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

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

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

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

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.

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

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

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

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.