BENZINO IR BIOETANOLIO MIŠINIAIS VEIKIANČIO VARIKLIO DARBO RODIKLIŲ TYRIMAS

Transcription

1 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos institutas BERTA LUKOŠEVIČIŪTĖ BENZINO IR BIOETANOLIO MIŠINIAIS VEIKIANČIO VARIKLIO DARBO RODIKLIŲ TYRIMAS Magistrantūros studijų baigiamasis darbas Studijų sritis: Technologijos mokslai Studijų kryptis: Mechanikos inžinerija Studijų programa: Žemės ūkio mechanikos inžinerija Akademija, 2013

2 Baigiamųjų darbų ir egzaminų vertinimo komisija: (Patvirtinta Rektoriaus (2013 m. balandžio 10 d.) įsakymu Nr KS) Pirmininkas: Europos žemės ūkio inžinerijų draugijos narys, prof. habil. dr. Bronius Kavolėlis (socialinis partneris, mokslininkas); Nariai: Žemės ūkio inžinerijos fakulteto dekanas, Žemės ūkio inžinerijos ir saugos instituto doc. dr. Rolandas Domeika (mokslininkas); Jėgos transporto mašinų inžinerijos instituto prof. dr. Gvidonas Labeckas (mokslininkas); Žemės ūkio inžinerijos ir saugos instituto prof. dr. Eglė Jotautienė; UAB Jonavos grūdai generalinis direktorius inž. Vilmantas Tovenskas (socialinis partneris, praktikas, profesionalas) Mokslinis vadovas: prof. dr. S. Slavinskas, Aleksandro Stulginskio universitetas Recenzentas: prof. dr. G. Labeckas, Aleksandro Stulginskio universitetas Instituto direktorius: prof. dr. S. Slavinskas, Aleksandro Stulginskio universitetas Oponentas: doc. K. Venslauskas, Aleksandro Stulginskio universitetas 2

3 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS JĖGOS IR TRANSPORTO MAŠINŲ INŽINERIJOS INSTITUTAS Magistratūros studijų baigiamasis darbas Benzino ir bioetanolio mišiniais veikiančio variklio darbo rodiklių tyrimai Autorius: Berta Lukoševičiūtė Vadovas: Stasys Slavinskas Kalba lietuvių Darbo apimtis - 45p. Lentelių skaičius - 6 Paveikslų skaičius - 34 Naudota informacijos šaltinių - 25 Santrauka Tyrimų tikslas ištirti benzino ir bioetanolio mišiniais veikiančio variklio darbo ir deginių emisijos rodiklius. Tyrimai atlikti su A95, E10, E20, E30, E50 ir E85 degalais. Nustatėme standartinio variklio darbo rodiklių ir deginių emisijos pokytį lyginant tarpusavyje šiuos degalus. Analizuojant tyrimų rezultatus nustatyta, jog variklio efektyvioji galia varikliui veikiant visuose darbo režimuose bioetanolio mišiniais sumažėjo nuo 1 iki 2 %. Lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos didėjo didinant bioetanolio kiekiui mišinyje. Didesnes degalų sąnaudas įtakoja mažėjantis biodegalų šilumingumas. Lyginamosios efektyvios degalų sąnaudos padidėja iki 50 %, varikliui veikiant E85 degalais Mažiausios lyginamosios efektyvios degalų sąnaudos gautos varikliui veikiant benzinu. Mažiausia CO koncentracija deginiuose gauta, varikliui veikiant E50 ir E85 biodegalais, ji kito nuo 0,51 iki 0,63 %. Didžiausia CO emisija buvo gauta, varikliui veikiant 2500 min -1 sūkių dažniu benzinu. Emisija buvo lygi 3,27%. Nesudegusių angliavandenilių CH emisijos kiekis, gauta dvigubai mažesnes varikliui veikiant visuose darbo režimuose E85 degalais negu varikliui veikiant A95 markės benzinu. Anglies dvideginio CO 2 emisija, varikliui veikiant E85 degalais buvo padidėjo apie 6 %, nei jam veikiant benzinu. Reikšminiai žodžiai: etanolis, bioetanolis, biodegalai, deginių emisijos 3

4 ALEKSANDRAS STULGINKSKIS UNIVERSITY FACULTY OF AGRICULTURAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER AND TRANSPORT MACHINERY ENGINEERING Master theses The investigation of the engine performance parameters when operating on petrol and bioethanol blends Author: Berta Lukoševičiūtė Supervisor: Stasys Slavinskas Language Lithuanian Pages - 45 p. Tables - 6 Pictures - 34 Sources of literature - 25 Summary Purposes of the study was to investigate the engine performance parameters and emission on the exhaust when running on gasoline and bio-ethanol mixtures. The bench tests carried out with the A95, E10, E20, E30, E50 and E85 blends. For both normal engine on baseline and that fuelled with various ethanol and petrol blends. The performance and exhaust emission characteristic were determined. The analysis of the results showed that the effective power of the engine decreased from 1 to 2%. at all operating modes of bioethanol blends. Comparative performance and fuel consumption increases with bio-ethanol in the mixture, that is influenced by lower calorific of biofuels. The brake specific valve fuel composition increases by 50% for the engine running on blend E85. Higher from 0,51 to 0,63 % concentration of CO in the exhaust was obtained when the engine was obtained when engine was running on E50 and E85 biofuels. The maximum CO emission 3,27% was obtained when the engine was running at 2500 min -1 speed on petrol. The unburned hydrocarbons CH emission of the engine operating on E85 fuels at all was speeds less than half was on A95 of gasoline. Carbon dioxide CO 2 the produced by engine running on E85 fuel were 6 % higher compared to baseline petrol engine Keywords: ethanol, bioethanol, biofuels, exhaust emissions 4

5 TURINYS SIMBOLIŲ, SANTRUMPŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS... 6 ĮVADAS INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ Biodegalų naudojimas ES ir Lietuvoje Alternatyvių degalų savybės Bioetanolio gamybos technologija Bioetanolio įtaka vidaus degimo variklių darbo ir deginių emisijos rodikliams Literatūros analizės išvados TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI TYRIMŲ METODIKA Eksperimentinių tyrimų objektas Degalų frakcinės sudėties tyrimo metodika Variklio bandymo metodika TYRIMŲ REZULTATAI Benzino ir bioetanolio mišinių frakcinės sudėties tyrimo rezultatų analizė Bioetanolio įtaka variklio galios ir ekonomiškumo rodikliams Bioetanolio įtaka variklio deginių emisijos rodikliams IŠVADOS LITERATŪROS SĄRAŠAS MOKSLINIO DARBO APROBACIJA PRIEDAI... Error! Bookmark not defined. 5

6 SIMBOLIŲ, SANTRUMPŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS CH 3 OH - metanolis; C 2 H 5 OH - etanolis; CH angliavandeniliai, ppm; CO - anglies monoksidas, %; CO 2 - anglies dioksidas, %; NO x - azoto oksidai, ppm; H 2 - vandenilis; OS - oktaninis skaičius; ES - Europos Sąjunga; VDV - vidaus degimo variklis; Pe - efektyvioji variklio galia, kw; M s - variklio sukimo momentas arba apkrova, Nm; n - variklio dažnio sūkis, min -1 ; B d - valandinės degalų sąnaudos, kg/h; b e - efektyviosios lyginamosios degalų sąnaudos, g/kwh; p e - vidutinis efektyvusis slėgis, MPa; T z - degimo proceso temperatūra, 0 C; V h - cilindro darbinis tūris, m 3 ; V l - variklio darbinis tūris, m 3 ; Q ž degalų žemutinis šilumingumas, MJ/kg. 6

7 ĮVADAS Šiandieniniame pasaulyje didėjantis energijos poreikis, senkantys naftos ištekliai ir brangstantys degalai priverčia ieškoti alternatyvių atsinaujinančių energijos šaltinių. Kasmet vis didėjantis žemės ūkio technikos, vilkikų, savaeigių mašinų ir benzininiais varikliais varomų lengvųjų automobilių skaičius, į atmosferą išskiria didelius kiekius žmonių ir gyvūnų sveikatai pavojingų junginių bei didina anglies dvideginio kiekį atmosferoje, kuris skatina šiltnamio efektą ir globalinį atšilimą. Dėl šiltnamio efekto kinta klimatas žemėje, formuojasi potvyniai, uraganai, liūtys, kurie sukelia katastrofiškus padarinius žmonijai. Dėl šių priežasčių vis labiau skatinama naudoti alternatyvių degalų rūšis iš atsinaujinančių energijos šaltinių bei kuriamos jų naudojimo technologijos ir gamybos įranga [1]. Perspektyviausias naftos produktų sąnaudų mažinimo būdas automobilių transporte alternatyvių degalų naudojimas vidaus degimo varikliuose. Alternatyvūs degalai tai skystieji ir dujiniai degalai, gaunami iš netradicinių išteklių, arba toks kuras, kuris, susidarius palankioms ekonominėms ir technologinėms sąlygoms, yra pritaikomas jau naudojamam variklių tipui. Vieni iš tokių tai biodegalai [2]. Biodegalų skatinimas vienas iš esminių ES politikos aspektų energetikos ir kovos su klimato kaita srityse. Su tuo susijusios priežastys įvairios ir racionalios: naudojant biodegalus didinamas ne tik transporto sektoriaus tvarumas, bet ir energijos tiekimo saugumas, parama ekonomikos augimui, kaimo vietovėse sukuriant naujų pajamų šaltinių. Pagrindinis jų gamybą skatinantis veiksnys yra kova su klimato kaita. Transporto sektorius laikomas ES veiksmų, kuriais siekiama sumažinti išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį, prioritetu, nes jis sudaro beveik 20 % išmetamų teršalų kiekio, o po energetikos sektoriaus tai antras pagal dydį sektorius, kuriame išmetama daugiausia šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Nors biodegalai nėra vienintelis galimas būdas priklausomybei nuo iškastinio kuro šiame sektoriuje pamažu mažinti, faktiškai jie yra pagrindinė priemonė siekiant pereiti nuo iškastinį kurą naudojančio transporto prie atsinaujinančiąją energiją naudojančio transporto [3]. Be to, biodegalai tai galimybė sumažinti ES energetinę priklausomybę, kuri siekia apie 50 %, ir numanoma, jog ji didės, ir skatinti Europos žemės ūkio sektoriaus vystymąsi. 7

8 1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ 1.1.Biodegalų naudojimas ES ir Lietuvoje Visoje Europoje priklausomybė nuo importuojamo iškastinio kuro, didėjančių mineralinių degalų kainų bei griežtėjančių aplinkosauginių reikalavimų, kurie sukelia šiltnamio efektą, skatina naudoti vietinius atsinaujinančius energijos išteklius kaip alternatyvas mineraliniams degalams. Kaip teigiama Europos Komisijos Baltojoje knygoje Konkurencingos efektyviu išteklių naudojimu grindžiamos transporto sistemos kūrimas, Europoje energijos išteklių trūksta. Jei nebus imtasi jokių veiksmų, naftos artimiausiais dešimtmečiais bus vis mažiau, ir ji vis dažniau bus tiekiama iš nepatikimų šaltinių. Taip pat, kuo sunkiau pasauliui seksis mažinti anglies dioksido išskyrimą, tuo labiau augs naftos kaina. Todėl pagrindinis Europos transporto politikos tikslas padėti sukurti sistemą, kuri sudarytų sąlygas skatinti Europos ekonominę pažangą ir didinti konkurencingumą, o išteklius naudoti kur kas efektyviau. Transporto sektorius turi naudoti mažiau ir švaresnės energijos, geriau išnaudoti modernią infrastruktūrą ir mažinti neigiamą poveikį aplinkai ir tokiems pagrindiniams gamtos ištekliams kaip vanduo, žemė ir ekosistemos. Europos Sąjunga išskirtinį dėmesį teikia mineralinių degalų naudojimui, keičiant juos biologinės kilmės degalais biodegalais [4] m. balandžio 23 d. Europos Parlamentas ir Taryba priėmė direktyvą 2009/28/EB dėl skatinimo naudoti atsinaujinančių išteklių energiją, iš dalies keičiančią bei vėliau panaikinančią Direktyvas 2001/77/EB ir 2003/30/EB (OL 2009 L 140, p. 16). Direktyvoje kiekvienai Europos Sąjungos valstybei narei nustatyti individualūs privalomi nacionaliniai planiniai rodikliai, kuriais apibrėžiama, kokią bendro galutinio energijos suvartojimo dalį 2020 m. turi sudaryti atsinaujinančių išteklių energija ir nustatyta, kad kiekvienos valstybės narės bent 10 proc. transporto sektoriuje suvartojamos galutinės energijos turi sudaryti atsinaujinančių išteklių energija. Pagal Direktyvą, Lietuva turi užtikrinti, kad 2020 m. atsinaujinančių išteklių energijos dalis bendrajame galutiniame energijos suvartojime sudarytų ne mažiau kaip 23 proc [3]. Atsinaujinančių išteklių energijos naudojimo ilgalaikė plėtra numatyta Nacionalinėje energetikos strategijoje, patvirtintoje Lietuvos Respublikos Seimo 2007 m. sausio 18 d. nutarimu Nr. X-1046 (Žin., 2007, Nr ). Nacionalinėje energetikos strategijoje nustatyti tokie atsinaujinančių energijos išteklių naudojimo uždaviniai iki 2025 m.: 1. Atsinaujinančių energijos išteklių dalį šalies pirminės energijos bendrajame balanse padidinti ne mažiau kaip iki 20 proc. 8

9 2. Biodegalų dalį šalies degalų, skirtų transportui, rinkoje padidinti ne mažiau kaip iki 20 proc. (iki 2020 m. ne mažiau kaip iki 15 proc.) [5]. Šiuo metu bioetanolio naudojimas Brazilijoje ir JAV jau užima nemenką rinkos dalį. Europa turi dar labai daug padaryti, kad pasiektų šių šalių lygį. Vokietijos ekspertai skelbia, kad 2020 metais kas ketvirtas litras benzino ar dyzelino bus pakeistas biodegalais. Todėl jau dabar daugelyje ES šalių daromos milijoninės investicijos spirito bei biodyzelino gamyklų statybai. Įprastos konstrukcijos varikliuose benziną visiškai pakeisti etanoliu neįmanoma reikia juos modifikuoti. Brazilijoje, kur pigus etanolis gaminamas iš cukranendrių, jau dabar beveik visi lengvieji automobiliai naudoja gryną etanolį. JAV šis biologinis kuras vis populiarėja. Automobiliams maitinti dažniausiai naudojamas 90 % benzino ir 10 % etilo spirito (bioetanolio) mišinys. Toks populiarėja ir Europoje Švedijoje, Vokietijoje. Etanolio gamybai tinkama žaliava Europoje yra cukriniai runkeliai, kviečiai, rugiai, kvietrugiai, kukurūzai ir bulvės. Vienas automobilis vidutiniškai gali nuvažiuoti 50 tūkst. kilometrų etanoliu, pagamintu iš 1 hektaro cukrinių runkelių. Iš 1 ha kviečių atitinkamai 26,5 tūkst., rugių 21 tūkst. kilometrų. Šiuo metu pasaulyje kasmet pagaminama apie 300 mln. m³ bioetanolio. Du trečdalius šio kiekio pagamina Šiaurės ir Pietų Amerikos valstybės, 1/5 tenka Azijos šalims ir 1/7 Europai. Vien Brazilijoje per metus pagaminama apie 120 mln. m³ bioetanolio, t.y. per 40 proc. visos pasaulinės gamybos. JAV kiekvienais metais pagaminama apie 80 mln. m³ bioetanolio. Abi šios šalys gamina bioetanolio 10 kartų daugiau negu visos Europos valstybės kartu paėmus. Europoje didžiausias bioetanolio gamintojas yra Ispanija, Lenkija ir Prancūzija. Čia pagrindinė bioetanolio gamybos žaliava yra grūdai (kviečiai ir miežiai). Taip pat šioje rinkoje aktyvūs Švedija, Austrija ir Vokietija [6]. Lietuvoje bioetanolio gamyba pradėta 2004 metais, pagaminti pirmieji 10 tūkst. tonų šių biodegalų. Pagrindinė įmonė Lietuvoje, kuri pradėjo gaminti bioetanolį tai nuvandeninto etilo alkoholio gamybos įmonė Šilutėje Biofuture. Šios įmonės gamybiniai pajėgumai sudarė 10 tūkst. t bioetanolio per metus, bet patenkinti praktiškus poreikius pakako7 tūkst. t. Plečiantis bioetanolio vartojimo rinkai, gamybos apimtys padidintos iki 15 tūkst. t per metus. Tačiau įvertinant, kad bioetanolis biodegalų mišinyje tam tikromis sąlygomis linkęs išsisluoksniuoti, į benziną pridedama ne gryno bioetanolio, o iš jo pagaminto bio-etbe (etil-tercijo-butil-eteris), kurio biodegaluose turi būti iki 8 %. Statistiniai duomenys rodo, kad jau 2007 m. Lietuvoje pasiektas ES direktyvoje reikalaujamas biodegalų gamybos kiekis, o 2009 m. gautas staigus biodegalų gamybos apimčių šuolis dėl naujai instaliuotų gamybos įmonių bei didėjant senųjų įmonių gamybos apimtims. 9

10 Lietuvoje bioetanolis gaminamas tik iš grūdinių kultūrų, kurių auginamų plotų ir derliaus dinamika pateikta lentelėje. 1.1 lentelė. Javų grūdų auginimo plotai ir derlius Lietuvoje [2] Žemės ūkio kultūra Pasėlių plotas tūkst.ha Derlingumas 100 kg/ha Derlius tūkst.t Javai 1151,2 1061,9 1110,1 33,8 27,0 29,8 3892,1 2867,2 3303,9 Žieminiai javai 626,8 521,1 393,6 38,9 30,6 30,3 2440,3 1592,5 1192,3 Vasariniai javai 476,4 491,1 671,1 28,7 24,5 30,3 1366,1 1204,6 2033,6 Javų auginimo plotai Lietuvoje su nežymiais pokyčiais išlieka beveik vienodi, derlius nuo 2009 m. turėjo tendenciją didėti m. javų derlingumas siekė apie 3,38 t/ha metais javų derlius siekė 3303,9 tūkst. t, todėl grūdų, išauginamų mūsų šalyje, potencialas yra pakankamas plėsti bioetanolio gamybą degalams Alternatyvių degalų savybės Vidaus degimo variklius galima maitinti alternatyviais degalais, kurie yra gaunami ne iš tradicinių išteklių. Nagrinėjant mokslinius darbus, alternatyviųjų degalų fizinės ir cheminės savybės gali būti skirstomos į šias grupes: 1. Naftiniai degalai su nenaftinės kilmės priedais. Nenaftinės kilmės priedai tai deguonies turintys junginiai: spiritai ir esteriai, vandens bei degalų emulsijos. Pagal eksploatacines savybes šie degalai yra artimi iš naftos distiliuotiems degalams. 2. Sintetiniai (dirbtiniai) skystieji degalai savo savybėmis artimi tradiciniams naftos degalams. Jie gaunami perdirbant skystąją, dujinę arba kietąją žaliavą. Sintetiniams degalams galima priskirsti benzininius, reaktyvinius, dyzelinius ir dujų degalus, gaunamus iš sunkiųjų naftos produktų, gamtinių bitumų, anglių, degiųjų klinčių, metanolio, taip pat degalus, gaunamus tiesiogine CO ir H 2 sinteze. 3. Nenaftiniai degalai, kurie fizinėmis ir cheminėmis, eksploatacinėmis savybėmis, ir agregatine būsena visiškai skiriasi nuo tradicinių degalų. Nenaftinių degalų grupei priskiriami spiritai, kai naudojami gryni (metanolis, etanolis), ir jų mišiniai su aukštesniaisiais spiritais (eteriais), taip pat dujiniai degalai gamtinės suslėgtosios arba skystosios dujos, skystosios naftos dujos (propanas, butanas), amoniakas, vandenilis, generatorinės ir dirbtinės dujos. 10

11 Daugelis alternatyviųjų degalų savo fizinėmis, cheminėmis ir eksploatacinėmis savybėmis skiriasi nuo tradicinių benzininių ir dyzelinių degalų, todėl norint juos praktiškai pritaikyti reikia keisti variklių technines charakteristikas ir pačios priemonės eksploatavimą [7-8]. Taip pat norint naudoti alternatyviuosiuos degalus, būtina atsižvelgti, kad alternatyvieji degalai pasižymėtų tokiomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis, kurios nesukeltų transporto priemonių techninių parametrų pablogėjimo. Alternatyviųjų degalų gaminimo technologija, sandėliavimas, pervežimas ir panaudojimas turėtų būti kuo mažiau kenksmingas aplinkai. Etanolio naudojimas yra vienas iš pagrindinių alternatyviųjų degalų pasaulyje. Šį spiritą galima panaudoti kaip pagrindinį variklinių degalų komponentą arba jį įmaišius į standartinius mineralinius ir organinės kilmės biodegalus. Bioetanolio naudojimas vidaus degimo varikiuose gali būti ypač perspektyvus neturinčiose didelių akmens anglies ir naftos atsargų valstybėse, kuriose yra dideli greitai augančio miško plotai, išvystyta medžio perdirbimo pramonė ir pakankami nemaistinės paskirties augalų resursai [1]. Etilo spiritas (bioetanolis) alkoholių klasės junginys (C 2 H 5 OH), kurio molekulę sudaro 1 deguonies, 2 anglies ir 6 vandenilio atomai. 1.2 lentelė. Etanolio (bioetanolio) savybės [9] Virimo temperatūra 351,5 K (78,4 0 C) Lydymosi temperatūra 158,8 K (-114,3 0 C) ph 7.0 Tirpumas Tirpsta vandenyje ir nepolinėse medžiagose (pvz: benzine) Molekulinė masė 49,069 g/mol Pagrindinės cheminės etanolio (bioetanolio) savybės priklauso nuo alkoholių funkcinės grupės hidroksido. Etanolis chemiškai pakankamai aktyvi medžiaga. Šis alkoholių klasės junginys tai skaidrus bespalvis skystis, kurio virimo temperatūra, esant atmosferiniam slėgiui, yra 78 o C, tankis, esant 15 o C, kg/m3, pliūpsnio temperatūra 13 o C ir savaiminio užsiliepsnojimo temperatūra 404 o C. Dėl mažo teršalų kiekio (sieros mažiau negu 0,005%), etanolis ir jo mišiniai su benzinu yra puikūs degalai transportui mieste ir tankiai apgyvendintose vietovėse. Benzino papildymas etanoliu padidina jo oktaninį skaičių (etanolio oktaninis skaičius 113), sumažina variklio kenksmingų deginių emisiją ir prailgina variklio amžių. Pagrindinės cheminės etanolio savybės: 1. Tai neutrali medžiaga, nereaguoja nei su vandeniniais šarmų tirpalais, nei su praskiestomis rūgštimis. 11

12 2. Etanolis (bioetanolis) reaguoja su aktyviais metalais. Susidaro metalo etilatas ir išsiskiria vandenilis. 3. Etanolis (bioetanolis) reaguoja su organinėmis rūgštimis, sudarydamas esterius. 4. Esant tam tikrom sąlygom vyksta dehidratacija. 5. Susidarant aldehidui, etanolis gana lengvai oksiduojasi. Vertinant ekonominiu aspektu, variklius maitinti etilo spiritu tikslinga tuomet, kai pastarajam degant išsiskiria daugiau energijos negu jos suvartojama energetinėms kultūros auginti, nuimti, perdirbti ir spiritui gaminti [8-9, 20]. 1.3 lentelė. Metilo ir etilo spiritų ir benzino degalų savybės [1-9] Cheminės ir fizinės savybės Benzinas Metanolis Etanolis Cheminė formulė C 6 H 6 CH3OH C2H5OH Molekulinė masė J ,04 46,07 Elementinė sudėtis, masės %: anglis ,5 52,2 vandenilis ,1 deguonis ~ 0,025 49,9 34,7 Tankis (esant 20 C) p, kg/m Virimo temperatūra, t s, C Užšalimo taškas, C ,5-114 Kinematinė klampa (esant 40 C) v, mm 2 /s 0,6 0,6 1,1 Sočiųjų garų slėgis (esant 38 C)p s, kpa ,0 17,0 Specifinė šiluma, (esant 101,3 kpa) kj/kg Stechiometrinis oro ir degalų santykis l o, kg oro/kg degalų 14,9 6,45 9,074 Cetaninis skaičius Oktaninis skaičius: tiriamuoju metodu varikliniu metodu 8 2, Degalų šilumingumas Q ž, MJ/kg 44 20,1 27 Mišinio užsiliepsnojimo ribos, tūrio % 1,4...7,6 7, , Stabilaus variklio darbo ribos pagal oro pertekliaus 0,7...1,1 0,7...1,4 0,7...1,25 koeficientą a Apatinis stechiometrinio degiojo mišinio šiluminingumas 2,77 2,70 2,68 Ha(1+lo), MJ/kg Stechiometrinio mišinio triatomių dujų kiekis teoriniuose ,5 deginiuose, % Lyginamosios tūrinės degalų sąnaudos 1,08 2,28 1,69 Tirpumas vandenyje, esant 70 F (21,1 C) degalai vandenyje, tūrio %; nežymus vanduo degaluose, tūrio %. nežymus Užsiliepsnojimo temperatūra, K Pliūpsnio temperatūra, K Degimo temperatūra, K Maišymasis su angliavandeniliniais degalais - nežymus nežymus 12

13 Analizuojant etanolio savybes matyti, kad slaptoji išgarinimo šiluma yra didelė (841 kj/kg), tai apsunkina variklio paleidimą, esant žemai oro temperatūrai, ir jo darbą nedidele apkrova bei mažu sukimosi dažniu. Be to, etanolio žemutinis šilumingumas 27 MJ/kg palyginti su benzinu 44 MJ/k yra gerokai mažesnis ir tam pačiam atstumai nuvažiuoti automobilis sunaudoja iki 1,5 karto daugiau biodegalų. 1.4 lentelė. Bioetanolio privalumai ir trūkumai [10] Privalumai Trūkumai Mažesnė anglies dvideginio CO 2 emisija, negu įprastų naftinių degalų Blogesnės tepimo savybės gali sukelti variklio detalių koroziją. Aukštesnis oktaninis skaičius, leidžiantis Bioetanolio fizikinėms savybėms turi įtakos varikliui efektyviau veikti vandens patekimas į degalus Mažesnės kietųjų dalelių emisijos Degant bioetanoliui susiformuoja daugiau acetaldehidų Nėra sieros priemaišų Šalto variklio paleidimo problemos Biologiškas Mažiau toksiškas negu metanolis arba biometanolis Išanalizavus pagrindines fizines ir chemines etanolio (bioetanolio) savybes galima daryti išvadą, kad šio spirito rūšies šilumingumas yra beveik dvigubai mažesnis, o žemutinis degiojo mišinio šilumingumas yra beveik toks pat, kaip ir benzino Bioetanolio gamybos technologija Etilo alkoholio gamybos būdai. Labiausiai paplitęs etilo alkoholio gavimo būdas yra cukrinių medžiagų rauginimas ir distiliavimas. Šį procesą sukelia mielių grybeliai. Vykstant rūgimui, gliukozė C 6 H 12 O 6 po daugelio tarpinių produktų virsta etilo alkoholiu ir anglies dioksidu: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 (1) Rūgimo procesui tinkamiausia temperatūra yra C. Tiesioginė rūgimo priežastis yra ne mielės (vienaląsčiai organizmai - grybeliai), o jų gaminama ypatinga medžiaga - zimazė. Zimazė priklauso grupei medžiagų, vadinamų fermentais. Etilo alkoholio gamybai rauginimo 13

14 metodu naudojami grūdai, bulvės, cukriniai runkeliai. Grūduose ir bulvėse esantis krakmolas iš pradžių paverčiamas cukrinėmis medžiagomis, o po to rauginamas. Grūdų Raugo Krakmolo Cukrinės malūnas paruošimas išskyrimas medžiagos Žliaugtų Žliaugtų Distiliacija/ Fermentacija garinimas išskyrimas Reaktifikacija Žliaugtų džiovinimas DDS Dehidratacija Bioetanolis 1.1 pav. Tradicinė bioetanolio gamybos technologija [11] Galutinis etilo alkoholio gamyklų produktas yra azeotropinis etilo alkoholio ir vandens mišinys (88 mol % arba 95 masės % etilo alkoholio). Tai yra grynumo riba, kuri pasiekiama naudojant paprastą distiliavimą 0,1 MPa slėgyje. Aukštesnė etilo alkoholio koncentracija (dehidratuotas etilo alkoholis) gali būti pasiekta panaudojus įvairius dehidratacijos būdus: tirpiklius, kurie pakeičia mišinio azeotropinio taško lygį, membranas, kurios gerai praleidžia vandenį, bet nepraleidžia kitų mišinyje esančių medžiagų, zeolito molekuliarinius sietus ir kt. Sumaišius dehidratuotą etilo alkoholį su atitinkamomis medžiagomis (denatūratais) pvz., benzinu gaunamas denatūruotas bioetanolis, kuris negali būti panaudojamas maistui [11]. Bioetanolio gamybos efektyvumas priklauso nuo naudojamos žaliavos rūšies. 1.5 lentelė. Bioetanolio gamybos iš skirtingų žaliavų efektyvumas [6] Derlingumas Cukraus ir Bioetanolio Pagaminamos Žaliavos rūšis krakmolo kiekis išeiga energijos kiekis t/ha (%) dm 3 /t t/ha (GJ/ha) Rugių grūdai 2, ,9 26 Kviečių grūdai 6, ,

15 1.5 lentelės tęsinys Kukurūzų grūdai 8, ,5 72 (12% drėgmės) Kukurūzų grūdai 11, ,5 72 (30-35% drėgmės) Cukriniai runkeliai 50, ,3 96 Kaip matyti iš pateiktos lentelės, efektyviausias cukrinių runkelių perdirbimas į bioetanolį, nes iš jų pagaminimas energijos kiekis siekia 96 GJ/ha. Šiek tiek mažesnio efektyvumo yra kukurūzų panaudojimas, o mažiausia energijos išgaunama bioetanolio gamybai naudojant rugius, kurių energijos kiekis lygus 26 GJ/ha. Taip pat, bioetanolis gali būti gaminamas iš medienos ir kitų energetiniams tikslams auginamų augalų. Šiuose augaluose be angliavandenilių yra didelis kiekis ląstelienos, lignino ir dervų. Bioetanolio gamybai sunaudojamos tokios biomasėje esančios žaliavos, kaip krakmolas, cukringosios medžiagos, celiuliozė ir hemiceliuliozė. Bioetanolio gamyba iš celiuliozės ir hemiceliuliozės yra mažesnio efektyvumo dėl didesnių energijos poreikių (aukštesnė hidrolizės temperatūra ir slėgis) ir didesnio katalizatoriaus kiekio. Gaunama ir mažesnė etanolio išeiga Bioetanolio įtaka vidaus degimo variklių darbo ir deginių emisijos rodikliams Spirito ir benzino mišiniais veikiantys Oto varikliai išmeta į aplinką mažesnį toksinių komponentų kiekį negu tradiciniai benzininiai varikliai, ir jų deginiai turi mažesnę įtaką saulės spindulių poveikyje ozonui susiformuoti. Dėl aplinkai palankesnės emisijos ir geresnių ekologinių savybių, bioetanoliu maitinami varikliai sudaro mažesnį smogą. Be to, bioetanolis gaminamas iš atsinaujinančios biomases, todėl jo naudojimas vidaus degimo varikliuose mažina CO 2 emisiją globaliniu mastu ir slopina klimato pokyčius žemėje. Bioetanoliu maitinami varikliai veikiant nedidele apkrova, sumažina bendrojo azoto oksidų NO x emisiją ir suodžių kiekį deginiuose. Spirito priedai gerina benzino ir oro mišinio degimą variklio cilindre, ir tokiu būdu mažina kenksmingų deginių emisiją bei aplinkos oro taršą. Tyrimų rezultai rodo, kad panaudojus ekologišką benziną ir spiritinius degalų priedus, pavyksta išsaugoti reikiamas automobilio dinamines charakteristikas, pagerinti degalų ekonomiškumą ir sumažinti toksinių komponentų kiekį deginiuose [1]. 15

16 1.6 lentelė. Maksimalūs tūriniai (tūrio %) degalų priedų kiekiai benzine [1] Degalų priedai Maksimalus tūrinis kiekis (tūrio %) Metilo spiritas 3 Etilo spiritais 5 Izopropanolis 5-10 Butanolis 7 Izobutanolis 7-10 Eteriniai priedai Iš lentelės duomenų analizės, matome, jog norint gauti ekologiškesnį benziną, reikėtų į jo sudėtį įmaišyti nuo 3 iki 5 % tūrio etilo arba metilo spirito, nuo 5 iki 10 % tūrio izopropanolio, butanolio arba izobutanolio, nuo 10 iki 12 % tūrio eterinių arba kitokių spiritinių priedų. Spiritiniai degalų priedai praturtina degųjį mišinį deguonimi, gerina visišką degalų sudegimą ir mažina kenksmingų deginių emisiją. Tyrimų rezultatai rodo, jog naudojant bioetanolį sumažėja anglies dvideginio CO 2 kiekis, o dėl žemesnės degimo temperatūros CH emisijos padidėjo, o NOx sumažėjo. CH emisijos padidėja, kai oro ir degalų mišinys yra liesesnis. CO emisijos taip pat priklausomos nuo temperatūros ir oro pertekliaus koeficiento. Liesėjant mišiniui, CO emisija didėja. Tai paaiškinama tuo, kad degimo temperatūros yra žemesnės, o degimo fazės vėlesnės. Degimo pabaigoje temperatūros yra per žemos, kad CO degimas įvyktų iki galo [12]. 1.2 pav. Etanolio įtaka CO ir CO 2 emisijai[13] Nagrinėjant atliktus A. Pikūno, S. Pukalskio ir J. Grabio laboratorinių tyrimų rezultatus, buvo nustatyta, jog naudojant benzino ir bioetanolio mišinius, CO emsiją galima sumažinti nuo 16

17 10 iki 30 %, o, tuo tarpu, CO 2 emisija padidėjo nuo 5 iki 10 %, priklausomai nuo variklio būsenos (1.2 pav.). Variklio galia ir degalų sunaudojimas padidėjo nuo 5 % ir 2-3 %, atitinkamai visuose darbo rėžimuose. 1.3 pav. Variklio, dirbančio maksimalia apkrova, efektyviųjų degalų sąnaudų priklausomybė nuo alkūninio veleno sukimosi dažnio [14] M. Mažeikos ir J. Matijošiaus [14] atlikti moksliniai tyrimai parodė, kad esant 10-20% etanolio kiekiui benzine, variklio paleidimo sąlygos nesikeičia, o lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos palyginti su A92 benzinu, esant maksimalios apkrovos režimui, padidėja iki 3% (1.3 pav). 1.4 pav. CO ir CO 2 priklausomybė nuo apkrovos esant pastoviems(1800 min -1 ) alkūninio veleno sūkiams [14] 17

18 Analizuojant deginių CO ir CO2 emisijas, M. Mažeika ir J. Matijošius, nustatė, kad anglies viendeginio kitimas nuo apkrovos mažėja, didėjant etanolio kiekiui degaluose. O mažiausias anglies dvideginio kiekis deginiuose gautas variklį maitinant grynu benzinu. Tai jie siejo su mažesnėmis benzino sąnaudomis (1.4 pav). Apibendrinus variklio darbo ir deginių emisijos tyrimų rezultatus, jie rekomenduoja naudoti benzino ir etanolio mišinį E10, o norint naudoti didesnės koncentracijos etanolio ir benzino mišinį E20, reikia atitinkamai sureguliuoti variklio maitinimo sistemą. 1.5 pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka CO 2 emisijai [15] Latvijos žemės ūkio universitete buvo atlikti automobilio emisijos tyrimai, naudojant benziną su 10 %, 20 %, 30 %, 40 % 50 % ir 85 % bioetanolio priedu. V. Pirs, analizuodamas tyrimų rezultatus, daro išvadą, kad padidinus bioetanolio kiekį degaluose mažėja CO kiekis, CH emisija nesikeičia [15]. Reikšmingai padidėjo NO x emisija, tai galima paaiškinti tuo, kad NO x formuojasi esant liesesniam oro-degalų mišiniui ir aukštesnei degimo temperatūrai, kas būdinga nepritaikytam varikliui veikiant benzino ir bioetanolio mišiniais. Jis taip pat pastebi nedidelę CO 2 kiekio išmetamosiose dujose mažėjimo tendenciją. 18

19 1.6 pav. Variklio sūkių dažnio įtaka CO ir HC emisijai, varikliui veikiant benzinu ir E10, E50 ir E85 mišiniais [16] A. Sarkar ir A. Kumar Chowdhuri atlikti eksperimentiniai tyrimai, rodo, kad, esant mažai variklio galiai, naudojant E10 CO sumažėjo 15% lyginant su CO emisija varikliui veikiant E0 degalais (1.6 pav). Padidinus variklio galią bei sūkių dažnį, CO emisijos skirtumas padidėjo iki 30%. HC emsijos kitimas, buvo matomas 1500, 5000 min -1 sūkių dažnių intervale. Kaip matyti iš pateikto 1.6 pav, CH emisija mažėja, didėjant variklio sūkių dažniui. Maksimalus CO ir CH sumažėjimas naudojant bioetanolį buvo 80 ir 90 %. 1.7 pav. Degalų sudėties įtaka efektyviajai galiai ir lyginamosioms degalų sąnaudoms[17] Analizuojant M. Bahattin Celik atliktus mokslinius tyrimus (1.7 pav.), matome, kad kai variklis veikia E25, E50 degalais, efektyvioji galia padidėja atitinkamai 3% ir 6%, lyginant su E0 degalais [17]. Tačiau padidinus etanolio kiekį mišinyje, efektyvioji galia mažėja. Varikliui veikiant grynu etanoliu (E100), galia sumažėja 4%. Šam mažėjimui turi įtakos didesnės degalų 19

20 sąnaudos. Šiluminė etanolio vertė yra mažesnė nei benzino, todėl lyginamosios degalų sąnaudos didėja, didėjant etanolio kiekiui mišinyje. Lyginamosios degalų sąnaudos padidėjo 10%, 19%, 37% ir 56%, kai variklis veikė E25, E50, E75 ir E100 degalais, atitinkamai. 1.8 pav. Degalų sudėties įtaka deginių emisijoms [17] Taip pat M. Bahattin Celik, teigia, kad etanolyje esantis deguonis pagerina mišinio degimą, todėl CO emisija sumažėja. Kaip matyti 1.8 pav., emisijos reikšmės yra apie 3,76%; 2,65%; 2,06%; 1,24% ir 0,73% (E0, E25, E50, E75 ir E100) atitinkamai. Pastebimas CO 2 emisijos mažėjimas. Kai variklis veikia E0 degalais, CO 2 emisija lygi 13,25 %, o varikliui veikiant E75 mišiniu, ji lygi 10,25%. Nesudegusių angliavandenilių CH emisija mažėja iki 245 ppm, kai variklis veikia E50 degalais. Padidėjimas matomas, kai variklis veikia E75 ir E100 degalais. Nesudegusių angliavandenilių emisija padidėja nuo 340 iki 483 ppm. NO x emisija mažėja, didėjant bioetanolio kiekiui mišinyje. Kaip matyti 1.8 paveiksle, varikliui veikiant E25 mišiniu - NO x emisija lygi 1711ppm, o naudojant E ppm. Šiam mažėjimui turi įtakos didesnė etanolio garavimo šiluma, lyginant su benzinu. 1.9 pav. Degalų sudėties įtaka CO ir CO 2 emisijai [18] 20

21 Mokslininkų Fikret Yüksel, Bedri Yüksel vidaus degimo variklių tyrimai rodo, kad naudojant benzino ir bioetanolio mišinius, sukimo momentas padidėja, CO ir CH emisija smarkiai sumažėja, o CO 2 emisija padidėja (1.9 pav) [18]. Šio tyrimo metu buvo nustatyta, kad naudojant bioetanolio ir benzino mišinius, išmetamuose deginiuose CO ir CH sumažėjo maždaug 80 % ir 50%, atitinkamai, o CO 2 emisija padidėja 20%, priklausomai nuo variklio darbo sąlygų pav. Vidutinio efektyviojo slėgio kitimas nuo variklio sukimosi dažnio ir apkrovos [18] Fikret Yüksel, Bedri Yüksel taip pat nustatė vidutinio efektyviojo slėgio kitimą nuo variklio sukimosi greičio ir apkrovos. Kai droselinė sklendė atidaryta daugiau, variklis išvysto didesnę galią ir atitinkamai sunaudoja daugiau degalų [18]. Benzinu veikiančio variklio vidutinis efektyvusis slėgis buvo 1,6 karto didesnis, nei veikiančio etanoliu pav. Lyginamųjų efektyviųjų degalų sąnaudų kitimas nuo apkrovos [19] 21

22 Analizuojant F. Tabassum Ansari, A. Prakash Verma gautus lyginamųjų efektyviųjų degalų sąnaudų kitimo grafikus (1.11 pav.), matome, jog etanolio priedas padidina degalų sąnaudas, palyginti su benzinu [19]. Šiam didėjimui turi įtakos mažesnis etanolio šilumingumas. Taip pat matyti, kad visais atvejais lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos mažėja, didėjant apkrovoms. laipsniui [21] 1.12 pav. Lyginamųjų efektyviųjų degalų sąnaudų kitimas esant skirtingam suspaudimo Vertinant Mustafos Koç ir kt. [21] tyrimų rezultatus, taip pat galima daryti išvadą, kad etanolio kiekis padidina efektyviąsias lyginamąsias degalų sąnaudas pav. rodo, efektyviųjų degalų sąnaudų kitimą, kai variklis veikia E0, E50 ir E85 degalais ir suspaudimo laipsnis 10:1 ir 11:01. Etanolio priedas padidina sąnaudas 20,3% ir 45,6%, kai naudojama E50 ir E85 mišiniui, esant suspaudimo laipsniui 10:1. Padidinus suspaudimo laipsnį iki 11:1, efektyviosios lyginamosios degalų sąnaudos padidėjo 16,1% ir 36,4%, atitinkamai, lyginant su E pav. Bioetanolio įtaka deginių emisijoms [22] 22

23 Pateiktame 1.3 pav, matome, jog etanolio padidėjimas mišinyje mažina CO emisijos kiekį [22]. Tyrimai buvo atlikti, varikliui veikiant E5, E10, E15 ir E20 degalais. Kai variklio sūkių dažnis buvo lygus 3000 min -1, CO emisija, naudojant benziną buvo lygi 4,69 %. Tuo tarpu varikliui veikiant tuo pačiu sūkių dažniu E5, E10, E15 ir E20 degalais, CO emisija buvo lygi 4.05, 3.55, 3.38 ir 2.56 %, atitinkamai. Taigi, CO emisija sumažėjo 13,7%, 24,31%, 27,93% ir 45,42%, atitinkamai, lyginant su benzinu. Viena iš CO mažėjimo priežasčių mažesnis anglies kiekis etanolyje, lyginant su benzinu. Nesudegusių angliavandenilių CH emisija, varikliui veikiant E5, E10, E15 ir E20 mažu sūkių dažniu, buvo lygi 152, 139, 137 ir 125 ppm, atitinkamai. Padidinus sūkių dažnį, CH emisija sumažėjo 16,94%, 24,04%, 25,14% ir 31,69%, atitinkamai, lyginant su benzinu. Šis rezultatas rodo, kad etanolis gali žymiai sumažinti CH išmetimą. CH emisijos mažėją lemia santykinis oro ir degalų santykio padidėjimas Literatūros analizės išvados Šiandieninėje visuomenėje kasmet biodegalų poreikis didėja. Dažniausi bioetanolis 5 % santykiu maišomas su benzinu ir gali būti vartojamas įprastiniuose nemodifikuotuose varikliuose. Tačiau vykdant Europos Sąjungos veiksmų planą dėl alternatyvių degalų skatinimo, bioetanolio gali būti padidinta iki 85 % ar net iki 100 % viso degalų kiekio. Biodegalų pagrindinius komponentus sudaro alkoholiai, eteriai ir augalinių aliejų esteriai, tačiau kartais vartojami ir neesterinti augaliniai aliejai. Pirmos kartos bioetanolis gaminamas iš grūdų, cukrinių runkelių, bulvių hidrolizės ir fermentacijos gamybos būdu. Antros kartos bioetanolio žaliava lignoceliuliozė, kurios gamyba pasižymi pažangesne hidrolizės ir fermentacijos technologija. Norint plačiau naudoti bioetanolį, kurio fizikinės ir cheminės savybės skiriasi nuo įprastų mineralinių degalų, reikia išsiaiškinti jo įtaką vidaus degimo variklio galios, ekonomiškumo ir ekologiniams rodikliams. Pasaulyje atliktų mokslinių tyrimų rezultatai rodo, kad bioetanolio naudojimas vidaus degimo varikliuose priklauso nuo variklio tipo ir darbo sąlygų. Šie rezultatai nėra vienareikšmiški, kai kuriais atvejais bioetanoliu veikiančio variklio darbo ir deginių emisijos rodikliai gaunami geresni, o kitais atvejais blogesni. 23

24 2. TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI Tyrimų tikslas ištirti benzino ir bioetanolio mišiniais veikiančio variklio darbo ir deginių emisijos rodiklius. Tyrimų uždaviniai: 1. Nustatyti bioetanolio kiekio benzine įtaką variklio galios ir sukimo momento pokyčiams; 2. Nustatyti bioetanolio kiekio benzine įtaką degalų sąnaudų pokyčiams; 3. Nustatyti bioetanolio kiekio benzine įtaką deginių emisijos pokyčiams. 24

25 3. TYRIMŲ METODIKA 3.1. Eksperimentinių tyrimų objektas Benzino ir bioetanolio mišiniais veikiančio variklio tyrimai atlikti Aleksandro Stulginskio universitete, Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos instituto variklių bandymo laboratorijoje su standartiniu VW 1,8 l darbo tūrio 4 cilindrų benzininiu varikliu sujungtu su hidrauliniu apkrovos stendu D-4, kuriuo buvo keičiama variklio apkrova ir matuojamas sukimo momentas. Matavimai buvo atliekami esant 10 %, 25 %, 50 % atidarytai droselinei sklendei ir 1500, 2500 min -1 sūkių dažniams. Išbandant variklį, buvo matuojami ir registruojami šie parametrai: variklio alkūninio veleno sukimosi dažnis n, efektyvusis sukimo momentas M e, oro sąnaudos G o, degalų sąnaudos B d. Anglies viendeginio CO, anglies dvideginio CO 2 ir nesudegusių angliavandenilių CH koncentracijos deginiuose matuotos Technotest MOD488 deginių analizatoriumi [23]. Bandymai atlikti varikliui veikiant benzinu A95 ir jo mišiniais su bioetanoliu: E10 (10 % bioetanolio), E20 (20 % bioetanolio), E30 (30 % bioetanolio), E50 (50 % bioetanolio), E85 (85% bioetanolio) Degalų frakcinės sudėties tyrimo metodika Benzino A95 ir bioetanolio mišinio frakcinė sudėtis nustatoma distiliuojant 100 cm 3 degalų pagal standarte ISO 3405 nurodytas sąlygas. Distiliuojant registruojama temperatūra ( 0 C) ir joje išgaravęs degalų tūris (%). 3.1 pav. Prietaisas degalų frakcinei sudėčiai nustatyti: 1 reguliuojamas šildytuvas; 2 kolba; 3 termometras; 4 šaldytuvas; 5 surinkimo indas [24] Tiriamojo bandymu metu, į kolbą buvo įpilta 100 cm 3 aplinkos temperatūros gryno benzino ir benzino su bioetanolio mišiniu, ir įstatytas termometras taip, kad jo apatinis galas būtų 25

26 ties garų ištekėjimo anga. Pastatomas indas distiliatui surinkti ir įjungiamas šildytuvas. Pirmo lašo nukritimo temperatūra yra laikoma distiliavimo pradžia, toliau distiliavimas vyko 4 5 cm 3 /min greičiu [24] Variklio bandymo metodika Tiriant variklio darbo rodiklius, naudojant bioetanolį, A95 benziną ir jų mišinius buvo naudojama standartinė degalų tiekimo sistema be jokių pakeitimų. Variklio sukimo momento matavimas. Kai variklis suka stabdymo stendo D 4 rotorių tarp rotoriaus ir statoriaus atsiranda hidro energija, ši energija suka stendo guoliuose statorių. Statoriaus pasukimo dydis tiesiogiai proporcingas variklio išvystomam sukimo momentui. Tada stendo petyje atsiranda jėga F, kuri per svarstyklių suka skalės rodyklę. Sukimo momento vienos skalės padalos vertė lygi 1 kgm, norint gauti Nm reikia gauta reikšmę padauginti iš 9,81. Alkūninio veleno sukimosi dažnis išmatuotas universaliu ferodinaminiu stendiniu tachometru TSFU ir jo matuokliu ITE 1, sujungtu su tachometriniu davikliu DTE 2. Šis aviacinis prietaisas veleno sukimosi dažnį matuoja ± 0,2 % tikslumu. Degalų sąnaudos nustatytos pasvėrus sunaudotus degalus elektroninėmis svarstyklėmis SK 1000, 0,5 g tikslumu. Į variklį patenkantis oro kiekis išmatuotas dujų skaitikliu RG ,5. Barometrinis aplinkos slėgis išmatuotas prietaisu MD 49 2 ir jo temperatūra laboratoriniu termometru, 0,1 C tikslumu. Anglies viendeginio CO ir anglies dvideginio CO 2, angliavandenilių CH procentiniai tūriniai kiekiai deginiuose išmatuoti (tikslumas ± 0,0001%) italų firmos Technotest MOD488 modelio automobiliniu deginių analizatoriumi. Variklio sukimo momentas lygus [23]: M e 7, 026 F, Nm, (2) čia F sukimo momentui proporcinga jėga, kgm. Variklio greitinio rėžimo matavimas. Variklio sūkio dažniui matuoti naudojamas universalus stendinis ferodinaminis tachometras TSFU 1 ir jo rodiklis JTE 1, sujungtas tachometriniu davikliu DTE 2. Šiuo prietaisu galima išmatuoti sūkius 0,2 % tikslumu. 26

27 Degalų sąnaudų matavimas. Vidutinės degalų sąnaudos buvo matuojamos matuojant laiką, per kurį variklis sunaudoja 100g degalų. Sunaudotas degalų kiekis matuojamas elektroninėmis svarstyklėmis. Degalų sąnaudos apskaičiuojamos pagal formules: Sekundinės degalų sąnaudos: g b bd, g/s, (3) tb Valandinės degalų sąnaudos: B d, 6 g b 3, kg/h, (4) t b čia g b degalų sąnaudos g; t b laikas, per kurį sunaudotas pasirinktas degalų kiekis, s. Oro sunaudojimo matavimas. Į variklį tiekiamo oro kiekis G 0 (kg/h) matuojamas rotaciniu dujų skaitikliu RG 400, jo skalė sugraduota tūrio vienetais (m 3 ). Bandymų metu matuojamas laikas t 0 (s), per kurį sunaudojamas 1 m 3 oro. Tada per sekundę oro sunaudojama: 60 V, 0 m3 /s, (5) t oro čia t oro laikas, per kurį sunaudojamas 1 m 3 oro, (s). Variklio efektyviosios galios, vidutinio efektyviojo slėgio ir kitų dydžių skaičiavimas. Variklio efektyvioji galia apskaičiuojama: P e n M e, kw, (6) 30 čia M e variklio efektyvusis sukimo momentas, Nm; n variklio alkūninio veleno sukimosi greitis, min -1. Variklio vidutinis efektyvusis slėgis apskaičiuojamas: 27

28 p e pe 30, MPa, (7) i V n h čia P e variklio efektyvioji galia, kw; τ variklio taktų skaičius; i variklio cilindrų skaičius, vnt; V h cilindro darbinis tūris, l. Lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos: b e B d 3 10 Pe, g/(kw h), (8) Faktinis variklio oro sunaudojimas: 3600 G0 V0 0, kg/h, (9) t oro Teorinis variklio oro sunaudojimą apskaičiuojamas: n 60 G t V1 0, kg/h, (10) Oro pertekliaus koeficientas: G. (11) 14,35 0 B d 28

29 Temperatura, 0 C 4. TYRIMŲ REZULTATAI 4.1. Benzino ir bioetanolio mišinių frakcinės sudėties tyrimo rezultatų analizė Greta oktaninio skaičiaus, frakcinė sudėtis yra viena iš svarbiausių charakteristikų apibudinančių Oto variklių naudojamus degalus E Benzinas E 70 E 100 E10 E20 E30 E50 E Distiliato tūris % 4.1 pav. Bioetanolio įtaka degalų frakcinei sudėčiai Greitai garuojančios frakcijos pablogina šalto variklio paleidimą, variklio pašildymo fazės metu pagerina jo dinamiką ir mažina deginių mesiją. Tačiau jei lengvų frakcijų benzine yra per daug, vasarą degalų tiekimo sistemoje gali susidaryti garų kamščiai, taip pat gali padidėti nuostoliai ir tarša dėl degalų išgaravimo. Žiemą, esant dideliam šalčiui, dėl intensyvaus garavimo gali apledėti droselinė sklendė. Jei degaluose yra per daug sunkiai garuojančių frakcijų, jos gali kondensuotis ant cilindrų sienelių, atskiesti alyvos plėvelę, o per ją patekti į karterį, atskiesdamos variklio alyvą. Tai ypač būdinga esant šaltam varikliui. Kai yra per mažai komponentų vidurinėje 29

30 Pe, kw Pe, kw garavimo kreivės dalyje, gali pablogėti variklio dinaminiai (įsibėgėjimo) rodikliai ar net pasireikšti trūkčiojimai greitėjimo metu. Paleidžiant karštą varikį, reikalavimai degalams yra priešingi. Sustabdžius karštą variklį, degalų tiekimo sistemos elementai gali tiek įkaisti, kad išgaravus per daug degalų, degalų siurblyje ar degalų tiekimo vamzdeliuose gali susidaryti garų kamščiai, o tai apsunkina variklio paleidimą. Pateiktame 4.1 paveiksle, matyti, kad visi benzino ir bioetanolio mišiniai, išskyrus E85, tenkina standarto LST EN 228:2008 [25] reikalavimą, kad iki 70 C temperatūros būtų išgaravę % degalų. Reikalavimą, kad iki 100 C temperatūros išgaruotų nuo 46 iki 71 % degalų, atitinka tik benzinas ir E10 degalai. Degalų, kuriuose bioetanolio kiekis buvo didesnis, E100 frakcija buvo žymiai didesnė. Reikalavimą, kad iki 150 C temperatūros būtų išgaravę ne mažiau kaip 75 % degalų, atitinka visi mišiniai Bioetanolio įtaka variklio galios ir ekonomiškumo rodikliams Šiame skyriuje pateikiamas benzininio variklio darbo rodiklių palyginimas, jam veikiant A95 benzinu ir jo mišiniais su bioetanoliu E10, E20, E30, E50, E85. Bandymai buvo atliekami esant 10 %, 25 %, 50 % atidarytai droselinei sklendei ir esant 1500, 2500 min -1 variklio alkūninio veleno sūkių dažniams % atidaryta droselinė sklendė 25% atidaryta droselinė sklendė 50% atidaryta droselinė sklendė % atidaryta droselinė sklendė 25% atidaryta droselinė sklendė 50% atidaryta droselinė sklendė 4.2 pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka variklio efektyviajai galiai 30

31 Bd, kg/h Iš 4.2 pateiktų grafikų matyti, kad varikliui veikiant 1500 min -1 sūkiu dažniu 25 % atidaryta droseline sklende benzinu, efektyvioji galia P e buvo lygi 20,96 kw. Varikliui veikiant 10 %, 20 % ir 30% bioetanoliu ir benzino mišiniu efektyvioji galia išliko tokia pati 20,96 kw. O 85 % bioetanolio priedas P e sumažino 2 % (iki 20,41 kw). Atidarius 50 % droselinę sklendę, 10 %, 20 %, 30 % ir 50 % bioetanolio priedas efektyvios galios nei sumažino nei padidino, ji išliko tokia pati kaip benzino naudojimo atveju 23,17 kw. Bet įmaišius 85 % bioetanolio, efektyvioji galia sumažėjo 5 % (iki 22,06 kw). Varikliui veikiant 2500 min -1 sūkiu dažniu 25 % praverta droseline sklende benzinu, P e buvo lygi 34,92 kw. Į benziną įmaišius 10 % bioetanolio, efektyvioji galia sumažėjo 4 % ir buvo lygi 33,08 kw. Toliau didinant bioetanolio kiekį benzine, variklio išvystoma galia liko nepakitusi. Analogiški dėsningumai gauti varikliui veikiant 50 % atidaryta droseline sklende. Galios nesumažėjimą galima paaiškinti didesnėmis degalų sąnaudomis. 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, n, min -1 Benzinas E10 E20 E30 E50 E pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka valandinėms degalų sąnaudoms, esant 10 % pravertai droselinei sklendei 4.3 pav. pateikta bioetanolio įtaka valandinėms degalų sąnaudoms, varikliui veikiant maža apkrova (10 % praverta droseline sklende). Grafikuose matyti, kad degalų sąnaudos didėja didėjant bioetanolio kiekiui mišinyje. Valandinės degalų sąnaudos buvo 43 % mažesnės negu varikliui dirbant 1500 min -1 sūkiu dažniu 85 % bioetanolio ir 15 % benzino mišiniu. Ta pati biodegalų (E10, E20, E30, E50 ir E85) sąnaudų sumažėjimo tendencija išlieka ir varikliui veikiant 2500 min -1 sūkių dažniu. 31

32 Bd, kg/h Bd,kg/h Benzinas E10 E20 E30 E50 E n, min pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka valandinėms degalų sąnaudoms, esant 25 % pravertai droselinei sklendei Benzinas E10 E20 E30 E50 E n, min pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka valandinėms degalų sąnaudoms, esant 50 % pravertai droselinei sklendei Pateiktuose 4.4 ir 4.5 pav, taip pat matomi panašūs degalų sąnaudų pokyčiai. Didinant bioetanolio kiekį mišinyje, valandinės degalų sąnaudos didėjo. Varikliui veikiant 1500 min -1 sūkių dažniu 25 % atidaryta droseline sklende, benzino ir E10, E20, E30, E50 mišinių valandinės degalų sąnaudos buvo beveik vienodos ir svyravo nuo 6,0 kg/h iki 6,1 kg/h. Padidinus bioetanolio kiekio mišinį iki 85 %, valandinės degalų sąnaudos padidėjo iki 11 % (6,79 kg/h), lyginant su E10 degalais. Kai variklis veikė 2500 min -1 sūkiu dažniu, 10 % ir 20 % bioetanolio 32

33 be, g/kwh be, g/kwh priedas sąnaudas B d padidino 3 %, E30 ir E50 mišiniai - iki 5,9 %, o E85 bioetanolio priedas, degalų sąnaudas padidino iki 16 % (11,61 kg/h). Panašūs dėsningumai buvo stebimi ir varikliui veikiant 50 % praverta droseline sklende. Benzinu 1500 min -1 sūkių dažniu veikiančio variklio, B d sąnaudos buvo lygios 6,67 kg/h, o mišinys E85 jas padidino 19 % (8 kg/h). Padidinus sūkių dažnį, E85 valandinės degalų sąnaudos padidėjo iki 24 % Benzinas E10 E20 E30 E50 E n, min pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka lyginamosiomis efektyviosioms degalų sąnaudoms, esant 10 % pravertai droselinei sklendei n, min -1 Benzinas E10 E20 E30 E50 E pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka lyginamosioms efektyviosioms degalų sąnaudoms, esant 25 % pravertai droselinei sklendei 33

34 be, g/kwh Benzinas E10 E20 E30 E50 E n, min pav. Degalų sudėties ir variklio sūkių dažnio įtaka lyginamosioms efektyviosioms degalų sąnaudoms, esant 50 % pravertai droselinei sklendei 4.6, 4.7, 4.8, paveiksluose, pateiktos efektyviųjų lyginamųjų degalų sąnaudų b e priklausomybės nuo apkrovos, esant įvairiems variklio alkūninio veleno sūkių dažniams. Matyti, jog, efektyvios lyginamosios degalų sąnaudos b e pamažu didėja didėjant bioetanolio kiekiui degaluose, nes mažėja jų šilumingumas. Varikliui veikiant 1500 min -1 sūkių dažniu 10 % praverta droseline sklende benzinu, b e buvo lygi 300 g/(kwh). 10% Etanolio priedas efektyviąsias lyginamąsias degalų sąnaudos padidino 10 % (iki 332 g/kwh), o didesnis etanolio kiekis (iki 85 %) sąnaudas b e padidino net 43 % (iki 431,59). Varikliui veikiant 2500 min -1 sūkių dažniu E85 % degalai, b e sumažėjo iki 30 %. Benzino lyginamosios sąnaudos siekė 286,7 g/kwh, esant 25 % ir pravertai droselinei sklendei ir esant 1500 min -1 sūkių dažniu, o 10 %, 20 % ir 30 % bioetanolio priedas sąnaudas padidino tik 2 % (iki 291g/kWh). Bioetanolio kiekį padidinus iki 85 %, efektyviosios lyginamosios degalų sąnaudos padidėjo 47,02 % (iki 332,8 g/kwh). Varikliui veikiant 2500 min - 1 sūkiu dažniu, benzino efektyviosios lyginamosios sąnaudos buvo mažesnės 22 %, palyginti su 85 % bioetanolio mišinio naudojimo atveju. Pateiktame 4.8 paveiksle, taip pat matomi analogiški pokyčiai. Benzino efektyviosios degalų sąnaudos visada mažesnės, negu mišinių su bioetanoliu. Mažiausios b e sąnaudos reikšmės gautos varikliui dirbant benzinu 25 % praverta droseline sklende. 34