Theoretical and experimental investigation of the effects of hydrogenated vegetable oils on the functional characteristics and emission controls of internal combustion engines

Η αυξανόμενη ζήτηση των ορυκτών καυσίμων, η σταδιακή αύξηση των τιμών τους και η ανάγκη μείωσης των εκπομπών του θερμοκηπίου έχουν οδηγήσει στη διερεύνηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα έχουν τραβήξει αρκετό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες γιατί είναι ανανεώσιμα, βιοδιασπώμενα και μη τοξικά. Τα υδρογονωμένα λάδια (HVO), είναι δεύτερης γενιάς βιοκαύσιμα παραφίνικης φύσης και παράγονται από διαφόρων τύπων φυτικά λάδια. Το κύριο αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής είναι η διερεύνηση της ρύθμισης ενός υπερτροφοδοτούμενου ντίζελ κινητήρα στοχεύοντας τη βελτίωση της απόδοσης, της μείωσης των εκπομπών (soot, NOx και CO2) καθώς και της κατανάλωσης καυσίμου όταν λειτουργεί με HVO. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, θα μπορούσε να επιτευχθεί μείωση των εκπομπών του κινητήρα με το HVO εάν ρυθμιστεί κατάλληλα η λειτουργία του. Για αυτό το λόγο, μελετήθηκαν διάφορες στρατηγικές ρύθμισης του κινητήρα όταν λειτουργεί με HVO. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η επίδραση του χρονισμού έγχυσης (IT) (είτε μόνο της κύριας, είτε μόνο της προ-έγχυσης είτε η ταυτόχρονη ρύθμιση και των δύο), του συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων EGR (ψυχρού και θερμού τύπου), της πίεσης έγχυσης και ο συνδυασμός του EGR και του χρονισμού της κύριας έγχυσης σε δύο ελαφριού τύπου κινητήρες προδιαγραφών Euro 4 και 5. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι παράμετροι που ασκούν τη μεγαλύτερη επίδραση στις εκπομπές και στη κατανάλωση καυσίμου είναι ο χρονισμός έγχυσης και το σύστημα EGR. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης της καύσης του κινητήρα Euro 5, βασισμένο στις πειραματικές μετρήσεις, με στόχο τη μελέτη της επίδρασης του χρονισμού έγχυσης και του EGR, σε όλο το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, στοχεύοντας τη μείωση των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου. Με βάση το μοντέλο, δημιουργήθηκαν τέσσερις εναλλακτικοί χάρτες λειτουργίας για το χρονισμό έγχυσης και το EGR σε διάφορους πιθανούς συνδυασμούς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, επιβραδύνοντας το χρονισμό έγχυσης και αυξάνοντας το ποσοστό του EGR, με τη χρήση του HVO, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη μείωση των εκπεμπόμενων σωματιδίων και των NOx του κινητήρα. Η μελέτη ενισχύθηκε επιπλέον με τη δημιουργία ενός μοντέλου προσομοίωσης αυτοκινήτου που λειτουργεί με το κινητήρα Euro 5, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των εναλλακτικών ρυθμίσεων του κινητήρα, με το HVO καύσιμο, στις εκπομπές CO2 και στη κατανάλωση καυσίμου, κατά τον Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης NEDC και την παγκοσμίως εναρμονισμένη διαδικασία δοκιμής ελαφρών οχημάτων (WLTP). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η στρατηγική “κλειδί” για το HVO καύσιμο, είναι η συνδυαστική ρύθμιση του χρονισμού έγχυσης και του συστήματος EGR. Σύμφωνα με αυτή τη στρατηγική, παρατηρήθηκε 1.6% χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου κατά των κύκλο οδήγησης NEDC και 2.9% κατά των WLTP και επίσης μείωση των εκπομπών CO2, 1.8% κατά των NEDC και 3.1% κατά των WLTP, με το HVO συγκριτικά με το εμπορικό ντίζελ κίνησης (στις εργοστασιακές ρυθμίσεις του κινητήρα). Με βάση τα αποτελέσματα, αποδεικνύεται ότι ρυθμίζοντας κατάλληλα το χρονισμό έγχυσης και το EGR με το HVO καύσιμο, βελτιώνεται η απόδοση του κινητήρα και μειώνονται οι εκπομπές του. Η συγκεκριμένη μελέτη, θέτει τις βάσεις και δείχνει την κατεύθυνση για περεταίρω έρευνα με στόχο την πλήρη βελτιστοποίηση ενός κινητήρα που θα λειτουργεί με HVO καύσιμο.