Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI
-
Upload
muji-ajhaei -
Category
Documents
-
view
40 -
download
0
description
Transcript of Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI
![Page 1: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/1.jpg)
Dampak sistem bahan bakar injeksi dan emisi partikel
dari mesin GDI
Guna untuk memenuhi tugas mata kuliah Motor Pembakaran Dalam
Nama :Muji
Kelas : S1 Teknik Mesin B
Nim : 12050754236
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas teknik
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
TAHUN AJAR 2014 – 2015
![Page 2: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/2.jpg)
Impact of fuel and injection system on particle emissionsfrom a GDI engine
Abstrack
Dalam beberapa tahun terakhir, emisi partikel dari bensin direct injection (GDI) mesin,
terutama ultrafine yang partikulat, telah menjadi subjek perhatian. Dalam penelitian ini,
dampak dari bahan bakar (bensin dibandingkan etanol) dan sistem injeksi (tekanan injeksi
dan kondisi injector) pada emisi partikel adalah diteliti dalam semprot-dipandu mesin GDI
penelitian silinder tunggal, di bawah kondisi operasi rasio udara / bahan bakar stoikiometrik,
1500 putaran mesin rpm dan 3,5-8,5 bar IMEP. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, dalam
semprot dipandu mesin GDI, hasil etanol pembakaran massa partikel yang jauh lebih rendah
(PM) tapi partikel yang lebih tinggi Jumlah (PN) emisi, dibandingkan dengan bensin.
Tergantung pada bahan bakar yang digunakan, emisi PM dan PN respon yang berbeda
terhadap tekanan injeksi dan kondisi injektor. Untuk bensin, sistem injeksi memiliki dampak
yang signifikan terhadap emisi PM dan PN. Tekanan injeksi yang tinggi dan kondisi injector
bersih keduanya penting untuk emisi partikel rendah. Dibandingkan dengan bensin, emisi
partikel dari etanol pembakaran kurang sensitif terhadap sistem injeksi, karena volatilitas
yang lebih tinggi dan pembakaran difusi yang menghasilkan kurang jelaga. Selain itu, PM
dan PN trade-off diamati ketika menggunakan bensin dan etanol, dan ketika menggunakan
tekanan injeksi yang tinggi.
Pengantar
Kendaraan didukung oleh bensin injeksi langsung (GDI) mesin bertujuan untuk
meningkatkan mesin efisiensi dan mengurangi konsumsi bahan bakar
telah memasuki pasar mobil sejak akhir 1990-an [1-6] dan global volume mesin GDI
diharapkan untuk menyalip bahwa bahan bakar pelabuhan injection (PFI) mesin pada tahun
2020 [7]. Signi fi kan pengurangan polutan emisi di mesin SI telah dicapai dalam dekade
terakhir dengan menggunakan berbagai teknologi canggih seperti injeksi langsung (DI),
resirkulasi gas buang (EGR), variable valve timing, strati fi edcharge pembakaran, bahan
bakar bersih seperti bio-etanol dan fi ef tinggi efisien katalis tiga-arah (TWCs) [8-11].
Beberapa teknologi lainnya seperti turbocharger yang biasanya digunakan dalam mesin diesel
yang juga berpotensi digunakan untuk meningkatkan mesin e fi siensi dan karena itu
mengurangi emisi [12,13]. Secara historis, emisi partikel telah berhubungan dengan diesel
![Page 3: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/3.jpg)
mesin [14-16]. Namun dalam beberapa tahun terakhir, emisi partikulat dari bensin direct
injection (GDI) mesin, terutama partikulat ultrafine, telah menjadi subjek perhatian.
penelitianBukti menunjukkan bahwa massa partikel (PM) dan nomor partikel(PN) emisi dari
mesin GDI serupa di tingkat atau bahkan lebih tinggidibandingkan mesin diesel dilengkapi
dengan diesel particulatefilter (DPFs) [17-21]. Sebagai hasil dari masalah lingkungan dan
kesehatan[22], Euro 5b peraturan, membatasi emisi PM darikendaraan yang dilengkapi
dengan mesin GDI. Kedatangan peraturan perundang-undangan emisi baru akan, untuk
pertama kalinya, menetapkan batas tidak hanya pada massa, juga pada jumlah partikel.
Emisi partikulat dari mesin GDI harusditujukan baik melalui proses pembakaran atau
setelah perawatansistem. Oleh karena itu, sangat penting untuk memahami karakteristik
partikulat (yaitu alam, ukuran, morfologi, struktur, dll) serta pengaruh faktor yang berbeda
pada mereka Mekanisme pembentukan / oksidasi, yang meliputi jenis mesin, sifat bahan
bakar, dan sistem injeksi. Tipe mesin menunjukkan hubungan langsung dengan emisi
partikel. Bukti penelitian menunjukkan bahwa partikel dari dinding-dipandu dan mesin GDI
semprot-dipandu menunjukkan karakteristik yang berbeda secara signifikan.
Andersson et al. PM emisi dipelajari dari wallguided Mesin GDI dan menemukan
bahwa unsur jelaga yang paling Komponen berlimpah (72%) dalam komposisi, yang mirip
dengan mesin diesel [23]. Harga et al. [24] emisi PM diselidiki dari mesin GDI semprot-
dipandu, dan menyimpulkan bahwa partikel Komposisi didominasi oleh bahan organik yang
mudah menguap sementara fraksi karbon / jelaga unsur menyumbang paling banyak 2-29%
dari komposisi, tergantung pada tekanan injeksi, udara / bahan bakar rasio dan awal injeksi.
Perbedaan yang disebutkan di atas adalah karena perbedaan dalam penyusunan campuran
udara-bahan bakar untuk dinding-dipandu dan mesin semprot-dipandu. Tidak seperti dinding-
dipandu GDI mesin, mesin GDI semprot-dipandu memiliki lebih sedikit bahan bakar
pelampiasan pada mahkota piston; Oleh karena pembakaran kurang difusi.
Emisi partikel bervariasi, tergantung pada sifat bahan bakar seperti konten aromatik,
volatilitas dan kadar oksigen [25-31]. Volatilitas bahan bakar secara langsung terkait dengan
udara / persiapan campuran bahan bakar dan dengan demikian emisi partikel [32]. Bahan
bakar cair seperti iso-oktan menghasilkan emisi PM lebih dari bahan bakar gas seperti
propana [33]. Aikawa et al. [25] menyarankan bahwa tekanan uap bahan bakar dan
![Page 4: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/4.jpg)
Struktur bahan bakar (double bond dan cincin aromatik) bermain penting peran dalam
pembentukan PM. A 'PM Indeks' untuk memprediksi emisi PM kendaraan bensin diusulkan.
Mereka menghitung PM Distribusi indeks 1445 bahan bakar bensin yang tersedia secara
komersial dari seluruh dunia dan menemukan bahwa Indeks PM bensin bahan bakar yang
dijual secara global jatuh band yang sangat luas. Leach et al. [34] belajar pengaruh sifat
bahan bakar pada emisi PN dari mesin GDI, dengan merancang bahan bakar dengan
volatilitas yang berbeda dan konten aromatik, dan divalidasi sebuah 'indeks PN' untuk
mengevaluasi emisi PM dari bahan bakar bensin komersial. Hal ini juga melaporkan bahwa
dibandingkan dengan bensin, etanol murni menghasilkan PM emisi jauh lebih sedikit di GDI
mesin [27,35,36]. Pengaruh tingkat etanol campuran dalam bensin emisi PM dalam mesin
GDI tidak dipahami dengan baik. Mohammadet al. melaporkan penurunan yang signifikan
dari pembentukan jelaga oleh menggunakan campuran alkohol [37], yang didukung oleh
publikasi lainnya [38-41]. Namun Data Chen et al. Menunjukkan bahwa peningkatan di
kedua PM dan emisi PN diamati dengan penambahan etanol, terutama di mesin dingin [26].
Publikasi lain juga menyimpulkan bahwa campuran etanol-bensin rendah memiliki emisi PM
tinggi atau serupa dibandingkan dengan bensin murni
Pembentukan deposit Injector ditemukan berkaitan erat dengan Suhu ujung injektor
[46,48,53,55,56]. Dengan hati-hati merancang sistem pembakaran, kecenderungan
pembentukan deposit injector dapat dikurangi. Sebagai contoh, suhu ujung injektor adalah
dipengaruhi oleh (1) penonjolan ujungnya ke dalam silinder, (2) konduktif path dari injektor
pemasangan soket ke bagian pendingin, dan (3) dalam silinder kecepatan muatan dekat lokasi
tip. Posisi injector relatif terhadap busi adalah fitur penting lain; itu lagi jarak, semakin
rendah suhu nosel injektor cenderung [46,55,57]. Peningkatan tekanan injeksi bahan bakar
juga cara yang efektif untuk mengontrol pembentukan deposit injector GDI
Berdasarkan studi literatur, dapat disimpulkan bahwa ada meningkatnya minat dalam
memahami karakteristik PM GDI mesin, namun penyelidikan rinci dari pengaruh bahan
bakar dan injeksi sistem terbatas, terutama menyangkut mesin GDI semprot-dipandu.
Meskipun jelas bahwa bahan bakar bensin dan tekanan injeksi baik memiliki dampak yang
signifikan terhadap emisi partikulat di mesin GDI, tidak jelas mana yang dua faktor lebih
menonjol. Sehubungan Dengan Itu, makalah ini mengkaji dampak dari sistem bahan bakar
dan injeksi emisi PM dalam mesin GDI semprot-dipandu. Dua bahan bakar (bensin dan
etanol), empat tekanan injeksi (50, 100, 150, 172 bar) dan tiga injector (satu injector bersih
![Page 5: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/5.jpg)
dan dua injector mengotori) yang diuji. Kondisi pengujian yang rasio udara-bahan bakar
stoikiometrik, 1500 putaran mesin rpm dan beban bar mesin IMEP.
2.2. Uji injector dan laju uji laju alir
Yang digunakan dalam penelitian eksperimental ini injector termasuk dua GDI
injector yang dipakai dalam percobaan mesin sebelumnya di Mesin dan Bahan Bakar Masa
Depan Lab di Birmingham, dengan menggunakan berbagai bahan bakar selama sekitar 3
bulan di bawah kondisi beban mesin mulai dari 3,5-8,5 bar IMEP. Deposit karbon yang
terakumulasi dalam injector nozzle dan juga di ujung injektor. untuk kuantitatif mencirikan
status dua injektor, laju aliran mereka diukur pada bangku uji dengan 150 bar tekanan injeksi
menggunakan iso-oktan sebagai bahan bakar uji. Sepuluh lebar pulsa injeksi mulai dari 0,3-6
ms dipilih, dan bahan bakar dari 1.000 suntikan adalah kuantitatif diukur dengan
keseimbangan dengan resolusi 0,1 g. Semua pengukuran diulangi setidaknya tiga kali dan
Hasil rata-rata digunakan untuk menghitung kerugian laju aliran, yang ditunjukkan pada
Gambar. 2. Injector 1 menunjukkan hilangnya laju alir 8,5%, dan injektor 2 menunjukkan
kehilangan laju aliran 5,3%. Injector 3 adalah injector bersih digunakan sebagai patokan.
Setelah uji laju aliran, injector digunakan untuk mempelajari efek dari injektor fouling pada
PM emisi.
![Page 6: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/6.jpg)
3. Hasil dan diskusi
Hasil dan pembahasan dibagi menjadi dua bagian, injeksi tekanan dan kondisi injector
(mengotori / bersih). Dalam setiap bagian, hasil untuk bensin dan etanol disajikan. Untuk
semua partikulat distribusi ukuran, koordinat dari grafis yang dinormalisasi oleh interval
diferensial logaritma dari partikel yang ukuran. Data yang telah dikoreksi oleh dilusi rasio
faktor set dalam sampling dan dilusi sistem.
Distribusi ukuran partikel terdiri dari partikel-partikel dengan berbagai Sifat: (a) HCS
inti yang terutama menulis nukleasi yang modus, dan (b) gumpalan jelaga dengan HCS kental
atau terserap pada permukaannya, yang membentuk modus akumulasi [59]. Tekanan injeksi
mempengaruhi distribusi ukuran partikel melalui dampak pada kedua HCS dan pembentukan
jelaga dan interaksi di antara mereka. Interaksi bisa diamati dengan jelas dalam distribusi
ukuran partikel dalam jumlah sebesar 8,5 bar IMEP (Gbr. 5 (c)). Tekanan injeksi meningkat
mengakibatkan peningkatan PN di Modus nukleasi. Namun, pada 8,5 bar IMEP, tekanan
injeksi yang lebih tinggi memberikan kontribusi untuk menurunkan emisi HC (Gbr. 4), dan
jelaga yang lebih rendah emisi seperti yang ditunjukkan oleh rendah PN di modus akumulasi.
Kecenderungan sebaliknya karena jelaga tidak hanya secara langsung menentukan Modus
akumulasi, tetapi juga memiliki dampak langsung pada nukleasi yang Mode [59]. Tekanan
injeksi yang tinggi mengurangi pembentukan jelaga dan dengan demikian luas permukaan
jelaga yang tersedia untuk HC adsorpsi atau kondensasi, mendukung nukleasi hidrokarbon
[59]. Karena modus nukleasi adalah kontributor utama emisi PN dan modus akumulasi
adalah kontributor utama PM emisi, dapat dilihat bahwa ada trade-off jelas dalam emisi PM
dan PN di mesin GDI pada tekanan injeksi yang tinggi. Contoh ini mencerminkan
kompleksitas emisi partikel analisis, yang memerlukan pemisahan / mengidentifikasi partikel
berdasarkan pada sifat partikel.
3.1.2. etanol
menunjukkan pengaruh tekanan injeksi pada emisi HC untuk etanol pada 3,5-8,5 bar
IMEP. Berbeda dari pembakaran bensin, HC emisi dari pembakaran etanol tidak sensitif
terhadap injeksi tekanan. Penjelasannya adalah bahwa etanol memiliki 34,8% gravimetri
kandungan oksigen, yang memberikan keuntungan pembentukan jelaga yang lebih rendah
dibandingkan dengan bensin, karena pembakaran lebih sempurna dan lebih pasca-api
oksidasi [26,27]. Di sisi lain, bahkan meskipun tekanan injeksi rendah menyebabkan bahan
bakar pelampiasan lebih lanjut tentang piston dan silinder liner, etanol menguap lebih mudah
![Page 7: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/7.jpg)
karena ke titik didih yang lebih rendah dibandingkan dengan bensin. Gambar. 9 menunjukkan
pengaruh tekanan injeksi pada distribusi ukuran partikel jumlah (a dan b) dan massa (c dan d)
untuk etanol sebesar 4,5 dan 8,5 bar IMEP. Untuk semua kondisi tekanan beban dan injeksi
diuji etanol, distribusi ukuran partikel konsisten menunjukkan mono-puncak, dengan
mayoritas partikel dalam kisaran 30-50 nm, menunjukkan bahwa pembentukan jelaga dalam
etanol pembakaran terbatas.
3.2. Dampak injektor fouling
Ada publikasi terbatas menyelidiki efek dari GDI injektor fouling pada emisi PM,
meskipun banyak bukti menunjukkan yang injector mengotori menyebabkan memburuk
bahan bakar / udara persiapan campuran di GDI mesin [52,54,71]. Oleh karena itu, dalam
penelitian ini, kuantitatif Hasil tentang pengaruh injektor fouling pada emisi PM dalam GDI
mesin dilaporkan. Etanol tinggi menyatu literatur telah emisi PM rendah dan dilaporkan
sebagai memberikan sedikit GDI injector fouling [40,72-74], dan pada saat yang sama
diharapkan bahwa karakteristik hasil semprotan etanol dalam dampak yang berbeda pada
campuran persiapan dengan mengotori injector. Oleh karena itu menarik untuk memeriksa
secara kuantitatif bagaimana emisi PM dari etanol berbahan bakar Mesin GDI merespon
injektor fouling.
3.2.1. bensin
Gambar. 11 menyajikan efek injektor mengotori emisi HC bensin di 3,5-8,5 bar IMEP
pada 150 bar tekanan injeksi. Dibandingkan dengan injector bersih (# 3), injektor mengotori
(# 1) yang dihasilkan emisi HC sekitar 10% lebih tinggi pada kisaran beban mesin bar IMEP.
Hasil yang sama juga dilaporkan dalam publikasi lain [52,53]. Hal ini mungkin terkait
dengan pergeseran bahan bakar meningkat karena lebar pulsa injektor lagi akibat injector
fouling. Film BBM terus menguap selama pembakaran stroke dan pembakaran karena itu
difusi terjadi, yang mengarah pembentukan HC dan jelaga yang tinggi. Alasan lain mungkin
terkait untuk bensin diserap pada deposito karbon dekat ujung injektor. Bensin terserap
kontribusi untuk pembakaran difusi setelah pembakaran utama, yang dilaporkan dalam [54]
menggunakan optik diagnosa. Semprot menyimpang yang mengarah ke sempurna udara /
bahan bakar Persiapan campuran juga alasan lain untuk emisi HC tinggi
![Page 8: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/8.jpg)
3.2.4. etanol
Gambar. 16 menyajikan efek injektor fouling pada emisi HC untuk etanol pada 150
bar tekanan injeksi. Mengotori injector memiliki dampak terbatas pada emisi HC dari etanol
berbahan bakar GDI mesin. Gambar. 17 menunjukkan efek dari injektor fouling pada
partikulat yang distribusi ukuran jumlah (a dan b) dan massa (c dan d) untuk etanol sebesar
4,5 dan 8,5 bar IMEP pada 150 bar tekanan injeksi. Sekali lagi, injektor fouling memiliki
dampak yang terbatas pada ukuran partikel distribusi. Sudah pasti bahwa pelampiasan bahan
bakar dan bahan bakar adsorpsi pada deposito dekat ujung injektor meningkat karena injektor
fouling. Namun alasan bahwa, tidak seperti bensin, HC dan jelaga formasi tidak meningkat
ketika menggunakan etanol karena etanol menguap lebih mudah dan pembakaran difusi tidak
meningkat sebanyak ketika menggunakan bensin. Di sisi lain, dibandingkan dengan
pembakaran difusi bensin, pembakaran difusi dari etanol menyebabkan menurunkan HC dan
pembentukan jelaga karena oksigen konten dalam molekul etanol.
5. Kesimpulan
Dampak bahan bakar (bensin dibandingkan etanol) dan sistem injeksi pada emisi
partikel telah dipelajari dalam semprot dipandu Mesin GDI bawah kondisi operasi udara
stoikiometrik / rasio bahan bakar, putaran mesin 1500 rpm dan 3,5-8,5 bar mesin IMEP
beban. Kesimpulan yang ditarik dari penyelidikan adalah sebagai berikut:
1. Dibandingkan dengan bensin, etanol yang dihasilkan lebih sedikit PMbemisi karena
pembentukan jelaga signifikan lebih rendah dihasilkan dari kandungan oksigen dan volatilitas
yang lebih tinggi. oksidasi cepat etanol yang dihasilkan jelaga karena pembakaran internal
mesin silinder mungkin adalah alasan lain untuk emisi PM rendah, yang membutuhkan
penyelidikan lebih lanjut. Emisi PN dari etanol lebih tinggi daripada yang dari bensin. Hal ini
dikarenakan, tidak seperti bensin, sebagian besar HC yang tidak terbakar dari etanol
membentuk nanopartikel dalam modus nukleasi, sementara hanya kecil fraksi HC terbakar
terpasang atau diserap pada terbatas jelaga.
2. tekanan injeksi tinggi meningkatkan emisi partikel dari Mesin GDI berbahan bakar
bensin, karena lebih baik atomisasi semprot. Dengan meningkatkan tekanan injeksi dari 50
bar 150 bar, emisi PM dan PN berkurang hingga 22% dan 78% masing-masing. Peningkatan
tekanan injeksi 172 bar lebih mengurangi emisi jelaga, namun PN emisi meningkat karena
![Page 9: Dampak Sistem Bahan Bakar Injeksi Dan Emisi Partikel Dari Mesin GDI](https://reader036.fdokumen.com/reader036/viewer/2022082322/563db7c1550346aa9a8da4ff/html5/thumbnails/9.jpg)
peningkatan yang signifikan dalam partikel HC berinti. Tampaknya ada trade-off antara PM
dan PN emisi dari mesin GDI di tertentu kondisi mesin.
3. Injector fouling harus dipertimbangkan secara hati-hati dalam pembakaran desain
sistem untuk mesin GDI semprot-dipandu. injector fouling mempengaruhi emisi PM melalui
mempengaruhi HC dan jelaga formasi, yang itu sendiri dipengaruhi oleh pembakaran difusi
bahwa hasil dari kedua pelampiasan bahan bakar dan bahan bakar adsorpsi pada deposito
dekat ujung injektor. memburuk injector dapat meningkatkan emisi PM hingga sepuluh kali
seperti yang ditunjukkan dalam studi. Tidak seperti dalam kasus bensin, emisi PM dari
ethanol pembakaran tidak terpengaruh oleh sistem injeksi. HC dan pembentukan jelaga tidak
jelas meningkat dengan Tekanan injeksi rendah dan ketika injector mengotori digunakan,
karena etanol menguap lebih mudah dan dengan demikian pengalaman kurang pembakaran
difusi. Selain itu, hipotesis bahwa perbedaan emisi PM dibuat oleh sistem injeksi (tekanan
dan kondisi injector) lebih penting daripada perbedaan yang dibuat oleh komposisi bahan
bakar bensin komersial di pasaran. Data dari Honda menunjukkan bahwa PM Indeks 80%
dari seluruh dunia yang tersedia secara komersial bahan bakar bensin dalam kisaran 1-2,2,
menunjukkan perbedaan hingga 54,5% emisi PM yang sesuai. Itu Perbedaan yang dibuat
emisi PM oleh sistem injeksi terserah 88% dalam penelitian ini. Namun, hipotesis ini
membutuhkan lebih lanjut dan investigasi menyeluruh.
Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini didanai oleh Royal Society International Program pertukaran, dan oleh
National Science Foundation Alam Cina (Hibah No 51211130117, Cina), dan sebagian lagi
oleh Advantage West Midlands Science City (Inggris). para penulis ingin berterima kasih
atas dukungan dari Jaguar Land Rover dan Shell Global Solutions Inggris. Mereka juga
berterima kasih kepada Peter Thornton dan Carl Hingley untuk dukungan teknis dari
pengujian mesin fasilitas.