Lihat diskusi, statistik, dan profil penulis untuk publikasi ini di:https://www.researchgate.net/publication/318674513
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar
Artikeldi dalamMesin Pembakaran · Juni 2017 DOI: 10.19206/CE-2017-309
KUTIPAN BACA
2 2.840
2 penulis:
Maciej Sidorowicz Sii Polandia
Ireneusz Pielecha
Universitas Teknologi Poznan
12PUBLIKASI30KUTIPAN 149PUBLIKASI640KUTIPAN
LIHAT PROFIL LIHAT PROFIL
Diterjemahkan dari bahasa Inggris ke bahasa Indonesia - www.onlinedoctranslator.com
Info kutipan artikel:
SIDOROWICZ, M., PIELECHA, I. Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar.Mesin Pembakaran. 2017,170(3), 57-65. DOI: 10.19206/CE-2017-309
Maciej SIDOROWICZ
Ireneusz PIELECHA
CE-2017-309
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk secara langsung
di ruang bakar
Artikel yang diusulkan melibatkan penyelidikan proses yang terjadi selama persiapan bahan bakar campuran yang digabungkan langsung sebelum pembakaran. Dosis bahan bakar yang dibentuk dengan cara ini harus memperhitungkan komposisi kualitatif dan kuantitatif bahan bakar serta jumlah udara dalam proses. Mengingat bahan bakar cair yang mirip dengan bensin (misalnya metanol, etanol, butanol) mempunyai sifat yang berbeda, perbandingannya akan berguna untuk menggunakan rasionya guna mempengaruhi proses pembakaran. Proses penyiapan bahan bakar memainkan peran yang menentukan dalam masalah ini.
Artikel tersebut menjelaskan kemampuan memodelkan injeksi berbagai bahan bakar secara bersamaan ke ruang bakar untuk membuat campuran bahan bakar langsung sebelum penyalaan. Bagian pertama artikel berisi analisis kemampuan pencampuran bahan bakar hidrokarbon ringan, didukung dengan data penelitian terkini. Bagian selanjutnya menjelaskan evaluasi pelaksanaan sistem yang diasumsikan – dua injektor bahan bakar dengan analisis penetrasi semprotan. Pemodelan injeksi dan penyemprotan dilakukan di lingkungan AVL FIRE 2014.2 dan hasilnya disajikan.
Kemungkinan injeksi itu dibuktikan dengan menginjeksikan bahan bakar ke model ruang bakar. Nilai lokal rasio udara-bahan bakar, densitas dan tekanan sekitar disajikan untuk lebih memahami potensi pencampuran bahan bakar langsung sebelum penyalaan. Kesimpulannya mencakup deskripsi kemampuan pencampuran bahan bakar, pengaruh berbagai bahan bakar terhadap penciptaan campuran bertingkat dan definisi pengendalian penyalaan muatan.
Kata kunci:injeksi bahan bakar, pencampuran bahan bakar, bahan bakar hidrokarbon, ruang bakar
1. Perkenalan
oktan). Hidrokarbon aromatik mengandung 4 hingga 8% toluena dan sekitar 4% xilena.Aditif pengoksidasi yang digunakan dalam bensin
meningkatkan angka oktannya. Pengaruh bahan aditif terhadap angka oktan tergantung pada komposisi bahan bakar. Bensin diperkaya dengan alkohol (ROH, dengan R adalah gugus HC) dan eter (ROR). Alkohol terutama adalah metanol (MeOH), etanol (EtOH), isopropanol (IPA) dan t-butanol (TBA). Karena lemahnya kelarutan metanol dalam bensin dengan adanya air, maka harus digunakan bersama dengan TBA sebagai pelarut bersama. Eter yang digunakan sebagai bahan tambahan terutama meliputi: metil tert-butil eter (MTBE), tert-amil metil eter (TAME) dan etil tert-butil eter (ETBE).
Penggunaan bahan bakar yang diusulkan sebelumnya untuk menentukan sifat-sifat campuran memerlukan pengetahuan tentang sifat fisikokimianya. Sifat fisik bahan bakar tersebut harus memainkan peranan penting dalam proses pencampuran.
Kurva distilasi bensin, dengan mempertimbangkan bahwa bensin adalah campuran hidrokarbon yang berbeda,
ditunjukkan dengan latar belakang bahan bakar dasar (Gbr. 1).
Proses pembakaran terutama dipertimbangkan dalam kaitannya dengan pembakaran bahan bakar tunggal. Proses penyiapan dan pembakaran bahan bakar mirip bensin dijelaskan secara luas dalam literatur.
Campuran bahan bakar ganda sebagian besar dibuat pada proses sebelumnya (misalnya, campuran etanol dan bensin atau bensin dan metanol [12,17]) dan paling sering dibakar dalam kondisi stoikiometri. Cara pembuatan campuran tersebut menyebabkannya memiliki sifat fisikokimia yang spesifik (viskositas, tegangan permukaan, dan densitas menentukan kandungan spesifik dari gugus hidrokarbon yang berbeda) [12, 22]. Dalam situasi seperti ini, semprotan tetesan dengan dimensi kecil dan homogen diperoleh. Gambar 1 menunjukkan proses khas aliran bahan bakar dari injektor [2].
Udara dengan suhu tinggi “dimasukkan” ke dalam semprotan bahan bakar. Udara panas menyebabkan penguapan bahan bakar, dan akibatnya lama penyemprotan menjadi berkurang. Setelah permulaan pembakaran, terjadi sedikit pengurangan semprotan dan kemudian panjangnya menjadi stabil sebelum akhir injeksi.
Nyala difusi terbentuk di daerah dimana campuran mencapai nilai mendekati stoikiometri. Zona kaya campuran yang mudah terbakar adalah area di mana pembentukan materi partikulat dimulai. Hal ini menghasilkan konsentrasi jelaga yang signifikan dalam nyala api difusi bahan bakar yang terbakar. Zona pra-nyala (bagian luar)
“bertanggung jawab” atas pembentukan nitrogen oksida [3].
Bensin adalah campuran lebih dari 100 hidrokarbon berbeda yang memiliki struktur molekul berbeda dan titik didih berbeda. Seringkali struktur bensin terdiri dari sekitar 55% parafin (ikatan tunggal C–C), sekitar 35% hidrokarbon aromatik (cincin benzena) dan maksimum hingga 20% olefin (ikatan ganda C=C). Parafin adalah komponen kompleks dengan massa molar rendah: misalnya nbutana, 2-metil- pentana dan 2,2,4-trimetil-pentana (iso-
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
Bensin o-Xylene Iso-Oktan n-Butanol Etanol n-Pentana
300 320 340 360
Suhu [K]
380 400 420 440 460
Gambar 1. Kurva distilasi bensin dan bahan bakar lainnya [1]
Menguap [%]
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar Sifat fisika-kimia dari semua bahan bakar yang dianalisis juga
diketahui. Meskipun o-xylene, yang disajikan pada Gambar 2, memiliki titik didih yang mendekati nilai titik didih terakhir bensin, dalam penelitian ini ia juga memenuhi syarat sebagai bahan bakar mandiri yang dimasukkan ke dalam pencampuran. Koefisien untuk menentukan tekanan uap bahan bakar disajikan misalnya oleh [7]
dan dapat digunakan dalam persamaan [1]:
Re = ρ·u·d/mikro
(2)
dimana ρ – adalah kepadatan,μ –viskositas kinematik cairan, d – diameter bukaan injektor, u – laju aliran.
Bilangan Reynolds terendah (pada parameter aliran konstan) dapat diamati untuk butanol (aliran laminar pada suhu bahan bakar rendah).
dalam (halSaya) = SEBUAH – B/(TSaya+ C)
(1)
1.8E+051.6E+05 1.4E+05 1.2E+05 1.0E+05 8.0E+04 6.0E+04 4.0E+04 2.0E+04 0,0E+00
o-Xylene dimana A, B, dan C adalah konstanta Antoine untuk komponen
murni (misalnya air, metanol atau etanol) yang diperoleh dari data literatur.
Iso-Oktan n-Butanol Etanol n-Pentana 900
800 700 600 500 400 300 200 100 0
Bensin o-Xylene Iso-Oktan n-Butanol Etanol
n-Pentana 273 323 373
Suhu [K]
423 473
Gambar 3. Bilangan Reynolds bahan bakar terpilih [1]
Bahan bakar yang dipilih untuk analisis dicirikan oleh angka Weber di atas 50. Dengan meningkatnya suhu, nilai ini juga meningkat: untuk o-xilena adalah 120 dan untuk bahan bakar lainnya lebih banyak lagi (untuk iso-oktan – 230) pada suhu sekitar 453 K. Angka-angka ini dihasilkan dari kekhususan nilai karakteristik yang dianut sehingga memerlukan perhitungan bilangan We [1].
Dalam publikasi [15] ditunjukkan bahwa angka Weber untuk etanol dan bensin serupa untuk suhu bahan bakar yang berkisar antara 275-450 K. Peningkatan suhu lebih lanjut menyebabkan peningkatan angka Weber untuk etanol di atas 500 (pada suhu 500 K) , sedangkan untuk bensin sekitar 300 (suhu 500 K). Ini berarti bahwa pada suhu bahan bakar yang tinggi, terjadi apa yang disebut penguraian katastropik tetesan etanol.
Nomor Ohnesorge konvergen dengan data yang terdapat dalam publikasi [4, 8] dan berjumlah sekitar 6·10–3
hingga 1,6·10–2pada suhu sekitar 283 K, dan menurun hingga nilai sekitar 6·10–3untuk suhu 463 K.
Indikasi perbedaan-perbedaan ini menjadi dasar kesimpulan bahwa tetesan bahan bakar yang tercipta juga akan memiliki diameter yang berbeda-beda, yang akan berkontribusi terhadap diversifikasi penguapannya.
Pembakaran dalam sistem bahan bakar ganda dari campuran bahan bakar yang dibuat segera sebelum penyalaan memungkinkan untuk menentukan faktor udara pembakaran, yang merupakan hasil perbandingan kedua bahan bakar:
273 293 313 333 353 373 393 413 433 453 473 Suhu [K]
Gambar 2. Tekanan uap bahan bakar
Pertukaran massa antara permukaan tetesan bahan bakar dan media gas (udara) terjadi karena difusi molekuler dan turbulen. Difusi molekuler adalah pencampuran spontan partikel bahan bakar dan udara sebagai akibat dari gradien konsentrasi dc/dr, yang merangsang aliran panas dan, yang disebabkan oleh hal ini, aliran massa (difusi termo). Dalam hal pembuatan campuran yang mudah terbakar, difusi yang disebabkan oleh gradien konsentrasi komponen sangatlah penting. Difusi molekul, ditandai dengan koefisien difusi (DM), sangat penting jika terjadi kekurangan aliran atau aliran laminar. Dalam hal ini, pencampuran komponen disebabkan oleh pergerakan partikelnya secara acak. Dalam aliran turbulen, pertukaran massa lebih intens karena pergerakan partikel dalam arah normal. Koefisien difusi turbulen (DT) memiliki nilai yang jauh lebih tinggi daripada DMkoefisien. Selama difusi uap dari permukaan tetesan bahan bakar, dikelilingi oleh pancaran udara turbulen, lapisan permukaan terdiri dari sublapisan pertama yang bersentuhan dengan permukaan cairan, dan lapisan kedua yang terletak di luar lapisan pertama. . Pada sublapisan pertama terjadi difusi molekuler, dan pada lapisan lainnya – sebagian besar terjadi difusi turbulen.
Banyak publikasi [misalnya 1, 20] menyatakan bahwa penetrasi semprotan yang dipilih untuk pengujian bahan bakar menunjukkan cakupan linier yang serupa. Hal ini menunjukkan kesamaan sifat fisik bahan bakar tersebut. Pada saat yang sama, perlu dicatat bahwa kesamaan tersebut merupakan ciri positif, karena dapat mengubah sifat penyalaan campuran tanpa perubahan signifikan pada parameter atomisasinya. Perubahan ini hanya terlihat ketika bahan bakar dipanaskan secara signifikan (di atas 373 K). Kemudian penetrasi pentana dan etanol lebih rendah sekitar 10% [1].
Pengaruh turbulensi aliran dapat dicirikan dengan bilangan Reynolds (Gbr. 3):
=
-- -(3)
dimana: L1dan saya2adalah kebutuhan udara stoikiometri untuk pembakaran bahan bakar 1 dan 2, m – adalah berat bahan bakar, masing-masing 1 dan 2, mudara– adalah berat udara. Porsi salah satu bahan bakar dapat dihitung dari berikut ini:
kamu-= - - -
(4)
Penentuan ketidakhomogenan campuran yang dibuat segera sebelum pembakaran mengarah pada penilaian
Tekanan uap [kPa] Bilangan Reynolds [-]
produksi jelaga yang berasal dari ketidakhomogenan muatan pada proses pencampuran muatan udara-bahan bakar. Indeks keseragaman global disebut sebagai [18]:
3. Metodologi penelitian
Penelitian ini dilakukan melalui simulasi berbantuan komputer menggunakan lingkungan perangkat lunak AVL Fire 2014.2.
Ruang bakar yang digunakan dalam penelitian ini dimodelkan agar sesuai dengan parameter mesin yang diasumsikan, tercantum pada Tabel 1.
kamuaku= 1 − σ/σν, η
(5)
dimana σ menentukan simpangan baku distribusi massa bahan bakar, dan σn,hdidefinisikan sebagai simpangan baku muatan yang benar-benar tidak homogen (bahan bakar dan udara):
Tabel 1. Data teknis mesin yang dimodelkan
σ
,=
//(6)
Parameter Satuan NilaiJenis - Mesin piston, 4 tak, pengapian busi Namun, ASSAYAParameter ini tidak sepenuhnya mewakili
kemungkinan menentukan distribusi uap bahan bakar dengan pembagian menjadi zona kaya dan ramping. Analisis yang terkait dengan pasca-pemrosesan gambar dari proses tersebut juga diperlukan. Indeks ini mengambil nilai maksimum sebesar 1 untuk campuran homogen sempurna. Ini adalah indikator pencampuran bahan bakar yang baik yang diusulkan untuk pengujian dalam penelitian saat ini.
Nomor silinder - 1
Pemindahan cm3 385
Rasio kompresi - 10.2
Membosankan mm 83
Stroke mm 71.2
Penelitian ini terdiri dari melakukan peristiwa injeksi bahan bakar langsung ke dalam ruang bakar yang dimodelkan melalui dua injektor terpisah. Tampilan indikatif posisi injektor di ruang bakar disajikan pada Gambar 4.
Tiga kombinasi bahan bakar yang diinjeksikan dengan injektor terpisah digunakan:
– bensin dari kedua injektor, – bensin dan metanol, – bensin dan iso-pentana.
Injektor diorientasikan sehingga sumbunya membentuk sudut 45° dengan sumbu silinder. Setiap simulasi mencakup injeksi bahan bakar bermassa konstan. Suntikan dibuka untuk jangka waktu yang konstan (berdasarkan CA) dan dimulai pada waktu yang sama. Parameter injektor dan semprotan tercantum pada Tabel 2.
2. Motivasi
Proses pembakaran bahan bakar cair (bensin, etanol, metanol, n-butanol dan campurannya) ditandai dengan variabilitas kondisi termodinamika yang tinggi. Proses pembakaran bahan bakar cair dapat berlangsung terus menerus atau siklis. Dalam kasus pertama terdapat kondisi termodinamika yang stabil, dan dalam kasus lainnya –
kondisinya berubah. Karena perubahan signifikan dalam kondisi pembakaran (suhu, tekanan), proses penyiapan campuran menjadi singkat, yang merupakan salah satu alasan utama tidak dapat diulangnya campuran tersebut. Dalam waktu sesingkat itu terjadi proses fisik awal pencampuran bahan bakar dengan udara dan proses pra-nyalakan (penguapan bahan bakar secara kimia dan dekomposisi termalnya). Selama periode ini reaksi dan proses yang mengarah pada pembentukan komponen beracun juga mulai berlangsung. Beberapa ilmuwan berasumsi [27] bahwa oksidasi dan produk dekomposisi termal molekul bahan bakar cair dapat menjadi tahap peralihan yang penting dalam pembentukan materi partikulat.
Kecenderungan dominan mengenai pembakaran bahan bakar cair adalah menghasilkannya dalam bentuk campuran yang telah dibuat sebelumnya: misalnya bensin-etanol atau bensin-metanol dalam berbagai perbandingan. Dari sudut pandang kimia, dibenarkan untuk membuat campuran dengan proporsi yang sangat spesifik untuk menjamin homogenitas campuran tersebut.
Namun, dalam literatur tidak ada penjelasan tentang kemungkinan pembuatan campuran bahan bakar segera sebelum pembakarannya di ruang terbuka atau tertutup. Mengetahui bahwa bahan bakar hidrokarbon cair (mirip dengan bensin) memiliki sifat yang berbeda, maka masuk akal untuk mencampurkannya
sedemikian rupa sehingga proporsinya dapat mempengaruhi proses pembakaran. Saat ini hal ini tidak mungkin dilakukan, karena komposisi (proporsi) bahan bakar ditentukan secara ketat sebelum pembakaran. Parameter volatilitas, tekanan uap, atau angka oktan yang berbeda dapat memberikan metode untuk mengendalikan proses pembakarannya dalam rentang yang luas. Namun, sebelum pembakaran tersebut dapat terjadi, perlu diketahui proses fisik dan kimia pencampuran bahan bakar tersebut segera sebelum penyalaan.
Tabel 2. Parameter injektor dan semprotan
Parameter Satuan Nilai
Tipe injektor – Pembukaan luar
Sudut puncak nosel derajat 95
Sudut semprotan derajat 10
Diameter luar nosel mm 2
Diameter dalam nosel mm 1.5
Jenis semprotan – kerucut berongga
Injeksi dimulai derajat CA 35 sebelum TDC Akhir injeksi derajat CA 25 sebelum TDC
Massa yang disuntikkan per acara mg 30
Model hukum tarik – Schiller-Naumann
Model penguapan bahan bakar – Dukowicz ('Bensin')
Multi-komponen (lainnya)
Model pemisahan bahan bakar – Melambai
Model hukum drag Schiller-Naumann Cd merupakan persamaan yang dievaluasi secara empiris untuk menghitung koefisien drag dalam gaya drag yang bekerja pada partikel yang mengalir dalam fluida dengan Re berkisar antara 0,2 hingga 1000. Hal ini dijelaskan dengan persamaan:
CD = (1 + 0,15Re&.'())
(7)
dimana Re adalah bilangan Reynolds. Untuk Re > 1000 Cd mempunyai nilai konstanta sebesar 0,44 [5].
Model evaporasi Dukowicz menggambarkan proses perpindahan panas dan massa pada batas tetesan-cairan.
Model ini didasarkan pada asumsi berikut:
– simetri bola,
– lapisan gas yang cukup stabil di sekitar tetesan,
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar – suhu tetesan yang seragam sepanjang diameter tetesan,
– sifat fisik seragam dari fluida di sekitarnya, – kesetimbangan termal cair-uap pada permukaan tetesan.
katup. Konfigurasi injeksi bahan bakar seperti itu ke area busi yang diposisikan di tengah (Gbr. 5) memungkinkan pelaksanaan pembuatan campuran tipe yang dipandu semprotan.
Fluks massa uap (F ., -
)
terhadap fluks panas permukaan lokal (Q-.)rasio, menurut model Dukowicz, dihitung sesuai rumus (8):
0 . 32.
12
=
456(8)
74 248 124 92:(;174;12)
Di manaB=adalah nomor perpindahan massal,H?adalah entalpi sebagian- kondisi lapangan jauh,H-adalah entalpi pada permukaan partikel,H,-
adalah entalpi dalam kondisi uap di permukaan tetesan,H@-adalah entalpi dalam kondisi gas sekitar pada permukaan tetesan,Y,?
adalah fraksi massa uap dalam kondisi medan jauh partikel,Y,-adalah fraksi massa dalam kondisi uap pada permukaan tetesan [5].
Model evaporasi multi-komponen merupakan perpanjangan dari pendekatan Abramzon-Sirignano. Perbedaannya dengan kasus satu komponen adalah perpindahan massa setiap komponen diperhitungkan secara terpisah, sedangkan perpindahan panas tetap merupakan mekanisme global. Laju aliran massa yang dihasilkan adalah jumlah dari kontribusi tunggal:
Gambar 5. Tampak bagian-bagian ruang bakar dengan garis tepi busi di tengah ruangan
Dalam perangkat lunak AVL Fire 2014.2 menggunakan modul Fame Engine+, mesh yang dapat dipindahkan telah dibuat (Gbr. 6), di mana pilihan berikut ditetapkan:
m.= ∑EDFM.D (9) – penyangga piston, – piston bergerak – piston tidak bergerak.
Jaring jaring yang dibuat berukuran 211 ribu sel (Tabel 3) berfungsi sebagai model untuk analisis injeksi dan semprotan berbagai bahan bakar.
Distribusi komponen di dalam droplet diasumsikan homogen [5]. Model ini diperlukan untuk digunakan dalam perhitungan semprotan multi-bahan bakar.
Model pemecah gelombang menggambarkan perilaku pecahnya semprotan menjadi tetesan. Asumsi penyemprotan awal adalah bahwa injeksi gumpalan terealisasi (ukuran tetesan awal sama dengan diameter nosel). Aliran bahan bakar kuasi-kontinyu dipecah menjadi tetesan sesuai model Wave. Diasumsikan bahwa
pertumbuhan gangguan awal pada permukaan cairan terkait dengan panjang gelombangnya dan parameter fisik dan dinamis lainnya dari bahan bakar yang diinjeksikan dan cairan domain.
Untuk sistem injeksi tekanan tinggi (kecepatan penyemprotan tinggi) ukuran tetesan produk (induk) diatur sama dengan panjang gelombang gelombang permukaan tidak stabil yang tumbuh paling cepat atau kemungkinan besar. Untuk kecepatan yang lebih rendah, diterapkan pemutusan tipe Rayleigh [5].
Gambar 6. Jaring volume pembakaran yang dapat dipindahkan untuk simulasi penyemprotan bahan bakar
tion
Tabel 3. Parameter mesh komputasi
Informasi jaring Nilai
Jumlah node 203732
Jumlah permukaan permukaan 40240
Jumlah sel tet 2200
Jumlah sel hex 160022
Jumlah sel piramida 15908
Jumlah total sel 211406
Luas permukaan 0,027 m2
Volume 0,0003362 m3
4. Analisis proses injeksi dan penyemprotan bahan bakar
Gambar 4. Tampilan indikatif posisi injektor bahan bakar injeksi langsung Simulasi penyemprotan bahan bakar yang disajikan meliputi analisis injeksi bensin, etanol dan iso-pentana dalam berbagai konfigurasi penyampaiannya ke ruang bakar. Sifat-sifat bahan bakar yang bervariasi, disajikan pada poin 2 dan Tabel 4, menunjukkan kemungkinan rasio kelebihan udara Data model mesin disajikan pada Tabel 1, sedangkan
tampilan ruang bakar dengan posisi injektor di dalamnya pada Gambar 4. Terlihat dua injektor dipasang sebagai gantinya
terbentuk di ruang bakar selama pencampuran langsung sebelum penyalaan.
Tabel 4. Sifat fisika dan kimia bahan bakar
Parameter Satuan Bahan bakar
Bensin Etanol Iso-pentana Formula kimia-
la – C8H15 C2H5OH C5H12
Komposisi
(C,H,O) % 86,14,0 52,13,35 87,13,0
Penelitian oktan
nomor – 95 [29] 106 [14] 100 [21]
Kepadatan@ 20HaiC kg/m3 744.6 [29] 790,9 [29] 616 [28]
Pemanasan lebih rendah
nilai MJ/kg 43,5 [11] 27.0 [11] 44,91 [10]
Viskositas
@25HaiC
mm2/S 0,4–1 [16] 1.32 [19] 0,35 [23]
Viskositas dinamis-
integritas @ 25HaiC
MPa s 5.29 [26] 1.104 [25] 0,22
Tegangan permukaan tidak ada/m 0,022 [9] 0,0223
[25] 0,016[6]
Entalpi dari penguapan
kJ/kg 373 [29] 840 [29] 342 [23]
Stoikiometri
Rasio A/F – 14.6 [11] 9.0 [11] 38.1 [6]
Kejenuhan tekanan pada 38 derajat C
kPa 31 [11] 13.8 [11] 128 [13]
Titik nyala HaiC – 45 hingga–38
[11] 21.1 [11] – 50 [23]
Pengapian otomatis
suhu.
HaiC 420 [11] 434 [11] 468 [23]
Titik didih HaiC 32,8 [29] 78,4 [29] 27.9 [28]
Penelitian yang dilakukan karena sifat dasarnya bertujuan untuk mengidentifikasi perubahan pembentukan campuran udara-bahan bakar pada saat kedua bahan bakar diinjeksikan secara bersamaan.
Dalam penelitian ini hanya kondisi penumpukan semprotan bahan bakar pada area busi yang dianalisis. Kondisi penciptaan muatan dianalisis terutama dalam aspek waktu yang diperlukan untuk pembuatan campuran yang mudah terbakar serta hubungan luas di ruang bakar sehubungan dengan jangkauan semprotan bahan bakar. Karena metode pasokan bahan bakar yang diasumsikan (injeksi langsung dengan injektor bukaan luar), penciptaan campuran dipertimbangkan melalui pergerakan bahan bakar ( dipandu semprotan). Oleh karena itu, asumsi injeksi bahan bakarnya adalah 685HaiCA (35Haisebelum TDC).
Pembuatan campuran stoikiometri didasarkan pada asumsi bahwa dalam injeksi bahan bakar ganda, koefisien ini mengacu pada nilai bensin. Jadi selama injeksi etanol atau iso-pentana, kebutuhan udara untuk pembakaran bahan bakar ini tidak disertakan.
Analisis semprotan bahan bakar dengan dua injektor yang berpartisipasi dimulai dengan injeksi bensin secara simultan saja (Gbr. 7). Analisis semprotan bahan bakar dilakukan mulai dari awal injeksi hingga titik TDC piston. Area di sekitar busi menjadi sasaran penelitian (bagian ruang bakar dipilih untuk memungkinkan pengamatan semprotan bahan bakar) mengacu pada distribusi tetesan bahan bakar dan rasio kelebihan udara dari campuran A/F (didefinisikan sebagai rasio ekivalensi). Efek injeksi dan semprotan bensin dalam pembuatan campuran A/F yang seragam di kedua sisi ruang bakar (area berbeda pada Gambar 7 disebabkan oleh kurangnya bagian ruang bakar yang simetris). Pukul 5HaiCA sebelum TDC kondisi yang sesuai dengan stoichio-
Gambar 7. Perkembangan aliran bensin pada sistem dua injektor (bagian ruang bakar menyangkut besaran 1/λ); itu
warna tetesan menunjukkan jenis bahan bakarnya (bensin)
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar sifat mudah terbakar campuran metrik tercapai (rasio kelebihan
udara sesuai dengan nilai 1). Posisi injektor yang spesifik pada ruang bakar menyebabkan campuran A/F tidak menutupi seluruh ruang bakar. Distribusi campuran seperti itu menghasilkan terciptanya muatan bertingkat, sehingga memungkinkan terjadinya pembakaran campuran yang ramping.
Analisis pembakaran berbagai campuran bahan bakar (bensin dan etanol) menyiratkan bahwa metode pembuatan campuran ditentukan oleh sifat fisikokimianya. Kepadatan etanol yang lebih tinggi, sehingga kecepatan aliran keluar bahan bakar dari nosel injektor lebih rendah (Gambar 8 dan 9) mengakibatkan terhambatnya pembuatan campuran A/F untuk bahan bakar ini.
Dengan demikian, pembuatan campuran bensin dan etanol seharusnya lebih efektif dibandingkan dengan bensin saja.
Karakteristik penciptaan campuran tersebut diamati selama analisis injeksi bensin dan etanol (Gbr. 10).
9.E+02 8.E+02 7.E+02 6.E+02 5.E+02 4.E+02 3.E+02 2.E+02 1.E+02 0.E+00
Gasin Edaripadaol Adalaho-Pentana
680 690 700
α [CA]
710 720
Gambar 8. Pengaruh kepadatan tetesan bahan bakar awal selama aliran keluar dari injektor pada jenis bahan bakar saat injeksi
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
G E
asin
daripadaol
SAYAjadi-Pentana
680 690 700
α [CA]
710 720
Gambar 9. Pengaruh kecepatan tetesan bahan bakar awal selama aliran keluar injektor pada jenis bahan bakar pada saat injeksi
Analisis semprotan bahan bakar ganda (bensin dan etanol) menunjukkan semprotan bensin lebih cepat mencapai area busi.
Selain itu, etanol yang disemprotkan tetap lebih kompak, karena campuran yang dihasilkan mencakup lebih sedikit ruang pada periode penyemprotan awal dibandingkan campuran bensin-udara.
Hal ini menunjukkan bahwa pembuatan campuran di area busi (rasio kelebihan udara meningkatkan sifat mudah terbakar) termasuk bensin dan etanol dilakukan dengan peningkatan bensin yang signifikan. Untuk meminimalkan perbedaan ini, diperlukan koreksi pada waktu injeksi etanol.
Gambar 10. Perkembangan aliran bensin (bola merah) dan etanol (bola biru) pada sistem dua injektor (bagian ruang bakar
menyangkut besaran 1/λ
Kecepatan awal nosel [m/s]Massa jenis awal untuk nosel [kg/m3]
Injeksi isopentana yang sifat fisikokimianya berbeda dengan bahan bakar sebelumnya akan menghasilkan semprotan yang berbeda. Kepadatan isopentana lebih rendah dibandingkan bensin, artinya pencampurannya dengan udara sudah dimulai setelah beberapa derajat CA sejak inisiasi injeksi. Area semprotan isopentana secara signifikan lebih besar
dibandingkan area semprotan bensin (Gbr. 11). Di area busi jam 5HaiCA sebelum TDC isopentana menentukan titik mudah terbakar campuran yang akan dicapai. Penguapannya saat ini jauh lebih tinggi dibandingkan bensin, terlihat pada bagian ruang bakar di sekitar busi.
Berdasarkan analisis di atas ditentukan, bahwa injeksi dan pencampuran kedua bahan bakar secara langsung sebelum penyalaan memungkinkan pembentukan rasio kelebihan udara di area busi secara spasial. Injeksi dua bahan bakar berbeda secara signifikan mengubah hubungan ini.
5. Analisis pencampuran bahan bakar
Analisis berturut-turut yang dilakukan di bidang ini berkaitan dengan koefisien kuantitatif penciptaan campuran. Mereka berisi nilai global dari variabel yang dianalisis. Karena perbedaan nilai entalpi penguapan bahan bakar yang diinjeksikan, nilai suhu di dalam silinder dapat berubah (Gbr. 12). Perubahan nilai suhu pada injeksi bensin dan etanol kira-kira 3 K (sekitar perbedaan 0,5% pada 715Hai
CA, yang menunjukkan titik penyalaan teoritis) versus injeksi hanya bensin. Perubahan suhu yang lebih tinggi terjadi selama injeksi bensin dan isopentana. Dalam hal ini penurunan suhu tercatat sebesar 10 K, dan bagiannya sekitar 2%. Ini adalah nilai rata-rata yang berkaitan dengan seluruh ruang bakar, yang menunjukkan penurunan suhu yang signifikan di sekitar area busi.
600 ∆T =
∆T = 3 K 580 10 K
560
Bensin Bensin+
e
540 E
P
daripadaol Bensin+ entana
bahan bakar penolakan di dalam
520680 685 690 695 700
α [CA]
705 710 715 720
Gambar 12. Kursus nilai tekanan dan suhu silinder selama operasi stroke presi dan dekompresi
Koefisien semprotan bahan bakar yang beragam disebabkan oleh sifat-sifatnya. Karena kepadatannya yang lebih rendah, isopentana menunjukkan kisaran yang lebih besar pada fase injeksi bahan bakar (hingga 715HaiCA) (Gbr. 13), yang dikonfirmasi dalam penelitian spasial semprotan bahan bakar yang dikabutkan. Nilai kisaran semprotan isopentana lebih tinggi yaitu sekitar 8%, dan etanol sebesar 2%
dibandingkan bensin (pada 715HaiCA).
Pada bagian selanjutnya dari proses penyemprotan, jangkauannya menurun, karena sebagian besar dosis bahan bakar isopentana telah menguap.
Analisis nilai absolut massa evaporasi bahan bakar ini menegaskan hasil sebelumnya (Gbr. 14). Dinyatakan bahwa massa bahan bakar yang menguap (bensin dan etana- Gambar 11. Perkembangan aliran bensin (bola merah) dan iso-
pentana (bola hijau) pada sistem dua injektor (ruang bakar bagian menyangkut besaran 1/λ
Suhu silinder [K]
Evaluasi sifat mudah terbakar campuran bahan bakar hidrokarbon yang terbentuk langsung di ruang bakar nol) 31% lebih rendah dari massa bensin yang diuapkan saja,
sedangkan massa bahan bakar yang diuapkan: bensin dan isopentana adalah 31% lebih tinggi dari massa bensin yang diuapkan. Nilai massa absolut bahan bakar yang diuapkan menunjukkan nilai dua kali lebih tinggi pada bensin evaporasi dan isopentana (20,9 mg) dibandingkan bensin evaporasi dan etanol (10,8 mg). Jumlah bensin yang menguap adalah 14,3 mg.
6.0E-5
∆MR= +2%
5.0E-5 ∆MR= -4%
4.0E-5
3.0E-5
2.0E-5 Bensin
Hai Hai Gas l+Etanol 1.0E-5
0,035 Gas l+Pentana
0,030 0,0E+0
680 700 720 740 760 780
0,025 α [CA]
∆S = 8%
0,020 Gambar 15. Pengaruh kuantitas dosis yang tidak diuapkan pada pembakaran
ruang pada jenis bahan bakar selama injeksi dan penyemprotannya
∆S = 2%
0,015
bensin Bensin+
Ne Etanol
0,010 Sifat bahan bakar yang berbeda berarti penting untuk
membuat campuran bahan bakar sebelum dibakar langsung di ruang bakar. Analisis yang disajikan di atas menunjukkan pentingnya masalah ini dalam aspek mencari solusi untuk menurunkan konsumsi bahan bakar dan membatasi CO2
emisi.
0,005 Bensin+pentana
0,000
680 700 720 740 760 780
α [CA]
Gambar 13. Pengaruh perubahan rentang aliran bahan bakar pada jenis bahan bakar selama
injeksi dan penyemprotan ke ruang bakar
6. Ringkasan
Hasil yang diperoleh dari massa bahan bakar yang diuapkan memungkinkan untuk menentukan bagian totalnya dalam dosis bahan bakar yang disuntikkan. Pukul 715HaiCA bagian dari campuran yang diuapkan adalah:
a) bensin – 32%
b) bensin dan etanol – 18%
c) bensin dan isopentana – 34%.
Makalah ini menjelaskan penelitian yang dilakukan di lingkungan perhitungan AVL Fire, yang difokuskan pada solusi injeksi bahan bakar langsung yang baru. Pengetahuan terkini tentang pembakaran internal yang diprakarsai oleh sistem pasokan bahan bakar injeksi langsung telah dipertimbangkan dan sistem pengisian bahan bakar injeksi langsung ganda diperkenalkan.
Penelitian ini berkaitan dengan efek penggunaan tiga bahan bakar berbeda yang dikombinasikan dengan bensin untuk injeksi langsung terpisah terhadap semprotan dan sifat mudah terbakar dari campuran yang dibuat sesaat sebelum penyalaan.
Telah terbukti bahwa kelebihan udara dapat dibentuk rasio pada area busi dengan menginjeksikan bahan bakar yang berbeda. Isopentana dan etanol yang diinjeksikan melalui injektor yang terpisah dibandingkan bensin mempunyai pengaruh yang berbeda-beda terhadap campuran udara-bahan bakar di daerah permulaan pembakaran. Sifat kuantitatif semprotan disajikan dan efeknya dijelaskan.
Nilai rasio kelebihan udara pada area busi tergantung
4.0E-5 3.5E-5 3.0E-5 2.5E-5
∆Me= 31%
2.0E-5 Bensin
+ +
1.5E-5 BensinEtanol
∆Me= -31%
1.0E-5 Bensinpentana
5.0E-6 0,0E+0
680 700 720 740 760 780
α [CA] pada:
– kepadatan bahan bakar – peningkatannya menyebabkan terbatasnya aliran bahan bakar yang keluar dari nosel injektor, dan akibatnya – terbatasnya jangkauan semprotan bahan bakar,
– waktu injeksi bahan bakar yang berbeda – sifat bahan bakar yang berbeda, artinya: entalpi penguapan, densitas, panas jenis dan rasio A/F stoikiometri menyebabkan kondisi mudah terbakar yang berbeda di area busi.
Arahan penelitian lebih lanjut meliputi:
– analisis berbagai sudut engkol injeksi kedua bahan bakar untuk mengetahui sifat mudah terbakar yang diperlukan di area keberadaan percikan,
– posisi injektor yang tepat untuk menemukan solusi yang layak dan optimal untuk melaksanakan injeksi bahan bakar ganda,
– efek pada pembakaran dengan menggunakan sistem pasokan bahan bakar yang dijelaskan dalam kombinasi dengan bahan bakar yang berbeda.
Gambar 14. Pengaruh kuantitas dosis yang diuapkan pada pembakaran ruang pada jenis bahan bakar selama injeksi dan penyemprotannya
Hal ini berarti bahwa pencampuran bahan bakar sebelum penyalaan memungkinkan pengurangan kecepatan penguapan bahan bakar sebesar 25% (bensin dan etanol) atau meningkatkan kecepatan ini sebesar 46% (bensin dan isopentana) dibandingkan injeksi bensin standar. Ini berarti campuran bensin-isopentana menghasilkan massa evaporasi hampir dua kali lipat (92%) dibandingkan campuran bensinetanol.
Analisis hasil di atas memungkinkan untuk menentukan jumlah bahan bakar yang diuapkan selama injeksi (Gbr. 15).
Karena sifat campuran bensin-etanol, penguapannya paling lambat dan selama injeksi bahan bakar yang menguap 2% lebih sedikit dibandingkan dengan injeksi hanya bensin. Campuran bensinisopentana menguap lebih cepat dan pada akhir injeksi nilai bahan bakar yang diuapkan 4% lebih tinggi dibandingkan dengan injeksi bensin saja (hampir 5% terhadap campuran bensin-etanol).
Ucapan Terima Kasih
Studi yang disajikan dalam artikel ini dilakukan dalam penelitian undang-undang.
Massa cair menguap [kg]Penetrasi semprotan [m] Sisa massa cair [kg]
Tata nama A/F CA
CI CNG DI LPG
rasio udara-bahan bakar
sudut engkol
pengapian kompresi gas alam terkompresi injeksi langsung
gas minyak bumi yang dicairkan
M
eM
RS SI T TDC
massa bahan bakar menguap sisa massa bahan bakar
penetrasi
pengapian percikan
suhu
titik mati atasBibliografi
kondisi mendidih.Konversi dan Manajemen Energi. 2016,108, 68-77.[16] JONES, JJ Hidrokarbon. Sifat fisik dan relevansinya dengan pemanfaatan.Penerbitan C Jones & Ventus. bookboon.com, 2010.
[17] LIU, S, CUTY CLEMENTE, ER, HU, T., WEI, Y. Studi mesin pengapian busi berbahan bakar campuran bahan bakar metanol/bensin.Rekayasa Termal Terapan. 2007,27(11-12), 1904-1910.
[18] LUCCHINI, T., D'ERRICO, G., ONORATI, A., BONAN-DRINI, G. dkk.
Pengembangan dan penerapan metodologi dinamika fluida komputasi untuk memprediksi pencampuran bahan bakar- udara dan sumber pembentukan jelaga pada mesin injeksi langsung bensin.Jurnal Internasional Penelitian Mesin. 2014, 5 (15), 581-596.
[19] MOOSAVI, M., DANESHVAR, A., SEDGHAMIZ, E. dkk.
Ketergantungan laju geser, suhu, dan komposisi terhadap perilaku viskositas campuran {[bmim]NO3+etanol}. Jurnal Cairan Molekuler. 2017,199, 257-266.
[20] PIELECHA, I. Pemodelan penetrasi semprotan bahan bakar bensin pada mesin SIDI.Jurnal Internasional Teknologi Otomotif. 2014,15(1), 47-55.
[21] Menyempurnakan secara online. www.refiningonline.com (diakses 19.03.2017).
[22] SCHIFTER, I., GONZÁLEZ, U., GONZÁLEZ-MACÍAS, C. Pengaruh campuran etanol, etil-tert-butil eter dan dimetilkarbonat dengan bensin pada mesin SI.Bahan bakar.
2016, 183, 253-261.
[23] Shell Chemicals, Isopentane Q1111, www.shellcom (diakses 19.03.2017).
[24] SHEN, C., LI, X.-M., LU, YZ, LI, CX Pengaruh cairan ionik 1-methylimidazolium klorida pada kesetimbangan uap cair air, metanol, etanol, dan campuran {air + etanol} . Jurnal Termodinamika Kimia. 2011, 43(11), 1748-1753.
[25] STORCH, M., KOEGL, M., ALTENHOFF, M. dkk. Investigasi
pembentukan jelaga dari semprotan bensin campuran etanol yang memicu percikan api dengan bahan bakar dasar komponen tunggal dan multi.Energi Terapan. 2016,181, 278-287.
[1] ALEIFERIS, PG, VAN ROMUNDE, ZR Analisis pengembangan semprotan dengan iso-oktana, n-pentana, bensin, etanol, dan n-butanol dari injektor multi-lubang dalam kondisi bahan bakar panas.Bahan bakar. 2013,105, 143-168.
[2] ARGACHOY, C., PIMENTA, AP Model fenomenologis emisi partikel dari mesin diesel injeksi langsung.Jurnal Masyarakat Ilmu dan Teknik Mekanik Brasil. 2005,27(3).
[3] ASAY, R., SVENSSON, K., TREE, D. Model empiris, terbatas pencampuran, dimensi nol untuk pembakaran diesel.
Makalah Teknis SAE. 2004, 2004-01-0924.
[4] ASHGRIZ, N. Buku Pegangan atomisasi dan semprotan.Peloncat, New York 2011.
[5] AVL Fire 2014.2, Dokumentasi AVL AST.
[6] Bahan Kimia CAMEO. cameochemicals.noaa.gov (diakses 19.03.2017).
[7] CHEN, Z., GU, F., HU, W. Termodinamika teknik kimia.Pers Industri Kimia, Beijing, 2006.
[8] CHEN, H., REUSS, DL, SICK, V. Analisis misfire pada mesin injeksi langsung menggunakan dekomposisi ortogonal yang tepat.
Eksperimen dalam Cairan. 2011,51.
[9] DECHOZ, J., ROZÉ, C. Pengukuran tegangan permukaan bahan bakar dan alkana pada tekanan tinggi di bawah atmosfer yang berbeda.
Ilmu Permukaan Terapan. 2004,1-4(229), 175-182.
[10] DEMIREL, Y. Energi, energi hijau dan teknologi.
Springer-VerlagLondon, 2012.
[11] ELFASAKHANY, A. Investigasi terhadap kinerja dan emisi polutan mesin pengapian berbahan bakar nbutanol–, isobutanol–, etanol–, metanol–, dan campuran aseton- gasoline: Sebuah studi perbandingan.Tinjauan Energi Terbarukan dan Berkelanjutan. 2017,17, 404-413.
[12] FOURNIER, S., SIMON, G., SEERSET, P. Evaluasi konsentrasi rendah etanol, butanol, BE, dan ABE dicampur dengan bensin dalam mesin pengapian busi injeksi langsung.
Bahan bakar. 2016,181, 396-407.
[13] GARG, P., KUMAR, P., SRINIVASAN, K., DUTTA, P. Evaluasi isopentana, R-245fa dan campurannya sebagai fluida kerja untuk siklus Rankine organik.Rekayasa Termal Terapan. 2013,1-2(51), 292-300.
[14] HUANG, Y., HONG, G. Investigasi pengaruh bahan bakar etanol yang dipanaskan terhadap pembakaran dan emisi mesin injeksi langsung etanol ditambah injeksi port bensin (EDI + GPI). Konversi dan Manajemen Energi. 2016,123, 338-347.
[15] HUANG, Y., HUANG, S., HUANG, R., HONG, G. Karakteristik semprotan dan evaporasi injeksi langsung etanol dan bensin dalam mode non-evaporasi, transisi dan flash-
[26] Pusat Fluida Termal, www.thermalfluidscentral.org (diakses 20.03.2017).
[27] TURNS, SR Pengantar pembakaran: konsep dan aplikasi.
McGraw-Hill, New York 1996.
[28] WEI, J. Simetri molekul, entropi rotasi, dan peningkatan titik leleh.Penelitian Kimia Industri & Teknik. 1999,38 (12), 5019-5027.
[29] ZHUANG, Y., HONG, G. Investigasi utama terhadap pengaruh penggunaan bahan bakar etanol dalam mengurangi konsumsi bahan bakar bensin.
Bahan bakar. 20132,105, 425-431.
Maciej Sidorowicz, MEng. – Fakultas Mesin dan
Transportasi di Universitas Teknologi Poznan. Ireneusz Pielecha, DSc., DEng. – Fakultas Mesin dan Transportasi di Universitas Teknologi Poznan.
surel:[email protected]
surel:[email protected]
MESIN PEMBAKARAN, 2017, 170(3) 65
