تائیدیه نهایی پایان نامه کارشناسی ارشد
نسخه نهایی رساله دکتری / پایان نامه کارشناسی ارشد خانم پروانه زارع
تحت عنوان:
بررسی تجربی تاثیر ترکیبات بیودیزل و دیزل بر آلایندگی و عملکرد موتور دیزل MT4-244
از نظر شکل و محتوی تأیید می شود.
استاد راهنماآقای دکتر احمد فصیح فرامضاء
مدیر گروه آقای دکتر رامین حقیقی خوشخوامضاء

دانشگاه شهید بهشتی
دانشکده مهندسی مکانیک
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک
گرایش تبدیل انرژی
عنوان
بررسی تجربی تاثیر ترکیبات بیودیزل و دیزل بر آلایندگی و عملکرد موتور دیزل MT4-244
استاد راهنما:
دکتر احمد فصیح فر
نگارش:
پروانه زارع
ماه شهریور، سال 1393
آئین نامه حق مالکیت مادی و معنوی در مورد نتایج پژوهشهای علمی دانشگاه شهید بهشتی
مقدمه: با عنایت به سیاست های پژوهشی و فناوری دانشگاه در راستای تحقق عدالت و کرامت انسانها که لازمه شکوفایی علمی و فنی است و رعایت حقوق مادی و معنوی دانشگاه و پژوهشگران ، لازم است اعضای هیات علمی ، دانشجویان ، دانش آموختگان و دیگر همکاران طرح ، در مورد نتایج پژوهشهای علمی که تحت عناوین پایان نامه ، رساله و طرحهای تحقیقاتی که در دانشگاه انجام شده است ، موارد زیر را رعایت نمایند:
ماده 1- حق نشر و تکثیر پایان نامه / رساله و درآمدهای حاصل از آنها متعلق به دانشگاه می باشد، حقوق معنوی پدید آورندگان محفوظ خواهد بود.
ماده 2- انتشار مقاله یا مقالات مستخرج از پایان نامه / رساله به صورت چاپ در نشریات علمی و یا ارائه در مجامع علمی باید به نام دانشگاه بوده و با تائید استاد راهنمای اصلی ، یکی از اساتید راهنما، مشاور و یا دانشجو مسئول مکاتبات مقاله باشد. ولی مسئولیت علمی مقاله مستخرج از پایان نامه و رساله به عهده اساتید راهنما و دانشجو می باشد.
تبصره: در مقالاتی که پس از دانش آموختگی بصورت ترکیبی از اطلاعات جدید و نتایج حاصل از پایان نامه / رساله نیز منتشر می شود نیز باید نام دانشگاه درج شود.
ماده 3- انتشارکتاب ، نرم افزار و یا آثار ویژه ( اثر هنری مانند فیلم ، عکس ، نقاشی و نمایش نامه) حاصل از نتایج پایان نامه / رساله و تمامی طرحهای تحقیقاتی کلیه واحدهای دانشگاه اعم از دانشکده ها ، مراکز تحقیقاتی ، پژوهشکده ها ، پارک علم و فناوری و دیگر واحدها باید با مجوز کتبی صادره از معاونت پژوهشی دانشگاه و بر اساس آئین نامه های مصوب انجام شود.
ماده 4- ثبت اختراع و تدوین دانش فنی ویا ارائه یافته ها در جشنواره های ملی ، منطقه ای و بین المللی که حاصل نتایج مستخرج ازپایان نامه / رساله و تمامی طرحهای تحقیقاتی دانشگاه باید با هماهنگی استاد راهنما یا مجری طرح از طریق معاونت پژوهشی دانشگاه انجام گیرد.
ماده 5- این آئین نامه در 5 ماده و یک تبصره در تاریخ ………………… درشورای پژوهشی و در تاریخ……………….. در هیئت رئیسه دانشگاه به تائید رسید و در جلسه مورخ …………………. شورای دانشگاه به تصویب رسیده و از تاریخ تصویب در شورای دانشگاه لازم الاجرا است.
” اینجانب پروانه زارع دانشجوی رشته مهندسی مکانیک-تبدیل انرژی ورودی سال تحصیلی 92-91 .مقطع کارشناسی ارشد دانشکده مکانیک و انرژی متعهد می شوم کلیه نکات مندرج در آئین نامه حق مالکیت مادی و معنوی در مورد نتایج پژوهشهای علمی دانشگاه شهید بهشتی را درانتشار یافته های علمی مستخرج از پایان نامه / رساله تحصیلی خود رعایت نمایم. درصورت تخلف از مفاد آئین نامه فوق الاشعار به دانشگاه وکالت و نمایندگی می دهم که از طرف اینجانب نسبت به لغو امتیاز اختراع به نام بنده و یا هرگونه امتیاز دیگر و تغییر آن نام دانشگاه اقدام نماید. ضمنا” نسبت به جبران فوری ضررو زیان حاصله براساس برآورد دانشگاه اقدام خواهم نمود و بدینوسیله حق هر گونه اعتراض را از خود سلب نمودم.”
امضاء….. تاریخ …………………..
اینجانب پروانه زارع تهیه کننده پایان نامه کارشناسی ارشد حاضر، خود را ملزم به حفظ امانت داری از زحمات سایر محققین و نویسندگان بنا بر قانون حق تکثیر و مالکیت نتایج می دانم. لذا بدینوسیله اعلام می نمایم که مسئولیت مطالب درج شده با اینجانب بوده و درصورت استفاده از مطالب سایر منابع، بلافاصله منبع آن ذکرشده و سایر مطالب از این کار تحقیقاتی استخراج شده است. درضمن، در صورتی که خلاف این مطلب ثابت شود، مسئولیت عواقب قانونی آن را می پذیرم.
نام و نام خانوادگی دانشجو: پروانه زارع امضاء و تاریخ
چکيده
رشد روز افزون استفاده از منابع فسیلی، افزایش گازهای گلخانه ای و استانداردهای سختگیرانه آلاینده های خودرو ها، مشوق اصلی استفاده از بیودیزل ها به عنوان سوخت جایگزین موتوهای دیزلی است. آلودگی هوا، گرم شدن کره زمین، محدودیت و گرانی منابع فسیلی از جمله مشکلات پیش روی جامعه بشری هستند، برای حل این مشکلات بیودیزل‌های ارزان قیمتی چون بیودیزل پسماند خوراکی می‌تواند کارآمد باشد.
در این پژوهش ترکیب های B0، B5، B10، B20 و B30 از سوخت بیودیزل پسماند خوراکی با دیزل به عنوان سوخت در موتور MT4.244 مورد استفاده قرار گرفته است. ماتریس آزمایش‌ شامل دور موتور RPM 1200، RPM1400، RPM1700 و RPM2000 بارهای 25%، 50%، 75% و 100% موتور است. در دور های پایین میزان اشفتگی کمتر از دور های بالاست و این مطلب سبب کاهش آشفتگی و کاهش کیفیت احتراق می شود، اما با افزایش میزان دور آشفتگی لازم ایجاد می شود. میزان دور بالا باعث می شود سوپاپ های خروجی زودتر باز شود و کیفیت که این مطلب سبب می شود سوخت پیش از این که احتراق کامل انجام دهد از سوپاپ خارج شود و احتراق ناقص بماند. نتایج عملکرد مبین افزایش اندک توان، گشتاور در دورهای بالا و کاهش آن در دورهای پایین است. NOX BSFCافزایش داشته در حالی که آلاینده CO و دوده کاهش قابل ملاحظه ای داشته اند.
در سوخت های بیودیزل به دلیل حضور اکسیژن Coکمتر و CO2 بیشتری تولید می شود. دلیل آن واکنش اکسیژن با Co و تولید دی اکسیدکربن است.
همچنین به دلیل منابعی که برای تولید بیودیزل استفاده می شود، (پسماند های خوراکی) هزینه ها کاهش می یابد.
واژههای کلیدی: بیودیزل، روغن خوراکی ، عملکرد موتور، آلایندگی موتور، سوخت تجدیدپذیر
فهرست مطالب
فصل 1: مقدمه1
1-1- مقدمه2
1-2- شرح موضوع3
1-3- اهمیت موضوع3
1-4- فصل‌بندی مطالب6
فصل 2: مروری بر ادبیات موضوع8
2-1- مقدمه9
2-2- روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت9
2-3- پیشینه بیودیزل15
2-4- ساختار بیودیزل15
2-5- خواص و استاندارد‌های بیودیزل16
2-6- معایب و مزایای بیودیزل17
2-7- آلایندگی27
فصل 3: روش تحقیق33
3-1- مقدمه34
3-2- روغن پسماند خوراکی34
3-3- تولید بیودیزل پسماند خوراکی36
3-4- تعیین خواص روغن پسماند خوراکی37
3-5- انجام تست‌ها39
3-6- مشخصات موتور39
3-7- سلول تست41
3-8- دستگاه سنجش آلایندگی42
3-9- ماتریس آزمایش44
3-10- تحلیل خطا45
فصل 4: نتایج و تحلیل آنها48
4-1- مقدمه49
4-2- نتایج عملکرد موتور49
4-3- نتایج آلایندگی موتور70
فصل 5: جمع بندی و پیشنهادها86
5-1- جمع بندی87
5-2- پیشنهادها88
مراجع89
فهرست اشکال
شکل (2-1) ساختار يک مولکول تري‌گليسيريد10
شکل (2-2) درصد تغییرات توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه و راندمان حرارتی روغن‌های گیاهی و گازوئیل12
شکل (2-3) میزان آلایندگی روغن‌های گیاهی در مقایسه با دیزل12
شکل (2-4) تغييرات لزجت براي روغن جاتروفا درترکيب با ديزل وبه همراه پيشگرم کردن13
شکل (2-5) ارزش حرارتی و دمای شعله آدیاباتیک متیل استر اسیدهای چرب19
شکل (2-6) تأثیر غلظت ترکيبات استر بر راندمان حرارتي20
شکل (2-7) تاخيراشتعال براي بيوديزل‌هاي متفاوت21
شکل (2-8) دياگرام θ-P در حالت بي باري در دور RPM 1400 براي موتور پاشش مستقيم22
شکل (2-9) بازه احتراق جاتروفا بيوديزل‌ و ديزل و تأثیر %15 EGR بر آن24
شکل (2-10) تغييرات تورک موتور براي سوخت‌هاي مختلف در دور RPM 130025
شکل (2-11) تغييرات تورک موتور براي سوخت‌هاي مختلف در دور RPM 170025
شکل (2-12) رابطه بين عدد ستان با طول زنجيره هيدروکربني و درجه اشباع بودن30
شکل (2-13) رابطه بين عدد ستان و توليد NOX30
شکل (2-14) ساختار اشباع و غير اشباع اسيدهاي چرب31
شکل (2-15) ميزان هيدروکربن‌هاي نسوخته در بيوديزل و ديزل31
شکل (3-1) شکل موتور MT 4.24440
شکل (3-2) سیستم داده برداری دیجیتالی سلول تست42
شکل (3-3) آنالایزر AVL DiCOM 400043
شکل (3-4) شماتیک اتاق تست و تجهیزات مربوطه44
شکل (3-5) نتایج 3 بار تکرار و مقدار میانگین برای ناکس در دور RPM1200 و بار %10047
شکل (4-1) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل بار موتور در دور RPM 120050
شکل (4-2) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل بار موتور در دور RPM 140051
شکل (4-3) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل بار موتور در دور RPM 170051
شکل (4-4) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل بار موتور در دور RPM 200052
شکل (4-5) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل دور موتور در بار %2553
شکل (4-6) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل دور موتور در بار %5054
شکل (4-7) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل دور موتور در بار %7555
شکل (4-8) تغییرات راندمان حرارتی در مقابل دور موتور در بار %10055
شکل (4-9) گشتاور موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل در بار %100 برای دورهای مختلف56
شکل (4-10) گشتاور موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل دردور RPM 1200 و بارهای مختلف58
شکل (4-11) گشتاور موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل دردور RPM 1400 و بارهای مختلف58
شکل (4-12) گشتاور موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل دردور RPM 1700 و بارهای مختلف58
شکل (4-13) گشتاور موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل دردور RPM 2000 و بارهای مختلف59
شکل (4-14) توان موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل دردور RPM 2000 و بارهای مختلف59
شکل (4-15) توان موتور با درصدهای متفاوت بیودیزل و دیزل در بار %100 برای دورهای مختلف60
شکل (4-16) تأثیر افزایش بار موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دردور RPM 1200 برای ترکیب‌های مختلف61
شکل (4-17) تأثیر افزایش بار موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دردور RPM 1400 برای ترکیب‌های مختلف61
شکل (4-18) تأثیر افزایش بار موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دردور RPM 1700 برای ترکیب‌های مختلف62
شکل (4-19) تأثیر افزایش بار موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دردور RPM 2000 برای ترکیب‌های مختلف62
شکل (4-20) تأثیر افزایش دور موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دربار %25 برای ترکیب‌های مختلف63
شکل (4-21) تأثیر افزایش دور موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دربار %50 برای ترکیب‌های مختلف63
شکل (4-22) تأثیر افزایش دور موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دربار %75 برای ترکیب‌های مختلف64
شکل (4-23) تأثیر افزایش دور موتور بر مصرف سوخت ویژه ترمزی دربار %100 برای ترکیب‌های مختلف64
شکل (4-24) تأثیر افزایش دور موتور بر دمای گازهای خروجی در بار %25 برای ترکیب‌های مختلف65
شکل (4-25) تأثیر افزایش دور موتور بر دمای گازهای خروجی در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف66
شکل (4-26) تأثیر افزایش دور موتور بر دمای گازهای خروجی در بار %75 برای ترکیب‌های مختلف66
شکل (4-27) تأثیر افزایش دور موتور بر دمای گازهای خروجی در بار %100 برای ترکیب‌های مختلف67
شکل (4-28) تأثیر افزایش بار موتور بر دمای گازهای خروجی در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف68
شکل (4-29) تأثیر افزایش بار موتور بر دمای گازهای خروجی در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف68
شکل (4-30) تأثیر افزایش بار موتور بر دمای گازهای خروجی در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف69
شکل (4-31) تأثیر افزایش بار موتور بر دمای گازهای خروجی در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف69
شکل (4-32) تأثیر افزایش دور موتور بر ناکس خروجی از اگزوز در بار %25 برای ترکیب‌های مختلف71
شکل (4-33) تأثیر افزایش دور موتور بر ناکس خروجی در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف71
شکل (4-34) تأثیر افزایش دور موتور بر ناکس خروجی در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف72
شکل (4-35) تأثیر افزایش دور موتور بر ناکس خروجی در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف72
شکل (4-36) تأثیر افزایش بار موتور بر ناکس خروجی در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف73
شکل (4-37) تأثیر افزایش بار موتور بر ناکس خروجی در دور RPM1400 برای ترکیب‌های مختلف74
شکل (4-38) تأثیر افزایش بار موتور بر ناکس خروجی در دور RPM1700 برای ترکیب‌های مختلف74
شکل (4-39) تأثیر افزایش بار موتور بر ناکس خروجی در دور RPM2000 برای ترکیب‌های مختلف75
شکل (4-40) تأثیر افزایش دور موتور بر مونوکسیدکربن در بار %25 برای ترکیب‌های مختلف76
شکل (4-41) تأثیر افزایش دور موتور بر مونوکسیدکربن در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف76
شکل (4-42) تأثیر افزایش دور موتور بر مونوکسیدکربن در بار %75 برای ترکیب‌های مختلف77
شکل (4-43) تأثیر افزایش دور موتور بر مونوکسیدکربن در بار %100 برای ترکیب‌های مختلف78
شکل (4-44) تأثیر افزایش بار موتور بر مونوکسیدکربن در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف78
شکل (4-45) تأثیر افزایش بار موتور بر مونوکسیدکربن در دور RPM1400 برای ترکیب‌های مختلف79
شکل (4-46) تأثیر افزایش بار موتور بر مونوکسیدکربن در دور RPM1700 برای ترکیب‌های مختلف80
شکل (4-47) تأثیر افزایش بار موتور بر مونوکسیدکربن در دور RPM2000 برای ترکیب‌های مختلف80
شکل (4-48) تأثیر افزایش دور موتور بر دوده در بار %25 برای ترکیب‌های مختلف81
شکل (4-49) تأثیر افزایش دور موتور بر دوده در بار %50 برای ترکیب‌های مختلف82
شکل (4-50) تأثیر افزایش دور موتور بر دوده در بار %75 برای ترکیب‌های مختلف82
شکل (4-51) تأثیر افزایش دور موتور بر دوده در بار %100 برای ترکیب‌های مختلف83
شکل (4-52) تأثیر افزایش بار موتور بر دوده در دور RPM1200 برای ترکیب‌های مختلف83
شکل (4-53) تأثیر افزایش بار موتور بر دوده در دور RPM1400 برای ترکیب‌های مختلف84
شکل (4-54) تأثیر افزایش بار موتور بر دوده در دور RPM1700 برای ترکیب‌های مختلف84
شکل (4-55) تأثیر افزایش بار موتور بر دوده در دور RPM2000 برای ترکیب‌های مختلف85
فهرست جداول
جدول(1-1) استانداردهای آلایندگی اروپا برای موتورهای دیزل سواری برحسب g/km5
جدول(1-2) هزینه‌های تولید بیودیزل پسماند خوراکی[1]6
جدول(2-1) ساختار شيميايي اسيدهاي چرب متداول. [2]10
جدول(2-2) خواص روغن‌هاي گياهي. [2]11
جدول(2-3) خواص بيوديزل از روغن‌هاي مختلف [2]16
جدول(2-4) استاندارد ASTM D6751 برای بیودیزل B10017
جدول(2-5) تاخير اشتعال و پيک فشار و پيک نرخ گرما برای سه نمونه بیودیزل [16]23
جدول(3-1) اسیدهای چرب تشکیل دهنده روغن آفتاب‌گردان [26]35
جدول(3-2) اسیدهای چرب تشکیل دهنده روغن پسماند خوراکی [27]35
جدول(3-3) خواص بیودیزل پسماند خوراکی37
جدول(3-4) مشخصات فنی موتور MT 4.24440
جدول(3-5) دقت پارامترهای اندازه گیری شده توسط دینامومتر41
جدول(3-6) دقت پارامترهای اندازه گیری شده توسط آنالایزر AVL DiCOM 400043
جدول(3-7) ماتریس آزمایش45
جدول(3-8) گشتاور خروجی موتور در سه بار تکرار در دور RPM1200 و بار %10046
جدول(3-9) ناکس خروجی موتور در سه بار تکرار در دور RPM1200 و بار %10046
جدول(3-10) دوده خروجی موتور در سه بار تکرار در دور RPM1200 و بار %10046

مقدمه
مقدمه
رشد روز افزون استفاده از منابع فسيلي و محدودیت اين منابع باعث افزايش قيمت اين ماده ارزشمند و تبديل آن به يک کالاي استراتژيک اقتصادي شده است. اگر مشکلات زيست محيطي و گرم شدن کره زمین به خاطر آلايندگي حاصل از گازهاي گلخانه‌اي را نيز به آن بيافزايم، اهميت يافتن جایگزیني را برای رفع نياز روز افزون جهان به منابع جديد انرژي درمی‌یابیم. اين مشکل در چند دهه اخیر نه‌تنها گریبان‌گیر واردکنندگان نفت بوده بلکه برای کشورهای نفت خیزی چون ایران نیز که با مشکلات گوناگون در زمينه تهيه سوخت رو به رو هستند، هم مسأله ساز شده است.
تاکنون مهمترين و معمول ترين سوخت جهت استفاده در سرويس‌هاي حمل و نقل، در بسياري از کشورهاي جهان بنزين و گازوئيل بوده است. اتومبيل‌هايي که بنزين يا گازوئيل را به عنوان سوخت مصرف مي‌کنند موجب انتشار مواد مضر و آلاينده با ترکيبات شيميايي پيچيده مي‌شوند که خود، سبب توليد اوزون تروپسفری (اوزون در سطح زمين) مي‌شوند. با آنکه تمهيدات مختلف جهت کاهش آلودگي از معاينه فني خودورها گرفته تا نصب سيستم‌هاي کنترل انتشار آلاينده در اگزوز خودروها که در کشورهاي پيشرفته بکار گرفته شده، اما اين برنامه‌ها در شهرهاي بزرگ توليد اوزون و ساير آلاينده‌ها را به طور چشم‌گیری کاهش نداده است.
سوخت‌هاي پاک داراي خواص فيزيکي و شيميايي ذاتي هستند که آنها را پاک‌تر از بنزين و دیزل با ساختار و ترکيبات فعلي در عمل احتراق، مي‌نمايد. به‌طور کلي اين سوخت‌ها حين احتراق، هيدروکربن(نسوخته) کمتري توليد کرده و مواد منتشر شده حاصل از احتراق آنها داراي فعاليت شيميايي کمتر براي تشکيل اوزون و مواد سمي ديگر مي‌باشند. استفاده از سوخت‌هاي جايگزين، شدت افزايش و دي‌اکسيدکربن را که سبب گرم شدن کره زمين می‌شود نيز کاهش مي‌دهد. دانشمندان و محققان بسياري به منظور جايگزين سوخت‌هاي مناسب‌تر آزمايش‌ها و تحقيقيات فراوان انجام دادند. از جمله جايگزين‌هایی که مي توان از آنها در موتورهاي احتراق تراکمي استفاده کرد، استر روغن‌هاي گياهي یا بيوديزل‌ها است. از آنجا که روغن‌های گياهي گران‌قيمت هستند، سبب می‌شوند که بيوديزل‌های تولید شده از منابع گیاهی گرانتر از سوخت ديزل معمولي شوند. از این‌رو یافتن روغن‌های گیاهی غیر خوراکی و استفاده از روغن‌های پسماند خوراکی جهت تولید بیودیزل می‌تواند از قیمت نهایی آنها بکاهد و باعث شود که تولید آنها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد.
شرح موضوع
در این پژوهش، هدف، تأثیر ترکیب بیودیزل پسماند خوراکی به همراه دیزل معمولی بر عملکرد و آلایندگی موتور احتراق تراکمی‌ است. برای نیل به هدف فوق در قدم اول تهیه بیودیزل از دانشکده کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس تهران و انتقال آن به مرکز تحقیقات موتور شرکت تراکتورسازی تبریز بود. سوخت در نسبت‌های ترکیبی متفاوت با دیزل در مرکز تحقیقات موتور شرکت تراکتورسازی تبریز بر روی موتور دیزل MT4.244 مورد آزمایش قرار گرفت که نتایج آزمایش‌ها پس از سه بار تکرار و گرفتن میانگین در فصل‌های آتی تحلیل و بررسی می‌گردد.
اهمیت موضوع
در دهه ۱۹۸۰، شواهد علمي نشان دادند كه انتشار گازهاي گلخانه‌اي ناشي از فعاليتهاي انساني خطراتي براي آب و هواي جهان ايجاد مي‌كند و به اين ترتيب افكار عمومي به ايجاد كنفرانس‌هاي بين‌المللي دوره‌اي و تشكيل پيمان نامه‌اي براي حل اين مسأله‌ سوق پیدا كرد. دولت‌ها براي انعكاس افكار عمومي يكسري كنفرانس بين المللي برگزاركردند و خواهان تنظيم قراردادي بين‌المللي براي بررسي اين مسأله شدند. در سال ۱۹۹۰ مجمع عمومي‌سازمان ملل متحد كميته مذاكرات بين الدول (INC) را جهت تدوين كنوانسيون تغيير آب و هوا (UNFCCC) تشكيل داد.
كميته مذاكرات، پيش نويس كنوانسيون را تهيه كرد و اين پيش نويس در ۹ ماه مه ۱۹۹۲ در مقر سازمان ملل در نيويورك تصويب شد. دولتها با پذيرش كنوانسيون تغيير آب و هواي سازمان ملل در سال ۱۹۹۲، اين كنوانسيون را به عنوان سكوي پرتابي براي اقدامات اساسي تر در آينده مورد توجه قرار دادند. در پاسخ به تغييرات ناشي از شناخت علمي و خواست سياسي، كنوانسيون امكان پذيرش تعهدات اضافي را از طريق بازنگري، بحث و تبادل نظر فراهم مي‌سازد.
اولين بازنگري در مورد كفايت تعهدات كشورهاي توسعه يافته كه در COP1 بر ضرورت آن تاكيد شده بود، در سال ۱۹۹۵ در برلين انجام شد. هيئتهاي حاضر به اين نتيجه رسيدند كه تعهدات كشورهاي توسعه‌يافته براي كاهش ميزان انتشار گازهاي گلخانه‌اي آنها در سال ۲۰۰۰ به سطح موجود در سال ۱۹۹۰ با هدف درازمدت كنوانسيون براي جلوگيري از تداخل ضايعات خطرناك ناشی از فعالیت‌‎های انسانی با سيستم آب و هوايي، تناسب ندارد.
وزراء و مقامات اجرائي همراه با پذيرش توافقنامه برلين و آغاز دور جديد مذاكرات براي تقويت تعهدات كشورهاي توسعه‌يافته، تعهدات جديدي را پذيرفتند. گروه ويژه اينكار كه در توافقتنامه برلين براي تهيه پيش نويس پروتكل تشكيل شده بود، بعد از ۸ جلسه اين پروتكل را به COP3 ارسال كرد.
در كنفرانسي كه به ميزباني كشور ژاپن در شهر كيوتو در دسامبر ۱۹۹۷ برگزار شد،‌ حدود ۱۰ هزار نفر شركت داشتند. يكي از نتايج مثبت اين كنفرانس پذيرش پروتكل جديدي بود كه به موجب آن كشورهاي صنعتي متعهد مي‌شدند كه ميزان انتشار گازهاي گلخانه‌اي خود را تا سالهاي ۲۰۱۲-۲۰۰۸ به ميزان ۵% زير ميزان انتشار در سال ۱۹۹۰ كاهش ‌دهند. با اطمينان مي‌توان گفت كه اين تعهد اجباري و قانوني، منحني بالارونده انتشار گازهاي گلخانه‌اي كشورهاي صنعتي را كه در ۱۵۰ سال گذشته روند صعودي داشته است، به تدريج معكوس خواهد كرد.
پروتكل كيوتو در ۱۶ مارس سال ۱۹۹۸ جهت امضاء اعضا آماده شد. اين پروتكل ۹۰ روز پس از تصويب حداقل ۵۵ هيئت عضو كنوانسيون، قابل اجراء ‌بود، مشروط بر اينكه ميزان انتشار گازهاي گلخانه‌اي اين ۵۵ عضو از ۵۵% كل گازهاي گلخانه‌‌اي منتشر شده در سال ۱۹۹۰ توسط كشورهاي صنعتي بيشتر باشد. همچنين اعضاء كنوانسيون تغيير آب و هوا به اجراي تعهدات خود در برابر كنوانسيون و آمادگي براي اجراي پروتكل در آينده، ادامه خواهند‌داد.
بر اساس پروتكل كيوتو، اعضاي پيوست ۱ كنوانسيون ( كشورهاي پيشرفته ) براي انجام تعهد كاهش مقدار انتشار و نيز به منظور ارتقاء توسعه پايدار،باید در مواردی تلاش می‌كردند که یکی از آن موارد اجرا و يا تشريح بيشتر سياستها و اقدامات طبق شرايط ملي خود، مانند افزايش كارآيي انرژي در بخش‌هاي مربوط به اقتصاد ملي، محافظت و افزايش چاهك‌ها و انباره‌هاي گازهاي گلخانه‌‌اي، ترغيب شكل‌هاي پايدار كشاورزي، تحقيق، توسعه و گسترش استفاده از انواع تجديد پذير انرژي و همكاري با ساير اعضا، زمينه انجام تعهدات كاهش انتشار و ترويج توسعه پايدار را فراهم نمايند. از سوی دیگر استاندارد‌های آلایندگی نظیر یورو شرکت‌ها و کارخانجات تولید خودرو را ملزم به کاهش آلایندگی خروجی از موتورها می‌کند. با توجه به مطالب فوق در خصوص کاهش گاز‌های گلخانه‌ای و نیاز به منابع تجدید پذیر و همچنین قوانین آلایندگی سخت گیرانه اهمیت موضوع به وضوح مشخص می‌شود.
استانداردهای آلایندگی برای موتورهای دیزل سواری برحسب g/km ]1[
ردیفتاریخCONOxHC+NOxPMEuro 1July 19922.72 (3.16)-0.97 (1.13)0.14 (0.18)Euro 2January 19961.0-0.70.08Euro 3January 20000.640.500.560.05Euro 4January 20050.500.250.300.025Euro 5September 20090.5000.1800.2300.005Euro 6 September 20140.5000.0800.1700.005
در چند سال اخیر تحقیقات بسیاری در مورد تولید و تأثیر بیودیزل‌های متفاوت بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل صورت پذیرفته است. در هر فرآیند تولیدی، اولین مبحث مورد توجه صرفه اقتصادی آن است. از آنجا که روغن‌های پسماند خوراکی دارای قیمت بسیار پایین (حدود 200 دلار در هرتن) می‌باشند، استفاده از آنها برای تولید بیودیزل بسیار مقرون به صرفه است و قیمت نهایی این سوخت را می‌تواند تا 500 الی 600 دلار برای هر تن کاهش دهد. گلیسیرین تولید شده از این فرایند می‌تواند بخشی از هزینه تولید را پوشش دهد. جدول(1-2) نشان دهنده قیمت بیودیزل پسماند خوراکی با استفاده از دو روش تولید به همراه سایر هزینه‌ها ی تولید است.
هزینه‌های تولید بیودیزل پسماند خوراکی[1]
با توجه به توضیحات ارائه شده، بیودیزل پسماند خوراکی دارای قیمت بسیار مناسب است و علاوه بر مشکلات زیست محیطی می‌تواند جایگزینی مناسب برای دیزل معمولی از لحاظ قیمت سوخت برای مصرف کننده باشد.
فصل‌بندی مطالب
در فصل اول، پیرامون موضوع کلی، شرحی مختصر داده شده است. همچنین، اهمیت موضوع و کار انجام شده بررسی گردید و فرآیند کلی صورت گرفته شده برای انجام این پژوهش تبیین گردید.
در فصل دوم کارهای انجام شده در زمینه بیودیزل آورده شده است. در این فصل ابتدا روغن‌های گیاهی، ساختار آنها و عملکرد و آلایندگی آنها هنگام تغذیه در موتور بررسی گردیده و مشکلات و معایب استفاده از آنها در موتور گردآوری شده است. در بخش بعد تبدیل بيوديزل‌ها به عنوان راه حل غلبه بر مشکلات استفاده از روغن‌های گیاهی ارائه شده و ضمن معرفی این سوخت به خواص استاندارد آن پرداخته شده است. و در بخش آخر فصل، استفاده از بیودیزل، تأثیر پارامترهای طراحی موتور در زمینه احتراق آن و بازخورانی گازهای خروجی بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل جمع آوری و تدوین گردیده است.
در فصل سوم، توضیحات و تصاویر مختصری از سلول تست و نحوه انجام تستها آورده شده و در بخش انتهایی فصل تحلیل خطا بر روی داده‌های مورد اندازه گیری انجام شده است.
در فصل چهارم کلیه نتایج بدست آمده از تست موتور شامل توان، گشتاور، مصرف سوخت ویژه، راندمان حرارتی و آلایندگیهای مختلف خروجی از موتور در بارها و دورها و درصدهای مختلف بیودیزل با دیزل آورده شده است و نمودارهای آنها تفسیر شدهاند.
در فصل نهایی این گزارش یعنی فصل پنجم، جمع بندی از کل کار انجام شده و پیشنهادات برای کارهای آینده آورده شده است. امید است که پژوهش پیش رو گامی‌جهت اعتلای میهن و مردم عزیزمان در بین جهانیان و کاهش وابستگی‌ها گردد.
مروری بر ادبیات موضوع
مقدمه
در مطالعات مربوط به سوخت‌های گیاهی رودلف ديزل را به عنوان نخستين فردي که از اين سوخت براي موتورش استفاده کرد، معرفي مي‌کنند. در زمان ديزل استفاده از روغن‌هاي گياهي بصورت خام و پالايش نشده براي راه اندازي و روشن شدن موتور، مناسب به نظر مي‌رسيد، اما با گذشت زمان مشاهده شد که روغن‌هاي خام باعث بروز مشکلاتي در موتور مي‌شوند و با تبديل روغن‌هاي خام گياهي به متيل يا اتيل استرها اين مشکلات برطرف گرديد. اين موضوع از سوي ASTM1 نيز بررسی گردید و به تصويب رسيد.
روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت
اشتياق زياد به استفاده از روغن‌هاي گياهي دراواخر دهه 1970 در زمان تحريم نفت اپک ايجاد شد. پس از آن مطالعات بسیار در این زمینه صورت پذیرفت که در ذیل به طور مختصر به آن اشاره شده است.
ساختار شيميايي روغن‌هاي گياهی
روغن‌هاي گياهي که با نام تري‌گليسيريد شناخته مي‌شوند، ساختار شيميايي مطابق شکل (2-1) دارند. اين ساختار شامل 98% تري‌گليسيريد و مقادير بسيار کمي منو و دي‌گليسيريد است. تري‌گليسيريدها، استرهايي هستند که از سه مولکلول اسيد چرب و يک مولکول گليسرول بدست مي آيند و شامل مقادير زيادي اکسيژن در ساختار خود هستند.

ساختار يک مولکول تري‌گليسيريد[2]
روغن‌هاي مختلف داراي اسيدهاي چرب متفاوتي هستند. اسيدهاي چرب در طول زنجيره کربني و تعداد پيوندهاي دوگانه با هم تفاوت دارند. فرمول شيميايي و ساختار اسيدهاي چرب گوناگون در روغن‌هاي گياهي مختلف در جدول (2-1) آورده شده است [2].
ساختار شيميايي اسيدهاي چرب متداول [2]
خواص روغن‌هاي گياهي به عنوان سوخت
خواص روغن‌هاي گياهي در جدول (2-2) آورده شده است. مطابق اين جدول محدوده ويسکوزيته سينماتيکي روغن‌هاي گياهي بين 30 تا 40 سانتي استوک در 38℃ است. ويسکوزيته بالاي اين روغن‌ها به‌واسطه جرم مولکولي بالاي آنها در محدوده 600-900 است و در حدود 20 برابر بزرگتر از سوخت ديزل است. نقطه اشتعال روغن‌هاي گياهي بسيار بالاست (حدود 200℃ ). مقادير ارزش حرارتي آنها در محدوده 39-40 Mj/kg است که قابل مقايسه با 45 Mj/kg براي سوخت ديزل است. حضور پيوندهاي شيميايي اکسيژن دار در روغن‌هاي گياهي ارزش حرارتي آنها را حدود 10% کاهش مي‌دهد. عدد ستان اين روغن‌هاي گياهي در محدوده 32-40 است [2].

خواص روغن‌هاي گياهي [2]

کاربرد روغن‌هاي گياهي به عنوان سوخت
بررسي‌ها نشان مي‌دهد که روغن‌هاي گياهي مي توانند به عنوان سوخت در موتورهاي ديزلي بکار گرفته شوند. شکل (2– 2) توان ترمزي2، مصرف سوخت ويژه3 و راندمان حرارتي ترمزي4 روغن‌های گياهي را نسبت به هم و در مقايسه با ديزل نمايش مي‌دهد.
درصد تغییرات توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه و راندمان حرارتی روغن‌های گیاهی و گازوئیل[3]
میزان آلایندگی روغن‌های گیاهی در مقایسه با دیزل[3]
ميزان آلايندگي روغن‌های گياهي در مقايسه با ديزل بيشتر است. شکل (2-3) سه آلاینده مهم را برای روغن‌های گیاهی و دیزل نمایش می‌دهد. تنها آلاينده ناکس کمتر از ديزل است و اين به سبب لزجت بالا و ساختار مولکولي سنگين روغن‌های گياهي است. در بار‌هاي بيشتر به علت احتراق ناقص تمايل براي تشکیل CO و دوده بيشتر وجود دارد و در کل آلاينده‌های HC و 〖CO〗_2 در موتور با سوخت روغن‌های گياهي به دليل مصرف سوخت ويژه بالاتر بيشتر است.
برخي از روغن‌های گياهي داراي خصوصياتي بسيار نزديک به ديزل هستند و مي توان آنها را به عنوان سوخت با پيش گرم کردن در موتور استفاده کرد.

تغييرات لزجت براي روغن جاتروفا درترکيب با ديزل وبه همراه پيشگرم کردن [4]
در شکل (2-4) مي توان تغییرات لزجت را براي جاتروفا در دماها و نسبت‌های ترکيب مختلف با ديزل متوجه شد. همانطور که مشاهده می‌شود مي توان در دما و ترکيب مناسب با ديزل لزجت سوخت را در محدوده استاندارد براي مصرف در موتور کاهش داد.
فورسون5 و همکارانش در سال 2002 در مقاله‌اي تحت عنوان عملکرد ترکيبات جاتروفا در موتور ديزل تأثیر اين روغن را بر پارامترها و آلايندگي موتور بررسي کردند. آنها آزمايش خود را بر روي يک موتور يک سيلندر براي ترکيبات مختلف ديزل و روغن جاتروفا (97.4-2.6 , 80-20 , 50-50 ) بدون پيش گرم کردن و باپيش گرم کردن سوخت انجام دادند [5] .
فورسون پارامترهاي مصرف سوخت ويژه ترمزي6، توان ترمزي7، تورک8، راندمان حرارتي ترمزي9 و ميزان آلاينده‌های خروجيco , 〖co〗_2 و گاز o_2 را بررسي کرد. در دورهايي از موتور که گشتاور خروجي بيشتر است، عملکرد روغن جاتروفا و ترکيبات کم آن با ديزل بهتر از ديزل خالص است به‌طوری که گشتاور و راندمان احتراق بيشتر شده، آلاينده CO و مصرف سوخت کاهش مي‌يابند. فورسون در آزمايش خود به اين نتيجه رسيد که نسبت 97.4 ديزل و 2.6 روغن جاتروفا داراي راندمان احتراق بهتر و مصرف سوخت ويژه کمتر، از ديزل است پس مي توان از روغن جاتروفا به عنوان يک افزودني براي بهبود احتراق ديزل استفاده کرد.
سال 2007 آگروال10 و همکارانش تحقيق ديگري تحت عنوان ويژگي آلاينده‌ها و عملکرد روغن جاتروفا (پيش گرم شده و بدون پيش گرمایش) در موتورهاي اشتعال تراکمي پاشش مستقيم انجام دادند.
آگروال از گرماي تلف شده گازهاي خروجي به منظور بالا بردن دما و کاهش ويسکوزيته سوخت استفاده کرد وتأثیر آن را بر دوده11، مصرف سوخت ويژه و ساير آلاينده‌ها در فشارهای پاشش مختلف بررسی کرد. آنها در یافتند که با پيش گرم کردن و کاهش ويسکوزيته سوخت مي توان به راندمان بالاتري دست یافت که سبب کاهش مصرف سوخت ويژه و آلاينده‌های خودرو به جزء ناکس می‌شود، البته در بارهاي کم (تقريبا زير %40) جاتروفا بدون پيش گرمایش عملکرد بهتري از خود نشان مي‌دهد. دوده در جاتروفا گرم شده کمتر از جاتروفاي بدون پيش گرمايش و بيشتر از ديزل معمولي است. جاتروفاي گرم شده مقدار کمتري〖CO〗_2 از ديزل معمولي توليد مي‌کند ولي مقدار 〖CO〗_2 کمتر از مقدار آن براي جاتروفاي بدون پيش گرمايش است. در بارهاي پايين مقدار CO تقريبا يکسان است، درحالي‌که در بارهاي بالاتر مقدار CO براي جاتروفاي پيش گرم شده بيشتر از ديزل و کمتر از روغن جاتروفاي بدون پيش گرمايش است. آلاينده HC در بارهاي جزئي12 براي تمام سوخت‌ها تمايل به کم شدن دارد ولي با افزايش بار افزايش مي‌يابد که اين به سبب کمبود اکسيژن به دليل افزايش نسبت اکويوالانس13 است. سوخت ديزل آلايندگي HC کمتري در مقايسه با جاتروفا توليد مي‌کند [6].
به طور کلي نتايج آزمايش‌ها نشان مي‌دهند که با پيش گرم کردن برخی روغن‌ها با استفاده از گازهاي خروجي، عملکرد و آلايندگي موتور ديزل بهبود مي‌یابد و ویژگی‌های سوخت را به ديزل معمولي نزديک مي‌کند.
پیشینه بیودیزل
استفاده مستقيم از روغن‌هاي گياهي به عنوان سوخت باعث بروز مشکلاتی در عملکرد موتور مي‌گردد. پاشش، اتميزه شدن و مشخصات احتراق روغن‌هاي گياهي در موتورهاي ديزلي کاملا متفاوت با سوخت ديزل است. ويسکوزيته بالاي روغن‌هاي گياهي باعث بروز مشکل در فرآیند پاشش سوخت شده و منجر به اتميزه شدن ناچيز سوخت مي‌گردد. ويسکوزيته بالا و فراريت پايين روغن‌هاي گياهي سبب بروز مشکل در حين راه اندازي سرد موتور، عدم ایجاد جرقه و تاخير در زمان جرقه زني مي‌گردد. افزايش رسوبات کربني، تشکيل دوده روي انژکتور، چسبندگي رينگ پيستون و رقيق شدن روغن از جمله مشکلات ناشي از استفاده مستقيم روغن‌هاي گياهي هستند. اين معايب به همراه واکنش‌پذيري روغن‌هاي گياهي غير‌اشباع سبب عملکرد نامناسب موتور در کارکردهاي طولاني مي‌گردد [2].
این مسأله در کنفرانس ASAE در سال 1982 مطرح گردید و به‌عنوان یکی از راه‌حل‌های مطرح در کنفرانس اصلاح ساختار شيميايي روغن‌هاي گياهي و تبديل آنها به بيوديزل مطرح شد تا مشکلات ارائه شده در بالا برطرف شوند.
ساختار بیودیزل
بیودیزل به سوخت‌هايي اطلاق می‌شود که منشا بيولوژيکي دارند و يک عنوان کلي برای گستره‌ای از سوخت‌هاي اکسيژن دهي شده با پايه استري نسبت داده می‌شود. بيوديزل ممکن است از روغن‌های آلي و چربي‌ها توليد شود. از ديدگاه علم شيمي، بيوديزل به استرهاي منوالکيل با زنجيرهاي بلند اسيد چرب که از بيوليپيدهاي تجديد پذير مشتق مي‌شوند منسوب می‌شود. بيوديزل به‌طور نمونه از طريق واکنش روغن نباتي يا چربي حيواني با متانول يا اتانول در حضور کاتاليزور براي حصول متيل يا اتيل استر (بيوديزل) و گليسيرين توليد می‌شود. استرهاي متيل يا اتيل اسيد چرب يا همان بيوديزل از روغن‌هاي طبيعي و چربي‌ها توليد می‌شود. معمولاً متانول بر تبادل استري به اتانول ترجيح داده می‌شود، زیرا که متانول از اتانول ارزان تر است و گلسيرين توليدي نيز در صنایع آرایشی و صابون سازي مصرف مي‌شود.
بیودیزل را مي توان به راحتي با گازوييل مخلوط و در خودروهاي گازوييل‌سوز استفاده کرد. نتايج تحقيق‌ها نشان داده است که اگر 20 درصد باک خودرو را با بيوديزل پر کنيم، هيچ نيازي به تغيير سيستم احتراق يا تغيير قطعات موتور نيست و مي توان اين سوخت را بدون هيچ مشکلی در موتورهاي امروزي استفاده کرد.
از آنجايى كه بيوديزل خاصيت حلال را دارد، مى تواند قطعاتى از موتور را كه از لاستيك و يا پلاستيک نامناسب تشكيل شده در خود حل نمايد و موجب صدمه زدن به قسمتهايى از موتور شود. با تعويض اين قسمتها با قطعات مناسب غيرمحلول در بيوديزل، شركتهاى توليدكننده، موتور ديزل متناسب با سوخت بيوديزل را توليد كرده‌اند. به همين خاطر بيوديزل خالص (B100) تنها در خودروهايى بايد مصرف شود كه موتور آنها براى اين نوع سوخت ساخته شده‌اند.
خواص و استاندارد‌های بیودیزل
بيوديزل شامل 10 الی 11 درصد اکسيژن است و بنابراين باعث بهبود فرآیند احتراق در موتور مي‌گردد. همچنين گزارش شده که کاربرد آمين‌ها و آميدهاي چرب سه گانه بر روي کيفيت احتراق بيوديزل تأثیر مثبت مي‌گذارد. علاوه بر اين بيوديزل داراي ارزش حرارتي پايين حدود 12 درصد، عدد ستان بالا و نقطه اشتعال بالا است. نقطه اشتعال بيوديزل 15الی 25 درجه سانتی‌گراد بالاتر از ديزل است.
خواص سوخت‌هاي ديزل و بيوديزل درجدول شماره (2-3) آورده شده است. نزديکي خواص اين دو سوخت به يکديگر نشان مي‌دهد که بيوديزل به عنوان سوختی جايگزين مناسب است [2].
خواص بيوديزل از روغن‌هاي مختلف [2]

پس از مطرح شدن سوخت بیودیزل لزوم استاندارد سازی آن محسوس شد تا شرکت‌های خودروسازی بتوانند با توجه به نوع و ساختار سوخت نسبت به طراحی موتورها اقدام نمایند. استانداردی که در سال 2001 توسط ASTM اعلام شده است، در جدول (2-4) نشان داده شده است. وجود استاندارد‌های بیودیزل از تولید بیودیزل‌های بی‌کیفیت جلوگیری نمود و شرکت‌ها را به افزایش کیفیت بیودیزل تشویق نمود و در عین حال موتورهای یورو 3 تولید شدند که قطعات لاستیکی و پلاستیکی آنها در مقابل بیودیزل مقاوم هستند.
استاندارد ASTM D6751 برای بیودیزل B100
یکا محدودیت روش بکار رفته توسط ASTM خاصیت مینیمم 130 D93 نقطه اشتعال درصد حجمی ماکزیمم 050/0 D2709 آب و رسوبات Mm2/sec 6-9/1 D445 ویسکوزیته جنبشی(در 40 درجه سلسیوس) درصد جرمی ماکزیمم 020/0 D874 خاکستر سولفاته درصد جرمی ماکزیمم 05/0 D5453 سولفور مینیمم 47 D613 ستان گزارش شده D2500 نقطه ابری شدن درصد جرمی ماکزیمم 050/0 D4530 کربن پس مانده Mg KOH/gm ماکزیمم 80/0 D664 عدد اسیدی درصد جرمی ماکزیمم 020/0 D6584 گلیسرین آزاد درصد جرمی ماکزیمم 240/0 D6584 کل گلیسرین درصد جرمی ماکزیمم 001/0 D4951 مواد فسفری ماکزیمم 360 D1160 دمای تقطیر(در شرایط جو)
معایب و مزایای بیودیزل
معايب
پايداري آن در مقابل اكسيداسيون كم است.
احتراق بيوديزل منجر به افزايش انتشار اكسيد‌هاي نيتروژن مي‌گردد.
استفاده از برخي از ترکيبات بيوديزل در هواي سرد گاهی منجر به بروز مشكلاتي در موتور می‌گردد.
بيوديزل به علت چگالي كم ذراتش معلق است.
مزايا
مضررات بيوديزل به لايه ي ازن نسبت به بقيه ي سوخت‌ها 50 % کمتر است. در سوخت‌هاي بيوديزل ذرات گوگرد که باعث باران اسيدي می‌شود تقريبا يافت نمی‌شود.
تجزيه پذيري بيشترآن، باعث كاهش انتشار آلاينده‌های اكسيد گوگرد و منواكسيد كربن و ذرات معلق، كاهش بو، دوده و ايمني بيشتر به هنگام استفاده و افزايش روانكاري موتور می شود.
همچنين بيوديزل بر روي موجودات دريايي هيچگونه اثر منفي ندارد در حالي که 1 ليتر بنزين خالص باعث آلوده شدن 1000000 ليتر آب خوردني می‌شود
اين روغن به علت داشتن اسانس گياهي طول عمر موتور را 2 برابر مي‌کند.
به علت بيشتر بودن مقدار ستان موجود در بيوديزل نسبت به بنزين, موتور با ضربه و حرکت کمتري کار مي‌کندبالا بودن مقدار ستان بيوديزل باعث افزايش کيفيت آن می‌شود [7].
شکل و عوامل مؤثر برمخروط و سرعت اسپري سوخت
يان جائو14 و همکارانش در سال 2009 در مقاله‌اي تحت عنوان مطالعه آزمايشگاهي ويژگي‌هاي اسپري بيوديزل‌هاي مبتني بر روغن‌های غير خوراکي، ویژگی‌های پاشش روغن‌های گياهي غير خوراکي را با استفاده از روش‌هاي آزمايشگاهي و شبيه سازي مورد مطالعه قرار دادند. ویژگی‌های بررسي شده عبارت از مطالعه نفوذ اسپري، زاويه راس مخروط اسپري و سرعت راس اسپري بودند که براي روغن پالم15، روغن پسماند خوراکی16 و روغن جاتروفا به عنوان بيوديزل‌ براي نسبت‌هاي D , B5 , B10 , B20 , B50 , B100 انجام شد. نتايج آزمايش‌ها براي نفوذ اسپري17 و زاويه راس اسپري نشان داد، ويسکوزيته و نفوذ اسپري با افزايش نسبت بيوديزل افزايش مي‌يابد، و زاويه راس مخروط اسپري با افزايش نسبت بيوديزل کاهش مي‌يابد. افزايش ويسکوزيته از پخش و شکستگی جت اسپري جلوگيري مي‌کند وسبب بزرگ شدن ذرات اسپري می‌شود. بزرگ شدن ذرات اسپري سبب افزايش ممنتوم ذرات و حرکت رو به جلو می‌شود [9].
آزمايش‌های دیگری که توسط هیون هون18 و همکارانش در سال 2009 انجام شد، حاکي از آن بود که نسبت حجم به سطح قطرات(SMD) و قطر قطرات (AMD) بيوديزل در مقايسه با سوخت ديزل بزرگ‌تر است که علت اين امر به‌واسطه بیشتر بودن ويسکوزيته و کشش سطحي بيوديزل در مقايسه با سوخت ديزل است [10].
ارزش حرارتی و دمای شعله آدیاباتیک
بررسي‌ها نشان مي‌دهد که براي متيل استر اسيدهای چرب، نسبت استوکيومتريک هوا به سوخت با افزايش طول زنجيره هيدروکربني و درجه اشباع بودن اسيدهاي چرب افزايش مي‌يابد. افزايش طول زنجيره هيدروکربني در متيل استرهاي اسيد چرب، شکل (2-5) منجر به افزايش ارزش حرارتي پايين و همزمان کاهش دماي آدياباتيک شعله مي‌گردد [11].

ارزش حرارتی و دمای شعله آدیاباتیک متیل استر اسیدهای چرب [11]
راندمان حرارتي
تحقيقي توسط ردي19 و همکارانش در سال 2006 انجام شد. آنها مطالعات پارامتري براي بهبود عملکرد جاتروفا بيوديزل را روي يک موتور چهار زمانه يک سيلندر انجام دادند. نتایج نشان داد که با افزايش آوانس پاشش و فشار پاشش و کاهش قطر پلانجر، راندمان حرارتي افزايش مي‌يابد [12].
در تحقيق ديگري که توسط بانپارمس20 و همکارانش صورت گرفت. آنها راندمان حرارتي را براي بيوديزل‌هاي بدست آمده از‌هانگ21، جاتروفا و کنجد22 را با ديزل مقايسه کردند و نتايج نشان داد راندمان حرارتی برای بيوديزل‌ها در توان ترمزی مشخص، کمتر از دیزل است و هرچه سوخت کمتر اشباع باشد این تفاوت بیشتر می‌شود [13].
تأثیر بازخورانی گازهای خروجی بر راندمان حرارتی توسط پرادیپ23 وهمکارانش بررسی شد. با افزودن گازهاي خروجي به هواي ورودي به ميزان %5 تا %15 راندمان حرارتي کمي‌افزايش مي‌يابد که به سبب افزايش سرعت احتراق به دليل گرم تر بودن هواي ورودي افزايش راندمان حرارتي اتفاق مي‌افتد. براي نسبت‌هايEGR بالاتر از %15 با افزايش بازخوراني گازهاي خروجي راندمان حرارتي کاهش مي‌يابد ولي نسبت کاهش آن براي جاتروفا بيوديزل کمتر از ديزل است. (براي ديزل %6.6 درصد و براي جاتروفا بيوديزل‌ حدود %4.9) [14].
تأثیر غلظت ترکيبات استر بر راندمان حرارتي حداکثر در شکل شماره (2-6) نشان داده شده است.

تأثیر غلظت ترکيبات استر بر راندمان حرارتي [15]
استفاده از کليه ترکيبات بيوديزل در مقايسه با سوخت ديزل منجر به دستيابي به راندمان حرارتي بالاتري مي‌گردد. ذکر اين نکته حائز اهميت است که ارزش حرارتي بيوديزل به‌واسطه حضور مقادير اساسي اکسيژن درآن حدودا 10% کمتر از سوخت ديزل است، اما به‌واسطه چگال‌تر بودن بيوديزل (0.88) در مقايسه با سوخت ديزل(0.85) محتواي انرژي آن در هر واحد حجمي حدودا 5% کمتر از سوخت ديزل است [15].
تأخیر اشتعال
ساهو24 و همکارانش در سال 2009 تأخیر اشتعال بيوديزل‌هاي جاتروفا، کارانجا و پولانگا را به‌صورت مجزا و ترکيب با ديزل معمولي مورد بررسي قرار دادند و در گزارش خود اعلام نمودند که با افزایش درصد بیودیزل تأخیر اشتعال کاهش می‌یابد. آنها دریافتند، ويسکوزيته بالاتر سبب کاهش زاويه راس مخروط و افزايش طول اسپري می‌شود که اين عوامل، باعث تاخير اشتعال بيشتر مي‌شوند، درحالی‌که، در بيوديزل‌ها به‌دلیل وجود اکسيژن در ساختار مولکولي آنها تاخير اشتعال نسبت به دیزل کمتر است. بين سه بيوديزل‌ فوق کمترين تاخير اشتعال مربوط به جاتروفا بيوديزل به اندازه 4.2 تا 5.9 درجه کمتر از ديزل بود [16].
باناپارمس تاخير اشتعال را براي جاتروفا بيوديزل محاسبه و آن را با ديزل معمولي و دو بيوديزل روغن کنجد و‌هالم در شکل (2-7) مقايسه کرده است.
تاخيراشتعال براي بيوديزل‌هاي متفاوت [13]
همانطور که از شکل ملاحظه می‌شود براي جاتروفا بيوديزل تاخير اشتعال در توان مشخص بيش از ديزل و ساير بيوديزل‌ها است، ولي با توجه به اينکه توان خروجي موتور هنگام کار با بيوديزل کاهش مي‌يابد در واقع تاخير اشتعال بيوديزل کمتر است.
فشار گازهاي حاصل از احتراق
در يک موتور احتراق تراکمي فشار سيلندر به کسر سوخت سوخته شده در طول مرحله پيش اختلاط (مرحله نخست احتراق) بستگي دارد. فشار سيلندر توانايي سوخت براي اختلاط بهتر با هوا را نشان مي‌دهد. پيک فشار بالاتر و ماکزيمم نرخ افزايش فشار متناسب با مقدار بيشتر سوخت سوخته شده در مرحله پيش اختلاط است. آگروال25 تأثیر بیودیزل بر فشار داخل سیلندر را در بارهای متفاوت بررسی نمود. نتایج حاکی از آن بود که افزودن بیودیزل به دیزل فشار داخل سیلندر را افزایش می‌دهد و سبب مقداری آوانس پیک فشار می‌شود.
دياگرام θ-P در حالت بي باري در دور RPM 1400 براي موتور پاشش مستقيم [15]
تحقیق صورت گرفته توسط ردی و همکارانش براي سوخت‌های بیودیزل و دیزل با EGR و بدون آن نشان مي‌دهد که با افزايش بار، پيک فشار نيز افزايش مي‌يابد و براي بيوديزل احتراق زودتر از ديزل اتفاق مي‌افتد، ولی با بازخورانی گازهای خروجی تا %15 دیاگرام فشار داخل سیلندر برای بیودیزل شبیه دیزل بدون بازخورانی گازهای خروجی است. آنها همچنین نشان دادند که با افزايش يا کاهش قطر پلانجر نسبت به مقدار استاندارد اوليه، پيک فشار کاهش مي‌يابد. زمانيکه قطر پلانجر از 7 به 8 ميلي متر تغیيير مي‌کند به خاطر افزايش نرخ پاشش و پيشرفت کم در تايمينگ ديناميکي پيک فشار کاهش مي‌يابد [12].

تاخير اشتعال و پيک فشار و پيک نرخ گرما برای سه نمونه بیودیزل [16]
ساهو26 و همکارانش در سال 2009 اثر بيوديزل‌هاي جاتروفا، کارانجا و پولانگا به صورت مجزا و ترکيب با ديزل معمولي مورد بررسي قرار دادند. آنها فشار احتراق داخل سيلندر را براي نسبت‌هاي مختلف بيوديزل‌هاي فوق بررسي کردند و نتايج براي حالت بدون بار نشان دادند که با افزايش درصد بیوديزل پیک فشار بالاتر مي رود [16].
نرخ گرماي آزاد شده
کم شدن نرخ گرمای آزاد شده در حین مصرف بیودیزل با کاهش تأخیر اشتعال ارتباط نزدیکی دارد. از این‌رو ارزش حرراتی پایین‌تر بیودیزل به کم شدن گرمای آزاد شده می‌انجامد.
بررسی نرخ گرماي آزادشده توسط ردی برای فشار‌های پاشش و قطر پلانجرهای متفاوت نشان می‌دهد که با افزايش فشار پاشش، نرخ گرماي آزاد شده بهبود مي‌يابد و اين به خاطر پودر شدن بهتر ذرات سوخت است. با کاهش قطر پلانجر از 8 به 7 ميلي متر نرخ آزادسازي گرما بهتر شده و به ديزل نزديک تر می‌شود.
مطالعه پرادیپ در مورد بازخورانی گازهای خروجی به موتور نشان داد که نرخ گرمای آزادشده در بیودیزل بیش از دیزل است ولی با بازخورانی %15 گازهای خروجی این نرخ بسیار شبیه به دیزل بدون EGR می‌شود.
بازه احتراق27
شکل (2-9) نمايش بازه احتراق را براي جاتروفا بيوديزل و ديزل نمايش مي‌دهد بازه احتراق براي جاتروفا بيوديزل 78 درجه و براي ديزل 80 درجه است. با بازخوراني گازهاي خروجي از اگزوز بازه احتراق 79 درجه می‌شود.
بازه احتراق جاتروفا بيوديزل‌ و ديزل و تأثیر %15 EGR بر آن [14]
توان و گشتاور خروجي از موتور
آلتين28 کاربرد روغن آفتابگردان، روغن پنبه دانه، روغن دانه سويا و متيل استرها را در يک موتور ديزل چهار زمانه پاشش مستقيم بررسي کرد. تغييرات تورک حداکثر و توان موتور براي سوخت‌هاي مختلف در دور RPM1300 و RPM 1700 در شکل‌های (2-10) و (2-11) نشان داده شده است.
تغييرات تورک موتور براي سوخت‌هاي مختلف در دور RPM 1300 [17]
حداکثر گشتاور موتور بوسيله سوخت ديزل در دور RPM 1300، برابر NM 1/43 بود که براي سهولت در مقايسه اين گشتاور بصورت 100% به عنوان مرجع در نظر گرفته شده است. با توجه به نمودار مشاهده می‌شود که تورک حداکثر حاصل از احتراق روغن‌هاي گياهي کمتر از سوخت ديزل است. حداکثرتوان موتور بوسيله سوخت ديزل در دور RPM 1700، برابر KW 45/7 بود که براي سهولت در مقايسه اين توان بصورت 100% به عنوان مرجع در نظر گرفته شده است. با توجه به نمودار مشاهده می‌شود که توان موتوري حاصل از احتراق روغن‌هاي گياهي کمتر از سوخت ديزل است [17].
تغييرات تورک موتور براي سوخت‌هاي مختلف در دور RPM 1700 [17]
در سال 2010 جيندل29 و همکارانش در مقاله‌اي تحت عنوان شواهد آزمايشگاهي تأثیر نسبت تراکم و فشار پاشش بر روي موتور ديزل پاشش مستقيم با جاتروفا متيل استر، اثر تغيير پارامترهاي طراحي موتور را روي احتراق و عملکرد موتور براي جاتروفا متيل استر بررسي کردند. نتایج نشان می‌داد، توان ترمزي توليد شده توسط جاتروفا بيوديزل کمتر از ديزل معمولي است. با بالا بردن نسبت تراکم بيشتر از حالت اوليه موتور (17.5) و افزايش فشار پاشش نسبت به فشار پاشش ديزل معمولي (210 بار)، توان ترمزي افزايش مي يافت. بهینه فشار پاشش 250 بار و با افزايش نسبت تراکم تا 18 توان ترمزي بهبود مي يافت [18].
مصرف سوخت ويژه (BSFC)
جیندل ميزان مصرف سوخت ويژه جاتروفا بيوديزل با ديزل معمولي را برای نسبت تراکم و فشار پاشش‌های متفاوت مقايسه کرد و نشان داد که مصرف جاتروفا بيوديزل در حالت استاندارد حدود 25 تا 34 درصد بيش از ديزل است ولی می‌توان با افزایش فشار پاشش و نسبت تراکم میزان مصرف سوخت را کاهش داد [18].
تأثیر بازخورانی گازهای خروجی بر مصرف سوخت ويژه توسط پرادیپ نشان داد که با افزايش بازخورانی گازهاي خروجي تا %5 درصد مصرف سوخت ويژه جاتروفا بيوديزل کاهش يافته و حتي در %5 به ديزل مي‌رسد و پس از آن از ميزان اوليه بالاتر رفته ولي تقريبا ثابت مي ماند [14].
دماي گازهاي خروجي
آگروال تغييرات دماي گازهاي خروجي را براي سوخت ديزل و بيوديزل مقايسه کرد. مطابق با مشاهدات ایشان دماي گازهاي خروجي در کليه ترکيبات بيوديزل در مقايسه با سوخت ديزل در برابر بار کمتر بود که علت اين امر را کمتر بودن ارزش حرارتي بيوديزل در مقايسه با سوخت معرفی کردند [15].
تشکيل رسوب‌های کربني
رسوب‌های کربني براي موتوري که با سوخت بيوديزل کار مي‌کند، کمتر از موتوري است که با سوخت ديزل کار مي‌کند. با اندازه‌گيري جرم رسوبات تشکيل شده، مشاهده می‌شود که ميزان رسوب‌ها کربني با سوخت بيوديزل %40 کمتر از سوخت ديزل است [15].
ميزان فرسايش
با اندازه‌گيري فرسايش اجزا اصلي از قبيل رينگ‌ها و ياتاقان‌هاي گوناگون پس از کارکردهاي طولاني‌مدت موتور مشاهده شده، ميزان فرسايش اجزای متحرک در موتوري که با سوخت بيوديزل کار مي‌کند حدودا %30 کمتر از موتوري است که با سوخت ديزل کار مي‌کند [15].
آلایندگی
از جمله آلاينده‌های مهم خروجي موتور مي‌توان مونواکسيدکربن، دي‌اکسيدکربن، ناکس، دوده و هيدروکربن‌هاي نسوخته را نام‌برد. هيدروکربن‌هاي نسوخته به دو بخش هيدروکربن‌هاي آلکاني و آروماتيک تقسيم مي‌شوند.
آلاينده CO
به‌طور کليCO خروجي از اگزوز موتور در نسبت‌هاي بيوديزل زير %50 کمتر از ديزل است ولي زماني که نسبت بيوديزل‌ به بيش از اين مقدار مي‌رسد، چنانچه زنجيره کربني بيوديزل بلند باشد و داراي پيوندهاي دوگانه يا شاخه‌های کربنی باشد پس از اضافه کردن بيوديزل مقدار دماي گازهاي خروجي کاهش مي‌يابد و آلاينده CO افزايش مي‌يابد که بيشتر در بيوديزل‌هاي مبتني بر روغن‌های گياهي غير خوراکي ديده می‌شود. بازخورانی گازهای خروجی در درصد‌های کم تأثیر چندانی بر میزان مونواکسيدکربن ندارد ولی با افزایش آن به بیش از %15 سبب افزایش شدید CO می‌شود. با افزايش نسبت تراکم ميزان CO کاهش مي‌يابد و با افزايش فشار پاشش، مرحله احتراق ديفيوژن ضعيف می‌شود که سبب افزايش CO می‌شود [13، 14 و 18].
آلاينده 〖CO〗_2
مقدار دي‌اکسيدکربن براي بیوديزل بیشتر از دیزل است. احتراق بهتر بیودیزل سبب افزایش دي‌اکسيدکربن با افزايش نسبت تراکم و فشار پاشش مي‌شود که نشان از بهبود احتراق و راندمان بالاتر احتراق است [18].
آلاينده 〖NO〗_x
درحالي‌که



قیمت: تومان

دسته بندی : مقاله و پایان نامه

دیدگاهتان را بنویسید