Cercetări privind utilizarea biocarburanților pentru ...old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL DE AUTOVEHICULE ȘI TRANSPORTURI

Ing. Bogdan Cornel BENEA

Cercetări privind utilizarea biocarburanților

pentru motoarele de autovehicule

Researches on the usage of biofuels for

vehicles engines

Conducător științific

Prof. dr. ing. Anghel CHIRU

Brașov

2014

Cercetări privind utilizarea biocarburanţilor pentru motoarele de autovehicule

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei)

..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 6555 din 30.04.2014

PREŞEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Ioan Calin ROSCA

DECAN – Facultatea de Inginerie Mecanica Universitatea “Transilvania” din Brasov

CONDUCĂTOR - Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU ŞTIINŢIFIC: Universitatea “Transilvania” din Brasov

REFERENŢI: - Prof. univ. dr. ing. Nicolae APOSTOLESCU Universitatea „Politehnica” din Bucuresti

- Prof. univ. dr. ing. Tudor PRISECARU Universitatea „Politehnica” din Bucuresti

- Prof. univ. dr. ing. Gheorghe BOBESCU Universitatea „Transilvania” din Brasov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat:

4.07.2014, ora 11, sala UII3, Aula Universității ”Transilvania” din Brașov

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa: [email protected].

Totodată, vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulţumim.


3

Cuprins

1 Evaluarea potenţialului energetic mondial .................................................................7

1.1 Introducere ...................................................................................................7

1.2 Sinteza resurselor energetice .........................................................................7

1.2.1 Petrol, gaze naturale, cărbuni ........................................................................................ 7

1.2.2 Energia nucleară ............................................................................................................. 9

1.2.3 Energie din surse regenerabile ....................................................................................... 9

1.3 Evoluția parcului auto.................................................................................. 12

1.4 Emisiile poluante ......................................................................................... 13

1.5 Concluzii ..................................................................................................... 15

1.6 Obiectivele lucrării ...................................................................................... 16

1.7 Conţinutul lucrării ....................................................................................... 16

2 Biocombustibili pentru motoare de autovehicule...................................................... 17

2.1 Introducere ................................................................................................. 17

2.2 Biomasa ...................................................................................................... 18

2.3 Biocombustibili ........................................................................................... 19

2.3.1 Bioetanolul ................................................................................................................... 21

2.3.2 Biogazul ........................................................................................................................ 22

2.3.3 Biohidrogenul ............................................................................................................... 22

2.3.4 Biodieselul .................................................................................................................... 23

2.3.5 BtL ................................................................................................................................ 26

2.4 Concluzii ..................................................................................................... 26

3 Tehnologii de producere a biodieselului ................................................................... 27

3.1 Introducere ................................................................................................. 27

3.2 Materii prime .............................................................................................. 27

3.3 Utilizarea uleiurilor vegetale drept combustibil ............................................ 29

3.4 Procesul de transesterificare ....................................................................... 30

3.5 Efectele asupra mediului ale biocarburanţilor .............................................. 34

3.5.1 Gaze cu efect de seră ................................................................................................... 34

3.5.2 Emisii toxice din gazele de evacuare ............................................................................ 35

3.6 Costuri de producţie .................................................................................... 37

3.7 Transportul şi stocarea biodieselului ............................................................ 37

3.8 Concluzii ..................................................................................................... 38

4 Analiza în mediu virtual a proceselor de ardere din motoarele cu aprindere prin

comprimare, alimentate cu biocarburanți .................................................................................... 39

4.1 Modelarea proceselor din camera de ardere a m.a.c. ................................... 39

4.2 Software-uri utilizate ................................................................................... 47

4.2.1 AVL Boost ..................................................................................................................... 47

4.2.2 AVL Fire ........................................................................................................................ 48

4.3 Concluzii cu privire la analiza in mediu virtual .............................................. 50

5 Echipamente, tehnici și proceduri destinate cercetării experimentale ........................ 53


4

5.1 Obiectivele şi etapele cercetării experimentale ............................................ 53

5.2 Caracteristicile fizico-chimice ale biocarburanților........................................ 54

5.3 Echipamente pentru achiziţia şi prelucrarea datelor ..................................... 56

5.3.1 Standul de încercare a motoarelor ............................................................................... 56

5.3.2 Echipamente pentru determinarea consumului de carburant ..................................... 58

5.3.3 Sistemele de condiţionare a temperaturii lichidelor .................................................... 59

5.3.4 Echipamente pentru evaluarea emisiilor poluante din gazele de evacuare ................. 59

5.3.5 Echipamente pentru măsurarea parametrilor indicaţi ................................................. 60

5.4 Metodica cercetării experimentale .............................................................. 63

6 Rezultatele cercetărilor experimentale .................................................................... 64

6.1 Cercetarea parametrilor energetici și ecologici ai motorului ......................... 64

6.1.1 Evoluţia parametrilor energetici ................................................................................... 65

6.1.2 Parametrii ecologici ...................................................................................................... 69

6.2 Concluzii ..................................................................................................... 78

7 Concluzii. Contribuţii personale ............................................................................... 80

7.1 Concluzii finale ............................................................................................ 80

7.2 Contribuţii personale .................................................................................. 84

7.3 Direcţii viitoare de cercetare ....................................................................... 85

7.4 Diseminarea rezultatelor ............................................................................. 85

8 Bibliografie ............................................................................................................. 85

Rezumat ......................................................................................................................... 89

CV (română) ................................................................................................................... 91

CV (engleză) .................................................................................................................... 92


5

Contents

1 Assessment of potential global energy .......................................................................7

1.1 Introduction ..................................................................................................7

1.2 Syntesis of energy .........................................................................................7

1.2.1 Oil, gas, coal ................................................................................................................... 7

1.2.2 Nuclear energy ............................................................................................................... 9

1.2.3 Renewable energy .......................................................................................................... 9

1.3 Evolution of the car fleet ............................................................................. 12

1.4 Pollutant emissions ..................................................................................... 13

1.5 Conclusions ................................................................................................. 15

1.6 Thesis objectives ......................................................................................... 16

1.7 Content of the paper ................................................................................... 16

2 Biofuels for vehicle engines...................................................................................... 17

2.1 Introduction ................................................................................................ 17

2.2 Biomass ...................................................................................................... 18

2.3 Biofuels ....................................................................................................... 19

2.3.1 Bioethanol .................................................................................................................... 21

2.3.2 Biogas ........................................................................................................................... 22

2.3.3 Biohydrogen ................................................................................................................. 22

2.3.4 Biodiesel ....................................................................................................................... 23

2.3.5 BtL ................................................................................................................................ 26

2.4 Conclusions ................................................................................................. 26

3 Tehnologies for biodiesel production........................................................................ 27

3.1 Introduction ................................................................................................ 27

3.2 Raw materials ............................................................................................. 27

3.3 Vegetable oils as fuel ................................................................................... 29

3.4 The process of transesterification ................................................................ 30

3.5 Environmental effects of biofuels ................................................................ 34

3.5.1 Greenhouse gases ........................................................................................................ 34

3.5.2 Toxic emissions from exhaust gases ............................................................................ 35

3.6 Production costs .......................................................................................... 37

3.7 Transport and storage of biodiesel ............................................................... 37

3.8 Conclusions ................................................................................................. 38

4 Virtual environment analysis of compression ignition internal combustion engine fueled

with biofuels ................................................................................................................... 39

4.1 Process modeling from combution chamber of compression ignition engine .39

4.2 Software use ............................................................................................... 47

4.2.1 AVL Boost ..................................................................................................................... 47

4.2.2 AVL Fire ........................................................................................................................ 48

4.3 Conclusions ................................................................................................. 50

5 Equipments, tehniques and procedures for experimental researrch........................... 53

5.1 Objectives and stages of experimental research ........................................... 53

5.2 The physico-chemical properties of biofuels ................................................. 54


6

5.3 Data acquisition and processing equipment ................................................. 56

5.3.1 Engine test system ........................................................................................................ 56

5.3.2 Equipment for determinig fuel flow measurement ...................................................... 58

5.3.3 Conditioning modules for liquids temperature ............................................................ 59

5.3.4 Equipments for evaluating the exhaust emissions ....................................................... 59

5.3.5 Equipments for measuring the indicated parameters .................................................. 60

5.4 Experimental research methodology ........................................................... 63

6 Experimental research results .................................................................................. 64

6.1 Energy and environmental research of the engine parameters ..................... 64

6.1.1 The evolution of the energetic parameters .................................................................. 65

6.1.2 Ecological parameters ................................................................................................... 69

6.2 Conclusions ................................................................................................. 77

7 Conslusions. Personal contributions ......................................................................... 80

7.1 Final conclusions ......................................................................................... 80

7.2 Personal contributions ................................................................................ 84

7.3 Future research direction ............................................................................ 85

8 References .............................................................................................................. 85

Short abstract ................................................................................................................. 89

CV (romanian) ................................................................................................................. 91

CV (english) ..................................................................................................................... 92


7

1 Evaluarea potenţialului energetic mondial

1.1 Introducere

În mare măsură producţia mondială de energie necesară propulsiei autovehiculelor se

bazează pe combustibili fosili proveniți din: cărbune, ţiţei şi gaze naturale. Deoarece

timpul de obţinere a combustibililor fosili este de milioane de ani, rezervele sunt limitate.

Singura sursă de carbon regenerabilă, care poate fi utilizată ca substituent pentru

combustibilii fosili este biomasa. Biomasa este formată din vegetaţie, organisme,

deşeuri municipale solide, deşeuri obţinute din epurarea apei menajere, deşeuri

animale, gunoi de grajd, reziduuri din agricultură, silvicultură şi anumite deşeuri

industriale. Spre deosebire de combustibilii fosili, biomasa este regenerabilă, având

nevoie de un timp scurt pentru înlocuirea materiei prime consumate.

În același timp se estimează o creştere a consumului de gaze naturale pentru

autovehiculele grele datorită preţului redus al acestora. De asemenea, consumul de

motorină produsă din ţiţei va scădea prin creşterea consumului de motorină produsă

prin tehnologia GtL (gas-to-liquid). Consumul de gaze naturale folosit la autovehicule

(inclusiv cel utilizat la producere de GtL) este estimat pentru anul 2040 la 40 miliarde

m3. El înlocuiește un consum de 0,7 milioane barili/zi ţiţei [134].

1.2 Sinteza resurselor energetice

1.2.1 Petrol, gaze naturale, cărbuni

Rezervele de petrol sunt estimate în funcţie de datele geologice, care pot fi exploatate

în condiţiile economice de astăzi şi cu tehnologiile actuale. Rezervele raportate de

Oil&Gas Journal la data de 1 ianuarie 2013 sunt estimate la 1638 miliarde de barili, sunt

cu 7% mai mari decât cele estimate în 2012. Conform Oil&Gas Journal aproximativ

51% din rezerve sunt localizate în Orientul Mijlociu, şi peste 80% sunt concentrate în

sașe ţări membre OPEC. (Figura 1.4)[135].

Gazele naturale reprezintă un combustibil mai atractiv din punct de vedere al poluării

faţă de cei fosili. Ele sunt folosite pentru producerea de energie electrică, în sectoarele

industriale datorită emisiei de carbon, mai scăzută comparativ cu cărbunele şi petrolul.

Ele sunt atractive în ţările cu politică de reducere a emisiei de gaze cu efect de seră.


8

Figura 1.4 Rezervele mondiale de petrol [135]

Pentru anii următori (până în 2040) se estimează o creştere a consumului de gaze

naturale pentru uz industrial cu 1,5%/an şi cu 2%/an pentru producerea de energie

electrică [135].

Cărbunele reprezintă un element important al tehnologizării. Procesul de formare al

cărbunelui a început cu sute de milioane de ani în urmă. Cărbunele este rezultatul

carbonizării materiilor vegetale supuse la temperaturi şi presiuni ridicate. Principalele

elemente componente ale cărbunelui sunt: carbonul, hidrogenul, sulful, oxigenul şi

azotul. Principalele tipuri de cărbune sunt: huila, antracitul, lignitul şi turba.

Cărbunele este utilizat pentru producerea de cocs metalurgic şi de energie electrică.

Gazeificarea şi lichefierea cărbunelui îl fac o resursă atractivă pentru viitor. Prin

gazeificarea cărbunelui se obţine un amestec de hidrogen şi monoxid de carbon , care

poate fi transformat în: benzină şi motorină sintetică, metanol, amoniac, etc.

0

50

100

150

200

250

300

350m

ilia

rde

ba

rili


9

1.2.2 Energia nucleară

Energia nucleară este utilizată cu preponderenţă în ţările OECD din America, Europa şi

Asia. Accidentul de la Fukushima (Japonia) a avut un impact deosebit asupra producţiei

de energie nucleară. Cantitatea de energie nucleară dezvoltată în anul 2012 a scăzut

față de 2011 cu 6,9% pentru al doilea an consecutiv.

În luna iulie 2013 existau 432 reactoare nucleare în folosinţă şi 68 de reactoare

nucleare în construcţie. Reactoarele nucleare în folosinţă au o capacitate totală de

371870 MW, furnizând 13% din energia electrică mondială [157].

Tehnologia nucleară este folosită nu numai pentru generarea de energie electrică.

Căldura produsă prin descompunerea unui element radioactiv, de obicei plutoniu-238,

este utilizată pentru a genera energie electrică, care alimentează sondele spaţiale

Voayager, misiunea Cassini spre Saturn, misiunea Galileo spre Jupiter. Vehiculele de

pe Marte folosesc atât enegia solară cât şi energia nucleară.

În viitor, energia electrică sau căldura generate de centralele nucleare vor putea fi

folosite pentru producerea de hidrogen folosit în celulele de combustie sau ca sursă de

încălzire fără compuşi poluanţi.

1.2.3 Energie din surse regenerabile

1.2.3.1 Hidroenergia

Beneficiile utilizării apei pentru producerea de energie electrică sunt: preţ de cost redus,

emisii poluante minime, durată de utilizare mare, regularizarea cursurilor apelor, sursa

de alimentare pentru irigaţii. Dezavantajele hidrocentralelor: necesitatea unui spaţiu

foarte mare, care poate conduce la distrugerea habitatului natural al animalelor,

blocarea deplasării peştilor, care poate conduce la dispariţia unor specii.

O cincime din energia electrică mondială se produce prin hidroenergie. În anul 2010

energia electrică produsă de hidrocentrale a fost de 3516 TWh.

1.2.3.2 Energia eoliană

Producţia de energia eoliană a înregistrat în anul 2012 o creştere cu 19% faţă de anul

2011, sub rata anuală a ultimilor 10 ani de 22%, ajungând la 282,5 GW. Energia eoliană

este prezentă în 79 de ţări, din care 24 au o putere instalată de peste 1000 MW [72].

În Figura 1. este prezentată evoluția puterii instalate în ultimii ani.


10

Figura 1.11 Puterea anuală instalată pe regiuni [72]

1.2.3.3 Bioenergie

Biomasa

Biomasa rerpezintă partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din

agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe,

precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane [20]. Datorită creşterii

preţului combustibililor fosili, utilizarea biomasei pentru producerea de energie necesară

industriei, construcţiilor şi transporturilor a cunoscut o valorificare superioară în ultimii

ani. Biomasa şi bioenergia reprezintă un domeniu prioritar în politica energetică prin

avantajele pe care le prezintă: disponibilitatea materiei prime, reducerea emisiei de

CO2.

Pe lângă rolul de materie primă în industria alimentară şi chimică, biomasa reprezintă

10% din energia globală primară. Ea este a patra sursă de energie după petrol, cărbune

şi gaze naturale.

Potenţialul culturilor energetice depinde de suprafeţele de pământ disponibile, de

politicile de protecţie a mediului și de gestionarea durabilă a solului şi a apei.

Biomasa poate fi utilizată pentru a produce: combustibili pentru autovehicule, energie

electrică şi căldură. În Figura 1.1 sunt prezentate cele mai uzuale categorii de biomasă

provenind din agricultură, silvicultură şi deşeuri organice şi căile de conversie, care se

preconizează a fi funcţionale până în anul 2020 [62].


11

Figura 1.1 Conversia biomasei în energie [62]

Biocombustibilii pentru mijloacele de transport pot fi grupați în două categorii:

• Biocarburanți de generația I - disponibili comercial. Tehnologia de obţinere este

simplă. Ea poate asigura prelucrarea materiilor prime specifice: trestie şi sfeclă

de zahăr, seminţe oleaginoase şi amidon.

• Biocarburanți de generația a II-a – încă nu sunt disponibili comercial. Se

estimează să devină viabili în următorii zece ani. Se folosesc materii prime

celulozice (culturi perene, reziduuri forestiere, paie). Ei sunt produși sintetici din

biogaz obținut prin gazeificarea sau fermentarea produselor vegetale (lemn,

produse vegetale, deșeuri vegetale, etc).

Energia geotermală

Resursele geotermale pot furniza energie sub formă de căldură sau electricitate,

energia estimată este de 805 PJ (805.1015J). Două treimi din energia geotermală sunt

folosite direct pentru încălzire [119].

Energia oceanelor

După inaugurarea în anul 2011 a proiectului ce permite folosirea energiei valurilor cu o

putere de 254 MW în Coreea de Sud, în anul 2012 au mai fost realizate câteva proiecte

Mat

eria

pri

mă seminţe oleaginoase,

uleiuri uzate, grăsimi animale

culturi de zahări şi amidon

biomasă lignocelulozică (lemn, paie, deşeuri municipale)

deşeuri biodegradabile, resturi de epurare, gunoi de grajd, deşeuri umede, alge

Met

od

e d

e co

nve

rsie ardere

transesterificare sau hidrogenare

hidroliză+fementare

gazeificare + (proces secundar)

piroliză + (proces secundar)

fermentare anaerobă;

alte metode de conversie chimică/biologică

Pro

du

se f

inal

e CĂLDURĂ

ELECTRICITATE

COMBUSTIBILI

gazosi - biometan

lichizi - biodiesel, bioetanol, metanol


12

cu puteri mici. SUA a început furnizarea de electricitate folosind o staţie de 180kW,

Finlanda a dat în folosinţă trei generatoare de 100 kW.

Energia solară

Piaţa energiei solare a avut o creştere puternică la nivel mondial, ajungând la sfârşitul

anului 2012 la o capacitate de 100 GW.

Europa domină piaţa, dezvoltând noi câmpuri de panouri fotovoltaice cu o capacitate de

16,9GW (57%). La sfârşitul anului 2012 Europa avea panouri voltaice operaţionale cu o

putere de 70GW. Faţă de anii anteriori se remarcă un declin creat de reducerea

stimulentelor fiscale şi a incertitudinii politice. Panourile fotovoltaice instalate în anul

2012 reprezintă 37% din noile surse de energie la nivel european. Principalele ţări

producătoare de energie folosind panouri fotovoltaice sunt prezentate în Figura 1.15

[119].

Figura 1.15 Principalele ţări producătoare de energie folosind celule fotovoltaice [119]

1.3 Evoluția parcului auto

Astăzi automobilul este indispensabil activității cotidiene și economice, sectorul

transporturilor s-a dezvoltat foarte mult, constituind o sursă impotantă de poluare. Pe

șoselele Europei rulează cele mai multe autovehicule, repezentând aproximativ 30% din

numărul de autovehicule existente la nivel mondial (Tabelul 1.21).

Germania 32.3%

Italia16.1%

SUA7.3%

China7.1%

Japonia6.7%

Spania5.1%

Franţa4.0%

Belgia2.6%

Australia2.4%

Cehia2.1%

Alte ţări Europa7.5%

Restul lumii6.8%


13

Tabelul 1.21 Evoluția numărului de autovehicule în uz [153]

Continent 2006 2008 2010 2012

mii unități

Europa 329376 343392 353962 367767

America de Nord 288408 298541 299768 306658

America Centrală și de Sud 51954 59781 67700 78044

Asia, Oceania, Orientul Mijlociu 227175 257769 299689 352589

Africa 28270 32355 35291 38172

Total 925184 992379 1056409 1143231

Autovehiculele europene sunt cele mai sigure, silențioase și mai putin poluante. Un

autovehicul produs în anii 1970 avea emisii poluante echivalente a 100 de autovehicule

actuale, iar poluarea fonică s-a redus cu 90%.

Preocupările producătorilor de autovehicule sunt concentrate pe reducerea consumului

de combustibil și a emisiei de CO2. În Tabelul 1.23 este prezentată evoluția emisiei de

CO2 pentru noile autovehicule în perioada 2007-2012.

Tabelul 1.23 Emisia medie de CO2 pentru noile autovehicule [1]

Țara Emisia medie de CO2 2012

[g/km]

% 2012/2007

Danemarca 117 -25,7

Portugalia 119 -16,6

Olanda 123 -25,1

Franța 124 -16,8

Grecia 127 -22,9

Italia 128 -13,1

Spania 132 -16,0

Marea Britanie 133 -18,8

Austria 138 -15,0

Finlanda 139 -21,7

Suedia 139 -23,3

Germania 141 -17,0

1.4 Emisiile poluante

Diminuarea surselor care produc poluarea mediului reprezintă o preocupare primordială

la nivel mondial. Arderea combustibililor fosili contribuie cu prioritate la poluarea aerului.

Emisiile poluante iau naştere din toate activităţile economice şi sociale. În ultimii ani,


14

emisiile anumitor poluanţi au scăzut în Europa: dioxidul de sulf (SO2), monoxidul de

carbon (CO), benzenul (C6H6), în timp ce alţi poluanţi se menţin la un nivel care poate

pune în pericol sănătatea. Emisiile de particule şi de ozon (O3) prezintă un risc ridicat

pentru sănătatea umană.

Principalele efecte ale poluării sunt:

• Afectarea sănătăţii umane prin expunerea sau inhalarea poluanţilor atmosferici,

sau prin ingerarea poluanţilor acumulaţi în mâncare;

• Acidificarea ecosistemului (terestru şi acvatic), care afectează fauna şi flora;

• Eutrofizarea ecosistemului, care duce la dispariţia anumitor specii de plante şi

animale;

• Daune şi randament scăzut pentru culturile agricole, datorită expunerii la O3;

• Acțiunea metalelor grele şi a poluanţilor organici asupra ecosistemelor;

• Contribuţii la schimbările climaterice;

• Reducerea vizibilităţii atmosferice;

• Deteriorarea patrimoniului cultural datorită depunerii de particule şi expunerii la

poluanţi acizi.

Printre poluanţi se regăsesc şi elemente care se află în mod natural în atmosferă. Unul

din aceştia este dioxidul de carbon (CO2). Dioxidul de carbon este principalul gaz cu

efect de seră emis datorită activităţilor umane: arderea combustibililor fosili (cărbune,

gaze naturale, petrol) pentru producerea de energie şi pentru transport, procesele

industriale şi schimbarea destinaţiei terenurilor agricole.

În perioada 1971 – 2010 emisiile de CO2 au crescut cu 152%, ajungând la 30,27.109

tone CO2 (Figura 1.16). În anul 2010, 43% din emisiile de CO2 au fost produse prin

arderea cărbunelui, 36% prin arderea petrolului şi 20% prin arderea gazului natural [88].


15

Figura 1.16 Evoluţia emisiilor de CO2 între 1971 – 2010

1.5 Concluzii

Motoarele cu ardere internă vor continua să domine tehnologia transporturilor, utilizând

combustibili lichizi produși din surse fosile și regenerabile. Biocombustibilii reprezintă

cea mai bună opțiune pentru înlocuirea combustibililor fosili [40].

UE are ca obiectiv creşterea ponderii energiilor regenerabile până la 20% în 2020.

Directiva 2009/28/EC prevede folosirea a 10% biocarburant în combustibilii fosili pentru

mijloacele de transport până în 2020.

Preţul ridicat al petrolului face din biocarburanţi şi din combustibilii sintetici o alternativă

viabilă din punct de vedere economic. Trebuie găsite surse alternative de energie

pentru a putea face faţă cererii crescute de energie din toate domeniile.

În acest context, aditivarea carburanților cu biocombustibili, sau combustibili sintetici de

generația a doua, constituie o direcție de acțiune pentru viitor. Altă direcție poate fi

aceea a dezvoltării unor noi surse energetice, nepoluante.

Pentru a evidenția limitele performanțelor ecologice, dar și a celor energetice, ale

motoarelor cu ardere internă pentru automobile, alimentate cu combustibili fosili aditivați

cu biocarburanți, în prezenta lucrare, au fost întreprinse cercetări ample în domeniul

proceselor de ardere.

În vederea desfășurării unor cercetări cu finalizare practică, au fost stabilite obiectivele

lucrării de doctorat.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

mil

ioa

ne

to

ne

CO

2


16

1.6 Obiectivele lucrării

Prezenta lucrare are ca obiectiv principal cercetarea influenţei caracteristicilor fizico-

chimice ale biocarburanţilor asupra parametrilor energetici şi ecologici ai motoarelor cu

ardere internă.

În urma studiilor efectuate asupra stadiului actual al utilizării biocarburanţilor şi a

influenţei acestora asupra emisiilor poluante ale motoarelor cu aprindere prin

comprimare s-au stabilit următoarele obiective:

- realizarea unui studiu al resurselor energetice mondiale, neregenerabile și

regenerabile;

- analiza emisiilor poluante și efectele acestora asupra mediului înconjurător;

- studiul biomasei ca materie primă pentru producerea de biocarburanți;

- evaluarea potențialului energetic al biocarburanților;

- alegerea unor uleiuri neconvenționale pentru realizarea de biodiesel;

- obținerea de biocarburanți, ca o resursă alternativă pentru propulsia

autovehiculelor;

- stabilirea caracteristicilor fizico-chimice ale biocarburanţilor testaţi;

- simularea proceselor de ardere din cilindru pentru alimentarea motorului cu

motorină şi diverse tipuri de biocarburanţi (concentraţii de 6% şi 10%);

- realizarea programului de cercetări experimentale a motorului alimentat cu

motorină şi diferite amestecuri de biocarburanţi;

- testarea diferitelor tipuri de biocarburanţi pentru stabilirea influenţelor acestora

asupra parametrilor ecologici şi energetici ai motorului;

- analiza şi prelucrarea datelor obţinute în urma testării experimentale;

- analiza emisiilor poluante produse de motorul alimentat cu biocarburant;

- interpretarea comparativă a rezultatelor, definirea direcţiilor viitoare de cercetare;

- opinii, concluzii, recomandări privind utilizarea biocarburanților.

1.7 Conţinutul lucrării

În capitolul 1 se prezintă o sinteză a resurselor energetice actuale, atât cele fosile:

petrol, gaze naturale, cărbuni, cât şi cele alternative: energie nucleară, hidroenergie,

energie eoliană, bioenergie, energie geotermală, energia oceanelor, energia solară şi o

sinteză a emisiilor poluante.


17

În capitolul 2 sunt prezentate diferitele tipuri de biocarburanţi: biomasa, clasificarea

biocarburanţilor, materia primă din care sunt obţinuţi, procesul de obţinere, influenţa

biocarburanţilor asupra mediului.

În capitolul 3 se prezintă materiile prime, procesul de obţinere al biodieselului,

caracteristicile diferitelor uleiuri vegetale şi a metil-esterilor, performanţele energetice

ale producţiei de biodiesel, efectele producţiei biodieselului asupra mediului, costurile

de producţie ale biodieselului, transportul şi stocarea biodieselului.

În capitolul 4 se prezintă modelul matematic al procesului de ardere din motoarele cu

aprindere prin comprimare şi al formării emisiilor poluante, rezultatele simulărilor din

programele AVL Boost şi AVL Fire efectuate pentru motorină şi amestecuri de

biocarburanţi. Ultima parte a capitolului prezintă comparativ datele obţinute

experimental şi cele obţinute în mediul virtual.

Capitolul 5 tratează cercetările experimentale realizate pe motorul Renault K9K-P732

alimentat cu motorină şi diverse tipuri de biocarburanţi: B6 şi B10 din ulei de arahide,

floarea soarelui, măsline, palmier, porumb, sâmburi de struguri, ulei uzat. Se prezintă

standul de încercări, schema de amplasare a senzorilor pe motor, echipamentele

utilizate în realizarea cercetărilor.

În capitolul 6 se realizează analiza comparativă a parametrilor energetici şi ecologici ai

motorului alimentat cu cele 15 sortimente de carburant.

Capitolul 7 prezintă concluziile finale, contribuţiile personale şi direcţiile viitoare de

cercetare.

2 Biocombustibili pentru motoare de autovehicule

2.1 Introducere

Biocombustibilii reprezintă combustibili lichizi sau gazoşi folosiţi în transporturi produşi

din biomasă. Biomasa reprezintă orice fracţiune biodegradabilă a produselor, deşeurilor

şi reziduurilor din agricultură (substanţe vegetale şi animale), silvicultură şi industriile

conexe, precum şi fracţiunile biodegradabile ale deşeurilor municipale şi industriale

[143].


18

Studiile, cercetările și analizele întreprinse au conturat două alternative pentru

înlocuitorii combustibililor petrolieri: energia electrică şi combustibilii alternativi

(hidrogen, gaze petroliere lichefiate, gaze naturale comprimate, alcooli).

2.2 Biomasa

Resursele de biomasă se împart în trei categorii: primare, secundare şi terţiare.

Resursele primare sunt produse direct prin fotosinteză şi includ plantele perene,

culturile lemnoase, plantele erbacee, seminţele plantelor oleaginoase, reziduurile din

exploatarea culturilor agricole şi forestiere (paie, coceni de porumb, coaja de copaci).

Resursele secundare sunt rezultatul prelucrării resurselor primare de biomasă, fie fizic

(rumeguş), fie chimic (lichidul obţinut din prelucrarea celulozei) sau biologic (gunoi de

grajd). Resursele terţiare de biomasă sunt fluxuri continue rezultate în urma

consumului: grăsimi animale, uleiuri vegetale uzate, deşeuri de ambalaje.

Biomasa poate fi transformată în biocarburanţi prin diferite metode, în funcţie de

proprietăţile fizico-chimice ale acesteia. Cele mai utilizate metode de conversie constau

în: rafinare, hidroliză, piroliza, extracţie, fermentaţie, gazeificare, lichefiere. În Figura 2.1

sunt prezentate tipurile de biomasă şi procedeele aplicate pentru obţinerea

biocarburanţilor.

Figura 2.1 Tipuri de biomasă utilizată pentru producerea biocarburanţilor [122]

transesterificare Grăsimi animale

Seminţe uleioaseUlei Biodiesel

Ulei pur

fermentare extracţie

hidroliză

Plante zaharoase

Plante cu amidon Zahăr Bioetanol

ETBE

Biomasă celulozică

Ulei de piroliză

Gaz de sinteză

Bio-ulei

Combustibil sintetic, BtL

Metanol, DME

Hidrogen

Metan Biomasă umedă Metan fermentare

rafinare

rafinare


19

2.3 Biocombustibili

Conform Directivei EC/2003/30 drept biocombustibili pot fi considerate următoarele

produse:

- ”bioetanolul”: etanol extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a

deşeurilor;

- ”biodiesel”: un metil-ester extras din ulei vegetal sau animal, cu calități apropiate

de cele ale motorinei;

- ”biogas”: un combustibil gazos rezultat din biomasă şi/sau din partea

biodegradabilă a deşeurilor care poate fi purificat la calitatea gazului pur;

- ”biometanol”: dimetilester extras din biomasă;

- ”biodimetileter”: dimetilester extras din biomasă;

- ”bio-ETBE (etil-terţo-butil-ester)”: ETBE este produs din bioetanol;

- ”bio-MTBE (metil-terţo-butil-eter)”: combustibil pe bază de biometanol.

- ”biocombustibilii sintetici”: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi

sintetice care au fost extrase din biomasă;

- ”biohidrogen”: hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a

deşeurilor;

- ”uleiul vegetal pur”: ulei produs din plante uleioase prin presare, extracţie sau

proceduri comparabile, crud sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci când este

compatibil cu motoarele pentru care este folosit şi când este conform cerinţelor

normelor privind emisiile.

În tabelele 2.1 și 2.2 sunt prezentați biocombustibilii de generația I și a II-a, precum și

materiile prime și procesele de producție utilizate [40].

Tabelul 2.1 Biocombustibili de generaţia I

Biocombustibil Denumire specifică Materie prima Procesul de

producţie

Bioetanol Bioetanol convenţional Trestie de zahăr, cereale Hidroliză şi fermentaţie

Ulei vegetal Ulei pur de plante Plante oleaginoase Presare la rece Biodiesel Metil-ester de rapiţă

(RME), metil/etil ester de acizi graşi (FAME/FAEE)

Plante oleaginoase Presare la rece + transesterificare

Biodiesel Biodiesel din deşeuri Ulei ars de gătit, grăsimi animale

Transesterificare

Biogaz Biogaz curăţat Biomasă (umedă) Fermentaţie Bio – ETBE Bioetanol Sinteză chimică


20

Tabelul 2.2 Combustibili generaţia II

Biocombustibil Denumire specifică Materia primă Procesul de producţie

Biotetanol Bioetanol celulozic Lignoceluloză Hidroliză & fermentaţie Biocombustibili sintetici Biomass to liquid (BTL):

Lignoceluloză Gazificare şi sinteză

Biodiesel Biodiesel hidrotratat Uleiuri vegetale Hidrotratament Biohidrogen Lignoceluloză Gazificare şi sinteză sau

procese biologice

Structura procesului de producţie aplicat pentru producerea carburanților este sintetizat

în Figura 2.2.

Figura 2.2 Etapele procesului de producţie a combustibililor [122]

Utilizarea pentru propulsia autovehiculelor a altor tipuri de energie regenerabilă (energia

vânturilor sau fotovoltaică) este complicată datorită infrastructurii actuale. Hidrogenul

poate fi folosit în diferite moduri, direct prin injecție în camera de ardere sau, preferabil,

în celule de combustie. Folosirea hidrogenului necesită modificarea infrastructurii

stațiilor de alimentare și a structurii automobilelor, cu un cost suplimentar [122].

Biomasă Alte resurse

fosile Ulei Alte resurse

regenerabile

Energie

nucleară

Produse de

rafinărie

Benzină,

motorină

Gaz de

sinteză

Electricitate

Biogaz FAME

FAEE

Etanol BtL, Metanol,

DME

Hidrogen


21

2.3.1 Bioetanolul

Bioetanolul poate substitui combustibilul fosil pentru motoarele cu aprindere prin

scânteie. Bioetanolul poate fi obţinut din orice tip de plantă care conţine zahăr, amidon

sau celuloză.

Etanolul rezultat în urma fermentaţiei este combinat cu apă. Pentru a fi folosit, apa

trebuie eliminată. Prin distilarea clasică, se obţine o puritate a etanolului de 95%. Pentru

folosirea în amestec cu benzina este nevoie de o puritate de peste 99,5%. Metodă

folosită pentru reducerea apei este absorbţia cu site moleculare [122].

Etanolul prezintă avantaje în comparaţie cu benzina: cifra octanică este mai ridicată,

ceea ce conduce la o rezistenţă mai mare la detonaţie; punctul de îngheţ al etanolui

este mai scăzut; emisiile de CO2 sunt reduse.

Există şi unele dezavantaje: puterea calorică a etanolului este mai mică cu aproximativ

30% faţă de cea a benzinei; consumul de carburant va creşte cu aproximativ 40-50%

pentru aceeași putere dezvoltată; presiune de vaporizare redusă face ca pornirea la

rece la temperaturi scăzute să fie dificilă.

Dacă se foloseşte un amestec de până la 25% etanol si 75% benzină, atunci motorul

poate funcţiona fără modificări la sistemul de alimentare.

Cel mai mare beneficiu al utilizării etanolului pentru alimentarea motoarelor cu ardere

internă este reducerea emisiilor de monoxid de carbon. Prin utilizarea de E10 emisiile

de CO se reduc cu aproximativ 25% datorită conţinutului ridicat de oxigen. Prin

înlocuirea MTBE-ului cu etanol se reduce şi potenţialul de poluare a apei cu MTBE

[122].

Folosirea etanolului are un impact minor asupra emisiilor de NOx, acestea variind între

-10% ... +5% faţă de emisiile motorului cu benzină. Dar, dacă se ia în calcul şi procesul

de producere a materiei prime, emisiile de NOx sunt ridicate, datorită folosirii

îngrăşămintelor [122].

Emisiile de HC şi compuşi organici volatili cresc prin utilizarea etanolului. Prin

adăugarea de etanol în benzină creşte presiunea de vaporizare a noului carburant.


22

2.3.2 Biogazul

Biogazul este produs prin fermentaţia anaerobă a deşeurilor animale, gunoiului de

grajd, deşeurilor rezultate în urma procesării hranei, biomasei umede. Fermentaţia

anaerobă este procesul prin care bacteriile, în absenţa aerului, descompun materia

organică. Biogazul conţine metan, un gaz cu efect de seră mai puternic decât cel

produs de dioxidul de carbon.

Biogazul poate fi folosit ca şi combustibil alternativ al celor fosili pentru alimentarea

motoarelor termice ale generatoarelor electrice sau automobilelor. Poate fi stocat la

bordul autovehiculelor sub formă lichefiată la presiune atmosferică şi o temperatură de -

161oC sau gazoasă, la temperatura mediului ambiant şi presiunea de 20MPa [148].

Tabelul 2.55 prezintă principalele proprietăţi ale biometanului în comparaţie cu benzina.

Tabelul 2.5 Comparaţie între proprietăţile biogazului şi ale benzinei [50]

Proprietate Biogaz Benzină

Număr atomi carbon 1 4-12

Compoziţie, masă %

Carbon

Hidrogen

Oxigen

75

25

0

85-88

12-15

0-4

Densitate kg/m3 15oC 717 720-790

Punct de inflamabilitate oC -188 -43

Temperatura de autoaprindere oC 540 257

Putere calorică inferioară [MJ/kg] 40,27-49,64 44

Limitele inflamabilităţii vol%

Inferioară

Superioară

5

15

1,4

7,6

Raport stoichiometric 13,87 14,7

Cifră octanică

Research

Motor

130

120

91-100

80-90

2.3.3 Biohidrogenul

Principalele metode de producere a hidrogenului sunt: electroliza, reformarea cu aburi a

metanului, fotoelectroliza, obținerea hidrogenului din cărbune sau din alge sau din

biomasă.


23

Hidrogenul poate fi folosit pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă sau a pilelor

de combustie. Motoarele alimentate cu hidrogen nu emit CO2 deoarece este singurul

combustibil alternativ care nu conţine oxigen şi carbon. În Tabelul 2.7 sunt prezentate

proprietățile fizico-chimice ale benzinei şi hidrogenului.

Tabelul 2.7 Proprietăţile fizico-chimice ale hidrogenului

Proprietate Hidrogen Benzină

Formulă chimică H2 C4 – C12

Compoziţia chimică, %masă C H O

0 100 0

85 – 88 12 – 15 0 – 4

Densitate, kg/m3 70 720 – 790 Punct de fierbere -253 27 – 225 Raport stoichiometric 34,3 14,7 Cifra octanică 130 88 – 100

Hidrogenul este utilizat în pilele de combustie. Pilele de combustie folosesc reacţia

chimică dintre hidrogen şi oxigen pentru a genera electricitate, apă şi căldură. Pilele de

combustie pot echipa autovehiculele electrice.

Stocarea hidrogenului constituie o problemă pentru acest tip de combustibil. Există şase

metode de stocare: stocarea în butelii de gaz de înaltă presiune (60 ... 80 MPa);

stocarea hidrogenului lichid în tancuri criogenice (21oK); adsorbţia hidrogenului în

materiale cu o suprafeță specifică mare de contact (T<100oK); adsorbţia în zonele

interstiţiale ale unui metal gazdă (presiune şi temperatură ambientală); legarea chimică

în compuşi ionici şi covalenţi (presiune ambientală); oxidarea metalelor reactive Li, Na

cu apă.

Emisiile poluante ale motoarelor cu ardere internă alimentate cu hidrogen sunt

constituite din vapori de apă şi oxizi de azot, care rezultă datorită temperaturii ridicate a

arderii şi prezenţei azotului din aerul atmosferic.

2.3.4 Biodieselul

Conform Comitetului D-2 ASTM (American Society of Testing and Materials)

biodieselul este definit drept „compusul format din esterii monoalchilici ai acizilor graşi

cu catenă lungă hidrocarbonată derivaţi din lipidele (grăsimile) regenerabile ca uleiurile

vegetale şi grăsimile animale, folosit în calitate de combustibil pentru motoarele Diesel”.


24

Materia primă pentru obţinerea biodieseului este constituită din uleiuri vegetale, grăsimi

animale, uleiuri alimentare uzate (Figura 2.838).

Culturile de soia sunt cele mai extinse, fiind urmate de cele de rapiţă şi bumbac. În

Europa peste 85% din producţia de biodiesel se realizează din ulei de rapiţă. Urmează

uleiurile de floarea soarelui, soia şi palmier.

.

Figura 2.83 Materia primă pentru obţinerea biodieselului

Caracteristicile principalelor culturi de plante oleaginoase sunt analizate în continuare.

Rapiţa

Seminţele de rapiță au un conținut ridicat de acid oleic mononesaturat și valori scăzute

de acizi grași saturați și nesaturaţi. Uleiul de rapiță este o materie primă ideală pentru

carburanți datorită puterii calorice, stabilitate la oxidare și comportamentului la

temperaturi reduse.

Soia

Uleiul de soia este materia primă pentru biodieselul din SUA. În comparaţie cu alte

plante oleaginoase, producţia de biodiesel per hectar din soia este redusă.

Nucă de cocos

Palmier de ulei

Alune

Seminţe de rapiţă

Microalge

Seminţe

Seminţe floarea

Sorg

Soia

Seminţe jatropha

Ulei de

Grăsimi animale

Alge

Fructe de palmier

Seminţe

Ulei uzat

Lipide


25

Uleiul de palmier

Principalele avantaje ale uleiului de palmier sunt: producția mare pe unitatea de

suprafață teren agricol, şi preţul mic în comparaţie cu cel al altor uleiuri vegetale.

Uleiul de palmier este caracterizat de lanţuri mari de acizi graşi monosaturaţi. Conţinutul

ridicat de acizi graşi determină valori mari ale temperaturii de filtrabilitate (11oC) şi ale

punctului de tulburare (13oC), ceea ce face imposibilă utilizărea biocarburantului în

zonele cu climă temperată. Acizii graşi prezenţi în uleiul de palmier impun reducerea

acidităţii în faza de pre-esterificare.

Floarea soarelui

Producția culturilor este similară cu cea a rapiţei. Costurile pentru cultivare sunt mai

mici, necesitând mai puţin fertilizator şi apă. Datorită conţinutului ridicat de acid linoleic

seminţele de floarea soarelui au o utilizare limitată pentru producția de biodiesel.

Alte surse de materii prime pentru producerea biodieselului sunt seminţele de: bumbac,

alune, muştar, ricin, in.

Alge

Microalgele sunt specii de plante acvatice monocelulare cu potenţial ridicat de producţie

a lipidelor. Ele pot fi folosite pentru producerea de biodiesel.

Fermele de creştere a microalgelor pot fi amplasate în zone în care cultura altor plante

este imposibilă. Algele consumă cantităţi mari de CO2. CO2 împreună cu NOx reprezintă

principala hrană a algelor. Emisiile de termocentralelor alimentate cu gaze naturale,

petrol sau cărbune pot fi reduse prin realizarea culturilor de alge, bogate în lipide. Astfel

se pot crea sisteme integrate de producere a energiei electrice şi de creştere a algelor.

Grăsimi animale

Grăsimile animale sunt caracterizate printr-un conţinut ridicat de acizi graşi saturaţi.

Metil esterii rezultaţi au viscozitate ridicată la temperaturi scăzute. Datorită gradului

mare de saturare rezultă combustibili (metil ester) cu putere calorifică şi cifră cetanică

ridicate.

Uleiuri uzate

Uleiurile uzate pot fi folosite la producerea de biodiesel. Uleiurile uzate pot proveni din:


26

• Alimentația publică;

• Industria alimentară;

• Industria mecanică și energetică;

• Mijloacele de transport.

Procesarea uleiurilor uzate presupune costuri suplimentare, deoarece acestea conţin

impurităţi şi acizi.

2.3.5 BtL

Biomass to Liquid (BtL) este una din cele mai promiţătoare tehnologii din domeniul

combustibililor. Ea se află încă în stadiul de cercetare.

BtL-ul este un combustibil sintetic ce poate fi obţinut din orice tip de biomasă. Biomasa

este gazeificată, iar gazul obţinut este purificat şi apoi transformat în combustibil lichid.

Comparativ cu prima generaţie de biocarburanţi (etanol, biodiesel), pentru obţinerea

BtL-ului se foloseşte întreaga plantă, rezultând emisii reduse de gaze cu efect de seră

şi creșterea eficienței culturilor de plante.

Proprietăţile chimice ale BtL-ului permit o ardere curată, fără emisii de NOx şi particule.

Proprietăţile carburantului pot fi influenţate prin modificarea presiunii, temperaturii şi

catalizatorilor în procesul de sinteză [123].

2.4 Concluzii

Pe fondul scumpirii continue a petrolului şi datorită evoluţiei tehnologiilor de producere a

biocarburanţilor folosirea acestora devine tot mai atractivă. Viitorul folosirii

biocarburanţilor depinde de politica fiecărei ţări şi de dezvoltarea tehnologiilor de

producere.

Prima generaţie de biocarburanţi, care există deja pe piaţă, este obţinută prin

procesarea seminţele plantelor. Această generaţie de biocarburanţi necesită cultivarea

unor suprafeţe mari de terenuri. Ca urmare, poate fi afectat habitatul şi biodiversitatea

mediului. Pe de altă parte, producerea biocombustibililor din prima generaţie are impact

nefavorabil asupra producției de plante necesară pentru industria alimentară.

A doua generaţie de biocarburanţi este încă în faza de perfecționare a tehnologiilor.

Pentru producerea carburanților sintetici de generația a doua se desfășoară activități de

cercetare complexe.


27

Pe de altă parte, culturile de plante pentru biocarburanți trebuie să devină și rentabile.

Alegerea unei culturi va fi influențată de capacitatea sa de a asigura o anumită

producție, respectiv autonomie în deplasarea autovehiculului (Figura 2.) [7].

Figura 2.12 Comparaţie între diferiţi biocarburanţi [7]

3 Tehnologii de producere a biodieselului

3.1 Introducere

Biodieselul este un combustibil alternativ pentru motoarele cu aprindere prin

comprimare, avantajul său principal fiind faptul că este cel mai accesibil combustibil

regenerabil, fiind in acelaşi timp biodegradabil şi netoxic.

3.2 Materii prime

Producţia mondială de ulei vegetal se situează în jurul valorii de 80 Mt anual. 30% din

cantitate se utilizează pentru industria alimentară, restul fiind utilizate în diferite sectoare

ale industriei chimice: producţia de săpun, emulsifianţi, cosmetică, farmacie.

Principala materie primă pentru obţinerea acizilor graşi o constituie grăsimile. Acizii

graşi şi glicerina se pot valorifica, prin transformări chimice, în numeroase produse:

săpunuri, detergenţi, cosmetice.

Tehnica de obţinere a uleiurilor diferă în funcţie de natura materiei prime, însă există o

serie de operaţii comune (Figura 3.1).


28

Figura 3.1 Procesul de extracţie a uleiului din seminţe de rapiţă [122]

În cazul extracţiei uleiului cu solvenţi seminţele trebuie transformate în fulgi pentru a

creşte expunerea uleiului la solvent. Cel mai des este folosit percolatorul cu hexan.

Fulgii sunt introduşi în percolator, iar solventul în pâlnia de picurare. Solventul ajunge

din pâlnia de picurare peste fulgii de seminţe. Prin deschiderea robinetului

percolatorului, solventul amestecat cu ulei este extras şi filtrat. Pentru a se elimina

solventul, amestecul se încălzeşte pentru vaporizarea solventului, obţinându-se un

amestec ce conţine aproximativ 5% solvent. Pentru a se elimina complet, se injectează

abur. Vaporii de apă şi hexanul se condensează; cele două fluide sunt insolubile şi pot fi

separate într-un bazin de decantare [75].

După extragerea din seminţe uleiul conţine impurităţi care pot fi împărţite în două

categorii: solubile în ulei şi insolubile în ulei. Impurităţile insolubile în ulei sunt constituite

din fragmente de seminţe, apă, ceară şi hidrocarburi care se condensează când uleiul

este răcit. Cea mai mare parte din aceste impurităţi se poate elimina prin filtrare.

Seminţe

Uscare

Spălare

Decojire

Condiţionare

Strivire

Presare Ulei brut Turtă presată

Filtrare

Deshidratare

Strivire

Extracţie Şrot Amestec

Distilare

Ulei nerafinat


29

3.3 Utilizarea uleiurilor vegetale drept combustibil

Tabelul 3.1 prezintă principalele caracteristici fizico-chimice ale diferitelor tipuri de

uleiuri vegetale.

Tabelul 3.1 Caracteristicile uleiurilor vegetale [75]

Caracteristica Ulei de arahide

Ulei de rapiţă

Ulei de nucă de cocos

Ulei de bumbac

Ulei de palmier

Ulei de soia

Densitate la 20oC (kg/dm3)

0,914 0,916 0,915 0,915 - 0,916

Viscozitate (mm2/s) 20oC 37,8oC 50oC 80oC 100oC

88,5 - 29,0 12,5 -

77,8 - 25,7 11,0 -

- 29,8 - - 6,1

69,9 35,9 24,8 - 8,4

- - 28,6 12,5 8,3

- 28,5 - - 7,6

Temperatura de topire oC

-3 – 0 -2 – 0 20 – 28 -4 – 0 23 – 27 -29 – -12

Compoziţia chimică (%masă) C H O

77,3 11,8 10,9

77,9 11,7 10,4

73,4 11,9 14,7

77,7 11,7 10,6

76,9 11,8 11,3

78,4 11,3 10,3

Indice cetanic 39 – 41 32 – 36 40 – 42 35 – 40 38 – 40 36 – 39 Putere calorică inferioară masică (kJ/kg)

36680 37440 37410 36785 36510 36825

Putere calorică inferioară volumică (kJ/dm3)

33520 34300 34230 33660 - 33730

Aceste caracteristici trebuie luate în considerare dacă vor fi folosite pentru alimentarea

motoarelor Diesel.

• Viscozitatea – este mult mai mare ca cea a motorinei. Prin încălzire se

ameliorează, dar pentru anumite uleiuri insuficient. Vâscozitatea uleiului de nucă

de cocos la 50oC este mai mare decât cea a motorinei la 20oC

• Anumite uleiuri (de soia, de bumbac, de arahide, de rapiţă) rămân fluide pentru

temperaturi negative (-10oC). Altele (uleiul de palmier) este solid la temperatura

ambiantă. În toate cazurile temperatura limită de filtrabilitate este mult mai

ridicată ca în cazul motorinei.

• Puterile calorifice inferioare masice sunt mai mici cu aproximativ 15% faţă de

combustibilul fosil datorită prezenţei oxigenului în structura chimică. Daca ne


30

referim la puterile calorifice inferioare volumice, diferenţa este de aproximativ

5%.

• Indicele cetanic variază între 30 şi 40, în funcţie de tipul uleiului şi de gradul de

puritate. Este mai mare în cazul uleiurilor saturate (palmier, copra).

• Uleiurile vegetale nu sunt distilabile prin metoda clasică, la temperatura

ambiantă. După aproximativ 20% din volum se observă o cracare, ce aduce în

balon restul de 80% sub formă de reziduu.

Observaţiile anterioare indică faptul că utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea

motoarelor Diesel este dificilă.

3.4 Procesul de transesterificare

Grăsimile animale şi uleiurile vegetale prezintă proprietăţi similare motorinei după

prelucrare. Produsul final obţinut după prelucrarea grăsimilor, esterul acid gras, are

proprietățile fizice apropiate de cele ale motorinei, iar procesul de obţinere este relativ

simplu. Acest produs pot fi folosit direct în motoarele Diesel, fără modificări constructive.

Procesul de transesterificare este procesul de schimb al radicalului unui ester cu

radicalul unui alcool, în prezenţa unui catalizator.

Biodieselul actual se obţine prin transesterificarea trigliceridelor cu metanol. Metanolul

este preferat în producerea de biodiesel datorită preţului redus.

Figura 3.3 Reacţia de transesterificare

În literatura [75] există următoarea relaţie de predicţie pentru producţia de biodiesel:

100�� 10�� → 100�� 10�� (3.6)


31

Standardul pentru producţia biodieselului permite un procent de 0.24% glicerol în

produsul final.

Alegerea uleiului sau a grăsimilor utilizate în procesul de producţie a biodieseului este o

decizie economică şi chimică. Din punct de vedere chimic principala diferenţă dintre

grăsimi şi uleiuri o constituie conţinutul de acizi graşi asociaţi trigliceridelor. Alţi

contaminanţi, ca mirosul sau culoarea, pot reduce cantitatea de glicerină produsă şi pot

limita acceptarea combustibilului pentru public dacă mirosul şi culoarea persistă.

Cel mai des utilizat alcool pentru producerea de biodiesel este metanolul. Se pot utiliza

şi alţi alcooli ca etanolul, izopropilic, butilic. Un criteriu important în alegerea alcoolul o

constituie conţinutul de apă. Alţi factori care influenţează alegerea alcoolului sunt: costul

alcoolului, cantitatea de alcool necesară pentru reacţie, uşurinţa reciclării alcoolului.

Pentru anumiţi alcooli poate fi necesară modificarea instalaţiei: temperatura amestecului

mai ridicată, timpul de amestecare mai scăzut/ridicat, viteză de amestecare mai mică.

Folosind catalizatori, reacţia are nevoie de 6 moli de alcool în loc de 3 moli, în cazul

reacţiei normale. Motivul pentru care se foloseşte reacţia cu catalizatori este că se

obţine un nivel de glicerină apropiat de 99,7% faţă de standardul impus pentru

biodiesel.

Catalizatorii pot fi baze, acizi sau enzime. Cei mai utilizați catalizatori în procesul de

producţie al biodieselului sunt hidroxidul de potasiu, de sodiu sau metoxidul de sodiu.

Catalizatorii bază sunt higroscopici , absorb apă în timpul stocării. În urma reacţiei cu

alcoolul reactant se obţine apă. Deşi se pot folosi şi catalizatori acizi, ei sunt prea lenţi

în procesul industrial de obţinere al biodieselului. Catalizatorii acizi sunt folosiţi pentru

esterificarea acizilor graşi liberi.

Neutralizatorii sunt utilizaţi pentru eliminarea catalizatorilor acizi sau bazici din biodiesel

şi glicerină. În cazul în care se folosesc catalizatori bazici, neutralizator va fi un acid şi

viceversa. Dacă biodieselul este spălat, neutralizatorul poate fi adăugat în apă. Acidul

clorhidric este folosit în mod curent pentru neutralizarea catalizatorilor bazici; dacă se

foloseşte acidul fosforic, sarea rezultată poate fi utilizată ca îngraşamând chimic.

Procesul de producere a biodieselului

Cea mai simplă metodă de producere a biodieselului este folosirea unui tanc dotat cu

amestecător Temperatura normală de funcţionare este de 65oC, ea putând varia între

25-85oC.


32

Cel mai utilizat catalizator este hidroxidul de sodiu, cu o concentrație variind între 0,3-

1,5%.

Amestecarea este necesară la începutul reacţiei, pentru a omogeniza uleiul,

catalizatorul şi alcoolul. Spre finalul reacţiei este utilă oprirea agitatorului pentru a

permite produsului de inhibare, glicerina, să se separe de ester, faza uleioasă,

obţinându-se un grad de transformare de 94%.

În Figura 3.4 este prezentată schema procesului de obţinere a biodieselului. Se adaugă

uleiul, urmat de catalizator şi metanol. În timpul reacţiei este necesar să se amestece

conţinutul. Se obţin două faze: glicerina şi biodieselul După eliminarea glicerinei,

biodieselul rămas este purificat prin diferite metode.

Pentru grăsimi animale structura sistemului este modificată prin adăugarea unui vas de

esterificare acidă şi a unui vas de stocare pentru catalizatorul acid. Materia primă este

deshidratată (până la 0,4% conţinut apă) şi filtrată înainte de încărcarea în tancul de

esterificare. Se adaugă amestecul de acid sulfuric şi metanol şi se agită întreaga

încărcătură. Temperatura amestecului este similară reacţiei de transesterificare, uneori

sistemul este presurizat, nu se obţine glicerină în urma reacţiei.

Figura 3.4 Procesul de obţinere a biodieselului în reactor

Sistemul continuu de producţie

Pentru fabricile mari de producere a biodieselului se foloseşte sistemul continuu de

producţie, format din două reactoare cu amestecător legate în serie (Figura 3.5).

Volumul reactoarelor poate fi diferit, pentru a permite unu timp mai mare de reacţie în

reactorul 1. După ce glicerina a fost eliminată, reacţia în reactorul 2 este rapidă, cu un


33

randament de peste 98%. Elementul esențial în proiectarea unui sistem continuu este

asigurarea de materie primă suficientă pentru ca amestecul din reactor să fie constant.

Acest lucru are ca efect creşterea dispersiei de glicerină, cu creşterea timpului necesar

pentru separarea fazelor.

Figura 3.5 Sistemul continuu de producţie a biodieselului

Tabelul 3.7 permite compararea caracteristicilor uleiul de rapiţă şi a metil-esterului

aceluiaşi ulei. Ameliorările sunt semnificative:

• Vâscozitatea de 7 mm2/s este apropiată de cea a motorinei;

• Esterul poate fi distilat la presiunea atmosferică;

• Transesterificarea aduce o creştere importantă a cifrei cetanice, atingând o

valoare apropiată de cea a motorinei.

Tabelul 3.7 Comparaţie între metil-esterul şi uleiul de rapiţă

Caracteristica Metil-ester ulei de rapiţă Ulei de rapiţă

Densitate, kg/dm3 0,880 0,916 Masa molară, g/mol 300 900 Viscozitatea, mm2/s 20oC 50oC

7,52 3,75

77,8 25,7

Cifră cetanică 48,7 31,8 brut 36,4 semirafinat

Putere calorică, KJ/kg 37700 37440

Biodieselul este caracterizat prin viscozitate, densitate, cifră cetanică, punct de

tulburare şi de curgere, punct de inflamabilitate, conţinut de cenuşă, reziduu de carbon,

putere calorifică.


34

Viscozitatea uleiurilor vegetale este cuprinsă între 27,2 – 53,6 mm2/s, iar după procesul

de transeserificare, viscozitatea metil-esterului scade la valori cuprinse între 3,6 şi 4,6

mm2/s [55].

Cifra cetanică a metil-esterilor este în general mai mare decât cea a motorinei. Cifra

cetanică a biodieselului obţinut din grăsimi animale este mai mare decât cea a

biodieselului obţinut din uleiuri vegetale [55].

Alţi parametri ai biodieselului, importanţi la folosirea la temperaturi scăzute, sunt punctul

de tulburare şi punctul de curgere. Biodieselul are valori mai mari pentru punctul de

tulburare şi punctul de curgere în comparaţie cu motorina [55].

Conţinutul de oxigen din biodiesel îmbunătăţeşte procesul de ardere şi scade potenţialul

de oxidare a acesteia. Biodieselul conţine 11% oxigen, fără compuşi sulfurici.

Depunerea de funingine pe injector este redusă în cazul folosirii biodieselului. Prin

utilizarea biodieselului se poate mări durabilitatea sistemului de injecţie, biodieselul

având proprietăţi de ungere superioare motorinei [55].

Puterea calorifică a biodieselului are valori între 39 şi 41 MJ/kg, mai scăzută decât a

motorinei (43 MJ/kg), densitatea biodieselului este mai ridicată decât cea a motorinei,

conţinutul energetic pe unitate de volum este apropiat de cel al motorinei.

3.5 Efectele asupra mediului ale biocarburanţilor

3.5.1 Gaze cu efect de seră

Principalele gaze cu efect de seră sunt dioxidul de carbon (CO2), oxidul de azot (N2O) şi

gazul metan (CH4).

Deoarece biocarburanţii sunt obţinuţi din plante, emisia de CO2 din arderea directă se

consideră a fi zero (prin ardere se degajă aceeaşi cantitate de CO2 ca cea procesată de

plantă în procesul de fotosinteză).

Pe perioada ciclului de viaţă al plantei se emit gaze cu efect de seră în timpul cultivării,

transportului, procesului de conversie şi distribuţiei.

Nu numai emisia de CO2 din arderea combustibililor fosili are efect asupra încălzirii

globale, ci şi alţi factori. Utilizarea de fertilizatori şi pesticide, tratamentul solului,

metodele de irigare au un rol important în schimbările climaterice. Fertilizatorii conţin

azot iar prin utilizarea lor creşte emisia de N2O.


35

Emisia de gaze cu efect de seră a biocarburanţilor poate fi redusă prin utilizarea

reziduurilor din agricultură ca materie primă pentru biocarburanţi; acest deziderat

necesită tehnologii care sunt în faza de cercetare.

Emisia de CO2 din ciclul de viaţă al biodieselului este cu 78,45% mai scăzută faţă de

utilizarea motorinei (Figura 3.6) [126].

Figura 3.6 Comparaţie între emisia de CO2 motorină/biodiesel (adaptat după [126])

În cazul utilizării ca materie primă pentru biodiesel uleiul uzat, emisia de gaze cu efect

de seră este cea mai redusă deoarece nu se înregistrează emisii poluante din timpul

fertilizării, lucrărilor agricole, recoltării, transportului [126].

3.5.2 Emisii toxice din gazele de evacuare

Testele efectuate pe motoare alimentate cu biodiesel au evidenţiat reducerea emisiilor

de particule, hidrocarburi nearse, monoxid de carbon, datorită conţinutului cu 11% mai

mare de oxigen din metil-ester, ceea ce duce la o ardere mai eficientă. Doar emisiile de

NOx au înregistrat o creştere comparativ cu emisiile poluante ale motorului alimentat cu

motorină [122].

În Figura 3.8 este prezentată variaţia emisiilor poluante ale biodieselului comparativ cu

motorina.

Motorina B20 B100

CO2 860.4347826 725.6793478 185.3940217

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

g C

O2

/kW

h


36

Figura 3.8 Variaţia emisiilor poluante ale biodieselului [147]

Consumul de biodiesel nu reduce doar emisiile poluante în comparaţie cu combustibilii

clasici, dar are si avantajul că este mai puţin poluant pentru apă şi sol. În plus,

biodieselul este mai solubil în apă, ceea ce constituie un avantaj în cazul deversării

accidentale în ape populate de peşti, aceştia putând supravieţui la concentraţii mai

mari. Acest lucru constituie un avantaj atât în transportul maritim, cât şi în agricultură în

ceea ce priveşte apele potabile subterane şi biodiversitatea faunei.

Cea mai mare cantitate de deşeuri periculoase rezultate din producţia motorinei derivă

în urma procesului de rafinare a ţiţeiului, iar o mică parte din transportul produsului brut

şi finit. 70% din deşeurile periculoase din producţia de biodiesel sunt reprezentate de

deşeuri obţinute în urma lucrărilor agricole şi transportului seminţelor plantelor.

Aproximativ jumătate din deşeurile nepericuloase obţinute în urma procesului de

producţie al motorinei sunt generate în procesul de rafinare al ţiţeiului, iar o treime în

urma extragerii ţiţeiului. Majoritatea cantităţii de deşeuri nepericuloase obţinute în urma

procesului de producţie al biodieselului sunt gunoaie şi deşeuri metalice rezultate în

urma procesului de presare a seminţelor (Figura 3.14).

-80%

-70%

-60%

-50%

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Vari

aţi

a e

mis

iilo

r p

olu

an

te

Biodiesel

NOx

PM

HC

CO


37

Figura 3.14 Deşeuri nepericuloase generate în producţia de motorină/biodiesel (adaptat după [126])

3.6 Costuri de producţie

Ponderea cea mai mare în costul biodieseului o are preţul seminţelor. Deoarece

producţia de seminţe depinde de condiţiile meteo, tipul solului şi a gradului de fertilizare

preţul seminţelor poate varia mult.

Dacă se utilizează uleiuri uzate, preţul acestora este scăzut, dar preţul final al

biodieselului este influenţat de costurile suplimentare pentru curăţarea uleiurilor uzate.

În Tabelul 3.10 este prezentată comparaţia între preţului biodieselului obţinut din ulei de

soia, ulei uzat şi motorină.

Tabelul 3.10 Preţul de producţie ($/l) (adaptat după [116])

Anul Ulei de soia Ulei uzat Motorină

2004/2005 0,670997 0,372483 0,176995

2005/2006 0,657789 0,367199 0,206054

2006/2007 0,652505 0,364558 0,203413

2007/2008 0,64458 0,361916 0,206054

2008/2009 0,665714 0,369841 0,206054

2009/2010 0,678922 0,375124 0,198129

2010/2011 0,70534 0,388333 0,200771

2011/2012 0,72119 0,3989 0,200771

3.7 Transportul şi stocarea biodieselului

Pentru transportul şi depozitarea biodieselului trebuie luate în considerare anumite

proprietăţi: temperatura biodiselului, stabilitatea la oxidare, proprietăţi de curăţare şi

compatibilitatea materialelor.

Motorină B20 B100

Deseuri nepericuloase 0.003837 0.004735 0.008325

0.000000

0.001000

0.002000

0.003000

0.004000

0.005000

0.006000

0.007000

0.008000

0.009000

kg

/kW

h


38

În cazul biodieselului, temperatura la care acesta se transformă în gel este mai ridicată

decât în cazul motorinei şi depinde de compoziţia biodieselului, care depinde de materia

primă utilizată.

Stabilitatea la oxidare reprezintă degradarea caracteristicilor combustibilului datorită

reacţiei cu oxigenul şi catalizatorii. Această stabilitate este direct proporţională cu

numărul de legături duble de carbon din moleculă.

Biodieselul are proprietăţi de curăţare superioare motorinei. Din acest motiv, depunerile

din rezervor sau tancurile de stocare vor fi desprinse de pe pereţi. Probleme pot apărea

doar la stocarea biodieselului pur în rezervoare folosite anterior pentru stocarea

motorinei.

Compatibilitatea materialelor este importantă în procesul de obţinere şi stocare a

biodieselului. Se recomandă oţeluri inox şi aluminiul în aceste procese. În cazul

contactului cu bronz, alamă, cupru, zinc, staniu, plumb se produce oxidarea

biodieselului cu formare de sedimente. Pentru utilizarea de biodiesel garniturile şi

furtunurile anumitor sisteme de alimentare trebuie schimbate datorită incompatibilităţii

cu biodieselul.

Se recomandă o stocare a biodieselului de maxim şase luni pentru a preveni oxidarea

acestuia. Stabilitatea la oxidare poate fi îmbunătăţită prin adăugarea de antioxidanţi.

3.8 Concluzii

Biodieselul prezintă o serie de avantaje economice şi tehnice:

- Prelungeşte durata de viaţă a motorului, având proprietăţi de ungere superioare

motorinei;

- Este mai puţin toxic, este biodegradabil, este mai sigur în manipulare având

punctul de inflamabilitate mai mare decât al motorinei;

- Reduce emisiile poluante ale motorului;

- Este un combustibil 100% natural, regenerabil;

- Conţine mai puţin sulf şi substanţe aromatice;

- Reduce emisiile de gaze cu efect de seră;

- Materia primă e constituită din surse agricole şi reziduuri reciclate.

Un impediment în extinderea utilizării biodieselului îl constituie costul de producţie. O

soluţie mai ieftină ar fi utilizarea uleiului uzat ca materie primă.


39

Utilizarea de biodiesel în amestec cu motorina în proporție de până la 20% poate fi

făcută în orice motor şi este compatibilă cu sistemele actuale de stocare şi distribuţie.

Pentru utilizarea de B100 sunt necesare modificări la sistemul de alimentare al

motorului şi în sistemul de stocare şi distribuţie.

4 Analiza în mediu virtual a proceselor de ardere din motoarele cu

aprindere prin comprimare, alimentate cu biocarburanți

4.1 Modelarea proceselor din camera de ardere a m.a.c.

Aspecte generale privind modelarea proceselor termice din motoarele cu ardere internă

[41], [77], [104]

Pentru analiza procesului de ardere din motoarele cu ardere internǎ se foloseşte prima

lege a termodinamicii. Conform legii, energia unui sistem se conservǎ, indiferent de

transformǎrile ce au loc în acesta.

�� = �� − �� (4.1)

unde: dU – variaţia energiei interne, �� – schimb elementar de cǎldurǎ, �� – schimb

elementar de lucru mecanic.

Pentru un motor cu ardere internă, ecuaţia (4.1) se poate scrie:

�(��∙ )�" = −#$ ∙ �%�" �&��" − ∑ �&(�" − ℎ*$ ∙ ��+��" ∑ ��,�" ∙ ℎ- − ∑ ��.�" ∙ ℎ/ − 0/1 ∙2 ∙ ��.3�4

(4.2)

Variaţia masei amestecului din cilindru se poate calcula ca diferenţă dintre masele de

fluid care intră şi ies din cilindru:

��$�5 =6��-�5 −6��/�5 − ��*$�5 − ��/1�� , (4.3)

unde:

�(��∙ )�" – variaţia energiei interne din cilindru;

-#$ ∙ �%�" –lucrul mecanic produs prin deplasarea pistonului;

�&��" – căldura degajată prin arderea combustibilului;


40

∑ �&(�" – pierderi de căldură prin pereţii camerei de ardere;

ℎ*$ ∙ ��+��" – pierderea de entalpie datorată scăpării de gaze în carter;

�$ – masa amestecului din cilindru;

u – energia internă specifică;

#$ – presiunea din cilindru;

V – volumul cilindrului;

�$ – energia degajată prin arderea combustibilului;

�8 – căldura cedată prin pereţii camerei de ardere;

5 – poziţia arborelui cotit,

ℎ*$ – entalpia gazelor scăpate în carter; ��+��" – debitul de gaze scăpate în carter;

��- – masa de gaze care intră în cilindru;

��/ – masa de gaze care iese din cilindru;

ℎ- – entalpia masei de gaze care intră în cilindru;

ℎ/ – entalpia masei de gaze care ies din cilindru;

0/1 – căldura de evaporare a combustibilului;

f – fracţiunea de căldură de evaporare a amestecului din cilindru;

�/1 – masa de combustibil evaporat.

Evoluţia temperaturii şi a vitezei de degajare a căldurii se calculează primul principiu al

termodinamicii aplicat unui sistem cvasi deschis.

�� = �� − #9 �:�� 6�; 9ℎ9 ,9 (4.4)

#9 = #9<= ∙ >9?@ , (4.5)

unde:

�&�4 – viteza de degajare a cǎldurii;

�; 9 – debitul masic de amestec din sistem în domeniul de calcul j;

ℎ9 – entalpia fluxului j ce intră sau iese din sistem;

pj – presiunea în domeniul de calcul j;

pj-1 – presiunea anterioară pasului de calcul (pentru j=1 aceasta este presiunea obţinuta

la sfârșitul admisiei);

εj – raportul de comprimare;


41

nj – coeficientul politropic în domeniul de calcul j.

Temperatura din cilindru se calculeazǎ pe baza presiunii din cilindru, neputând fi

măsurată direct. Pornind de la legea gazelor ideale, pV=mRT, se obţine formula pentru

calculul temperaturii amestecului:

A = # ∙ :� ∙ B, (4.6)

unde:

p – presiunea,

V – volumul,

m – masa,

R – constanta generalǎ a gazului,

T – temperatura.

Modelul matematic utilizat pentru simularea proceselor din motoarele cu aprindere prin

comprimare [41], [49], [73], [77], [78], [99]

Debitul masic pentru curgerea pe lângă supape este data de relaţia (4.13) [17]:

�� = C/D ∙ #E=F 2BE ∙ AE= ∙ H, (4.13)

unde:

��4 −debitul masic;

C/D– aria efectiva de curgere;

#E= −presiunea din amontele supapei;

AE= − temperatura din amontele supapei;

H −funcţia flux (stream function).

Legea de injecţie

Debitul de combustibil injectat în unitatea de timp este influenţat de caracteristicile

injectorului, proprietăţile combustibilului utilizat, presiunea cu care este injectat

combustibilul, contrapresiunea din camera de ardere. Debitul injectat se calculează cu

ajutorul relaţiei [49]:


42

�-?9 = I�28F2J#-?9 − #$-KLM$ , (4.20)

unde:

Qinj - debitul volumic de combustibil injectat;

µd – coeficientul de debit al duzei;

fp – secţiunea de curgere a pulverizatorului;

pinj – presiunea de injecţie;

pcil – presiunea din cilindru;

ρc – densitatea combustibilului.

Volumul de combustibil injectat se determină cu relaţia:

�-?9$-$K =6�",,N@"O"P

, (4.21)

unde:

Qinj ciclu – volumul de combustibil injectat pe ciclu;

α1 – punctul de început al injecţiei;

α2 – punctul de sfârşit al injecţiei;

Qαi inj – volumul de combustibil injectat la αi.

Pentru simularea pulverizării jetului de combustibil injectat s-a folosit modelul Wave

Breakup. În acest model se consideră că mărimea perturbării iniţiale pe suprafaţa unui

lichid este proporţională cu lungimea de undă şi a parametrilor fizici şi dinamici ai

combustibilului injectat şi a fluidului de lucru.

Raza picăturii finale se determină cu relaţia:

�D = Q= ∙ Λ, (4.29)

unde:

C1 – constantă (valoare implicită 0,61).

Lungimea de undă a perturbaţiei şi gradul de creştere al undei depind de proprietăţile

locale de curgere şi pot fi calculate cu următoarele relaţii:


43

Λ = 9,02 ∙ � ∙ (1 0,45 ∙ VℎE,W) ∙ (1 0,4 ∙ AE,X)J1 0,87 ∙ ��[=,\XLE,\ , (4.30)

Ω = ^M[�_` a<E,W ∙ 0,34 0,38 ∙ ��[=,W(1 Vℎ) ∙ (1 1,4 ∙ AE,\), (4.31)

unde:

T=Oh.We0,5;

ρg – densitatea gazului;

σ – tensiune superficială;

Oh - numărul Ohnesorge;

We – numărul Weber.

Vℎ = IcM8 ∙ ` ∙ d8, (4.32)

unde:

µ – viscozitatea picăturii;

ρp – densitatea picăturii;

Dp – diametrul picăturii.

�� = M8 ∙ ef ∙ d8` , (4.33)

unde:

v – viteza picăturii.

Pentru simularea arderii din cilindru, în programul AVL Fire s-a folosit modelul CFM

(Coherent Flame Model). Acest model este aplicabil atât în cazul condiţiilor de ardere a

amestecurilor preformate cât şi a celor în curs de formare pe baza unui concept de

ardere laminară a cărui viteză, v, şi grosime, δ, sunt valori medii ale frontului de flacără,

fiind dependente de presiunea, temperatura şi coeficientul de exces de aer din gazele

proaspete. Folosind această ipoteză, viteza medie de reacţie turbulentă se calculează

ca produs dintre densitatea suprafeţei flăcării Σ şi viteza de ardere laminară v.

M ∙ �;D gggggggg = −hi ∙ Σ, (4.36)

unde:


44

ωL – consumul mediu de combustibil pe unitate de suprafaţă de-a lungul flăcării.

hi = MD ,Dk ∙ e, (4.37)

unde:

ρfu,fr – densitatea parţială a combustibilului din amestecul proaspăt.

MD ,Dk = MDk ∙ lD ,Dk, (4.38)

unde:

ρfr – densitatea amestecului proaspăt;

yfu,fr – fracţiunea masică a combustibilului din amestecul proaspăt.

Modelarea transferului de căldură [14]

Transferul de căldură la pereţii camerei de ardere, chiulasă, piston şi cilindru se

calculează cu relaţia:

�8- = C- ∙ 58 ∙ JA$ − A8-L, (4.46)

unde:

Qpi – căldura cedată (chiulasă, piston, cilindru);

Ai – suprafaţa de cedare a căldurii (chiulasă, piston, cilindru);

αp –coeficient de transfer termic;

Tc – temperatura gazelor din cilindru;

Tpi – temperatura pereţilor (chiulasă, piston, cilindru).

Pentru calculul coeficientul de transfer termic în procesul schimbului de gaze se

foloseşte relaţia:

58 = 130 ∙ d<E,f ∙ #$E,m ∙ A$<E,W_ ∙ (�_ ∙ e�)E,m, (4.50)

unde:

�_ = 6,18 0,417 ∙ e e�,


45

În timpul procesului de schimb de gaze este esenţial să se ia în considerare şi transferul

de căldură din canalele de admisie şi evacuare din chiulasă. Pentru calculul transferului

de căldură din zona supapelor şi a scaunelor de supapă se foloseşte modelul de calcul

Zapf, modificat, conform relaţiei:

Ao1 = (Ao� − A$$) ∙ �p<q�� "(��; ∙$(r A$$ (4.51)

Tav – temperatură aval;

Tam – temperatură amonte;

Tcc – temperatură canal chiulasă;

Acc – suprafaţă canalul din chiulasă;

αpc – coeficient de transfer de căldură;

�; – debit masic de gaze;

cp – căldură specifică la presiune constantă.

Aria efectivă de curgere se calculează cu relaţia:

C/D$ = s ∙ d ∙ t, (4.54)

unde:

Aefc – suprafaţa efectivă de curgere;

D – diametrul cilindrului;

δ – fantă piston-segmenţie-cilindru.

Modelarea arderii combustibilului

Căldura degajată predefinită

Cea mai simplă abordare a procesului de ardere este specificarea ratei de degajare a

căldurii. Rata de degajare a căldurii unui motor la un anumit regim este determinată de

evoluţia presiunii din cilindru folosind ecuaţia (4.3).

Pentru simularea ratei de degajare a căldurii s-a folosit legea Double Vibe, care

reprezintă suprapunerea a două funcţii Vibe, pentru o aproximare cât mai precisă a

arderii din cilindru. Prima funcţie este folosită pentru a modela arderea amestecului

iniţial, iar a doua pentru modelarea arderii difuze.

Funcţia Vibe poate fi exprimată prin relaţia:


46

�u�5 = ∆5$ ∙ (� 1) ∙ l� ∙ �<o∙w(xyP) (4.55)

�u = �� (4.56)

l = 5 − 5E∆5$ , (4.57)

unde:

Q – cantitatea totală de căldură;

α – unghi rotaţie arbore cotit;

α0 – unghi începere ardere;

Δαc – durata arderii;

m – parametru de formă;

a – parametru Vibe (6,9 pentru ardere completă).

Prin integrarea funcţiei Vibe se obţine fracţiunea din masa combustibilului arsă de la

începutul arderii:

u = z�u�5 ∙ �5 = 1 − �<o∙w(xyP) , (4.58)

unde:

x – fracţiunea de masă arsă.

Modelarea întârzierii la autoaprindere

Întârzierea la autoaprindere este calculată folosind modelul Andree şi Pachernbergg,

prin rezolvarea ecuaţiei diferenţiale:

�{-o�5 = A|? − Ak/D�k/D (4.63)

Când Iia atinge valoarea 1 (la αia), întârzierea la autoaprindere τia se calculează cu

relaţia:

}-o = 5-o − 5-?9 , (4.64)


47

unde:

Iia – integrala întârzierii la autoaprindere [-];

Tref – temperatura de referinţă (=505) [K];

Tzn – temperatura zonelor nearse [K];

Qref – energia de referinţă de activare [K];

τia – întârzierea la autoaprindere [s];

αinj – începutul injecţiei [oRAC];

αia – întârziere la autoaprindere [oRAC].

4.2 Software-uri utilizate

Pentru simularea proceselor din motorul cu ardere interna s-au utilizat programele AVL

BOOST v.2010 şi Fire v.2010.

4.2.1 AVL Boost

În Figura 4.4 este prezentat modelul motorului realizat cu ajutorul elementelor

predefinite din programul AVL Boost: limitele sistemului (SB1, SB2), conducte de

legătura (1 -16), filtrul de aer (CL1), galeria de admisie (PL1), intercooler (CO1), cilindrii

motorului (C1 – C4), turbosuflantă (TC1), galeria de evacuare (PL3), catalizator (CAT1),

amortizor de zgomot (PL2), puncte de măsurare (MP1 – MP4).

Figura 4.4 Modelul utilizat pentru simularea proceselor din m.a.i.

În Figura 4.5 se prezintă definirea dimensiunilor principalelor ale cilindrului 1.


48

Figura 4.5 Definirea dimensiunilor principale ale cilindrului 1

Prin realizarea simulărilor în programul AVL Boost s-a obţinut estimarea performanţelor

energetice pentru diferiţi combustibili.

4.2.2 AVL Fire

Pentru a realiza simularea în programul AVL Fire trebuie definit modelul virtual al

motorului Renault K9K-P732, ce presupune realizarea formei camerei de ardere, a

amplasării injectorului şi a caracteristicilor acestuia.

Figura 4.10 Definirea principalilor parametri ai motorului


49

Figura 4.11 Definirea mişcării pistonului

Injectorul este prevăzut cu 8 găuri. Dimensiunile utilizate în cadrul simulării sunt

prezentate în Figura 4.13.

Figura 4.13 Caracteristicile injectorului

Detalii cu privire la caracteristicile geometrice ale pulverizatorului, sunt prezentate în

Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Caracteristici geometrice ale pulverizatorului

Notatie Parametru Valoare

DSPo Diametrul orificiului de pulverizare 0.129 mm

LSP Lungimea orificiului de pulverizare -

NSP Numărul de orificii ale duzei 8

ξ Unghiul orificiului de pulverizare cu axa injectorului 72o

K Conicitatea orificiului de pulverizare -

A Distanța A -

Camera de ardere se consideră de la axa cilindrului spre extremitate, iar pe

circumferinţa cilindrului, se împarte în 8 zone, în funcţie de numărul de orificii ale

pulverizatorului.


50

Prin această împărţire se obţin 3424 de suprafeţe ale modelului 2D.

În Figura 4.14 este prezentată împărţirea suprafeţei camerei de ardere.

Figura 4.14 Realizarea modelului 2D al camerei de ardere

În urma realizării simulării cu programul AVL Fire s-au determinat teoretic: presiunea din

cilindru şi emisiile de noxe.

4.3 Concluzii cu privire la analiza in mediu virtual

Simularea în mediu virtual a permis analiza proceselor care au loc în motorul cu

aprindere prin comprimare.

În urma simulării s-au obţinut predicţii privind puterea efectivă, momentul motor efectiv,

consumul de combustibil, emisiile poluante pentru diferite turaţii ale motorului. Aceste

simulări au fost validate prin măsurători experimentale.

Pentru validarea modelului virtual realizat cu ajutorul programului AVL Boost s-au

suprapus curbele puterii, momentului obţinute în urma simulării cu cele obţinute

experimental.


51

Figura 4.11 Puterea motorului alimentat cu motorină

Figura 4.12 Momentul motorului alimentat cu motorină

Figura 4.13 Puterea motorului alimentat cu B6 ulei uzat

Figura 4.4 Momentul motorului alimentat cu B6 ulei uzat

Figura 4.5 Puterea motorului alimentat cu B10 ulei uzat

Figura 4.6 Momentul motorului alimentat cu B10 ulei uzat

Variaţiile valorilor puterii şi ale momentului între modelul real şi cel virtual sunt reduse,

fiind prezentate în Tabelul 4.2.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 2000 3000 4000

P [

kW

]

n [rot/min]simulare experimental

0

50

100

150

200

250

1000 2000 3000 4000

M [

Nm

]

n [rot/min]

simulare experimental

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

P [

kW

]

n [rot/min]

experimental simulare

0

50

100

150

200

250

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

M [

Nm

]

n [rot/min]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

P [

kW

]

n [rot/min]


0

50

100

150

200

250

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

M [

Nm

]

n [rot/min]



52

Tabelul 4.2 Abaterea între modelul real şi cel virtual

Putere motorină

Moment motorină

Putere 6% ulei uzat

Moment 6% ulei uzat

Putere 10% ulei uzat

Moment 10% ulei uzat

Abatere minimă 0,2% (2200 rot/min)

0,65% (3200 rot/min)

0,7% (2200 rot/min)

1,4% (1700 rot/min)

0,1% (1700 rot/min)

0,8% (2200 rot/min)

Abatere maximă 4,9% (3700 rot/min)

2,13% (2700 rot/min)

3,2% (3200 rot/min)

4,5% (3700 rot/min)

4,8% (2200 rot/min)

3,7% (2700 rot/min)

Figura 4.7 Variaţia presiunii din cilindru

Tabelul 4.3 Evoluţia presiunii din cilindru

Presiunea din cilindru [bar]


motorină 107,33 118,11

6% f.s. 106,47 113,61

6% ulei uzat 106,46 109,73

10% f.s. 106,56 110,25

10% ulei uzat 104,35 106,29

0

20

40

60

80

100

120

200 300 400 500 600

ba

r

oRAC

motorina motorina simulare6% f.s. 6% f.s. simulare6% uz 6% uz simulare

0

20

40

60

80

100

120

200 300 400 500 600

ba

r

oRAC

motorina motorina simulare

10% f.s. 10% f.s._sim

10% uz 10% uz_sim


53

Figura 4.8 Comparaţie între legile de degajare a căldurii

5 Echipamente, tehnici și proceduri destinate cercetării

experimentale

5.1 Obiectivele şi etapele cercetării experimentale

Cercetările experimentale au ca obiectiv general efectuarea unor măsurători necesare

pentru stabilirea valorii sau intensităţii mărimilor fizice caracteristice fenomenului sau

sistemului considerat [9].

Testele au fost făcute pe un motor Renault K9K P732, de serie, având caracteristicile

prezentate în Tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Caracteristicile motorului Renault K9KP732

Capacitate cilindrică 1451 cm3

Alezaj x cursă 76 x 80,5 mm

Număr cilindri/dispunere/supraalimentare 4/linie/turbosuflantă

Ordinea de injecţie 1-3-4-2

Tip injecţie Injecţie directă, common-rail

Raport de comprimare 15,3:1

Număr supape/cilindru 2

Puterea maximă/turaţia de putere maximă 78 kW/4000 rot/min

Cuplul maxim/turaţia de cuplu maxim 240 Nm/2000 rot/min

Norma de poluare Euro4

-20

0

20

40

60

80

100

120

-40 -20 0 20 40 60 80

J/oR

AC

ORAC

motorina motorina simulare6% f.s. 6% f.s. simulare6% uzat 6% uz simulare

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

-40 -20 0 20 40 60 80

J/oR

AC

oRAC

motorina motorina simulare10%f.s. 10% f.s. simulare10% uzat 10% uz simulare


54

În schema din Figura 5.1 este prezentată organizarea standului de încercări,

poziţionarea senzorilor şi a traductorilor pentru achiziţia temperaturii şi presiunii aerului

admis în motor, temperaturii şi presiunii lichidului de răcire, temperaturii uleiului,

temperaturii combustibilului, presiunii din cilindru, a momentului şi duratei injecţiei, a

turaţiei motorului, a zonelor de prelevare de gaze arse pentru analiza performanţelor

ecologice.

Figura 5.1 Schema de încercări a motorului

5.2 Caracteristicile fizico-chimice ale biocarburanților

Biocarburanții utilizați în realizarea testelor sunt metil-esteri ai uleiurilor alimentare. În

Tabelul 5.2 se prezintă caracteristicile fizico-chimice ale uleiurilor folosite.

Tabelul 5.2 Caracteristicile fizico-chimice ale uleiurilor

Proprietate Rezultate

Floarea soarelui

Măsline Porumb Arahide Palmier Sâmburi struguri

Ulei uzat

Densitate (25oC, kg/m3) 908 903 913 922 913 925 918 Viscozitate (40oC, cSt) 31,86 34,20 31,98 39,50 35,41 34,50 34,76 Lubricitate WS 1.4 (µm) 123 187 220 235 123 114 126 Indice de aciditate (mgKOH/g)

0,12 0,15 0,13 0,11 0,12 0,19 0,17

Punct de tulburare (oC) -13 -10 -18 -6 +16 -7 -8

p0 – presiunea atmosferică; t0 – temperatura mediului ambiant; te1 – temperatura gazelor de evacuare înainte de catalizator; te2 – temepratura gazelor de evacuare după catalizator; ta1 – temperatura aerului admis, înainte de intercooler; ta2 – temperatura aerului admis, după intercooler; pa2 – presiunea din galeria de admisie


55

Metil-esterii au fost sintetizați conform ecuației convențională de trasteesterificare a

uleiurilor vegetale în prezența metanolului, utilizând drept catalizator hidroxidul de

potasiu. Procesul de transesterificare a avut loc în următoarele condiții standard:

temperatura reacției 60oC, presiune 1 bar, raportul metanol/ulei vegetal 6:1, 1% hidroxid

de potasiu, turația de amestecare 550 rot/min, timpul reacției 120 min. În Tabelul 5.3 se

prezintă caracteristicile fizico-chimice ale metil-esterilor obținuți, iar în Tabelul 5.4

procentul de acizi grași din compoziția lor.

Tabelul 5.3 Proprietățile fizico-chimice ale metil-esterilor

Proprietate Rezultate

Floarea soarelui


Ulei uzat

Densitate (25oC, kg/m3) 857 898 902 890 880 912 862 Compoziție chimică

C 76,74 76,41 76,63 76,55 75,92 76,85 77,90 H 11,73 12,05 11,85 11,90 12,22 11,67 11,50 O 11,51 11,54 11,52 11,46 11,86 11,48 10.40

Lubricitate WS1.4 (µm) 210 242 232 223 192 195 203 Indice de aciditate (mgKOH/g)

0,15 0,15 0,15 0,11 0,13 0,26 0,23

Punct de tulburare (oC) -4 -5 -11 +9 +11 -6 -4 Punct de inflamabilitate (oC)

183 176 167 176 169 175 181

Putere calorifică (MJ/kg) 33,5 33,8 34,3 33,6 33,5 32,3 33,2 Coroziunea lamei de cupru

1 1 1 1 1 1 1

Tabelul 5.4 Compoziția de acizi grași a metil-esterilor

Compoziția de acizi grași (%)

Floarea soarelui


Ulei uzat

Lauric C-12:0 0 0 0 0 0,2 0 0 Miristic C-14:0 0 0 0 0,1 1,2 0,1 2,43 Palmitic C-16:0 5,8 11,2 12,3 7,6 40,8 6,7 26,51 Stearic C-18:0 3,8 1,8 2,6 2,6 5,7 4,2 14,58 Oleic C-18:1 28,2 78,4 41,3 58,9 43,3 19,5 46,75 Linoleic C-18:2 62 8,2 43 30,5 8,6 69,2 8,77 Linolenic C-18:3 0,1 0,3 0,8 0,3 0,2 0,3 0,76 Alți acizi 0,1 0,1 0 0 0 0 0,2

Tabelul 5.5 Proprietățile fizico-chimice ale carburanților testați

Proprietate

Rezultate Motorină Floarea

soarelui Măsline Porumb Arahide Palmier Sâmburi

struguri Ulei uzat

B6 B10 B6 B10 B6 B10 B6 B10 B6 B10 B6 B10 B6 B10

Densitate (20oC, kg/m3)

840,2 841,9 843,1 841,3 842,0 841,7 842,7 842,1 843,4 842,1 843,4 841,6 843,4 842,7 844,4

Viscozitate (20oC, cSt)

5,34 5,27 5,10 5,12 5,21 5,04 4,99 5,12 5,94 5,25 5,32 4,93 5,10 5,27 6,15

Cifra cetanică 51,1 54,5 57,6 59,2 63,8 57,6 62,1 57,8 60,9 58,3 62,7 57,7 62,5 54,2 58,9

Punct de inflamabilitate

67 67,2 67,8 69,5 71,8 71,4 67,3 70,6 70,2 76,6 73,4 71,2 73,4 70,8 71,2

Aromatice (% vol)

17,6 11,9 5 12,3 11,3 11,2 7,9 13,2 9 12,9 9,2 14,8 8,1 9,1 10,5


56

Poliaromatice (% vol)

1,5 1,2 0 0,1 0 0 0 0,3 0 0 0 0,2 0 0,8 0,9

Putere calorifică (MJ/kg)

43,16 42,58 42,19 42,60 42,22 42,63 42,27 42,59 42,20 42,58 42,19 42,51 42,07 42,56 42,19

Punct de tulburare (oC)

-17 -14 -13 -14 -13 -16 -15 -11 -8 -10 -8 -14 -13 -14 -13

Coroziune lama cupru

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

5.3 Echipamente pentru achiziţia şi prelucrarea datelor

5.3.1 Standul de încercare a motoarelor

Pentru testarea performanţelor energetice şi ecologice ale motorului Renault K9K P732

alimentat cu diferiţi biocarburanţi s-a utilizat standul Horiba Titan 250, prezentat în

Figura 5.3.

Figura 5.3 Standul de încercări motoare Horiba Titan 250

Standul este echipat cu o frână electrică care are rolul de a opune rezistenţă rotirii

arborelui cotit. Frâna Dynas3 LI250 prezentată în Figura 5.4 este echipată cu un motor

asincron şi, în combinaţie cu convertizorul de frecvenţă, poate acţiona atât ca frână, cât

şi ca generator. Poate opera în ambele direcţii de rotaţie şi este controlată prin

intermediul calculatorului. Caracteristicile frânei Dynas3 sunt prezentate în Tabelul 5.7.


57

.

Figura 5.4 Frâna Dynas3LI250

Tabelul 5.7 Caracteristici frână electrică Dynas3 LI250

Putere maximă absorbită 250 kW Turaţia maximă 8000 rot/min Cuplu maxim 480 Nm Moment de inerţie 0,32 kg.m2

Moment de inerţie (cu echipamente auxiliare)

0,36 kg.m2

Factor de supraîncărcare (max. 60 secunde)

1,2

Timp de răspuns 4 ms

Modulul de măsurare

Senzorii de temperatură lichid răcire, ulei, aer admisie şi gaze de evacuare sunt

conectaţi la standul de măsură prin intermediul modulelor universale de măsurare

(Figura 5.5), caracteristicile acestora fiind prezentate în Tabelul 5.88.

Figura 5.5 Modulul universal de măsurare Horiba S


58

Tabelul 5.8 Caracteristici module de măsurare

CANSAS-ST16 8 canale (X1-X8) conectori termocuplu de tip k (NiCrNi) 8 canale (X9-X16) PT100, tensiune

CANSAS-SP8 8 canale (X1-X8) pentru presiune (conversie la 4-20 mA prin intermediul senzorilor de presiune) 8 canale analogice (X9-X16) cu conector imc DSUB15

Controlerul standului

Standul Horiba Titan 250 este comandat şi operat de calculator prin sistemul automat

de control STARS (Figura 5.6). Testele pot fi pregătite independent de standul de

încercări.

Figura 5.6 Software-ul de comandă al standului STARS

5.3.2 Echipamente pentru determinarea consumului de carburant

Pentru determinarea consumul de carburant s-a utilizat balanţa AVL 401-116H/VA.

În Tabelul 5.9 sunt prezentate principalele caracteristici ale balanţei de consum

carburant.

Tabelul 5.9 Caracteristici balanţa consum carburant AVL 401-116H/VA

Interval de măsurare [kg/h] 0...125

Eroare de măsurare [%] 0.12

Timp de răspuns [ms] 125

Frecvența de măsurare [Hz] 20

Număr de măsurări [-] 0...99

Temperatura ambientală [°C] 0...50

Presiune combustibil [bar] 0.1...0.8

Debit combustibil [kg/h] 20

Temperatură combustibil [°C] -10...40


59

5.3.3 Sistemele de condiţionare a temperaturii lichidelor

Sistemele de condiţionare a lichidelor au rolul de a permite menţinerea temperaturii

lichidului de răcire şi a uleiului la temperatura comandată de operator, permiţând o

ajustare cu o precizie mare şi într-un timp redus.

5.3.4 Echipamente pentru evaluarea emisiilor poluante din gazele de evacuare

Emisiile poluante măsurate conform legislaţiei sunt: monoxidul de carbon (CO), dioxidul

de carbon (CO2), oxizii de azot (NOx), hidrocarburile nearse (HC) şi particulele.

Pentru măsurarea CO, CO2, HC şi NOx s-a utilizat analizorul Pierburg Hermann HGA

400 (Figura 5.11).

Figura 5.11 Analizorul Pierburg HGA 400

Acest analizor funcţionează pe principiul chemiluminiscenţei elementelor componente.

Pentru măsurarea compuşilor poluanţi din gazele de evacuare sunt folosite celule de

detecţie în infraroşu. Datele tehnice ale analizorului sunt prezentate în Tabelul 5.10.

Tabelul 5.10 Date tehnice analizor Pierburg HGA 400

Componenta Domeniul de măsură Rezoluţia Precizia CO 0 – 10% vol 0,01% vol < 1,2% vol ±0,06% vol CO2 0 – 20% vol 0,1% vol < 10% vol ±0,5% vol HC 0 – 20000 ppm <2000: 1 ppm < 220 ppm ±11 ppm O2 0 – 22% vol 0,01% vol < 2% vol ±0,1% vol NOx 0 – 5000 ppm 1 ppm < 450 ppm ±4 ppm

Pentru determinarea particulelor s-a utilizat fummetrul AVL SmokeMeter 415S (Figura

5.12). Acest analizor realizează măsurarea automată a conţinutului de funingine din


60

gazele de evacuare, debitul de gaze arse trecute prin aparat fiind măsurat de un

debitmetru.

Figura 5.12 Fummetru AVL SmokeMeter 415S

Se pot efectua: o singură măsurătoare, măsurători multiple, măsurători la intervale de

timp prestabilite, măsurători cu volum preselectat. Temperatura maximă a gazelor de

evacuare este de 600oC. Rezultatul măsurătorii este redat în unităţi FSN (Filter Smoke

Number), concentraţie volumică (mg/m3) sau nivel de poluare (%). Pentru un filtru opac,

valoarea FSN este de 10, iar pentru un filtru curat de 0.

Tabelul 5.11 Caracteristicile fummetrului AVL 415S

Interval măsurare 0 – 10 FSN 0 – 32000 mg/m3

0 – 100 % Limita de detecţie 0,002 FSN / 0,02 mg/m3

Rezoluţie 0,001 FSN / 0,01 mg/m3 Presiunea gazelor de evacuare -100 – 400 mbar Temperatura maximă a gazelor prelevate 800oC

5.3.5 Echipamente pentru măsurarea parametrilor indicaţi

În timpul testelor trebuie măsuraţi următorii parametri indicaţi: presiunea din cilindru,

presiunea din galeria de admisie şi de evacuare, presiunea de injecţie, etc. Aceşti

parametri sunt raportaţi la poziţia instantanee a pistonului.

În Figura 5.14 este prezentată schema de conectare a echipamentelor pentru

măsurarea parametrilor indicaţi.


61

Figura 5.14 Schema de conectare pentru măsurarea parametrilor indicați

Senzorul de marcaj al unghiului arborelui cotit (oRAC)

Pentru determinarea unghiului arborelui cotit s-a folosit senzorul AVL 365C (Figura

5.15), montat pe fulia arborelui cotit prin intermediul unei flanşe adaptoare. Este un

senzor optic care se bazează pe reflexia unui fascicul de lumină care trece printr-un

disc cu fante. Componentele electronice sunt montate separat de senzor pentru a

micşora influenţa interferenţelor electrice, a temperaturii şi a vibraţiilor.

Figura 5.15 Senzor turaţie şi determinare unghi arbore cotit

Traductor pentru măsurarea presiunii din cilindru

În vederea măsurării presiunii din cilindru s-a utilizat un senzor piezoelectric de tipul

KISTLER 6005 (Figura 5.2).


62

Figura 5.2 Traductor presiune din cilindru

Traductor pentru determinarea presiunii din galeria de admisie

Pentru măsurarea presiunii din galeria de admisie s-a folosit un traductor de tip

piezorezistiv Keller PAA-14-16. În Figura 5.8 se ilustrează modalitatea de amplasare a

senzorului.

Figura 5.18 Traductor presiune din galeria de admisie

Traductoare pentru determinarea temperaturii din galeria de admisie şi de

evacuare

Pentru determinarea temperaturilor din galeria de admisie şi de evacuare s-au folosit

senzori de tip Ni-Cr-Ni.


63

5.4 Metodica cercetării experimentale

Pentru realizarea testelor pe motor au trebuit să fie realizaţi următorii paşi:

- Montarea senzorilor şi a traductoarelor pe motor

- Cuplarea motorului cu frâna

- Racordarea sistemului de alimentare şi răcire a motorului la cele ale standului

- Realizarea legăturii senzorilor, traductoarelor

Programul de încercări pe stand a motorului s-a concentrat pe achiziţia şi prelucrarea

următorilor parametrii: presiunea din cilindru, puterea şi momentul motor, consumul orar

şi specific de carburant, compuşii poluanţi din gazele de evacuare pentru mai multe

sarcini, turaţii şi amestecuri de motorina şi biocarburanţi.

Încercările au fost făcute pentru 15 tipuri de carburanţi (motorină fără biodiesel,

motorină în amestec cu 6% şi 10% biodiesel de măsline, de sâmburi de struguri, de

palmier, de arahide, de porumb, de floarea soarelui, de ulei alimentar uzat).

În Tabelul 5.67 este prezentat programul de desfăşurare a testelor.

Tabelul 5.67 Programul testelor

Nr.

crt

Sarcina Turaţia Carburant testat

1 25%

1200

D M6 M10 S6 S10 P6 P10 A6 A10 PB6 PB10 F6 F10 UA6 UA10

1700

2200

2700

3200

3700

2 50%

1200


1700

2200

2700

3200

3700

3 75%

1200


1700

2200

2700

3200


64

3700

4 100%

1200


1700

2200

2700

3200

3700

6 Rezultatele cercetărilor experimentale

6.1 Cercetarea parametrilor energetici și ecologici ai motorului

Condițiile de efectuare ale testelor au fost:

- Temperatura mediului ambiant 20oC;

- Presiunea atmosferică: 105 Pa.

După efectuarea testului de referinţă, s-a ridicat caracteristica de turaţie prezentată în

Figura 6.1.

Figura 6.1 Caracteristica de turaţie la sarcină totală

Puterea maximă a motorului, de 71,64 kW, se obţine la turaţia de 3700 rot/min,

momentul maxim, de 225,76 Nm, se obţine la turaţia de 2700 rot/min, iar consumul

specific minim, de 232,44 g/kWh, la turaţia de 2700 rot/min.

0

50

100

150

200

250

300

350

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

P [kW]

C [kg/h]

M [Nm]

c [g/kWh]


65

6.1.1 Evoluţia parametrilor energetici

Figura 6.2 Variaţia puterii efective pentru sarcina 100%

Figura 6.3 Variaţia puterii maxime, la sarcină totală, pentru turație 3700 rot/min

În Figura 6.2 se prezintă evoluţia puterii efective în funcţie de turaţia motorului, iar în

Figura 6.3 se prezintă evoluţia puterii efective dezvoltată de motor la turaţia

corespunzătoare puterii maxime. Se observă o creştere a puterii maxime cu 1,17%

pentru amestecul de 6% biodiesel de arahide, şi o scădere cu 0,18% pentru amestecul

de 10% biodiesel de struguri.

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

kW

rot/min

motorina 6% masline

6% porumb 6% struguri

6% palmier 6% arahide

6% floarea soarelui 6% ulei uzat

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

kW

rot/minmotorina 10% masline




71

71.2

71.4

71.6

71.8

72

72.2

72.4

72.6

Pe

[k

W]


66

Figura 6.4 Variaţia momentului efectiv pentru sarcina 100%

În Figura 6.4 se prezintă evoluţia momentului efectiv în funcţie de turaţia motorului la

sarcină maximă, iar în Figura 6.5 se prezintă valorile momentului efectiv dezvoltat de

motor la turaţia corespunzătoare momentului maxim. Se observă o creştere a

momentului maxim cu 1,40% pentru amestecul de 6% biodiesel de arahide, şi o

scădere cu 0,66% pentru amestecul de 10% biodiesel de porumb.

Figura 6.5 Variaţia momentului maxim, la sarcină totală, turație 2700 rot/min

90

110

130

150

170

190

210

230

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Nm

rot/min

motorina 6% masline




90

110

130

150

170

190

210

230

1000 2000 3000 4000

Nm





221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

Me

[N

m]


67

Figura 6.6 Variaţia consumului specific pentru sarcina 100%

Consumul orar şi specific sunt influenţate de densitatea carburantului, care variază între

0,8402 kg/m3 şi 0,844 kg/m3 (Figura 6.6, Figura 6.7).

Pentru un amestec de 10% biocarburant, puterea dezvoltată de motor scade în

comparaţie cu amestecul de 6% biodiesel. Se constată aceeași tendinţă şi pentru

momentul motor.

Figura 6.7 Variaţia consumului orar pentru sarcină 100%

În Figura 6.9 este prezentată presiunea maximă din cilindru, în funcţie de carburantul

testat. Cea mai ridicată presiune s-a înregistrat pentru amestecul B6 măsline cu 1,25%

mai mare decât presiunea dezvoltată prin arderea motorinei, iar cea mai scăzută

220

230

240

250

260

270

280

290

1000 2000 3000 4000

g/k

Wh

rot/min

motorina 6% masline




220

230

240

250

260

270

280

290

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

g/k

Wh





2

7

12

17

22

1000 2000 3000 4000

kg

/h

rot/min

motorina 6% masline6% porumb 6% struguri6% palmier 6% arahide6% floarea soarelui 6% ulei uzat

2

7

12

17

22

1000 2000 3000 4000

kg

/h

rot/minmotorina 10% masline10% porumb 10% struguri10% palmier 10% arahide10% floarea soarelui 10% ulei uzat


68

presiune pentru amestecul B10 struguri, cu 3,15% mai mică decât presiunea dezvoltată

prin arderea motorinei.

Figura 6.8 Variaţia presiunii din cilindru, sarcină 100%, turație 3700 rot/min

Figura 6.9 Presiunea maximă din cilindru, turaţie 3700 rot/min, sarcină 100%

Din analiza datelor prezentate în Figura 6.10 se constată că pentru turaţia de 3700

rot/min, sarcina 100%, are loc o singură injecţie pe ciclu, care durează 30oRAC.

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50 -30 -10 10 30 50

ba

r

oRAC

motorina 6% masline

6% f.s. 6% porumb

6% uz 6% arahide

6% palmier 6% struguri

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50 -30 -10 10 30 50

ba

r

oRAC

motorina 10% uz

10% arahide 10% f.s.

10% masline 10% palmier


101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

p [

bar

]


69

Figura 6.10 Variaţia presiunii şi a momentului injecţiei, sarcina 100%, turaţia 3700 rot/min

6.1.2 Parametrii ecologici

În gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere internă apar emisii poluante: CO, CO2,

HC, NOx şi particule. Aceste emisii sunt influenţate de consistenţa combustibilului

(vapori sau lichid), omogenitatea amestecului şi temperatura din cilindru.

Evaluarea parametrilor ecologici în funcție de turație

Figura 6.11 Variaţia emisiilor de CO, sarcina 100%

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0

20

40

60

80

100

120

-40 -20 0 20 40 60 80

Vba

r

oRACmotorina 6% masline6% f.s. 6% porumb6% uz 6% arahide6% palmier 6% struguri

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0

20

40

60

80

100

120

-40 -20 0 20 40 60 80

Vba

r

oRACmotorina 10% uz10% arahide 10% f.s.10% masline 10% palmier10% porumb 10% struguri

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

%

rot/min6% arahide motorina

6% masline 6% porumb

6% struguri 6% palmier

6% f.s. 6% uzat

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

%




10% f.s. 10% uzat


70

Figura 6.125 Variația emisiilor de CO, sarcină 100%, turaţie 2700 rot/min

Pentru turaţia de 2700 rot/min, turaţie corespunzătoare momentului maxim dezvoltat de

motor, se observă din analiza graficului din Figura 6.12 că emisiile de CO scad cu

maxim 350% pentru amestecul B10 porumb. Diminuarea emisiilor de CO este cauzată

de întârzierea mai mică la autoaprindere, de viscozitatea mai mică și conținutul

suplimentar de oxigen a amestecurilor de carburanți. Amestecul B10 porumb prezintă

cele mai bune proprietăți din punct de vedere al viscozității și a conținutului de oxigen.

Figura 6.13 Variaţia emisiilor de HC, sarcină 100%

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

CO

[%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1000 2000 3000 4000

pp

m




6% f.s. 6% uzat

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000 2000 3000 4000

pp

m




10% f.s. 10% uzat


71

Figura 6.14 Variația emisiilor de HC, sarcină 100%, turaţie 2700 rot/min


motor, se observă din analiza graficului din Figura 6.14 că emisiile de HC scad cu

maxim 71,9% pentru amestecul B10 struguri. Scăderea emisiilor de HC este cauzată de

prezența oxigenului molecular din compoziția biodiesel-ului care contribuie la o ardere

mai completă a amestecului carburant. Cifra cetanică ridicată conduce la o întârziere la

autoaprindere mai mică și la un timp de ardere mai îndelungat.

Amestecul B10 struguri prezintă cele mai bune proprietăți din punct de vedere al cifrei

cetancie și a conținutului de oxigen.

Cantităţile de NOx formate sunt influenţate de cantitatea de oxigen şi temperatura din

cilindru, avansul la injecţie.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HC

[p

pm

]


72

Figura 6.15 Variaţia emisiilor de NOx, sarcină 100%

Din analiza diagramei din Figura 6.15 se observă că emisiile de NOx sunt mai reduse la

toţi biocarburanţii testaţi faţă de motorină.

Figura 6.16 Variația emisiilor de NOx, sarcină 100%, turaţie 2700 rot/min


motor, se observă din analiza graficului din Figura 6.16 că emisiile de NOx scad cu

maxim 8% pentru amestecul B10 măsline. Prin creșterea cifrei cetanice se reduce

întârzierea la autoaprindere și se reduce rata formării de NOx datorită ratei de creștere

a presiunii mai mici, ceea ce conduce la timp mai mare de răcire a gazelor de ardere.

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1000 2000 3000 4000

pp

m

rot/min

motorina 6% masline



6% f.s. 6% uzat

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

pp

m

rot/min

motorina 10% masline



10% f.s. 10% uzat

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

NO

x[p

pm

]


73

Particulele generate din arderea combustibilului sunt compuşi ai carbonului conţinut în

combustibil. Compoziţia acestora depinde de condiţiile de funcţionare ale motorului şi

de temperatura de evacuare.

Figura 6.20 Variaţia emisiilor de particule, sarcina 100%

Figura 6.217 Variația emisiilor de particule, sarcină 100%, turaţie 2700 rot/min


motor, se observă din analiza graficului din Figura 6.21721 că emisiile de particule scad

cu maxim 26,34% pentru amestecul B10 porumb.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1000 2000 3000 4000

mg

/m3

rot/min

motorina 6% masline



6% f.s. 6% uzat

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1000 2000 3000 4000

mg

/m3

rot/min




10% f.s. 10% uzat

0

5

10

15

20

25

30

35

pa

rtic

ule

[m

g/m

3]


74

CO2 este un gaz care se regăseşte în atmosferă, fiind principalul gaz cu efect de seră

emis din toate activităţile umane.

Figura 6.2218 Variaţia emisiei de CO2, sarcina 100%

Conform graficului din Figura 6.221822 emisiile de CO2 sunt mai mari pentru

biocarburanţii testaţi comparativ cu motorina.


motor, se observă din analiza graficului din Figura 6.193, că emisia de CO2 este

maximă pentru amestecul B10 porumb.

Figura 6.193 Emisia de CO2, sarcină 100%, turaţie 2700 rot/min

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

1000 2000 3000 4000

%

rot/min

motorina 6% masline6% porumb 6% struguri6% palmier 6% arahide6% f.s. 6% uzat

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

%rot/min

motorina 10% masline10% porumb 10% struguri10% palmier 10% arahide

10% f.s. 10% uzat

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

CO

2[%

]


75

Evaluarea parametrilor ecologici în funcție de sarcină

S-a urmărit și influența sarcinii motorului asupra emisiilor poluante ale amestecurilor de

motorină cu biocarburanții testați în comparație cu cele ale motorului alimentat cu

motorină. Creșterea sarcinii la motorul cu aprindere prin comprimare se face prin

mărirea cantității de combustibil injectat în cilindru, ceea ce duce la creșterea presiunii

și temperaturii din cilindru, și la scăderea coeficientului de exces de aer.

Figura 6.204 Variația emisiei de CO, turație 2700 rot/min

În cazul sarcinilor mici, cantitatea de combustibil injectat în cilindru este mică,

coeficientul de exces de aer este ridicat, iar în extremitățile cilidrului poate fi sub limita

de ardere. Temperatura din cilindru este mai redusă ceea ce contribuie la cerșterea

emisiei de CO și HC, produse ale arderii incomplete. Cu creșterea sarcinii, se

injectează mai mult carburant, coeficientul de exces de aer se micșorează, generând o

ardere mai completă, iar emisiile de CO și HC scad.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

20 40 60 80 100

%

sarcina [%]

motorina 6% masline



6% f.s. 6% uzat

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

20 40 60 80 100

%

sarcina [%]

motorina 10% masline 10% porumb

10% struguri 10% palmier 10% arahide

10% f.s. 10% uzat


76

Figura 6.215 Variația emisiei de HC, turație 2700 rot/min

La sarcini mari, emisia de HC crește datorită scăderii coeficientului de exces de aer.

Figura 6.26 Variația emisiei de NOx, turație 2700 rot/min

În Figura 6.6 este prezentată influența variației sarcinii motorului pentru turația de

moment maxim asupra emisiei de NOx. Emisia de NOx crește cu sarcina, datorită

creșterii cantității de carburant injectată în cilindru și a temperaturii din camera de

ardere.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

20 40 60 80 100

pp

m

sarcina [%]

motorina 6% masline



6% f.s. 6% uzat

0

10

20

30

40

50

60

70

80

20 40 60 80 100

pp

m

sarcina [%]




10% f.s. 10% uzat

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

20 40 60 80 100

pp

m

sarcina [%]motorina 6% masline



6% f.s. 6% uzat

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

20 40 60 80 100

pp

m

sarcina [%]



77

Figura 6.227 Variația emisiei de particule, turație 2700 rot/min

În

Figura 6.227 este prezentată influența variației sarcinii motorului pentru turația de

moment maxim asupra emisiei de particule. În urma testelor efectuate s-a constatat o

creștere a emisiilor de particule până la sarcini medii (50/75%), emisia scăzând pentru

sarcina maximă.

Figura 6.28 Variația emisiei CO2, turație 2700 rot/min

Din analiza figurii 6.28 reiese că emisiile de CO2 cresc cu sarcina, deoarece sunt direct

proporționale cu cantitatea de combustibil injectat în cilindru.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100

mg

/m3




6% f.s. 6% uzat

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100

mg

/m3




10% f.s. 10% uzat

6

8

10

12

14

16

18

20 40 60 80 100

%

sarcina [%]


6

8

10

12

14

16

18

20 40 60 80 100

%

sarcina [%]



78

6.2 Concluzii

Testele care au fost efectuate au avut ca scop măsurarea parametrilor energetici şi

ecologici: puterea efectivă, momentul efectiv, consumul orar şi specific, emisia de CO,

CO2, HC, NOx, particule pentru un motor alimentat cu motorină şi amestecuri de

biodiesel din diferite plante.

Din testele iniţiale, s-a constatat ca puterea maximă a motorului alimentat cu motorină

este de 71,64 kW, obţinută la o turaţie de 3700 rot/min, momentul maxim dezvoltat de

motor este de 225,76 Nm, obţinut la 2700 rot/min. Testele cu cele 14 sortimente de

biodiesel (B6 şi B10 din ulei de porumb, măsline, floarea soarelui, struguri, palmier,

arahide, ulei uzat) au efectuate pentru patru sarcini (25%, 50%, 75%, 100%) şi pentru

şase valori ale turaţiei (1200, 1700, 2200, 2700, 3200, 3700 rot/min).

Din analiza parametrilor energetici şi ecologici ai motorului alimentat cu cei 15

combustibili s-a constatat:

• Puterea maximă dezvoltată de motor variază în funcţie de carburantul testat, cea

mai mare fiind pentru B6 arahide (72,47 kW), iar cea mai mică pentru B10

struguri (71,50 kW);

• Puterea dezvoltată de motor scade cu creşterea concentraţiei de biodiesel din

motorină pentru toate sortimentele testate;

• Pentru sarcina de 75% şi turaţia de 3700 rot/min, puterea efectivă a motorului

alimentat cu biodiesel este mai mare pentru toate sortimentele de biodiesel decât

puterea obţinută prin alimentarea cu motorină;

• Pentru sarcina de 75% şi turaţia de 2700 rot/min, valoarea momentul efectiv al

motorului alimentat cu biodiesel este superioară pentru toate sortimentele valorii

momentului dezvoltat de motorul alimentat cu motorină;

• Pentru sarcina de 50% puterea dezvoltată de motorul alimentat cu biodiesel la o

turaţie de 3700 rot/min pentru toate sortimentele de biodiesel înregistrează o

scădere faţă de puterea dezvoltată de motorul alimentat cu motorină. Pentru

turaţia corespunzătoare momentului maxim (2700 rot/min) se înregistrează o

variaţie mică neuniformă a momentului efectiv;

• Pentru sarcina de 25%, puterea maximă a motorului se obţine la turaţia de 3200

rot/min, valorile puterii prezentând o tendinţă neuniformă pentru diferitele


79

sortimente de biodiesel faţă de motorină. Turaţia momentului maxim este de

1700 rot/min, momentul dezvoltat de motorul alimentat cu biodiesel fiind mai mic

pentru majoritatea sortimentelor de biodiesel faţă de motorină;

• Presiunea din cilindru variază în funcţie de caracteristicile biodieselului;

presiunea maximă din cilindru corespunzătoare turaţiei puterii maxime la sarcină

totală prezintă o creştere maximă de 1,25% pentru B6 măsline, şi o scădere cu

3,14% pentru B10 struguri faţă de presiunea maximă a motorului alimentat cu

motorină.

• Consumul specific este influenţat de densitatea combustibilului. Cea mai mică

densitate o are motorina (840,2 kg/m3), amestecurile de biodiesel având valori

ale densităţii cuprinse între 841,2 kg/m3 (B6 măsline) şi 844,4 kg/m3 (B10 ulei

uzat);

• La turaţii scăzute (1200 rot/min) au loc trei injecţii, la turaţii medii (1700, 2200,

2700 rot/min) au loc două injecţii, iar la turaţii ridicate (3200, 3700 rot/min) are loc

doar o injecţie;

• Din analiza parametrilor energetici se constată că valorile sunt apropiate de ale

motorinei pentru toate tipurile de combustibil testate.

În urma analizei parametrilor ecologici se constată:

• Emisiile de CO scad cu creşterea sarcinii şi a turaţiei pentru toate sortimentele

de biocarburanţi testate, fiind mai mici decât valorile înregistrate la motorină;

• Emisiile de CO2 cresc cu creşterea turaţiei şi a sarcinii pentru toţi biocombustibilii

testaţi, fiind mai mari decât valorile înregistrate la motorină;

• Emisiile de HC scad cu creşterea sarcinii şi a turaţiei pentru toţi biocarburanţii

testaţi, fiind mai mici decât valorile înregistrate pentru motorină;

• Emisia de particule prezintă neuniformităţi: pentru sarcină mică şi turaţie scăzută

emisiile de particule sunt mai mari pentru toţi biocarburanţii testaţi faţă de

motorină. Cu creşterea turaţiei emisiile de particule prezintă o tendinţă de

scădere, ajungând ca la turaţia de putere maximă să fie mai mici pentru toţi

biocarburanţii testaţi comparativ cu valorile înregistrate pentru motorină;

• Emisiile de NOx prezintă o tendinţă neuniformă; pentru sarcinile de 50%, 75% şi

100% şi turaţia de moment maxim şi putere maximă, emisiile de NOx sunt mai

mici pentru toţi biocarburanţii testaţi comparativ cu valorile înregistrate pentru

motorină; pentru turaţii scăzute emisiile de NOx variază neuniform.


80

În urma cercetărilor experimentale efectuate nu s-au înregistrat diferențe semnificative

la nivelul parametrilor energetici între combustibilii testați. Puterea maximă a motorului

variază în intervalul -0,18 ... +1,17% din puterea motorului alimentat cu motorină.

Momentul maxim al motorului variază în intervalul -0,66 ... +1,4% din momentul maxim

al motorului alimentat cu motorină.

Din puncte de vedere al parametrilor ecologici s-a constatat o scădere a emisiiilor

poluante pentru toţi biocarburanţii utilizaţi comparativ cu motorina. Cea mai mare

reducere a emisiilor poluante s-a obținut pentru alimentarea motorului cu un amestec

B10 porumb și măsline.

7 Concluzii. Contribuţii personale

7.1 Concluzii finale

Această lucrare a avut ca obiectiv principal analiza influenţelor diverselor tipuri de

biocarburanţi asupra performanţelor motoarelor cu ardere internă (parametri efectivi şi

de poluare).

În urma studiilor şi cercetărilor efectuate pe parcursul elaborării prezentei tezei de

doctorat pot fi formulate următoarele concluzii:

� Producţia mondială de petrol a crescut cu 15% în ultimii 10 ani;

� Se estimează că rezervele de materie primă pentru combustibilul fosil se vor

epuiza în următorii 30 – 100 ani;

� Deoarece rezervele de combustibil sunt limitate, preţul carburantului este ridicat,

mediul înconjurător trebuie protejat de emisiile poluante ale motoarelor cu ardere

internă, s-au făcut cercetări pentru găsirea de resurse alternative;

� Utilizarea pentru propulsia autovehiculelor a altor tipuri de energie regenerabilă

(energia vânturilor sau fotovoltaică) este complicată datorită infrastructurii

actuale. Hidrogenul poate fi folosit în diferite moduri, direct prin injecție în camera

de ardere sau, preferabil, în celule de combustie. Folosirea hidrogenului necesită

modificarea infrastructurii stațiilor de alimentare și a structurii automobilelor, cu

un cost suplimentar;

� Biocarburanţii au fost folosiţi din 1898, când primul motor al lui Rudolf Diesel a

funcţionat fiind alimentat cu ulei de arahide;


81

� Materia primă pentru biocarburanţi o constituie biomasa, partea biodegradabilă a

produselor, deşeurilor şi reziduurilor din agricultură, cu un impact minim asupra

mediului;

� Extinderea folosirii biocarburanţilor din prima generaţie (obţinuţi din seminţele

plantelor) necesită extinderea suprafeţelor cultivate, cu un impact negativ asupra

habitatului şi biodiversităţii faunei şi a industriei alimentare;

� Biodieselul este un combustibil mai puţin toxic, biodegradabil, care reduce

emisiile de gaze cu efect de seră;

� Biodieselul poate fi folosit în amestec cu motorina în proporţie de până la 20%

fără modificări ale instalaţiei de alimentare a motorului;

� Puterea calorifică a biodieselului este mai redusă decât cea a motorinei, dar are

calităţi de autoaprindere mai bune (cifra cetanică mai mare);

� Emisiile poluante ale motorului alimentat cu biodiesel sunt mai mici în comparaţie

cu cele ale motorului alimentat cu motorină;

� Cercetarea experimentală s-a efectuat pe un motor de serie Renault K9K-P732

şi a avut ca scop determinarea influenţei proprietăţilor fizico-chimice ale

biocarburanţilor testaţi (motorină, biodiesel din ulei arahide, biodiesel din ulei de

sâmburi de struguri, biodiesel din ulei de măsline, biodiesel din ulei de palmier,

biodiesel din ulei de porumb, biodiesel din ulei de floarea soarelui şi biodiesel din

ulei uzat) asupra performanţelor energetice şi ecologice ale motorului;

� Testările au fost realizate folosind 15 reţete de carburnat: motorină fără

biocarburant şi amestecuri de 6% şi 10% motorină cu biodiesel din ulei arahide,

biodiesel din ulei de sâmburi de struguri, biodiesel din ulei de măsline, biodiesel

din ulei de palmier, biodiesel din ulei de porumb, biodiesel din ulei de floarea

soarelui şi biodiesel din ulei uzat;

� În urma ridicării caracteristicii externe folosind motorină fără biocarburant s-a

observat că puterea maximă 71,64 kW a fost obţinută la o turaţie 3700 rot/min,

iar momentul maxim 225,76 Nm la o turaţie 2700 rot/min, consumul specific

minim fiind 232,44 g/kWh la o turaţie de 2700 rot/min;

� S-a cercetat influenţa biocarburanţilor asupra principalilor parametri energetici ai

motorului: puterea efectivă, momentul efectiv, consumul orar, consumul specific,

presiunea din cilindru, momentul şi durata injecţiei şi asupra parametrilor

ecologici: emisia de particule, emisiile de CO, CO2, HC și NOx;

� Din analiza comparativă a puterii obţinute prin folosirea biocarburanţilor, cea mai

mare putere a fost obţinută prin folosirea unui amestec de 6% motorină cu


82

biodiesel din ulei de arahide (72,47 kW), iar cea mai mică prin utilizarea unui

amestec de 10% motorina cu biodiesel din ulei din sâmburi de struguri (71,50

kW);

� Din analiza comparativă a momentului motor obţinut prin folosirea

biocarburanţilor, cel mai mare moment a fost obţinut prin folosirea unui amestec

6% motorină cu biodiesel din ulei de arahide (228,92 Nm), iar cel mai mic

moment motor prin utilizarea unui amestec 10% motorină cu biodiesel din ulei

de porumb (224,26 Nm);

� Sistemele moderne de injecție injectează volumetric combustibilul în cilindru.

Deoarece densitatea amestecurilor de biodiesel este mai mare decât densitatea

motorinei, masa de amestec injectată în cilindru este mai mare, ceea ce

compensează puterea calorifică mai redusă;

� Cele mai bune performanțe energetice (putere și moment) s-au obținut la

amestecul B6 arahide datorită densității mai mari (o cantitate mai mare de

carburant injectat în cilindru), a cifrei cetanice ridicate (întârziere la autoaprindere

mică), a viscozității reduse (pulverizare mai bună în camera de ardere), a puterii

calorifice apropiate de cea a motorinei;

� În cazul amestecului B10 struguri, puterea și momentul sunt mai mici datorită

puterii calorifice mici și a punctului de inflamabilitate ridicat;

� Pentru turația corespunzătoare momentului maxim (2700 rot/min) pentru toți

biocarburanții testați s-au înregistrat valori mai mici ale emisiilor de CO în

comparație cu motorina. Cele mai scăzute emisii de CO s-au înregistrat în cazul

amestecului B10 porumb (0,02%).

� Emisiile de CO sunt mai mici în cazul alimentării motorului cu biodiesel, datorită

conținutului suplimentar de oxigen . Un alt factor care influențează emisiile de

CO este întârzierea la autoaprindere. Toate amestecurile de biodiesel au cifra

cetanică mai ridicată decât a motorinei, ceea ce duce la întârzieri la

autoaprindere mai mici și la posibilități de formare a zonelor cu amestec bogat

mai mici;

� Emisiile de CO scad cu creșterea sarcinii datorită creșterii presiunii și

temperaturii din cilindru și a scăderii coeficientului de exces de aer;

� Pentru turația corespunzătoatre momentului maxim (2700 rot/min) pentru toți

biocarburanții testați s-au înregistrat valori mai mici ale emisiilor de HC în

comparație cu motorina, și scad cu creșterea conținutului de biodiesel. Cele mai

scăzute emisii de HC s-au înregistrat în cazul amestecului B10 struguri (25 ppm).


83

� Scăderea emisiilor de HC este cauzată de prezența oxigenului molecular din

compoziția biodiesel-ului care contribuie la o ardere mai completă a amestecului

carburant. Cifra cetanică ridicată conduce la o întârziere la autoaprindere mai

mică și la un timp de ardere mai îndelungat;

� Emisiile de HC scad pentru sarcini până la 75%. La sarcini mai mari de 75%

emisiile de HC cresc datorită scăderii coeficientului de exces de aer;

� Emisiile de NOx scad pentru toți biocombustibilii testați în comparație cu motorina

la turația de moment maxim (2700 rot/min). Cea mai mică valoare a emisiei de

NOx se înregistrează pentru amestecul B10 măsline (1046 ppm).

� Prin creșterea cifrei cetanice se reduce întârzierea la autoaprindere și se reduce

rata formării de NOx datorită ratei de creștere a presiunii mai mici, ceea ce

conduce la timp mai mare de răcire a gazelor de ardere. Datorită lipsei

hidrocarburilor aromatice și poliaromatice din biodiesel temperatura flăcării este

mai mică. Biodieselul cu nivel de saturare ridicat și cifră cetanică mare are emisii

de NOx mai mici;

� Emisiile de NOx cresc până la sarcini de 50%, apoi variația este mică;

� Emisiile de particule sunt mai mici pentru toate tipurile de biodiesel comparativ cu

motorina. Pentru turația corespunzătoare momentului maxim valoarea cea mai

mică a emisiei de particule se înregistrează pentru amestecul B10 porumb (22,28

mg/m3);

� Emisiile de particule scad prin folosirea biodieselului datorită oxigenului

suplimentar, conținutului redus de sulf și cifrei cetanice ridicate. Particulele se

formează în regiuni cu amestec eterogen în timpul arderii în camera de ardere.

Prezența oxigenului suplimentar contribuie la oxidarea completă a

combustibilului chiar și în zonele cu amestec bogat;

� Până la sarcini de 50% se înregistrează o creștere a emisiei de pariticule, apoi

se înregistrează o scădere a acesteia;

� Cifra cetanică ridicată contribuie la o întârziere la autoaprindere mică și la o

durată de ardere mai mare, ceea ce duce la emisii scăzute de partiucle. Sulful

din motorină este transformat în sulfați care sunt absorbiți de particule,

contribuind la creșterea emisiei de particule ale motorului. Raportul C/H scăzut

reduce de asemena emisia de fum;

� Emisiile de CO2 sunt mai mari pentru toți biocarburanții testați comparativ cu

motorina. Prezența oxigenului în biodiesel și procentul scăzut de carbon din


84

biodiesel pentru același volum de carburant folosit reprezintă motivele emisiei

mai ridicate de CO2, densitatea biocarburanților fiind mai mare;

� Emisiile de CO2 cresc cu sarcina deoarece sunt direct proporționale cu cantitatea

de combustibil injectat în cilindru;

� Din analiza performanțelor energetice și ecologice ale motorului alimentat cu

diferite tipuri de biocarburanți s-a constatat că nu există o soluție universală:

putere și cuplu maxim, poluare redusă. De aceea trebuie încercate și amestecuri

de biocarburanți: arahide-porumb-măsline.

� Emisiile de CO2 au valori mai mari pentru toate amestecurile testate, atât pentru

caracteristica de turaţie la sarcină totală, cât şi pentru caracteristicile parţiale de

turaţie;

� Simulările în mediul virtual au urmărit validarea modelului matematic cu încercări

pe motorul real.

În urma cercetărilor întreprinse și a rezultatelor obținute în urma testării biocarburanților

obținuți s-a constat că valorile parametrilor energetici ai motorului Renault K9K-P732

sunt apropiate de cele înregistrate la funcționarea cu motorină, iar valorile parametrilor

ecologici sunt sensibil mai mici.

7.2 Contribuţii personale

În urma documentării teoretice, a simulărilor şi a testelor realizate se pot evidenţia

următoarele contribuţii personale:

� Realizarea unui studiu privind resursele energetice globale, cu evidenţierea

tendinţelor de producţie şi consum;

� Realizarea unui studiu al influenței emisiilor poluante asupra mediului, climei şi

sănătăţii umane;

� Realizarea unui studiu asupra cercetărilor din domeniul producerii de combustibili

alternativi şi influenţa lor asupra emisiilor poluante;

� Alegerea unor uleiuri alimentare atipice pentru realizarea de biodiesel;

� Evaluarea proprietăţilor fizico-chimice ale biodieselului obţinut din diverse uleiuri;

� Cercetarea experimentală a influenţei amestecurilor de motorină şi biocarburanţi

asupra parametrilor energetici şi ecologici ai motorului Renault K9K P732;

� Efectuarea unei analize comparative a parametrilor energetici (P, M, C, c, pcil)

măsuraţi în cadrul cercetării experimentale;


85

� Efectuarea unei analize comparative a parametrilor ecologici (CO, HC, NOx,

particule, CO2) măsuraţi în cadrul cercetării experimentale;

� Realizarea simulării în AVL Boost şi AVL FIRE a arderii din motorul cu aprindere

prin comprimare alimentat cu biocarburanţii testaţi şi analiza comparativă cu

datele obţinute experimental.

7.3 Direcţii viitoare de cercetare

Rezultatele obţinute din cercetările teoretice şi testele efectuate pe motorul Renault

K9K-P732 încurajează continuarea cercetărilor experimentale și dezvoltarea unor noi

direcții:

- cercetări privind influenţa unui amestec de peste 10% biocarburant asupra

sistemelor de alimentare şi a componentelor interne ale motoarelor;

- optimizarea procesului de injecţie pentru obţinerea unor performanţe energetice

cât mai ridicate şi a unor emisii poluante cât mai reduse;

- realizarea unor încercări cu amestecuri de mai mulți biocarburanți.

7.4 Diseminarea rezultatelor

În urma cercetărilor teoretice şi experimentale au fost redactate 23 lucrări, prezentate şi

publicate în conferinţe internaţionale.

8 Bibliografie

[1] ACEA, The Automobile Industry – Pocket Guide 2013, Association des Constructeurs Europeens d’Automobiles, Bruxelles, 2013;

[5] Ajav EA, ș.a, Performance of a stationary diesel engine using vaporized ethanol as supplementary fuel, Biomass Energy, 1998;

[6] Alptekin, E., CanakcI, M., Characterization of the key fuel properties of methyl ester-diesel fuel blends, Fuel, vol. 88, (1), pag. 75-80, 2009;

[7] Al Seadi, T., ș.a., Biogas Handbook, University of Southern Denmark, 2008;

[8] Anikeev, V., Modern technologies of the biomass conversion for chemicals, carbon sorbents, energy, heat and hydrocarbon fuels production. Biomass: A Growth Opportunity in Green Energy and Value-Added Products, Vol 1 and 2, 1999;

[9] Apostolescu, N., Taraza, D., Bazele cercetării experimentale a maşinilor termice. Ed. Didactică şi Pedagogică Bucureşti, 1979;

[11] Atabani, A.E., et. al, A comparative evaluation of physical and chemical properties of biodiesel synthesized from edible and non-edible oils and study on the effect of biodiesel blending, Energy, pag. 296-304, 2013;


86

[14] AVL – Boost Theory, AVL, 2010;

[17] AVL – Fire User Guide, In. 2010;

[20] AVL – Indimodul 621, Hardware: Austria, October, 2006;

[28] Benea B.C., Chircan, E., A Brief Discussion On Biofuel Production, CONAT 2010, Brașov;

[29] Benea B.C., Biodiesel Production From Sunflower, SMAT 2008 SECOND INTERNATIONAL CONGRESS AUTOMOTIVE, SAFETY AND ENVIRONMENT 23 - 25 October, 2008 – Craiova, 2008;

[31] Benea, B.C, Referat nr. 2 – Echipamente pentru alimentarea cu biocarburanți a motoarelor de autovehicule, Universitatea Transilvania Brașov, 2008;

[32] Benea, B.C, Referat nr. 3 – Concepția și cercetarea experimentală a motoarelor cu biocarburanți, Universitatea Transilvania Brașov, 2008;

[34] Benea, B.C., Dumitrascu, D. I., Researches Regarding the Usage of Biodiesel on D.I. Engines, International Conference - MVT 2006 "Motor Vehicles & Sustainable Transportation", Timișoara, 2006;

[35] Benea, B.C., Researches Regarding Using of Biogas on S.I. Engine, AMMA 2007, Cluj Napoca, 2007;

[36] Benea Bogdan Cornel, Study Regarding The Effect Of Biodiesel On Diesel Engine Emission, MVT 2012, Timișoara, 2012;

[37] Benea, B.C., Chircan, E., The Future Of Energy: Biofuels, CAR 2011, Pitești;

[38] Benea B.C., The Influence Of Biodiesel Fuels On Diesel Engine, SMAT 2008 SECOND INTERNATIONAL CONGRESS AUTOMOTIVE, SAFETY AND ENVIRONMENT 23 - 25 October, 2008 – Craiova, Romania;

[39] Benea Bogdan Cornel, Dumitrașcu Dorin Ion, The Usage of Biodiesel in Eastern Europe Countries, COMAT 2008, Brașov;

[40] BIOFRAC, B.R.A. Council, „Biofuels in the European Union: A Vision for 2030 and Beyond”, European Communities, Report 13, 2006;

[41] Bobescu, Gh., ș.a., Motoare pentru automobile și tractoare, Vol. I, Editura Tehnicǎ: Chișinǎu, Moldova, 1996;

[49] Chiru, A., Cercetări privind posibilitatea de forțare a motoarelor cu aprindere prin comprimare, Teza de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov: Brașov, 1986;

[50] Chiru, A, ș.a., The performance analyze of the alternative fuels for internal combustion engines, SAE.08PFL-888;

[55] Demirbas, A., Biodiesel. A realistic fuel alternative for Diesel engines, Springer, 2008;

[56] Dumitrascu, D. I., Benea, B.C., Biodiesel – An Alternative Fuel For Diesel Engines, COMAT 2008, Brașov, 2008;


87

[57] Dumitrascu, D.I., Benea B.C., The Energetical and Ecological Performances of D.I. Diesel Engine Fueled with Biodiesel, ADVANCES in PRODUCTION, AUTOMATION and TRANSPORTATION SYSTEMS, Brașov, 2013;

[62] EEA Report, EU bioenergy potential from a resource-efficency perspective, 2013;

[72] GWEC Global Wind Report – Annual Market Update 2012, Global Wind Energy Council, Brussels, 2013;

[73] Grünwald, B., Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehiculele rutiere, Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti, 1980;

[74] Gumus M., ș.a., The impact of fuel injection pressure on the exhaust emissions of a direct injection diesel engine fueled with biodiesel–diesel fuel blends, Fuel, vol. 95, pag. 486-494, 2012;

[75] Guibet, J.C., Carburants et moteurs, L’Institut Francais du Petrole, 1997;

[77] Heywood, J.B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Publishing: New York, 007028637X, 1988;

[78] Hiroyasu, H., Diesel Engine combustion and its modeling, Proc. Of the International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines: Comodia, 1985;

[79] Hiroyasu, H. et.al, Simplified Three Dimensional Modeling of Mixture Formation and Combustion in a DI Diesel Engine, SAE890269, 1989;

[85] Hotărârea nr. 1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanților și a altor carburanți regenerabili pentru transport;

[86] Hubca, Gh., Lupu, A., Biocombustibili. Biodiesel, bioetanol, sun diesel, biometanol, bioaditivi, Matrixrom;

[87] IEA, Automotive fuels for the futures, OECD/IEA, 1999;

[88] IEA, CO2 emissions from fuel combustion, 2012;

[94] Klass, D.L., Biomass for Renewable Energy, Fuels and Chemical. Academic Press, San Diego, 1998;

[95] Lapuerta M, ș.a., Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions, Progress in Energy and Combustion Science, vol. 34(2), pag. 198-223, 2008;

[96] Liaquat, A.M., ș.a., Application of blend fuels in a diesel engine, Energy Procedia vol. 14, pag. 1124 – 1133, 2012;

[99] Magnusen, Bf., et al., On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion, Sixteenth international symposium on combustion, The combustion institute: Pittsburg, 1977;

[100] Martinez, G., ș.a., Fuel properties of biodiesel from vegetable oils and oil mixtures. Influence of methyl esters distribution, Biomass and Bioenergy, pag. 22-32, 2014;

[101] Merker, G.P., Combustion Engines Development: mixture formation, combustion, emissions and simultion. Springer, New York, 9783642029516, 2012;


88

[102] Mittelbach, M., Remschmidt, C., – Biodiesel: the comprehensive handbook, Graz, 2004;

[104] Muntean, A. B., Optimizarea arderii ȋn motoarele cu aprindere prin comprimare prin ȋmbunǎtǎțirea omogenizǎrii amestecului carburant, Tezǎ de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2012;

[115] Plunkett, J.R., International Energy Outlook and Projections. Nova Science Publishers, 2011;

[116] Radich, A. – Biodiesel performance, costs and use, EIA, http://www.eia.gov/oiaf/analysispaper/biodiesel/;

[119] REN21, Renewable 2013 Global status report, Renewable Energy Policy Network for 21st Century, 2013;

[122] Rutz Dominik & Janssen Rainer – „Biofuel Technology Handbook” – 2008 – WIP Renewable Energies, 2008;

[123] Săcǎreanu, S., Cercetarea influenţei regimurilor de funcţionare și a caracteristicilor carburanților asupra parametrilor energetici și ecologici ai motoarelor cu ardere internă", Tezǎ de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2011;

[124] Sayin C, ș.a., Effect of injection timing on the exhaust emissions of a diesel engine using diesel–methanol blends, Renew Energy, 2009;

[125] Schönborn, A. , Influence of the molecular structure of biofuels on combustion in a compression ignition engine, University College London, 2009;

[126] Sheehan, J., et. al – Life cycle inventory of biodiesel and petroleum diesel for use în an urban bus, National Renewable Energy Laboratory,1998;

[134] US Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2013 with Projections to 2040, 2013;

[135] US Energy Information Administration, International Energy Outlook 2013 with Projections to 2040, 2013;

[147] http://www.biodiesel.org/docs/ffs-basics/emissions-fact-sheet.pdf;

[148] http://www.biomassenergycentre.org.uk;

[149] https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/rankorder/2178rank.html;

[150] http://cta.ornl.gov/cta/index.shtml;

[151] http://www.eurobserv-er.org/pdf/barobilan11.pdf;

[152] www.imt.ro Raport domeniul Energie;

[153] http://www.oica.net/category/vehicles-in-use

[157] http://world-nuclear.org/Nuclear-Basics/Global-number-of-nuclear-reactors/#.UhxUNNLIaQk;


89

Rezumat

Lucrarea are ca obiectiv cercetarea influenței caracteristicilor fizico-chimice ale

biocarburanților asupra parametrilor energetici și ecologici ai motoarelor de

autovehicule.

În prima parte a lucrării se realizează o sinteză a resurselor energetice neregenerabile

și regenerabile, insistându-se asupra biomasei ca sursă de energie alternativă. În urma

sintezei, se aleg șase tipuri de uleiuri alimentare proaspete (floarea soarelui, arahide,

sâmburi de struguri, palmier, porumb și măsline) și ulei uzat pentru transformare în

biodiesel.

Se realizează descrierea procesului de transesterificare având în vedere tehnologia de

producere a esterilor, caracteristicile materiilor prime, mecanismului reacției chimice.

Pentru realizarea testelor privind influența proprietăților biodieselului asupra

parametrilor energetici și ecologici, cercetările au fost efectuate pe un motor de serie

Renault K9K-P732 alimentat cu biodiesel din ulei de floarea soarelui, arahide, sâmburi

de struguri, palmier, porumb, măsline și ulei uzat în concentrații de 6% și 10%.

Lucrarea cuprinde cercetări teoretice ale proceselor de ardere din motor, fiind prezentat

modelul matematic al acestor procese. S-au realizat și simulări ale arderii din cilindru

folosind programele AVL Boost și AVL Fire.

Analiza comparativă a rezultatelor experimentale și a celor teoretice a evidențiat

diferențe de maxim 5%, validând modelul teoretic.

Abstract

This paper aims to research the influence of physico-chemical properties of biofuels on

energy and environmental parameters of vehicles engines.

First part of the paper provides a summary of non-renewable and renewable energy

resources, insisting on biomass as an alternative energy source. After the synthesis,

there were selected six types of fresh food oils (sunflower, peanut, grape seed, palm,

corn and olives) and waste oil for processing into biodiesel.


90

The transesterification process is presented with the description of the technology for

the production of esters, the characteristics of the raw materials and the reaction

mechanism of the chemical.

To carry out the tests on influence of biodiesel properties on the energy and

environmental parameters, the research has been conducted on a Renault K9K-P732

series engine fueled with biodiesel from sunflower, peanut, grapeseed, palm, corn, olive

oil and waste oil, in concentrations of 6% and 10%. To carry out the tests on influence

of biodiesel properties on the energy and environmental parameters, the research has

been conducted on a Renault K9K-P732 series engine fueled with biodiesel from

sunflower, peanut, grapeseed, palm, corn, olive oil and waste oil, in concentrations of

6% and 10%.

The paper includes theoretical studies of combustion processes in the engine, being

presented mathematical model of these processes. Were made and simulations of

combustion in the cylinder using AVL Boost software and AVL Fire.

Comparative analysis of the experimental results and the theoretical showed differences

up 5%, validating the theoretical model.


91

Currilculum vitae

Date personale

Nume Bogdan Cornel Benea

Adresa Str. Emil Racoviță, nr. 11, Brașov

Telefon 0722256620

e-mail [email protected]

Naționalitate Română

Data nașterii 26.04.1979

Educație

2003-2004 Universitatea Transilvania Brașov

Diplomă de Studii Aprofundate

1998-2003 Universitatea Transilvania Brașov

Diplomă de Inginer Autovehicule Rutiere

Experiență profesională

2009 – prezent Șef lucrări

Universitatea Transilvania Brașov

2005-2009 Asistent universitar


2003-2005 Preparator universitar


Activitate științifică 23 lucrări prezentate şi publicate în conferinţe internaţionale


92

Currilculum vitae

Personal Information

Name Bogdan Cornel Benea

Adress Str. Emil Racoviță, nr. 11, Brașov

Phone number 0722256620

e-mail [email protected]

Nationality Română

Date of birth 26.04.1979

Education

2003-2004 Advanced study diploma

Transilvania University of Brașov

1998-2003 Mechanical Engineering

Experiență profesională

2009 – prezent Lecturer


2005-2009 Tutor


2003-2005 Graduate assistant


Activitate științifică 23 papers published

Cercetări privind utilizarea biocarburanților pentru ...old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Documents

Transcript of Cercetări privind utilizarea biocarburanților pentru ...old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...