در چند سال اخیر تحقیقات بسیاری در مورد تولید و تأثیر بیودیزل‌های متفاوت بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل صورت پذیرفته است. در هر فرایند تولیدی، اولین مبحث مورد توجه صرفه اقتصادی آن است. از آنجا که روغن‌های پسماند خوراکی دارای قیمت بسیار پایین (حدود ۲۰۰ دلار در هرتن) می‌باشند، استفاده از آنها برای تولید بیودیزل بسیار مقرون به صرفه است و قیمت نهایی این سوخت را می‌تواند تا ۵۰۰ الی ۶۰۰ دلار برای هر تن کاهش دهد. گلیسیرین تولید شده از این فرایند می‌تواند بخشی از هزینه تولید را پوشش دهد. جدول(۱-۲) نشان دهنده قیمت بیودیزل پسماند خوراکی با بهره گرفتن از دو روش تولید به همراه سایر هزینه‌ها ی تولید است.

هزینه‌های تولید بیودیزل پسماند خوراکی[۱]
با توجه به توضیحات ارائه شده، بیودیزل پسماند خوراکی دارای قیمت بسیار مناسب است و علاوه بر مشکلات زیست محیطی می‌تواند جایگزینی مناسب برای دیزل معمولی از لحاظ قیمت سوخت برای مصرف کننده باشد.
فصل‌بندی مطالب
در فصل اول، پیرامون موضوع کلی، شرحی مختصر داده شده است. همچنین، اهمیت موضوع و کار انجام شده بررسی گردید و فرایند کلی صورت گرفته شده برای انجام این پژوهش تبیین گردید.
در فصل دوم کارهای انجام شده در زمینه بیودیزل آورده شده است. در این فصل ابتدا روغن‌های گیاهی، ساختار آنها و عملکرد و آلایندگی آنها هنگام تغذیه در موتور بررسی گردیده و مشکلات و معایب استفاده از آنها در موتور گردآوری شده است. در بخش بعد تبدیل بیودیزل‌ها به عنوان راه حل غلبه بر مشکلات استفاده از روغن‌های گیاهی ارائه شده و ضمن معرفی این سوخت به خواص استاندارد آن پرداخته شده است. و در بخش آخر فصل، استفاده از بیودیزل، تأثیر پارامترهای طراحی موتور در زمینه احتراق آن و بازخورانی گازهای خروجی بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل جمع آوری و تدوین گردیده است.
در فصل سوم، توضیحات و تصاویر مختصری از سلول تست و نحوه انجام تست­ها آورده شده و در بخش انتهایی فصل تحلیل خطا بر روی داده‌های مورد اندازه گیری انجام شده است.
در فصل چهارم کلیه نتایج بدست آمده از تست موتور شامل توان، گشتاور، مصرف سوخت ویژه، راندمان حرارتی و آلایندگی­های مختلف خروجی از موتور در بارها و دورها و درصدهای مختلف بیودیزل با دیزل آورده شده است و نمودارهای آنها تفسیر شده ­اند.
در فصل نهایی این گزارش یعنی فصل پنجم، جمع بندی از کل کار انجام شده و پیشنهادات برای کارهای آینده آورده شده است. امید است که پژوهش پیش رو گامی‌جهت اعتلای میهن و مردم عزیزمان در بین جهانیان و کاهش وابستگی‌ها گردد.
مروری بر ادبیات موضوع
مقدمه
در مطالعات مربوط به سوخت‌های گیاهی رودلف دیزل را به عنوان نخستین فردی که از این سوخت برای موتورش استفاده کرد، معرفی می‌کنند. در زمان دیزل استفاده از روغن‌های گیاهی بصورت خام و پالایش نشده برای راه اندازی و روشن شدن موتور، مناسب به نظر می‌رسید، اما با گذشت زمان مشاهده شد که روغن‌های خام باعث بروز مشکلاتی در موتور می‌شوند و با تبدیل روغن‌های خام گیاهی به متیل یا اتیل استرها این مشکلات برطرف گردید. این موضوع از سوی ASTM^[1] نیز بررسی گردید و به تصویب رسید.
روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت
اشتیاق زیاد به استفاده از روغن‌های گیاهی دراواخر دهه ۱۹۷۰ در زمان تحریم نفت اپک ایجاد شد. پس از آن مطالعات بسیار در این زمینه صورت پذیرفت که در ذیل به طور مختصر به آن اشاره شده است.
ساختار شیمیایی روغن‌های گیاهی
روغن‌های گیاهی که با نام تری‌گلیسیرید شناخته می‌شوند، ساختار شیمیایی مطابق شکل (۲-۱) دارند. این ساختار شامل ۹۸% تری‌گلیسیرید و مقادیر بسیار کمی منو و دی‌گلیسیرید است. تری‌گلیسیریدها، استرهایی هستند که از سه مولکلول اسید چرب و یک مولکول گلیسرول بدست می آیند و شامل مقادیر زیادی اکسیژن در ساختار خود هستند.

ساختار یک مولکول تری‌گلیسیرید[۲]
روغن‌های مختلف دارای اسیدهای چرب متفاوتی هستند. اسیدهای چرب در طول زنجیره کربنی و تعداد پیوندهای دوگانه با هم تفاوت دارند. فرمول شیمیایی و ساختار اسیدهای چرب گوناگون در روغن‌های گیاهی مختلف در جدول (۲-۱) آورده شده است [۲].
ساختار شیمیایی اسیدهای چرب متداول [۲]

خواص روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت
خواص روغن‌های گیاهی در جدول (۲-۲) آورده شده است. مطابق این جدول محدوده ویسکوزیته سینماتیکی روغن‌های گیاهی بین ۳۰ تا ۴۰ سانتی استوک در است. ویسکوزیته بالای این روغن‌ها به‌واسطه جرم مولکولی بالای آنها در محدوده ۶۰۰-۹۰۰ است و در حدود ۲۰ برابر بزرگتر از سوخت دیزل است. نقطه اشتعال روغن‌های گیاهی بسیار بالاست (حدود ). مقادیر ارزش حرارتی آنها در محدوده است که قابل مقایسه با برای سوخت دیزل است. حضور پیوندهای شیمیایی اکسیژن دار در روغن‌های گیاهی ارزش حرارتی آنها را حدود ۱۰% کاهش می‌دهد. عدد ستان این روغن‌های گیاهی در محدوده ۳۲-۴۰ است [۲].
خواص روغن‌های گیاهی [۲]

کاربرد روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت
بررسی‌ها نشان می‌دهد که روغن‌های گیاهی می توانند به عنوان سوخت در موتورهای دیزلی بکار گرفته شوند. شکل (۲– ۲) توان ترمزی^[۲]، مصرف سوخت ویژه^[۳] و راندمان حرارتی ترمزی^[۴] روغن‌های گیاهی را نسبت به هم و در مقایسه با دیزل نمایش می‌دهد.
درصد تغییرات توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه و راندمان حرارتی روغن‌های گیاهی و گازوئیل[۳]

میزان آلایندگی روغن‌های گیاهی در مقایسه با دیزل[۳]
میزان آلایندگی روغن‌های گیاهی در مقایسه با دیزل بیشتر است. شکل (۲-۳) سه آلاینده مهم را برای روغن‌های گیاهی و دیزل نمایش می‌دهد. تنها آلاینده ناکس کمتر از دیزل است و این به سبب لزجت بالا و ساختار مولکولی سنگین روغن‌های گیاهی است. در بار‌های بیشتر به علت احتراق ناقص تمایل برای تشکیل CO و دوده بیشتر وجود دارد و در کل آلاینده‌های HC و در موتور با سوخت روغن‌های گیاهی به دلیل مصرف سوخت ویژه بالاتر بیشتر است.
برخی از روغن‌های گیاهی دارای خصوصیاتی بسیار نزدیک به دیزل هستند و می توان آنها را به عنوان سوخت با پیش گرم کردن در موتور استفاده کرد.

تغییرات لزجت برای روغن جاتروفا درترکیب با دیزل وبه همراه پیشگرم کردن [۴]
در شکل (۲-۴) می توان تغییرات لزجت را برای جاتروفا در دماها و نسبت‌های ترکیب مختلف با دیزل متوجه شد. همانطور که مشاهده می‌شود می توان در دما و ترکیب مناسب با دیزل لزجت سوخت را در محدوده استاندارد برای مصرف در موتور کاهش داد.
فورسون^[۵] و همکارانش در سال ۲۰۰۲ در مقاله‌ای تحت عنوان عملکرد ترکیبات جاتروفا در موتور دیزل تأثیر این روغن را بر پارامترها و آلایندگی موتور بررسی کردند. آنها آزمایش خود را بر روی یک موتور یک سیلندر برای ترکیبات مختلف دیزل و روغن جاتروفا (۹۷٫۴-۲٫۶ , ۸۰-۲۰ , ۵۰-۵۰ ) بدون پیش گرم کردن و باپیش گرم کردن سوخت انجام دادند [۵] .
فورسون پارامترهای مصرف سوخت ویژه ترمزی^[۶]، توان ترمزی^[۷]، تورک^[۸]، راندمان حرارتی ترمزی^[۹] و میزان آلاینده‌های خروجیco , و گاز را بررسی کرد. در دورهایی از موتور که گشتاور خروجی بیشتر است، عملکرد روغن جاتروفا و ترکیبات کم آن با دیزل بهتر از دیزل خالص است به‌طوری که گشتاور و راندمان احتراق بیشتر شده، آلاینده CO و مصرف سوخت کاهش می‌یابند. فورسون در آزمایش خود به این نتیجه رسید که نسبت ۹۷٫۴ دیزل و ۲٫۶ روغن جاتروفا دارای راندمان احتراق بهتر و مصرف سوخت ویژه کمتر، از دیزل است پس می توان از روغن جاتروفا به عنوان یک افزودنی برای بهبود احتراق دیزل استفاده کرد.
سال ۲۰۰۷ آگروال^[۱۰] و همکارانش تحقیق دیگری تحت عنوان ویژگی آلاینده‌ها و عملکرد روغن جاتروفا (پیش گرم شده و بدون پیش گرمایش) در موتورهای اشتعال تراکمی پاشش مستقیم انجام دادند.
آگروال از گرمای تلف شده گازهای خروجی به منظور بالا بردن دما و کاهش ویسکوزیته سوخت استفاده کرد وتأثیر آن را بر دوده^[۱۱]، مصرف سوخت ویژه و سایر آلاینده‌ها در فشارهای پاشش مختلف بررسی کرد. آنها در یافتند که با پیش گرم کردن و کاهش ویسکوزیته سوخت می توان به راندمان بالاتری دست یافت که سبب کاهش مصرف سوخت ویژه و آلاینده‌های خودرو به جزء ناکس می‌شود، البته در بارهای کم (تقریبا زیر %۴۰) جاتروفا بدون پیش گرمایش عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد. دوده در جاتروفا گرم شده کمتر از جاتروفای بدون پیش گرمایش و بیشتر از دیزل معمولی است. جاتروفای گرم شده مقدار کمتری از دیزل معمولی تولید می‌کند ولی مقدار کمتر از مقدار آن برای جاتروفای بدون پیش گرمایش است. در بارهای پایین مقدار CO تقریبا یکسان است، درحالی‌که در بارهای بالاتر مقدار CO برای جاتروفای پیش گرم شده بیشتر از دیزل و کمتر از روغن جاتروفای بدون پیش گرمایش است. آلاینده HC در بارهای جزئی^[۱۲] برای تمام سوخت‌ها تمایل به کم شدن دارد ولی با افزایش بار افزایش می‌یابد که این به سبب کمبود اکسیژن به دلیل افزایش نسبت اکویوالانس^[۱۳] است. سوخت دیزل آلایندگی HC کمتری در مقایسه با جاتروفا تولید می‌کند [۶].
به طور کلی نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهند که با پیش گرم کردن برخی روغن‌ها با بهره گرفتن از گازهای خروجی، عملکرد و آلایندگی موتور دیزل بهبود می‌یابد و ویژگی‌های سوخت را به دیزل معمولی نزدیک می‌کند.
پیشینه بیودیزل
استفاده مستقیم از روغن‌های گیاهی به عنوان سوخت باعث بروز مشکلاتی در عملکرد موتور می‌گردد. پاشش، اتمیزه شدن و مشخصات احتراق روغن‌های گیاهی در موتورهای دیزلی کاملا متفاوت با سوخت دیزل است. ویسکوزیته بالای روغن‌های گیاهی باعث بروز مشکل در فرایند پاشش سوخت شده و منجر به اتمیزه شدن ناچیز سوخت می‌گردد. ویسکوزیته بالا و فراریت پایین روغن‌های گیاهی سبب بروز مشکل در حین راه اندازی سرد موتور، عدم ایجاد جرقه و تاخیر در زمان جرقه زنی می‌گردد. افزایش رسوبات کربنی، تشکیل دوده روی انژکتور، چسبندگی رینگ پیستون و رقیق شدن روغن از جمله مشکلات ناشی از استفاده مستقیم روغن‌های گیاهی هستند. این معایب به همراه واکنش‌پذیری روغن‌های گیاهی غیر‌اشباع سبب عملکرد نامناسب موتور در کارکردهای طولانی می‌گردد [۲].
این مسأله در کنفرانس ASAE در سال ۱۹۸۲ مطرح گردید و به‌عنوان یکی از راه‌ حل ‌های مطرح در کنفرانس اصلاح ساختار شیمیایی روغن‌های گیاهی و تبدیل آنها به بیودیزل مطرح شد تا مشکلات ارائه شده در بالا برطرف شوند.
ساختار بیودیزل
بیودیزل به سوخت‌هایی اطلاق می‌شود که منشا بیولوژیکی دارند و یک عنوان کلی برای گستره‌ای از سوخت‌های اکسیژن دهی شده با پایه استری نسبت داده می‌شود. بیودیزل ممکن است از روغن‌های آلی و چربی‌ها تولید شود. از دیدگاه علم شیمی، بیودیزل به استرهای منوالکیل با زنجیرهای بلند اسید چرب که از بیولیپیدهای تجدید پذیر مشتق می‌شوند منسوب می‌شود. بیودیزل به‌طور نمونه از طریق واکنش روغن نباتی یا چربی حیوانی با متانول یا اتانول در حضور کاتالیزور برای حصول متیل یا اتیل استر (بیودیزل) و گلیسیرین تولید می‌شود. استرهای متیل یا اتیل اسید چرب یا همان بیودیزل از روغن‌های طبیعی و چربی‌ها تولید می‌شود. معمولاً متانول بر تبادل استری به اتانول ترجیح داده می‌شود، زیرا که متانول از اتانول ارزان تر است و گلسیرین تولیدی نیز در صنایع آرایشی و صابون سازی مصرف می‌شود.
بیودیزل را می توان به راحتی با گازوییل مخلوط و در خودروهای گازوییل‌سوز استفاده کرد. نتایج تحقیق‌ها نشان داده است که اگر ۲۰ درصد باک خودرو را با بیودیزل پر کنیم، هیچ نیازی به تغییر سیستم احتراق یا تغییر قطعات موتور نیست و می توان این سوخت را بدون هیچ مشکلی در موتورهای امروزی استفاده کرد.
از آنجایى که بیودیزل خاصیت حلال را دارد، مى تواند قطعاتى از موتور را که از لاستیک و یا پلاستیک نامناسب تشکیل شده در خود حل نماید و موجب صدمه زدن به قسمتهایى از موتور شود. با تعویض این قسمتها با قطعات مناسب غیرمحلول در بیودیزل، شرکتهاى تولیدکننده، موتور دیزل متناسب با سوخت بیودیزل را تولید کرده‌اند. به همین خاطر بیودیزل خالص (B100) تنها در خودروهایى باید مصرف شود که موتور آنها براى این نوع سوخت ساخته شده‌اند.