 % )[S-12 alapján]
Minden esetben jól megfigyelhető a hasznos hőváltozás és az indikált nyomás ingadozása, amely feltehetőleg az előkamra és a nyomásjeladó beépítés következtében alakult ki. Ettől eltekintve megfigyelhető az 55. ábrán, hogy a kompresszióviszony emelésével a nyomásmaximumok növekedtek, viszont az alkoholrészarány növekedése nincsen jelentős hatással. Egyedül a 19,92 [‐] kompresszióviszony esetén növekedett a csúcsnyomás 20 % V/V % n‐butanol elegynél esetén. Ez abból a szempontból fontos, hogy a tüzelőanyag‐fogyasztás állandó volt, tehát a bevitt hő mennyisége csökkent az alkoholrészarány növekedésével.
A nyomásváltozási sebesség (dpind./dmax.) gázolaj tüzelőanyag esetén (D2 vagy 0 % V/V % n‐butanol) fordítottan nőtt a kompresszióviszonnyal. Ennek oka, hogy 12,53‐
as kompresszióviszony esetén volt a legintenzívebb az előkevert szakasz hasznos hőváltozás és ez a kompresszióviszony növelésével csökkent, mivel a gyulladási idő rövidebb. A nyomásnövekedési sebesség n‐butanol bekeverés növelésével 12,53‐as kompresszióviszony esetén kezdetben nőtt, majd csökkent, a közepes
kompresszióviszony esetén (15,27) folyamatosan nőtt, míg 19,92‐es kompresszióviszonyú esetben közel változatlan volt.
55. ábra Az indikált nyomás maximuma és a nyomásváltozási sebesség maximuma különböző kompresszióviszonyok és n-butanol részarányok esetén [S-12 alapján] ( Pi, ±3,59 %)
Az indikált nyomásmaximum és a nyomásváltozás sebesség maximum változásának magyarázata megfigyelhető az 54. és az 56. ábrákon. A kompresszióviszony csökkentése jelentős hatással volt a hasznos hőváltozás maximumának növekedésére.
A kompresszióviszony csökkentésével a hasznos hőváltozás maximum értékei növekedtek, mivel nőtt a gyulladási idő, így intenzívebb lett az előkevert égési szakasz.
Az alkohol bekeveréssel a hasznos hőváltozás és annak maximum értéke előkevert szakaszban jelentősen növekedett, 20 V/V % bekeverés esetén, akár 30 %‐kal (E=19,92, 20 V/V % n‐butanol, 57. ábra).
56. ábra A hasznos hőváltozás (HRR) maximuma és a gyulladási idő különböző kompresszióviszonyok és n-butanol részarányok esetén [S-12 alapján] ( HRR, ±21,66 %)
A kompresszióviszony növelésével, azaz a befecskendezés‐időpontjában az égéstérnyomás és ‐hőmérséklet növelésével csökkent a gyulladási idő (56. ábra), és a hipotézisnek megfelelően az alkohol részarány növekedésével nőtt a gyulladási idő. A 19,92 [‐] kompresszióviszony esetén, mint erről már szó volt, a gyulladási idő kicsi volt, az alkohol részarány növelésével a hasznos hőváltozás maximumának növekedése miatt kismértékben növekedett a csúcsnyomás értéke. Ebben az esetben változott legjobban a hasznos hőváltozás maximuma az n‐butanol arányának növelésével (57.
ábra), mivel kezdetben jelentős volt az n‐butanol kigőzölgése. A kompresszióviszony csökkentésével a gyulladási idő nőtt, így nem csak az n‐butanol tudott távozni az elegyből, hanem a gázolaj is. Ennek hatására az alkoholgőz hatása csökkent. Továbbá a 12,53‐as kompresszióviszony esetén olyan nagy volt a gyulladási idő, hogy az égés a felső holtpont után került, így a magasabb előkevert szakaszbeli intenzitás növekedés
dc_1761_20
már nem tudta kompenzálni az expanzió hatását, ezért a nyomásnövekedés sebessége és a csúcsnyomás értéke csökkent az alkohol bekeveréssel.
57. ábra A hasznos hőváltozás (HRR) maximumának és a gyulladási idő változása a gázolajhoz (0V/V % n-butanol) képest, különböző kompresszióviszonyok és n-butanol részarányok esetén [S-12 alapján]
Az 57. ábrán megfigyelhető, hogy mind a három kompresszióviszony esetén az alkohol bekeveréssel nőtt a hasznos hőváltozás maximum és a gyulladási idő aránya a gázolajhoz képest.
Összefoglalva:
Előkamrás motornál, állandó tüzelőanyagtérfogat‐áram és állandó előbefecskendezési szög esetén a gyulladási idő nőtt az n‐butanol részarányával, a növekedés fordítottan függött a kompresszióviszonytól. A hasznos hőváltozás maximuma is magasabb lett az n‐butanol részarányával, melynek mértéke nőtt a kompresszióviszony növelésével. A két hatás képes kiegyenlíteni egymást, aminek következtében a csökkenő fűtőérték ellenére az égési csúcsnyomás közel állandó volt, illetve kismértékben növekedett n‐
butanol bekeverésével.
Előkamrás motornál, állandó tüzelőanyagtérfogat‐áram és állandó előbefecskendezési szög esetén a gyulladási idő változása a gázolajhoz képest legjelentősebben nagy kompresszióviszony esetén nőtt. Kisebb kompresszióviszonyok esetén közel megegyező mértékben változott. A hasznos hőváltozás maximum értéke is nőtt az n‐butanol részarányával, legintenzívebben nagy kompresszióviszony esetén, kisebb kompresszióviszonyok esetén közel megegyező mértékben változott. Ennek magyarázata, hogy nagy kompresszióviszony esetén a gyulladási idő kisebb, mint 2‐3 °, így ebben az esetben a befecskendezés után jelentős mennyiségű n‐
butanol párolgott el, míg a gázolajnak csak kisebb része. Így itt több n‐butanol – gőz volt a keverékben az égési folyamat elején. Kisebb kompresszióviszony esetén a hosszabb gyulladási idő során folyamatosan párolgott ki a gázolaj és az alkohol is, így itt az égéskezdetkor a gázolaj – n‐butanol arány nagyobb volt, mint a rövidebb gyulladási idő esetén.
A fenti megállapítás alátámasztja hogy az alkalmazott beállítások esetén a befecskendezés kb. 5‐6 fokig tartott, így megfigyelhető, hogy 12,53 [‐]
kompresszióviszony esetén a diffúz égési folyamat nem volt túl jelentős, tehát a tüzelőanyag nagy része már elpárolgott az égés során, ellentétben pl. a 19,92 [‐]
kompresszióviszonnyal.
A mérési eredményekkel kapcsolatban érdekes megfigyelni egy jelenséget: a 12,53 [‐]
kompresszióviszony esetén (54. ábra) látható a felső holtpont körül a gyulladás előtt egy lokális maximum a hasznos hőváltozás függvényen, ez feltehetőleg egy hidegégéshez hasonló folyamat következménye volt.
Ennél a vizsgálatnál az emissziós eredményeket nem közlöm, mivel a beállítási értékeket csak rövid ideig lehetett pontosan tartani, így az emisszióméréshez nem állt rendelkezésre elegendő idő. Érdemes megemlíteni, hogy a kompresszióviszony növelésével a NOx‐kibocsátás csökkent, a részecskekibocsátás viszont jelentősen nőtt, a CO‐ és THC‐kibocsátás növekedett, a n‐butanol részarányával növelésével a NOx‐
kibocsátás jelentősen nem változott, a részecskekibocsátás nem változott, illetve jelentősen csökkent 19,92 [‐] kompresszióviszonynál, a CO‐ és THC‐kibocsátás növekedett vagy csökkent más‐más kompresszióviszony esetén.