سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

ارزیابی عملکرد و آلایندگی موتور دیزل در حضور بیودیزل، دی متیل کربنات و دی اتیلن گلیکول به عنوان افزودنی‌های سوخت اکسیژن‌دار از نقطه نظر روش Exergoenvironmental

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
حسن وحدتی
حبیب کلاهدوز
دانشگاه آزاد اسلامی واحد اسفراین
10.22034/jfnc.2025.490198.1415
چکیده
مطالعه حاضر به بررسی تأثیر انواع افزودنی‌های سوخت اکسیژنه بر عملکرد موتور دیزل می‌پردازد. انتشارات هدف ارزیابی این مواد افزودنی نه ‌تنها از نقطه ‌نظر عملکرد، بلکه با در نظر گرفتن عوامل محیطی از طریق روش تحلیل اکسرژی-زیست­محیطی است. این تحقیق عملکرد موتور دیزل را با استفاده از ترکیبات سوخت معمولی و اکسیژن‌دار، با تمرکز بر بیودیزل، دی متیل کربنات (DMC) و دی اتیلن گلیکول (DEG) ارزیابی می‌کند. این آزمایش شامل مقایسه بازده سوخت، انتشار گازهای گلخانه‌ای و رفتار موتور با این مواد افزودنی است. برای درک مفاهیم زیست‌محیطی، این مطالعه از روش اکسـرژی-زیست­محیطی استفاده می‌کند که تجـزیه و تحلیل اگزرژی را با ملاحـظات زیست‌محیطی ادغام می‌کند. نتایـج نشان می‌دهد که استفاده از این افزودنی‌های اکسیژن‌دار منجر به اثرات متفاوتی بر عملکرد موتور و انتشار گـازهای گلـخانه‌ای می‌شود. افزودن بیودیزل تمایل به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند ذرات معلق و اکسیدهای نیتروژن دارد، در حالی که DMC و DEG نیز به کاهش انتشار کمک می‌کنند اما با تأثیرات متفاوت بر راندمان موتور. تجزیه و تحلیل خارجی محیطی چشم‌‌انداز جامعی در مورد هزینه‌ها و مزایای زیسـت‌محیطی استفاده از این افزودنی‌های سـوخت ارائه می‌دهد. به ‌طور کلی، این مطالعه بینش‌هایی را در مورد اینکه چگونه افزودنی‌های سوخت اکسیژنه می‌توانند بر عملکرد موتور دیزل و انتشار گازهای گلخانه‌ای تأثیر بگذارند، ارائه و بر اهمیت متعادل کردن عملکرد با تأثیرات زیست‌محیطی تأکید می‌کند. این یافته‌ها به اکتشاف مداوم جایگزین‌های سوخت پاک‌تر در موتورهای دیزل، با تمرکز بر بهینه‌‌سازی عملکرد موتور و پایداری محیطی کمک می‌کند.

تازه های تحقیق

ارزیابی عملکرد موتور دیزل و انتشار گازهای گلخانه‌ای با استفاده از بیودیزل، دی متیل کربنات، و دی اتیلن گلیکول به ‌عنوان افزودنی‌های سوخت اکسیژن­دار از طریق روش تحلیل اکسرژی- زیست­محیطی چشم‌انداز پیچیده‌ای از مبادلات را برجسته می‌کند. در حالی که این افزودنی‌ها مزایای بالقوه‌ای را از نظر کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهبود بهره‌وری سوخت ارائه می‌کنند، اجرای آن‌ها نیازمند یک رویکرد ظریف است. این تحقیق بر نیاز به بررسی بیشتر در مورد فعل و انفعالات پیچیده بین این مواد افزودنی و فرآیند احتراق، به ‌ویژه از نظر تأثیر آن‌ها بر تخریب اگزرژی و تشکیل آلاینده‌ها تأکید می‌کند. علاوه بر این، اثرات بلندمدت این مواد افزودنی بر دوام موتور، الزامات تعمیر و نگهداری و اثرات کلی محیطی نیازمند ارزیابی جامع است. به ‌طور کلی نتایج زیر به‌دست آمد:

  • مطابق با نتایج به‌دست آمده نمونه سوخت دیزل بالاترین توان ترمزی را تولید می‌کند. با افزودن دی اتیلن گلیکول و دی متیل کربنات، توان تولیدی موتور کاهش می‌یابد.
  • افزودن بیودیزل و افزودنی‌های دی متیل کربنات و دی اتیلن گلیکول موجب افزایش مصرف سوخت ویژه ترمزی به‌دلیل کاهش توان تولیدی و کاهش ارزش حرارتی سوخت می‌شود.
  • افزودن بیودیزل به میزان 5 درصد موجب افزایش نسبی اکسرژی ورودی و در سایر سوخت‌ها به‌طور نسبی موجب کاهش اکسرژی ورودی شده است.
  • افزایش مقادیر افزودنی‌ها باعث کاهش اکسرژی خروجی از اگزوز نسبت به کنترل می‌شود.
  • افزودن دی متیل کربنات نسبت به دی اتیلن گلیکول بیشتر باعث کاهش اکسرژی شافت شده است.
  • حضور افزودنی‌ها به‌طور متوسط حدود ۲۰ درصد نسبت اکسرژی شافت به اکسرژی ورودی را افزایش داده‌اند.
  • حضور افزودنی‌ها باعث کاهش درصد اکسرژی تخریب‌ شده نسبت به اکسرژی ورودی از حدود ۴ تا ۱۰ درصد شده است.
  • افزودن افزودنی‌های دی اتیلن گلیکول و دی متیل کربنات کمترین تأثیر زیست ‌محیطی را به‌ طور متوسط نسبت به سایر نهاده‌ها دارند. از طرفی دیگر، تست موتور به ‌جز در تأثیر روی کیفیت منابع در سایر پارامترها، تأثیر به سزایی دارد.
  • بهترین نوع نمونه سوخت‌ها، افزودن تلفیقی افزودنی‌های بیودیزل، دی متیل کربنات و دی اتیلن گلیکول است. در این مطالعه، نمونه سوخت‌های B5E3Et3، B5E3Et5 و B5E3Et7 می‌توانند به‌ عنوان سوخت‌هایی با درصد تخریب اکسرژی کمتر برای بار عملکردی 100 درصد باشند. بر اساس مشاهدات، بهترین بار عملکردی موتور نزدیک به بار بیشینه موتور است.

 

 

کلیدواژه‌ها
بیودیزل
انرژی زیستی
تولید پایدار
اگزرژی
افزودنی سوخت

موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of diesel engine performance and emissions in the presence of biodiesel, dimethyl carbonate, and diethylene glycol as oxygenated fuel additives from the point of view of Exergoenvironmental method

نویسندگان English

Hasan ,Vahdati
Habib Kolahdooz
Esfarain Azad university
چکیده English

The present study investigates the effect of oxygenated fuel additives on diesel engine performance. Publications aim to evaluate these additives not only from the point of view of performance but also by considering environmental factors through the lens of the extra-environmental method. This research evaluates diesel engine performance using conventional and oxygenated fuel blends, focusing on biodiesel, dimethyl carbonate (DMC), and diethylene glycol (DEG), including comparing fuel efficiency, emissions, and engine behavior with these additives. This study uses the exergoenvironmental method to understand environmental implications, integrating exergy analysis with environmental considerations. The results show that using these oxygen additives affects engine performance and greenhouse gas emissions. Adding biodiesel reduces greenhouse gas emissions, such as particulate matter and nitrogen oxides. At the same time, DMC and DEG also help reduce emissions but have different effects on engine efficiency. Environmental externality analysis provides a comprehensive perspective on these fuel additives' environmental costs and benefits. Overall, this study provides insights into how oxygenated fuel additives can affect diesel engine performance and emissions, emphasizing the importance of balancing performance with environmental impact. These findings contribute to the continued exploration of cleaner fuel alternatives in diesel engines, focusing on optimizing engine performance and environmental sustainability.
.

کلیدواژه‌ها English

Biodiesel
bioenergy
sustainable production
exergy
fuel additive

در سال‌های اخیر یکی از تأمین کننده‌های اصلی قدرت در صنعت مادر، مانند صنعت حمل ‌و نقل، موتورهای دیزلی است. منبع اصلی تأمین انرژی در موتورهای دیزل سوخت دیزل است. بنابراین سوخت دیزل یکی از مهمترین حامل‌های انرژی است [1]. یکی از عوامل اصلی آلودگی محیط‌زیست موتورهای دیزلی است به طوری‌که با سوزاندن سوخت دیزل آلاینده‌هایی تولید می‌شود که به‌‌طور جدی بر محیط‌زیست و آب و هوای زمین تأثیر می‌گذارد. اخیراً روش‌های مختلفی برای کاهش این آلاینده‌ها به‌کار گرفته‌ شده است [2]. با توجه به کاهش منابع انرژی و افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی، توجه به محدودیت‌های ذکر شده و همچنین استفاده فشرده از موتورهای احتراق داخلی از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی، محققان و دانشمندان در حال بررسی جایگزین‌هایی هستند. سوخت‌های تجدیدپذیر به‌جای سوخت‌های فسیلی می‌توانند انرژی پاک تولید کنند [4،3].

در سیاست‌های مربوط به بخش حمل و نقل و صنعت، هدف اصلی جلوگیری از مصرف منابع انرژی و محدود کردن انتشار آلاینده‌های ناشی از موتورهای احتراق داخلی است. انتشار گازهای گلخانه‌ای از موتورهای دیزل تهدیدی جدی برای سلامت انسان است. در این راستا، دانشمندان تحقیقات و آزمایشاتی را برای توسعه موتورهای دیزلی و سوخت انجام می‌دهند. این پیشرفت منجر به ایجاد قوانین و مقرراتی برای جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ای از موتورهای دیزلی شده است که هر روز به‌روز می‌شوند. همچنین محدودیت‌ها و استانداردهایی برای جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ای موتورهای دیزلی تعیین شد. موتورهای تراکمی احتراق داخلی به‌دلیل بازده حرارتی بالا، کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت ویژه ایجاد می‌کنند. یکی از معایب موتورهای دیزلی این است که انتشار آلاینده‌هایی مانند اکسیدهای نیتروژن و دوده بیشتری از موتورهای بنزینی دارند [5]. در طول این سال‌ها محققان روش‌های مختلفی را برای حل مشکلات موتورهای احتراق داخلی پیشنهاد کرده‌اند. یکی از این تکنیک‌ها که طی سالیان متمادی توسط محققان توسعه و گسترش یافته و تکنیکی بسیار موفق در کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای ناشی از احتراق سوخت دیزل است، استفاده از نسبت‌های مختلف بیودیزل در سوخت دیزل است. بیودیزل سوختی است که از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌شود و استفاده از این سوخت به ‌جای بنزین و دیزل از آسیب به محیط‌زیست جلوگیری می‌کند. بیودیزل کمتر از دیزل محیط‌زیست را آلوده می‌کند. یکی دیگر از مزیت‌های بیودیزل قابلیت اختلاط و همگن شدن آن به هر نسبت با دیزل است. یکی از عوامل مهم برای استفاده از این روش، عدم ‌تغییر در اجزای موتور دیزل است. بیودیزل همچنین دارای معایبی است که عمده‌ترین آن‌ها تولید اکسیدهای نیتروژن بیشتر از دیزل و اکسید شدن بیودیزل است. رسوبات اکسیداسیون بیودیزل که در بیودیزل نامحلول هستند باعث گرفتگی سوزن‌های انژکتور، رسوبات فیلتر و خرابی سیستم سوخت می‌شوند. از طرفی ویسکوزیته بیودیزل در مقایسه با دیزل زیاد است و در صورت عدم کنترل درصد اضافه بیودیزل می‌تواند سیستم سوخت را تحت فشار قرار داده و اتمیزه شدن سوخت از انژکتورها را کاهش دهد. تمام این کاستی‌ها در نهایت می‌تواند باعث آسیب قابل توجه و ویرانگر به اجزای موتور دیزل شود [6].

تحقیقات بسیاری در جهت بهبود عملکردی موتور دیزل و کاهش انتشارات حاصل از آن در حال انجام هستند. اضافه کردن آب به مخلوط سوخت بیودیزل، بکارگیری بازخورانی گازهای خروجی و استفاده از انواع افزودنی‌ها، تکنولوژی‌هایی هستند که می‌توانند در کاهش آلایندگی‌های موتورهای دیزل کمک کند [7].

محققان اخیراً، در راستای بهبود عملکرد و کاهش آلایندگی موتور دیزل از انواع افزودنی‌ها استفاده کرده‌اند که این افزودنی‌ها شامل افزودنی‌های اکسیژن‌دار و افزودنی‌های نانو است. افزودنی‌های اکسیژن‌دار شامل ان بوتانول، دی متیل کربنات، دی اتیل اتر، متانول، اتانول، اتیلن گلیکول، تری آستین، استون و افزودنی‌هایی از این دسته می‌باشند [10،8]. حضور اکسیژن در احتراق کامل موتور برای بهبود احتراق و به‌دنبال آن کاهش آلایندگی منتشر شده از موتور دیزل، مؤثر است [11]. نانو افزودنی‌ها با داشتن خاصیت مساحت سطح مخصوص بالا، از طریق کاهش مرحله تأخیر در اشتعال، کمک به بهبود احتراق کامل‌تر و کاهش آلاینده‌ها در عملکرد سوخت کمک می‌کنند و همچنین با افزایش نرخ تبخیر قطرات، ذخیره انرژی در سطوح زیاد و ایجاد فعالیت‌های کاتالیزوری اجتناب‌ناپذیر است [12]. باناپورمث و همکاران (2014) اکنون تحقیقاتی در زمینه استفاده از افزودن اکسیدهای فلزی و آلی در سوخت دیزل، جهت بهبود کیفیت، ارتقا عملکرد، کاهش آلاینده‌ها و بهبود خواص فیزیکی- شیمیایی سوخت انجام ‌شده است. طبق مطالعاتی که در مورد به‌کارگیری افزودنی‌های نانو به سوخت دیزل، گزارش ‌شده، حضور افزودنی‌های نانو باعث افزایش سرعت انتشار گرما و سرعت احتراق موتور دیزل است [13]. همچنین افزودنی‌های نانو مواد در سوخت دیزل، موجب جلوگیری از تشکیل مونوکسیدکربن و افزایش سطح واکنش می‌شود [14]. استفاده از ذرات نانو مواد، معایبی هم دارد. رسوب‌گذاری در مخزن سوخت و مسیرهای انتقال سوخت به‌دلیل عدم قابلیت همگن شدن ذرات نانو مواد در سوخت دیزل و هزینه بالای تهیه افزودنی‌های نانو از جمله معایبی هستند که استفاده از نانو مواد را به ‌همراه دارد. محققان بسیاری بخاطر ورود مواد نانو به محیط‌زیست از طریق اگزوز که اثرات منفی در سلامت محیط‌زیست و موجودات زنده وارد می‌کند، استفاده از افزودنی‌های اکسیژن‌دار را توصیه می‌کنند [15].

 

[1] M. Aghbashlo, M. Tabatabaei, S. Amid, H. Hosseinzadeh-Bandbafha, B. Khoshnevisan, and G. J. R. E. Kianian, "Life cycle assessment analysis of an ultrasound-assisted system converting waste cooking oil into biodiesel, " vol. 151, pp. 1352-1364, 2020.
[2] S. Faizollahzadeh Ardabili, B. Najafi, S. J. E. P. Shamshirband, and S. Energy, "Fuzzy logic method for the prediction of cetane number using carbon number, double bounds, iodic, and saponification values of biodiesel fuels, " vol. 38, no. 2, pp. 584-599, 2019.
[3] J. Ghazanfari, B. Najafi, S. Faizollahzadeh Ardabili, and S. Shamshirband, "Limiting factors for the use of palm oil biodiesel in a diesel engine in the context of the ASTM standard, " Cogent Engineering, vol. 4, no. 1, p. 1411221, 2017.
[4] A. Hashemi-Nejhad, B. Najafi, S. Ardabili, G. Jafari, and A. Mosavi, "The Effect of Biodiesel, Ethanol, and Water on the Performance and Emissions of a Dual-Fuel Diesel Engine with Natural Gas: Sustainable Energy Production through a Life Cycle Assessment Approach, " International Journal of Energy Research, vol. 2023, 2023.
[5] M. Tabatabaei, M. Aghbashlo, B. Najafi , H. Hosseinzadeh-Bandbafha, S. Faizollahzadeh Ardabili, E. Akbarian, E. Khalife, P. Mohammadi, H. Rastegari,HS. Ghaziaskar, "Environmental impact assessment of the mechanical shaft work produced in a diesel engine running on diesel/biodiesel blends containing glycerol-derived triacetin," vol. 223, pp. 466-486, 2019.
[6] R. K. Saluja, V. Kumar, and R. Sham, "Stability of biodiesel–A review, " Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 62, pp. 866-881, 2016.
[7] B. Tesfa, F. Gu, R. Mishra, and A. Ball, "LHV predication models and LHV effect on the performance of CI engine running with biodiesel blends, " Energy conversion management, vol. 71, pp. 217-226, 2013.
[8] A. C. Yilmaz, E. Uludamar, and K. J. i. j. o. h. e. Aydin, "Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines, " vol. 35, no. 20, pp. 11366-11372, 2010.
[9] N. Yilmaz, "Comparative analysis of biodiesel–ethanol–diesel and biodiesel–methanol–diesel blends in a diesel engine, " Energy, vol. 40, no. 1, pp. 210-213, 2012.
[10]         N. Yilmaz and S. M. Davis, "Diesel blends with high concentrations of biodiesel and n-butanol: Effects on regulated pollutants and polycyclic aromatic hydrocarbons, " Process Safety Environmental Protection, vol. 166, pp. 430-439, 2022.
[11]         S. F. Ardabili, B. Najafi, M. Aghbashlo, Z. Khounani, and M. Tabatabaei, "Performance and emission analysis of a dual-fuel engine operating on high natural gas substitution rates ignited by aqueous carbon nanoparticles-laden diesel/biodiesel emulsions," Fuel, vol. 294, p. 120246, 2021.
[12]         S. Srihari, S. Thirumalini, and K. Prashanth, "An experimental study on the performance and emission characteristics of PCCI-DI engine fuelled with diethyl ether-biodiesel-diesel blends, " Renewable energy, vol. 107, pp. 440-447, 2017.
[13]         N. Banapurmath, W. M. Budzianowski, Y. Basavarajappa, R. Hosmath, V. Yaliwal, and P. J. I. J. o. S. E. Tewari, "Effects of compression ratio, swirl augmentation techniques and ethanol addition on the combustion of CNG–biodiesel in a dual-fuel engine, " vol. 7, no. 1, pp. 55-70, 2014.
[14]         Y. Devarajan, D. B. Munuswamy, B. Nagappan, and A. K. Pandian, "Performance, combustion and emission analysis of mustard oil biodiesel and octanol blends in diesel engine, " Heat Mass Transfer, vol. 54, no. 6, pp. 1803-1811, 2018.
[15]         F. H. Shoar, B. Najafi, and A. Mosavi, "Effects of triethylene glycol mono methyl ether (TGME) as a novel oxygenated additive on emission and performance of a dual-fuel diesel engine fueled with natural gas-diesel/biodiesel," Energy Reports, vol. 7, pp. 1172-1189, 2021.
[16]         B. R. Kumar and S. Saravanan, "Partially premixed low temperature combustion using dimethyl carbonate (DMC) in a DI diesel engine for favorable smoke/NOx emissions," Fuel, vol. 180, pp. 396-406, 2016.
[17]         S. SenthilKumar and K. Rajan, "Performance and emission characteristics of diesel engine using biodiesel with the effect of dimethyl carbonate (DMC) fumigation, " Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 44, no. 2, pp. 2986-2998, 2022.
[18]         B. Venkanna and C. V. Reddy, "Performance, emission and combustion characteristics of DI diesel engine running on blends of honne oil/diesel fuel/kerosene/DMC," International Journal of Agricultural and Biological Engineering, vol. 4, no. 3, pp. 48-57, 2011.
[19]         S. Amid, M. Aghbashlo, M. Tabatabaei, A. Hajiahmad, B. Najafi, HS. Ghaziaskar, H. Rastegari, H. Hosseinzadeh-Bandbafha, P. Mohammadi, "Effects of waste-derived ethylene glycol diacetate as a novel oxygenated additive on performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with diesel/biodiesel blends, " Energy Conversion Management, vol. 203, p. 112245, 2020.
[20]         O. I. Awad, X. Ma, M. Kamil, O. M. Ali, Y. Ma, and S. Shuai, "Overview of polyoxymethylene dimethyl ether additive as an eco-friendly fuel for an internal combustion engine: Current application and environmental impacts, " Science of the total environment, vol. 715, p. 136849, 2020.
[21]         J. Börjesson, R. Peterson, and F. Tjerneld, "Enhanced enzymatic conversion of softwood lignocellulose by poly (ethylene glycol) addition, " Enzyme and Microbial Technology, vol. 40, no. 4, pp. 754-762, 2007.
[22]         R. Pourdarbani, S. Ardabili, E. Akbarpouran, and J. L. Hernandez-Hernandez, "Exergo-Environmental Optimization of a Diesel Engine, " Acta Technologica Agriculturae, vol. 25, no. 3, pp. 157-168, 2022.
[23]         M. Demirbas and M. K. Yesilyurt, "Investigation of the behaviors of higher alcohols in a spark-ignition engine as an oxygenated fuel additive in energy, exergy, economic, and environmental terms, " Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 148, no. 10, pp. 4427-4462, 2023.
[24]         B. Najafi, S. Faizollahzadeh Ardabili, A. Mosavi, S. Shamshirband, and T. J. E. Rabczuk, "An intelligent artificial neural network-response surface methodology method for accessing the optimum biodiesel and diesel fuel blending conditions in a diesel engine from the viewpoint of exergy and energy analysis, " vol. 11, no. 4, p. 860, 2018.
[25]         F. Hashemi, R. Pourdarbani, S. Ardabili, and J. L. Hernandez-Hernandez, "Life Cycle Assessment of a Hybrid Self-Power Diesel Engine, " Acta Technologica Agriculturae, vol. 26, no. 1, pp. 17-28, 2023.
[26]         T. M. Gundoshmian, S. Ardabili, M. Csaba, and A. Mosavi, "Modeling and optimization of the oyster mushroom growth using artificial neural network: Economic and environmental impacts, " Mathematical Biosciences Engineering, vol. 19, no. 10, pp. 9749-9768, 2022.