محمدرضا سعيدی نيچران
فارغ التحصيل دوره دكتری، دانشگاه تربيت مدرس
mrsaeidi2000@yahoo.com *برات قباديان
دانشيار، دانشگاه تربيت مدرس
bghobadian2004@yahoo.com غلامحسن نجفی
استاديار، دانشگاه تربيت مدرس
g.najafi@modares.ac.ir

* نويسنده مسئول/تاريخ دريافت: 13/4/88 تاريخ پذيرش نهايي: 26/1/89
چکيده
در اين تحقيق متغيرهاي عملکردي يك موتور ديزل با به کارگيري سوخت بيوديزل بررسي شده است. بيشينة فشار استوانه1 و دماي گازهای خروجی از B0 تا B40 افزايش يافته و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل )از B40 تا B100(، بيشينة فشار استوانه کاهش مي يابد .توان ترمزي موتور در بار معين لگام ترمز2 براي تمامي مخلوطهاي سوخت ثابت ميباشد. علت ثابت بودن توان ترمزي در بار معين، تنظيم دور لگام ترمز با تغيير مقدار سوخت در دور ثابت )rpm( 730 ميباشد. مصرف سوخت و مصرف ويژة سوخت ترمزي از B0 تا B40 روند نزولي داشته و از B40 تا B100 روند صعودي پيدا مي کند. بنابراين مخلوط سوخت B40 نسبت به سوخت ديزل و بيوديزل خالص و ساير مخلوط هاي سوخت، داراي مصرف سوخت کمينه است و به عنوان مخلوط بهينه از نظر مصرف بهينة سوخت در موتورهاي ديزل با دور ثابت توصيه ميگردد. همچنين با افزايش بار لگام ترمز، مصرف سوخت افزايش مي يابد. مخلوط سوخت B40 در تمامي بارهاي لگام ترمز داراي مصرف ويژة سوخت ترمزي کمينه بود. آهنگ وزني مصرف هوا در بارهاي مختلف لگام ترمز براي سوخت ديزل و بيوديزل خالص و تمامي مخلوط هاي سوخت ثابت است و تغييرات جزئي آن به دليل تغييرات دماي آزمايشگاه در زمان هاي مختلف آزمايش و تأثير آن بر جرم مخصوص هوا ميباشد. رقت ) نسبت هوا به سوخت( از B0 تا B40 ، روند صعودي و از B40 تا B100 ، روند نزولي پيدا مي کند. بنابراين مخلوط سوخت B40 داراي بيشينة رقت در بين سوختهاي ديزل و بيوديزل خالص و ساير مخلوطهاي سوخت بوده است.

کليد واژههـا: موتور ديزل، سوخت بيوديزل، مخلوط سوخت بيوديزل و ديزل، متغيرهاي عملکردي موتور

1- مقدمه
■ امروزه جهان با بحران منابع انرژي مواجه است و منابع محدود سوخت سنگواره اي قادر به پاسخگويي به تقاضاي رو به افزايش انرژي نمي باشد. اين مسأله با افرايش قيمت سوخت سنگواره اي و آلودگي محيط زيستي همزمان است و محققان را به جستجوي منابع جايگزين انرژي كه تجديدپذير، ايمن و غير آلوده كننده باشند ترغيب مي نمايد] 1[.
در حال حاضر، موتورهاي ديزل به عنوان يك بخش اساسي در تأمين نيروي محركه
3 – Monoalkyl Esters
4 – Transesterification
خودروهاي جاده اي و غير جاده اي به حساب مي آيند. از طرف ديگر، امروزه موتورهاي ديزل به عنوان يكي از اصلي ترين مصرف كننده هاي سوخت سنگواره اي است و در نتيجه يكي از عوامل مهم ايجاد كننده آلودگيهاي صوتي و زيست محيطي نيز بشمار مي آيد ]2[. سوخت بيوديزل عبارت است از استرهاي منوالكيل3 اسيدهاي چرب با زنجيرة طويل ،كه از منابع تجديدپذير مانند روغنهاي گياهي يا چربي هاي حيواني تهيه مي شود. به منظور بكارگيري مستقيم روغن هاي گياهي و چربي هاي حيواني به عنوان منبع انرژي در موتورهاي درونسوز و دارا بودن شرايط احتراق مناسب، لازم است تا ساختار مولكولي اين منابع به اجزاء سادهتري شكسته و متعادل گردد. بدين منظور، مولك ولهاي تركيبات روغن يا چربي در واكنش تبديل موسوم به ترانس استريفيكاسيون4 با يك الكل مانند
1 – Cylinder
2 – Dynamometer
متانول يا اتانول، درحضور واكنشگر اسيدي يا قليايي شركت مي كند و OH الكل مورد استفاده، جايگزين زنجيره هيدروكربني موجود در روغن ميشود. در نتيجه، استرهايي با ساختمان مولكولي جديد، به نام استرهاي متيل اسيد چرب بوجود مي آيد كه تشابه زيادي با گازوئيل شمارة 2 دارد. براي استفاده از اين سوخت در موتور ديزل به جاي سوخت گازوئيل، اصولاَ هيچ تغيير اساسي در موتور لازم نيست و فقط بسته به ارزش حرارتي ،چگالي، ويسكوزيته و عدد ستان آن بايد تنظيماتي بر روي ميزان سوخت پاشيده شده ،فشار پاشش در افشانه، مدّت زمان پاشش سوخت و شروع پاشش انجام گيرد. تحقيقات نشان ميدهد كه مخلوط هايي تا20% بيوديزل و80% گازوئيل شمارة 2 در تمامي موتورهاي ديزل قابل استفاده است و مخلوطهايي با نسبت هاي بزرگتر بيوديزل تا100% )بيوديزل خالص( در موتورهاي ساخته شده از سال 1994 به بعد، با اندک تغييراتي در تنظيمات موتور قابل استفاده است. مهمترين تفاوت اساسي بيوديزل و گازوئيل، محتواي اكسيژن آن مي باشد. ميزان اكسيژن موجود در گازوئيل صفر است در حاليكه بيوديزل حاوي10 تا 12 درصد وزني اكسيژن مي باشد كه باعث كاهش چگالي انرژي و انتشار ذرات معلق ميگردد. بهعلاوه، بيوديزل عاري از گوگرد مي باشد در حاليكه در گازوئيل گوگرد وجود دارد كه در اثر احتراق به اكسيد هاي گوگرد تبديل ميگردد. گازوئيل اغلب20 تا 40 درصد حجمي آروماتيك دارد كه باعث افزايش انتشار آلاينده هايي نظير دوده و ذرات معلق ميگردد در صورتيكه بيوديزل اساساً عاري از آروماتيك مي باشد. به طور كلي بيوديزل در مقايسه با گازوئيل كه جايگزينش ميشود، سوختي پاک به حساب مي آيد] 3[. مطالعه در خصوص امكان استفاده و بهره برداري از سوخت بيوديزل با توجّه به ملاحظات فني و اقتصادي و گستردگي منابع اوّليه توليد آن در ايران، از اهميّت خاص برخوردار است] 4[. رادولف ديزل ، استفاده از سوخت هاي جايگزين در موتورهاي احتراق داخلي اشتعال تراكمي را انجام داد. وي براي اوّلين بار در موتور اشتعال تراكمي خود، روغن گياهي را به منزلة سوخت جايگزين استفاده كرد و اين بحث همچنان با پيشرفت فنآوري گسترش يافته است به طوري كه هم اكنون به يكي از مهم ترين شاخههاي تحقيقاتي براي كاهش مصرف سوخت و آلايندگي خودروهاي جاده اي و غيرجاده اي تبديل شده است] 5[. تحقيقات نشان ميدهد كه تري گليسيريدهاي تشكيل دهنده روغنهاي گياهي ميتواند به استرهاي اسيدهاي چرب الكيل )بيوديزل( تبديل شود كه خواصي مشابه سوخت گازوئيل متداول شمارة 2 دارند. اوّلين محصول مستند تجاري، متيل استر دانه كلزا مي باشد كه در سال 1988 توليد آن گزارش شده است] 6[. در اين تحقيق، سوخت بيوديزل حاصل از روغن پسماند خوراكي و مخلوط هاي مختلف آن با گازوئيل شمارة 2 معمول در ايران در موتور ديزل ليستر نوع 8,1 M، در چهار بار مختلف لگام ترمز و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه، مورد استفاده قرار گرفت و دادههاي لازم براي محاسبه و بررسي متغيرهاي عملكردي موتور ثبت گرديده و عملكرد موتور ديزل با استفاده از سوخت بيوديزل ارزيابي شده است.
2- مواد و روش ها
در تحقيق حاضر به منظور ارزيابي عملكرد موتور ديزل با استفاده از سوخت بيوديزل نسبتهاي حجمي مختلفي از سوخت بيوديزل با گازوئيل شمارة 2 معمول در ايران تهيه شد. اين مخلوط ها حاوي 0%، 10%، 20%، 30%، 40%، 50%، 60%، 70%، 80%، 90% و100% سوخت بيوديزل بر مبناي حجمي بوده است كه به ترتيـب B30, B20, B10,
B90, B80, B70, B60, B50, B40 و B100 ناميده مي شوند. مخلوطهاي سوخت ديزل و بيوديزل در بارهاي ،25%، 50%، 75% و 100% )بار كامل( لگام ترمز در موتور ديزل ليستر 8,1 M با سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه ، به منظور اخذ داده هاي عملكردي موتور و استفاده از آن براي ارزيابي عملكرد موتور با استفاده از سوخت بيوديزل، در آزمايشگاه ماشين هاي حرارتي دانشكده فني و مهندسي مكانيك دانشگاه تبريز، آزمايش شدند.
2-1- مواد
2-1-1 – موتور تحت آزمايش
موتور مورد استفاده در اين تحقيق، ديزل چهار زمانه با تنفس طبيعي، پاشش غير مستقيم) IDI( از نوع ليستر 8,1 M با توان بيشينة 8 اسب بخار در سرعت 850 دور بر دقيقه كه مشخصات فني آن در جدول) 1( ارائه شده است .
جدول 1 مشخصات فني موتور ديزل ليستر M 1,8
واحد مقدار مشخصه
– 1 تعداد استوانه
mm 114,3 قطر پيستون
mm 139,7 كورس پيستون
mm 379,4 طول شاتون
Lit 1,43 حجم جابجايي
– 17,5 :1 نسبت تراكم
Lit 1,5 :66 ظرفيت استوانه
hp 8 بيشينة توان در rpm 850
gr/hp.hr 227 مصرف ويژة سوخت در توان بيشينه
IDI – سامانة پاشش
CAV-Bosch نوع افشانه
0,008 ” بيشينة بلند شدن سوزن افشانه
kg/cm2 91,7 فشار پاشش
درجه ميل لنگ -21 زاوية شروع پاشش
درجه ميل لنگ +9 زاوية خاتمه پاشش
درجه ميل لنگ -5 IVO
درجه ميل لنگ +15 IVC
درجه ميل لنگ -55 EVO
درجه ميل لنگ +20 EVC
2-1-2- تجهيزات آزمايش
تجهيزات استفاده شده )شكل1( در اندازهگيري متغيرهاي عملكردي موتور ديزل ،عبارتند از:
1- لگام ترمز برقي TE-9 براي اندازهگيري توان ترمزي موتور
2- 45HD نوع Gaebridge زاويه سنج
3- مبدل فشار پيزو الكتريك با بلور هاي كواتز نوع Kistler-6123 براي اندازه گيري فشار
4- حسگر حرارتي براي اندازهگيري دماي خروجي دود از نوع دماسنج
5- مخزن و دبي سنج سوخت مايع از نوع استوانة اندازهگيري
6- مخزن و دبي سنج هوا با روزنة لبه تيز
7- سامانة جمعآوري اطلاعات به همراه يك دستگاه PC براي نمايش و ثبت همزمان تمام متغيرهاي اندازه گيري شده.
2-1-3- سوخت
بيوديزل استفاده شده در اين تحقيق متيل استر روغن گياهي پسماند است كه در آزمايشگاه توليد بيوديزل دانشكده كشاورزي دانشگاه تربيت مدرس توليد شده و سوخت گازوئيل مورد استفاده، گازوئيل متداول در ايران )گازوئيل شمارة 2( مي باشد. برخي از ويژگي هاي مهم سوخت بيوديزل مورد استفاده به همراه استانداردهاي آن و حدود مجاز در جدول2 ارائه شده است. ويژگي هاي سوخت ديزل مورد استفاده به همراه استانداردهايASTM نيز در جدول 3 ذكر شده است.
2-2- روش و مراحل آزمايش
آزمايش ها در قالب آزمايش كوتاه مدّت موتور بر مبناي استاندارد ECR R-49 و با هدف بررسي تأثير سهم بيوديزل بر متغيرهاي عملكردي موتور انجام گرفت. متغيرهاي تحت پايش بار اعمالي از طرف لگام ترمز به موتور و نوع سوخت )مخلوط هاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل( بوده است. بار لگام ترمز از طريق كليد پايش دستي به موتور اعمال شد و از طريق نمايشگر رقومي تنظيم گرديد. با اندازه گيري زمان مصرف cc 25 سوخت، آهنگ مصرف سوخت محاسبه شد. آهنگ مصرف هوا به روش اندازه گيري اختلاف فشار در داخل روزنة مخزن هوا و جو انجام گرفت به نحوي كه با اندازه گيري اختلاف فشار ستون آب در دو طرف روزنه ورودي هوا و معادلات مربوط به آن، آهنگ مصرف هوا محاسبه شد. دمای گازهای خروجی با استفاده از يك دماسنج اندازهگيري شد .علامت فشار داخل استوانه از طريق يك حسگر فشاربرقي دريافت شد و پس از تنظيم در اسيلوسكوپ در رايانه نمايش و ذخيره شد. در هر مرحله از آزمون، بار اعمال شده بر حسب درصد بار كامل تنظيم و در حالت كار قرار مي گرفت تا دور موتور به حالت پايدار برسد. دور لگام ترمز با يك دورسنج، اندازه گيري گرديد و در نمايشگر رقومي نشان داده شد. در هر مرحله از آزمايش دور لگام ترمز پس از اعمال بار، در چهار حالت مختلف لگام ترمز، به طور دستي با تغيير گيج مصرف سوخت، پايش شده و در حد ثابت اوّليه نگه داشته شده و سپس تمام دادهها بصورت دستي يادداشت گرديد. مرحلة گرم كردن موتور، شامل 10 دقيقه كار كردن موتور با هريك از سوختهاي مورد آزمايش بود. مشخصه هايي نظير تغييرات فشار داخل سيلندر، دمای گازهای خروجی، توان ترمزي، مهلت اشتعال و مصرف ويژه سوخت براي هر نوع مخلوط سوخت در بارهاي مختلف لگام ترمز، به عنوان متغير مقايسه شد. همان گونه كه از جداول 2 و3 مشاهده مي شود، گرانروي گازوئيل شمارة2، 4,1 و ويسكوزيته بيوديزل مورد استفاده 73,4 است. بخش عمدة بيوديزل نيز با گازوئيل

شكل 1 مجموعة تجهيزات استفاده شده در آزمايش كوتاه مدت موتور ديزل ليستر 8,1 M
جدول 2 برخي از ويژگي هاي مهم سوخت بيوديزل مورد استفاده به همراه استانداردهاي ASTM و حدود مجاز
روش استاندارد
ويژگي حدود مجاز بيوديزل واحدآزمون
° C 176 كمترين 130 نقطة اشتعال 29-ASTM D
mm2/s 4 ,73 6 ,0-1,9 گرانروي سينماتيك 544-ASTM D
° C -1 – ASTM D-2500 نقطة ابري شدن
° C -4 – ASTM D-97 نقطة ريزش
– L 1 ,5 – ASTM D-1500 رنگ
– a 1 بيشترين شماره 3 ASTM D-130 خوردگي مس
% mass 0,016 بيشترين شماره 02,0 ASTM D-6584 گليسيرين آزاد
%vol. بيشترين شماره 05, 0 ASTM D-2709 آب و رسوبات
g/cm3 —- —- چگالي
راه استانداردهاي ASTM زل مورد استفاده به هم ويژگي هاي سوخت دي جدول 3 برخي از

واحد سوختديزل روش استاندارد آزمون ويژگي
° C 61 ASTM D-93 نقطه اشتعال
mm2/s 4,1 ASTM D-445 گرانروی سينماتيك
g/cm3 0 ,839 ASTM D-4052 چگالي
MJ/kg 42,57 ASTM D-240 ارزش حرارتي پايين
kg/mol 209 — جرم مولكولي
% 86,5 — درصد جرمي كربن
% 13,5 — درصد جرمي هيدروكربن
% 0,71 —- درصد جرمي گوگرد
مخلوط گرديده و بنابراين گرانروي مخلوط كاهش يافته و به گازوئيل نزديكتر مي گردد .از اين رو اندک اضافه گرانروي بيوديزل كه در مخلوط با گازوئيل به گرانروي گازوئيل نزديك است هيچ توان اضافي را طلب نمي كند.
3- نتايج آزمايش ها
ويژگي هاي بيوديزل حاصل از روغن هاي گياهي، به طور چشمگيري به زنجيره هاي اسيدهاي چرب موجود در خوراک مورد استفاده بستگي دارد] 7[. لذا بايد در نظر داشت كه نتايج حاصل از اين تحقيق منحصر به بيوديزل با پاية روغن پسماند خوراكي است و نتايج آن قابل تعميم به تمام سوختهاي بيوديزل نيست.
3-1- تأثير سوخت بيوديزل بر فشار بيشينه استوانه
تأثير سوخت بيوديزل بر بيشينة فشار استوانه در بارهای مختلف موتور و در سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه در شكل) 2( نشان داده است .

شكل 2 تغييرات بيشينة فشار داخل استوانه بر حسب درصد بيو ديزل در سرعت rpm730 به ازاي بارهاي مختلف
با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40%، بيشينة فشار استوانه افزايش يافته و در مخلوط سوخت B40 به مقدار بيشينه خود مي رسد. با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل ، بيشينة فشار استوانه روند نزولي پيدا كرده و نهايتاً با سوخت بيوديزل خالص)B100( به مقدار كمينة خود مي رسد. روند افزايش بيشينة فشار استوانه با افزايش درصد سوخت بيوديزل ، تا مخلوط سوخت B40 و كاهش آن با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل تا سوخت بيوديزل خالص )B100(، مشابه هم مي باشد .
در تمام مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل با افزايش بار لگام، ترمز بيشينة فشار داخل استوانه نيز افزايش مي يابد. اختلاف زيادي )در حدود 5 بار( بين مقادير بيشينة فشار استوانه در 25% با مقادير مربوط به50% و 75% بار كامل وجود دارد ولي اين اختلاف بين مقادير بيشينة فشار استوانه در 50% و 75% بار كامل قابل توجه نيست. اختلاف بين مقادير بيشينة فشار استوانه در100%، 50 و 75% بار كامل نسبتاً زياد است )حدود 2 بار( ولي اين مقدار نسبت به اختلاف بين مقادير بيشينة فشار استوانه در 25% با50% و 75%بار كامل كمتر ميباشد. علت آن رسيدن موتور به حدِ دود و در نتيجه احتراق ناقص در حالت بار كامل ميباشد كه باعث افت فشار استوانه ميگردد و اختلاف نسبتاً زياد بين مقادير بيشينة فشار استوانه در 25% كامل با مقادير 50% و 75% بار كامل ، بهدليل شرايط كار موتور در بار جزئي) 25% بار كامل( ميباشد، چون در شرايط بار جزئي بيشينة فشار استوانه نسبت به ساير شرايط كاري موتور به مراتب ضعيف تر مي باشد] 7[.
3-2- تأثير سوخت بيوديزل بر فشار استوانه
شكل 3 منحني هاي فشار درجة گردش ميل لنگ)P-θ( را به طور نمونه در100% بار
نهايي لگام ترمز براي سوخت ديزل خالص )B0( و بيوديزل خالص)B100( در سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه نشان ميدهد. افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط سوخت، باعث انتقال منحني به طرف كاهش درجه ميل لنگ ميشود )شيفت نيمه دوم منحني ها به سمت چپ(. اين پديده نشان ميدهد كه سوخت بيوديزل بهدليل داشتن عدد ستان بزرگ داراي مهلت اشتعال كمتري مي باشد. مقدار دقت در اندازه گيری فشار درون محفظة احتراق حداكثر 5/2% مقدار بيشينة فشار در يك چرخة موتور منظور شد. به عبارت ديگر چرخة انتخاب شده برای محاسبات و تحليل، از ميان سه تكرار به گونه ای انتخاب شد كه مقدار بيشينه فشار درون سيلندر از 5,2 درصد تجاوز ننمايد. دستگاههای اندازه گيری فشار هم به گونه ای تنظيم گرديدند كه اين ميزان دقت را پوشش دهد.

شكل 3 منحنی های تغييرات فشار داخل استوانه بر حسب زاوية گردش ميل لنگ در درصدهاي بيو ديزل مختلف در سرعت rpm730 به ازاي بارهاي كامل
3-3- تأثير سوخت بيوديزل بر دماي دود خروجي
شكل 4 تغييرات دماي خروجي اگزوز، براي سوخت ديزل خالص)B0(، مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل و سوخت بيوديزل خالص)B100(، در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه را نشان ميدهد.
با افزايش درصد بيوديزل در مخلوط هاي سوخت، دمای گاز خروجی تا مخلوط سوخت B40 افزايش و سپس با افزايش بيشتر درصد بيوديزل، در مخلوط هاي سوخت تا بيوديزل خالص)B100(، كاهش مي يابد. افزايش دمای گاز خروجی تا مخلوط سوخت B40 به دليل افزايش فشار استوانه با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40% مي باشد و با افزايش بيشتر درصد بيوديزل فشار استوانه كاهش مي يابد و در نتيجه موجب كاهش دمای گاز خروجی ميشود.
اختلاف نسبتاً زياد بين مقادير دمای گاز خروجی در 100% بار كامل و 75% بار كامل نسبت به اختلاف بين اين مقادير در 25% بار نهايي و 50% بار نهايي و همچنين در 50% بار نهايي و 75% بار نهايي، بهدليل شرايط كاري موتور در حالت 100% بار نهايي لگام ترمز مي باشد. در اين حالت، بهدليل رسيدن موتور به حدِ دود و در نتيجه احتراق ناقص، افزايش دماي خروجي اگزوز نسبت به حالت 25 به 50% و 50 به 75% بار نهايي لگام ترمز بهطور چشمگيري بيشتر است] 10[.

1- Control

730 دور بر دقيقه
3-4- تأثير سوخت بيوديزل بر آهنگ مصرف سوخت
شكل 5 تأثير سوخت بيوديزل را بر آهنگ مصرف سوخت در مخلوطهاي سوخت ديزل و بيوديزل نشان مي دهد. بررسي نتايج محاسبة آهنگ مصرف سوخت درحالت هاي مختلف آزمايش نشان مي دهد كه براي توليد توان يكسان با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل، تا40%، آهنگ مصرف سوخت كاهش مي يابد، ولي با افزايش بيشتر درصد بيوديزل )بالاتر از40%( آهنگ مصرف سوخت افزايش مي يابد. افزايش آهنگ مصرف سوخت در مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل با درصد بيوديزل بيش از40%، به دليل ارزش حرارتي پائين و چگالي بزرگتر سوخت بيوديزل نسبت به سوخت ديزل مي باشد .
علت كاهش آهنگ مصرف سوخت با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل، تا 40% ، وجود حالت مطلوب از نظر گرانروي و چگالي مخلوط سوخت بين سوخت ديزل و بيوديزل و بهبود شرايط احتراق مي باشد] 11[. با افزايش بار، آهنگ مصرف سوخت موتور در همة مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل افزايش مي يابد. روند نزولي مصرف سوخت از مخلوط سوخت B0 تا B40 و روند صعودي آن از مخلوط سوخت B40 تا B100 در تمام بارها مشابه هم مي باشد. بنابراين مخلوط سوخت B40 در ميان مخلوطهاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل مصرف سوخت كمينه رادارد و اين مخلوط سوخت به عنوان مخلوط سوخت بهينه از نظر مصرف بهينة سوخت معرفي ميشود. اختلاف بين مقادير مصرف سوخت در 100% بار نهايي با مقادير آن در 75% بار نهايي )حدود kg/hr 5,0( ميباشد. اين مقدار در مقايسه با اختلاف بين مقادير مصرف سوخت بين 25 و50% بار نهايي )درحدود kg/hr 2,0( و بين 50 و 75% بار نهايي )درحدود kg/hr 3,0(، اختلاف نسبتاً زيادي مي باشد. اختلاف زياد بين مقادير مصرف سوخت بين 75 و 100% بار نهايي بهدليل رسيدن موتور به حدِ دود و در نتيجه احتراق ناقص در حالت 100% بار نهايي و افزايش بيشتر مصرف سوخت مي باشد] 10[.

شكل 5 تأثير بيوديزل بر مصرف سوخت موتور در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه
3-5- تأثير سوخت بيوديزل بر مصرف ويژة سوخت ترمزي
شكل 6 تأثير سوخت بيوديزل بر مصرف ويژة سوخت ترمزي در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه را نشان ميدهد .
افزايش درصد سوخت بيوديزل، بهدليل چگالي بزرگتر و ارزش حرارتي كوچكتر آن نسبت به سوخت ديزل، از طرفي باعث افزايش چگالي مخلوط سوخت ميشود و از طرف ديگر موجب كاهش انرژي حرارتي آن ميگردد. افزايش چگالي مخلوط سوخت موجب افزايش جرم مصرفي مخلوط سوخت ميشود و افزايش ارزش حرارتي سوخت باعث افزايش انرژي آزاد شده و در نتيجه توليد توان بيشتر ميشود] 11[. در مصرف ويژة سوخت ترمزي موتور، چگالي سوخت اثر مستقيم و ارزش حرارتي سوخت اثر معكوس دارد. لذا در بارهاي يكسان، مخلوط سوختي كمترين مصرف ويژه را خواهد داشت كه هر دو شرايط كوچك بودن چگالي و بزرگ بودن ارزش حرارتي را داشته باشد )يعني، يك حالت مطلوب بين سوخت ديزل و بيوديزل(. بررسي نتايج محاسبات مصرف ويژة سوخت نشان مي دهد كه با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوطهاي سوخت ديزل و بيوديزل، تا 40% حجمي، مصرف ويژة سوخت كاهش و با افزايش بيشتر درصد بيوديزل در مخلوط، مصرف ويژة سوخت ترمزي افزايش مي يابد. علت كاهش مصرف ويژة سوخت ترمزي با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40% حجمي، كاهش مصرف سوخت در اين محدوده ميباشد. افزايش مصرف ويژة سوخت با افزايش بيشتر درصد بيوديزل در مخلوط سوخت )بالاتر از 40% حجمي( بهدليل افزايشمصرف سوخت )در توان ثابت( در محدوده فوق مي باشد. مقايسه شكل هاي 5 و 6 نشان مي دهد، آهنگ مصرف سوخت و مصرف ويژة سوخت با افزايش بار، افزايش مي يابد .روند تغييرات هر دو متغير ياد شده مشابه هم مي باشد. هر دو متغير آهنگ مصرف سوخت و مصرف ويژة سوخت در مخلوط سوخت B40 مقدار كمينه را دارند، بنابراين مخلوط سوخت B40 هم از نظر آهنگ مصرف سوخت و هم از نظر مصرف ويژة سوخت مخلوط، سوخت بهينه ميباشد و از نظر مصرف بهينة سوخت، استفاده از آن نسبت به ساير مخلوطهاي سوخت ارجحيت داشته و توصيه ميگردد .

ثابت 730 دور بر دقيقه
3-6- تأثير سوخت بيوديزل بر آهنگ وزني مصرف هوا
شكل 7 مصرف هواي موتور، براي مخلوط هاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه را نشان ميدهد.
بررسي مقادير آهنگ وزني مصرف هواي موتور نشان مي دهد كه براي تمام مخلوط هاي سوخت ديزل و بيوديزل در بارهاي مختلف لگام ترمز، آهنگ وزني مصرف هوا ثابت مي باشد. نوسانات جزئي در مصرف هواي موتور بهدليل تغييرات دماي آزمايشگاه در زمان هاي مختلف آزمايش و تأثير آن بر جرم مخصوص هوا مي باشد .
به طور كلي در تمامي موتورهاي اشتعالي تراكمي، آهنگ مصرف هوا ثابت و آهنگ مصرف سوخت متغير ميباشد. چون در موتورهاي ديزل در ابتداي چرخة موتور مقدار معيني هوا وارد استوانه شده و در زمان تزريق سوخت، هواي وارد شده در داخل استوانه محبوس است و هيچگونه ارتباطي بين محفظه استوانه و خارج آن وجود ندارد، بنابراين مقدار مصرف هوا ثابت خواهد بود .

شكل 7 مصرف هواي موتور براي مخلوط هاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه
3-7-تأثير سوخت بيوديزل بر رقت مخلوط )نسبت هوا به سوخت(
شكل) 8( تغييرات رقت در مخلوطهاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل، نسبت به درصد سوخت بيوديزل، در بارهاي مختلف و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه نشان ميدهد.
بررسي مقادير محاسبه شده رقت براي مخلوطهاي سوخت ديزل و بيوديزل در بارهاي مختلف نشان مي دهد كه با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت، تا 40%، رقت مخلوط افزايش مي يابد )مصرف سوخت كاهش مي يابد( ولي با افزايش بيشتر درصد بيوديزل )بيش از 40%( رقت كاهش مي يابد )مصرف سوخت افزايش مي يابد(. همچنين با افزايش بار، رقت كاهش مي يابد .

شكل 8 تأثير بيوديزل بر رقت مخلوط در بارهای مختلف موتور و سرعت ثابت 730 دور بر دقيقه
4-نتيجه گيري کلي
با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوطهاي سوخت ديزل و بيوديزل تا 40%، بيشينة فشار استوانه افزايش و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل ،40 تا 100%، بيشينة فشار استوانه كاهش مي يابد. افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط سوخت ،باعث انتقال منحني تغييرات فشار به طرف كاهش درجة ميل لنگ مي شود )شيفت نيمه دوم منحني ها به سمت چپ(. اين پديده نشان ميدهد كه سوخت بيوديزل بهدليل داشتن عدد ستان بزرگتر داراي مهلت )تأخير اشتعال( كمتري ميباشد. با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت، تا 40%، دماي خروجي اگزوز افزايش يافته و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت ،40 تا 100%، دماي خروجي اگزوز كاهش مي يابد. روند تغييرات دمای گاز خروجی در بارهاي مختلف مشابه هم مي باشد .با افزايش بار، دمای گاز خروجی افزايش مي يابد. توان ترمزي موتور در بار ثابت براي تمامي مخلوط هاي سوخت ثابت مي باشد. علت ثابت بودن توان ترمزي در بار ثابت ،تنظيم دور لگام ترمز با تغيير مقدار سوخت در دور ثابت) rpm( 1750 مي باشد. در صورتي كه مقدار سوخت ثابت نگه داشته شود بهدليل اختلاف محتواي انرژي سوخت ديزل و بيوديزل و در نتيجة آن اختلاف محتواي انرژي تمامي مخلوطهاي مختلف سوخت توان ترمزي موتور براي مخلوط هاي مختلف سوخت ديزل و بيوديزل متفاوت خواهد بود. با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40% حجمي ،مصرف سوخت روند نزولي داشته و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل)بيش از 40%( مصرف سوخت روند صعودي پيدا ميكند. روند نزولي مصرف سوخت از مخلوط سوخت B0 تا B40 و روند صعودي آن از مخلوط سوخت B40 تا B100 در تمام بارها مشابه هم مي باشد. بنابراين مخلوط سوخت B40 نسبت به سوخت ديزل و بيوديزل خالص و ساير مخلوط هاي سوخت داراي مصرف سوخت كمينه است و به عنوان مخلوط بهينه از نظر اقتصادي و مصرف بهينة سوخت توصيه ميگردد. همچنين با افزايش بار لگام ترمز مصرف سوخت افزايش مي يابد. با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40% حجمي، مصرف ويژة سوخت ترمزي روند نزولي دارد و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل در مخلوطهاي سوخت) 40 تا 100% حجمي( مصرف ويژة سوخت ترمزي روند صعودي دارد. روند تغييرات مصرف ويژة سوخت ترمزي با درصد سوخت بيوديزل در مخلوطهاي سوخت در تمام بارهاي لگام ترمز مشابه هم مي باشد. مخلوط سوخت B40 در تمامي بارهاي لگام ترمز داراي مصرف ويژة سوخت ترمزي است ،بنابراين از نظر اقتصادي و كاهش مصرف سوخت نسبت به سوخت ديزل و بيوديزل خالص و ساير مخلوط هاي سوخت ارجحيت داشته و استفاده از آن توصيه ميشود .آهنگ وزني مصرف هوا در بارهاي مختلف لگام ترمز براي سوخت ديزل و بيوديزل خالص و تمامي مخلوط هاي سوخت ثابت ميباشد و تغييرات جزئي آن بهدليل تغييرات دماي آزمايشگاه در زمان هاي مختلف انجام آزمايشها و تأثير آن برجرم مخصوص هوا مي باشد. با افزايش درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت تا 40% حجمي، رقت مخلوط روند صعودي داشته و با افزايش بيشتر درصد سوخت بيوديزل در مخلوط هاي سوخت) 40 تا 100% حجمي( رقت مخلوط روند نزولي پيدا مي كند. روند تغييرات رقت در تمام بارهاي لگام ترمز مشابه هم مي باشد. بنابراين مخلوط سوخت B40 داراي بيشينة رقت در بين سوخت ديزل و بيوديزل خالص و ساير مخلوطهاي سوخت مي باشد.
5-تقدير و تشکر
بدينوسيله از كمك ها و مساعدت هاي مادي و معنوي شركت بهينه سازي مصرف سوخت در پيشبرد اين تحقيق سپاسگزاري ميشود.
[8]. W.Scholl Kyle and C.Sorenson Spencer, “Combustion of Soybean Oil Methyl Ester in a Direct Injection Diesel Engine,” Energy Conversion and Management.
44, Issue 7, pp.1013-1025, 2002.
[9]. V.Nagaraju, N. Henein, A. Quader, M. Wu and W. Bryzik, “Effect of Biodiesel
)B-20( on Performance and Emissions in a Single Cylinder HSDI Diesel Engine,” SAE Paper 2008-01-1401, 2008.
[10]. M. Gumus and M. Atmaca, “Use of Hazelunt Kernel Oil Methyl Ester and Its Blends as Alternative Fuels in Diesel Engines,” Turkish J. Eng.Env. Sci. 32, pp.133-141, 2008.
[11]. S. Sundarapandian and G. Devaradjane, “Performance and Emission Analysis of Bio Diesel Operated CI Engine,” Engineering, Computing and Architecture. 1, Issue 2, pp. 1-22, 2007.
[12]. V. Edwin, G. Nagarajan, J. Kamala Kannan and B. Nalalingam, “Experimental
Investigation To Study the Characteristics of Rubber- Seed-Oil- Fueled Diesel Engine Supplemented With Diethyl Ether,” Energy & Fuels. 23, pp. 533, 2009.
Reference:
[1]. A. Demirbas, “Progress and Recent Trends in Biofuels,” Progress in Energy and Combustion Science. 33, pp.1-18, 2006.
[2]. B. Ghobadian, “A Parametric Study on Diesel Engine Noise,” ph.D. Thesis. I.I.T. Roorkee. Roorkee. India, 1994.
[3]. J.H. Van Gerpen, “Biodiesel Processing and Production,” Fuel Processing Technology, 86, pp.1097-1107, 2005.
[4]. www.biodiesel.org
[5]. W.Korbitz, “Biodiesel Production in Europe and North America, an Encouraging Prospect,” Renewable Energy. 16, pp. 1078-1083, 1999. [6]. A. Srivastava and R. Prasad, “Triglycerides Based Diesel Fuels,” Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4, pp. 111-133, 2000.
[7]. Y.Wang, S.Ou , P. Lin and Z. Zhang, “Preparation of Biodiesel From Waste Cooking Oil via Two-Step Eatalyzed Process,” Energy Conversion and Management. 48, pp.184-188, 2002.

M. Saidi Neicharan/ B. Ghobadian/ G. Najafi
Experimental Investigation of a Diesel Engine Performance Parameters Using Biodiesel Fuel
M. Saidi Neicharan
Ph.D. student, Tarbiat Modares University mrsaeidi2000@yahoo.com
B. Ghobadian*
Associate Professor, Tarbiat Modares University ghobadib@modares.ac.ir
G. Najafi
Assistant Professor, Tarbiat Modares University g.najafi@modares.ac.ir

*Corresponding Authors
Received: Jul. 04, 2009
Accepted in Revised Form: Jul. 17, 2010
Abstract
In this study, performance parameters of a diesel engine were investigated using biodiesel fuel. Maximum cylinder pressure and exhaust gas temperatures increased with increasing biodiesel percentage in diesel-biodiesel fuel blends up to 40% (B0-B40), but with increasing of biodiesel fuel percentage beyond B40 (B40-B100), the maximum cylinder pressure decreased. Brake power was constant for all blend ratio at the constant engine load; this is due to this fact that engine speed was adjusted at constant value (730 rpm). Fuel consumption and brake specific fuel consumption decreased with increasing of biodiesel percentage in diesel-biodiesel fuel blends up to 40% (B0-B40), but with increasing biodiesel fuel percentage higher than B40 (B40-B100), these variables were increased. So, it was concluded that fuel blends with 40% biodiesel is an optimum fuel regime and it has been recommended for stationary diesel engines. Results indicated that with increasing engine load, fuel consumption increases. B40 (40% biodiesel, 60% diesel fuel) resulted in the minimum brake specific fuel consumption. Air consumption for all levels of engine load and fuel blends was constant and little deviations were due to changing in laboratory ambient temperature. Air to fuel ratio (A/F) increased from B0 to B40 and it decreased from B40 to B100. Maximum magnitude of A/F ratio for different diesel- biodiesel fuel blends was observed at B40.
Keywords: Diesel Engine, Biodiesel Fuel, Biodiesel-Diesel Fuel Blends, Engine Performance Parameters.
The Journal of Engine Research/Vol. 16 / Autumn 2009