Einfluss von hydriertem Diesel/H2O2-Kraftstoffgemisch auf die Leistung von Dieselmotoren und die Charakterisierung der Abgasemissionen

Apr 30, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 836 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der sauerstoffhaltige Hydrodiesel (OHD) wird aus Wasserstoffperoxid (H2O2), Aceton und Algenpolysaccharid hergestellt. Es wurde eine Langzeitstudie zur Stabilität der OHD-Kraftstoffmischung über etwa ein Jahr bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Die Langzeitstabilität zeigt sehr stabile Eigenschaften, kein leichtes Brechen der Emulsion und eine lange Lagerdauer. Der Leistungstest mit reinem Diesel und gemischtem Kraftstoff wurde bei verschiedenen Motordrehzahlen (1700–3100 U/min) und einer Dieselmischung mit 5 Gew.-% und 10 Gew.-% durchgeführt. % H2O2 ergab den besten Anteil zur Reduzierung von Rauch und Emissionen. Die Mischung enthält 15 Gew.-% H2O2, was eine deutliche Reduzierung der Abgastemperatur zeigt, ohne die Leistung des Motors zu berücksichtigen. Darüber hinaus zeigte die Leistung des OHD auch eine Einsparung, wodurch die Umweltverschmutzung verringert und die Lebensdauer des Motors verlängert wurde. Die Dieselmotorleistung und die Umweltbewertung führen zur Charakterisierung der Abgasemissionen (\({\mathrm{CO}}_{\mathrm{X}}\), \({\mathrm{SO}}_{\mathrm{X}} , {\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\) und andere). Basierend auf den Ergebnissen sind die verschiedenen Konzentrationen von H2O2 eine wirksame Methode zur Reduzierung der Emissionen von Dieselmotoren. Es wurde auch ein Rückgang von CO, SO2, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und NO2 als Prozentsatz von H2O2 beobachtet. Aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehalts, Wassergehalts und der Cetanzahl verringerte sich die Anzahl der unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus Dieselkraftstoff bei der Zugabe von H2O2. Daher kann die OHD-Mischung die Abgasemissionen von herkömmlichem Dieselkraftstoff erheblich reduzieren, was dazu beitragen wird, die schädlichen Treibhausgasemissionen von Dieselkraftstoffquellen zu reduzieren.

Bei fossilen Brennstoffen ist der Dieselverbrauch von großer Bedeutung, beispielsweise im Transportwesen, bei schweren und leichten Fahrzeugen, in der Schifffahrt sowie in zahlreichen landwirtschaftlichen und industriellen Tätigkeiten1,2. Darüber hinaus werden Dieselkraftstoffe aufgrund ihres bemerkenswerten Energiepotenzials auch in großen Stromerzeugungs- und Wohnheizsystemen eingesetzt. Der Dieselmotor gilt allgemein als der leistungsstärkste aller Verbrennungsmotortypen. Obwohl die standardmäßigen Heizwerte von Dieselkraftstoff möglicherweise niedriger sind als bei anderen Erdölkraftstoffen, hat sich gezeigt, dass er in der Motorstruktur eine höhere Brennwerteffizienz aufweist. Darüber hinaus zeichnet sich Dieselkraftstoff durch eine außergewöhnliche Steuerungsleistung, einen effizienten Kraftstoffverbrauch sowie eine deutlich längere Lebensdauer und Konsistenz aus3,4,5.

Unabhängig vom Kraftstoff mit der besten Leistung ist Diesel einer der bedeutendsten Schadstoffverursacher, die von Straßen- und Geländefahrzeugen sowie großen Schiffsdieselmotoren freigesetzt werden6,7. Daher wurde großer Wert auf die Verbesserung von Dieselkraftstoffen sowie auf theoretische und praktische Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen NOx-, COx- und Kohlenwasserstoffemissionen sowie kondensierten Materialemissionen wie Feinstaub (PM) und Ruß gelegt8. Die von einem Motor verursachten Emissionen werden durch die Betriebsbedingungen und die Art des verwendeten Kraftstoffs bestimmt, wie in Anhang 1 dargestellt. Daraus ergeben sich die Kernemissionen von Dieselmotoren, bestehend aus NOx, SOx, CO, VOC, NO2, NO und CO26,9.

Dennoch ist neben weiteren Emissionsfaktoren ein weiterer kritischer Faktor der Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff. Die zunehmenden Beschränkungen für Dieselkraftstoff hatten erhebliche Auswirkungen auf die Abgasverschmutzung. Der Schwefelgehalt von Dieselkraftstoff ist heute auf 15 Teile pro Million (ppm) begrenzt, während er früher bei 400–550 ppm (EURO-Diesel I und EURO II) lag10,11. Abbildung 1 veranschaulicht die aktuellen Beschränkungen des Schwefelgehalts in sauberem Dieselkraftstoff.

Aktuelle Beschränkungen des Schwefelgehalts in sauberem Dieselkraftstoff11,12.

Die entscheidende Eigenschaft von Dieselkraftstoff ist seine Cetanzahl, die die Zündverzögerung bei der Verbrennung beeinflusst13,14,15. Kraftstoff mit einer höheren Cetanzahl beschleunigt den Verbrennungsprozess im Betrieb16. Doch die zunehmende Besorgnis über den Umweltschutz und strenge staatliche Vorschriften zu Abgasemissionen zur Reduzierung der Umweltverschmutzung haben zu einem erheblichen Anstieg der Motorenentwicklungsforschung geführt17. Die gleichzeitige Reduzierung von Feinstaub (PM) und \({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\), insbesondere in den Euro VI-Normen, ist aufgrund einer umgekehrten Beziehung zwischen \({\mathrm{NO}} _{\mathrm{X}}\) und PM18. Zahlreiche Forscher widmen sich der Entwicklung neuer oder verbesserter Nachbehandlungstechnologien, um die Emissionen von \({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}},\) PM und Nicht-Methan-flüchtigen organischen Verbindungen (NMVOC) zu reduzieren19,20, 21,22. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist die fortschrittlichste Technologie zur aktiven Emissionskontrolle, die effektiv in Dieselfahrzeugen eingesetzt wird23,24. SCR verwendet einen Monolithkatalysator, um NOx in Wasser (H2O) und zweiatomigen Stickstoff (N2)7 umzuwandeln.

Aufgrund nachhaltiger Entwicklung und Umweltbedenken wurde der Entwicklung neu formulierter oder alternativer Kraftstoffe große Aufmerksamkeit gewidmet. Viele dieser Bemühungen konzentrierten sich auf die Verbesserung des Dieselkraftstoffs in Form von Kraftstoffmischungen, um langlebige und effiziente, überlegene Mischungen zu erhalten, die herkömmlichen Dieselkraftstoff ersetzen. Zu den bisher entwickelten primären Dieselkraftstoffmischungen gehören Ethanol25,26,27,28,29, Biodiesel30,31,32,33, Wasserstoff11,34,35; Wasser-Diesel2,36,37, Pflanzenöl38,39,40 und verschiedene andere sauerstoffhaltige Kraftstoffe41,42,43,44. Es wird allgemein angenommen, dass die Neuformulierung von Dieselkraftstoffen eine wichtige Rolle bei der Erzielung erheblicher Reduzierungen der Abgasemissionen gespielt hat39,45,46,47. Die Neuformulierung von Dieselkraftstoffen brachte weitere Vorteile mit sich, darunter die Senkung des Schwefel- und Aromatengehalts und die Möglichkeit, dem Kraftstoff Sauerstoff hinzuzufügen. Viele Additive auf der Basis von Oxygenaten haben sich bei der Reduzierung der Partikelemissionen von Dieselmotoren als sehr wirksam erwiesen48,49,50. Das größte Problem bei Dieselkraftstoff ist jedoch seine verringerte Fähigkeit, andere Kraftstoffmischungen aufzulösen. Sobald ein Additiv als Zusatz hinzugefügt wird, ist eine plötzliche Verschlechterung der Kraftstoffeigenschaften zu beobachten, insbesondere wenn die Anzahl der Cetane deutlich abnimmt51. Dieselkraftstoff vermischt sich teilweise mit Ethanol, die Löslichkeit wird jedoch aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenspannungen beider Flüssigkeiten beeinträchtigt.

Wasser ist ein typischer Dieselkraftstoffzusatz, der mit Diesel kombiniert werden kann, um gleichzeitig einen Emulgator zu bilden52. Darüber hinaus kann Wasser direkt in die Brennkammer gesprüht oder in die Ansaugluft begast werden53. Kürzlich führten Atarod et al.54 eine experimentelle und modellierende Studie über den durch Nanopartikel induzierten Wasser-Diesel-emulgierten Kraftstoff zur Emissionskontrolle von Dieselmotoren durch. Eine Mischung aus Span 80 und Tween 80 wurde für 5 Gew.-% verwendet, während der Wassergehalt und die Nanopartikelzusammensetzung zwischen 0–3 Gew.-% bzw. 0–150 μM variierten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Wasser zu einem Dieselkraftstoff die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe und den Rückgang der Nanopartikel bei der Stickoxidbildung bei mäßigen Lastbedingungen verringerte. Darüber hinaus konnte das entwickelte, auf Neuro-Fuzzy-Logik basierende Modell die Betriebsparameter und Abgasemissionen von Kraftstoffen mit Wasser-Diesel-Mischung effektiv vorhersagen.

Eine der bestmöglichen Möglichkeiten, den sauerstoffhaltigen Kraftstoff einzuführen, ist die Zugabe von H2O2 in die Dieselkraftstoffmischung, die mit zusätzlichen Wassermolekülen zu einer höheren Cetanzahl tendiert42,43,44. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass es mit der Zeit zu einer Phasentrennung kommt, wenn einer Ethanol- und Dieselkraftstofflösung H2O2 zugesetzt wird51. Eine erhöhte Stabilität der Mischung über einen längeren Zeitraum ist ebenfalls ein wichtiges Problem55. Darüber hinaus haben nur wenige Studien mehrere potenzielle Einsatzmöglichkeiten von H2O2 in Verbrennungsprozessen mit einem breiten Spektrum an Energieumwandlungssystemen aufgezeigt13,44. David & Reader56 und Golovitchev et al.57 untersuchten die Aussichten einer Selbstentzündung von Methan in der Luft mit H2O2. Sie fanden heraus, dass die Zündverzögerung durch die Zugabe einer kleinen Menge H2O2 (10 Vol.-%) deutlich verkürzt wurde. Die Zündverzögerung wurde um eine Größenordnung reduziert für (i) CH4/O2/Luft-Gemisch bei 2,55–13,01 atm, wo die Verbrennungstemperatur zwischen 1525 und 2025 K lag; und für (ii) CH4/Luft-Gemisch bei 0,4–10 atm mit einem Temperaturbereich von 1100–2000 K56. Eine nachfolgende Studie von Golovitchev und Piliaf57 ergab außerdem eine verbesserte Selbstentzündung von Methan mit H2O2, das widerstandsfähiger war als mageres Wasserstoffgas. Diese verkürzte Zündverzögerung ist verständlicherweise auf die Rolle der „O“- und „OH“-Radikale zurückzuführen, die bei der unmittelbaren Zersetzung von H2O257,58 entstehen.

Darüber hinaus fanden Martinez et al.59 heraus, dass H2O2 die Umwandlung von tödlichem Stickoxid in weniger gefährliches Stickstoffdioxid in Dieselabgasen katalysiert. David & Reader56 und Ashok & Saravanan51 erklärten, dass eine geeignete Einspritzung von H2O2 in einen Dieselmotor Ruß und NOx deutlich reduzierte. Darüber hinaus stellten Martinez & Cabezas59 fest, dass die Konzentrationen unverbrannter Kohlenwasserstoffe (NOx und CO) aus einer mit Erdgas betriebenen Brennkammer im industriellen Pilotanlagenmaßstab durch die Injektion von einigen hundert ppm H2O2 deutlich gesenkt wurden. Eine ergänzende Studie von David & Reader56 zeigte, dass die Zugabe von H2O2 die CO-Konzentration und die NOx-Emissionen reduzierte, während Ashok & Saravanan51 eine Steigerung der thermischen Bremseffizienz zeigte. Und Yusof et al.44 berichteten, dass mehr H2O2 die Cetanzahl von Dieselkraftstoffmischungen deutlich erhöht. Darüber hinaus ergaben diese Studien auch einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch, Feinstaub, Rauchdichte, Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe im Vergleich zu Dieselkraftstoff allein oder gemischt mit emulgiertem Kraftstoff51.

Daher konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Untersuchung der Leistungs- und Emissionseigenschaften von 5–15 Gew.-% Dieselzusatz in Gegenwart eines neu hergestellten Polysaccharidpolymers (Agarose)/Aceton-Emulgators. Zusätzlich werden die Ergebnisse mit dem Referenzdiesel (sauberer Diesel) verglichen. Unsere frühere Studie ergab eine kohärente Stabilität von emulgiertem Kraftstoff. Die experimentelle Studie ergab auch, dass der erhöhte H2O2-Gehalt im Diesel die Cetanzahl der Kraftstoffmischungen deutlich erhöhte. Daher ist die vorliegende Arbeit eine Fortsetzung unserer vorherigen Studie zur Untersuchung des Einflusses von hydriertem Diesel/\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)-Mischkraftstoff auf Diesel Motorleistung und Charakterisierung der Abgasemissionen, insbesondere bei der Reduzierung von NOx, CO, \({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\) und \({\mathrm{SO}}_{2}\).

Die Ausgangsenergie (OPE) bei verschiedenen Drehzahlen (U/min) ist ein Hilfsmittel zum Vergleich der Gesamtleistung einer \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/Diesel-Mischung Kraftstoff mit Referenzdiesel (RD). Theoretisch wurde gemessen, wie viel Kraftstoff pro Trennungszeit ausgegeben wird, um maximale Leistung zu liefern. Abbildung 2 zeigt die Generatorleistung (kW) der verschiedenen Testkraftstoffe bei verschiedenen Motordrehzahlen und verschiedenen Motordrehmomenten (6–12,5 Nm).

Vergleich der Leistungseffizienz verschiedener Mengen an H2O2/Diesel-Kraftstoffmischungen.

Die Ergebnisse zeigten, dass der RD-Kraftstoff bei verschiedenen Motordrehzahlen eine höhere Leistung erzeugte, nämlich fast 1–2,5 %. Allerdings zeigten emulgierte H2O2/Diesel-Mischungen eine geringere Leistungseffizienz. Der Grund könnte im relativ niedrigeren Heizwert von H2O2/Dieselkraftstoff als dem in unserer vorherigen Studie diskutierten RD-Kraftstoff liegen44.

Unter den \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/Diesel-Mischkraftstoffen sind die 5 Gew.-% von \({\mathrm{H}}_{ 2}{\mathrm{O}}_{2}\) zeigte einen etwas höheren als höheren H2O2/Diesel-Mischungsgehalt. Ein solcher vernachlässigbarer Mangel könnte aufgrund ihrer höheren Verbrennungseffizienz und des effektiven Sauerstoffgehalts in der Dieselkraftstoffmischung aufgedeckt werden, was möglicherweise eine gute Übereinstimmung für die Frühverbrennungseffizienz im Vergleich zu RD-Diesel darstellt. Darüber hinaus haben wir in unserer früheren Arbeit13,44,60 bereits gezeigt, dass die Zugabe von H2O2 zum Diesel die Cetanzahl mit Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärme steigert. Möglicherweise verringerte sich der Heizwert der H2O2/Diesel-Kraftstoffmischung aufgrund des geringeren Energiegehalts der Kraftstoffmischungen kaum, obwohl alle Werte weitgehend im Bereich von Dieselkraftstoff liegen47,61.

Der aktuelle Abschnitt der Studie untersucht die Motorleistung anhand eines praktischen Parameters des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (SFC) und eines Vergleichs von RD und H2O2/Diesel-Mischkraftstoff. Die Tests wurden unter verschiedenen Motordrehmomenten (6–12,5 Nm) und Drehzahlbedingungen im Bereich von 1700 bis 3024 U/min durchgeführt. SFC gibt das Verhältnis von Kraftstoffverbrauch zur Bremsleistung an. Abbildung 3 fasst den SFC von RD- und Dieselkraftstoffmischungen zusammen; Die Ergebnisse zeigten einen abnehmenden Trend, wenn die Motordrehzahl von 1700 auf 3024 U/min anstieg.

Vergleich der spezifischen Kraftstoffverbrauchseffizienz verschiedener Mengen von H2O2/Diesel-Kraftstoffmischungen.

Da es sich bei der Kraftstoffeinspritzpumpe des Testmotors um einen kundenspezifischen Typ handelte, verringerte sich die geförderte Kraftstoffmenge bei der minimalen Standardgeschwindigkeit von Yanmar62, beispielsweise 1700 U/min. Sie simulierten die Zerfallsvergleichsrate hinsichtlich der RD-Kraftstoff-Luft-Mischungsrate und des überschüssigen Sauerstoffgehalts im Dieselkraftstoffgemisch. Die Erhöhung der Motordrehzahl verbesserte die Systemleistung und verringerte gleichzeitig den SFC jedes Testkraftstoffs.

Dennoch kann die verringerte volumetrische Kohärenz bei höheren Drehzahlen einen SFC-Mangel bei Drehzahlen über 1700 U/min aufdecken62. Im Durchschnitt war der SFC des RD-Tests höher als der aller H2O2/Diesel-Mischkraftstoffe. Der SFC-Wert von RD-Kraftstoff war 2–5 % höher als der von H2O2/Diesel. Der Testkraftstoff enthält 10 bzw. 15 Gew.-% H2O2, und die Dieselmischung zeigte vielversprechendere SFC-Ergebnisse als die Dieselmischung mit 5 Gew.-% H2O2. H2O2 zeigte eine Reduzierung des SFC um 1,5 bis fast 5,2 % im Vergleich zu 5 Gew.-% H2O2/Diesel bzw. RD-Kraftstoff. Der höhere SFC des RD-Kraftstoffs als bei allen H2O2/Diesel-Mischkraftstoffen ist auf den etwas höheren Energieumfang des RD-Diesels zurückzuführen. Technisch gesehen waren die Heizwerte der Kraftstoffmischungen aufgrund der molaren Volumenanteile von H2O2 und Emulgator (C14H24O9/C3H6O) niedriger; Daher sollte der Verbrauch erhöht werden, um ein Drehmoment von etwas mehr als 11 Nm zu erreichen. Trotz relativ niedrigerer Heizwerte hatten alle H2O2/Diesel-Mischkraftstoffe einen geringeren SFC als RD-Kraftstoff. Der Grund für die effektive SFC liegt im höheren Cetanzahlwert der H2O2/Diesel-Kraftstoffmischung51. Wenn die Cetanzahl des gemischten Kraftstoffs mit zunehmenden H2O2-Mengen ansteigt, unterliegen Temperatur und Sauerstoffgehalt in der Brennkammer einer besseren Selbstkontrolle, wodurch das thermische Cracken gefördert und die Oxidationsraten erhöht werden, während gleichzeitig unverbrannte HC-Emissionen und der spezifische Kraftstoffverbrauch sinken63. Es deutet auch darauf hin, dass ein ausreichender SFC der H2O2/Diesel-Mischungen möglicherweise aufgrund des Vorhandenseins stabil hoher Sauerstoffgehalte in der Dieselmischung gefunden wird.

Die Abgasrauchdichte, auch Multiple Particulate Matter (PM) genannt, bezieht sich auf unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HxYx), NOx und SOx und hat sich als kritisches Problem für Dieselkraftstoff erwiesen. Deshalb haben die entwickelten Länder seit dem letzten Zerfall strenge Richtlinien erlassen, um die Verwendung von Leichtdiesel (EURO II und III) in öffentlichen Fahrzeugen einzuschränken. Dennoch stellen Feinstaub, insbesondere HxYx und NOx, in europäischen Ländern aufgrund der frostigen Umgebung immer noch eine Herausforderung dar10,12. Auch wenn im öffentlichen Nahverkehr Hochgeschwindigkeitsdiesel (EURO V und VI) verwendet wird, gefolgt von fortschrittlicher Technologie wie In-Zylinder- und fortschrittlichen Hybrid-Oxidationskatalysatoren mit katalytischem Filtersystem.

Daher wurde in diesem Abschnitt eine umfassende Bewertung der Motorleistung bei SD verschiedener H2O2/Diesel-Kraftstoffmischungen untersucht. Die SD-Analyse wurde unter Verwendung eines AVL-Rauchmessgeräts im Testlaufzustand mit variablem Drehmoment (6–12,5 Nm) und anschließenden verschiedenen Motordrehzahlen im Bereich von ~ 1700 bis 3600 U/min durchgeführt. Die SD-Ergebnisse sind in Abb. 4 zu sehen; Der SD-Vergleich von H2O2/Diesel-Mischungen mit RD-Kraftstoff zeigte eine abnehmende Tendenz, wenn die Motordrehzahl von 1700 auf 3600 U/min anstieg.

Vergleich der Abgasrauchdichte verschiedener Mengen von H2O2/Dieselkraftstoff-Mischungen.

Es wurde auch festgestellt, dass die SD einem ähnlichen Trendniveau wie in Abb. 4 folgte und für jede H2O2/Diesel-Mischung abnahm als die RD. Die Dürre von SD führte jedoch zu einem deutlichen Rückgang aller H2O2/Diesel-Kraftstoffgemische, etwa 10–25 %. Die Verringerung des SD-Gehalts wurde wahrscheinlich aufgrund eines übermäßigen Sauerstoffgehalts festgestellt, der auch auf eine bessere Vermischung von Ansaugluft und Kraftstoff und einen Anstieg der Molmassengehalte der OH-Radikale in der Brennkammer zurückgeführt wurde38,51,64. Normalerweise weisen die Bestandteile von Dieselkraftstoff eine intensive Wechselwirkungsfähigkeit mit Sauerstoff auf. Darüber hinaus ist die Stabilität von Diesel/H2O2 höher, die Sekundärverbrennung wird reduziert und die Verbrennungsleistung erhöht.

Darüber hinaus haben unsere früheren Studien gezeigt, dass der in H2O2 und Diesel verwendete Emulgator den Phasenunterschied zwischen Diesel und H2O2 verhindert, wie in Abb. 444 dargestellt. Daher reduziert H2O2 wahrscheinlich ausnahmslos die Ruß- und Feinstaubemissionen in Diesel. Es könnte auch die Folge eines schnellen Aufbrechens des Kraftstoffs aufgrund des deutlichen Anstiegs des Sauerstoffgehalts in der Kraftstoffbrennkammer sein, der wahrscheinlich eher mit der Rauchdichte zusammenhängt. Die höchste SD-Reduktion wurde um 15 Gew.-% erzielt. Der Anteil der H2O2-Dieselmischung beträgt bei Höchstlastbedingungen 26 % (siehe Abb. 5).

Vergleich der prozentualen Reduzierung der Abgasrauchdichte (SD) für verschiedene Mengen an H2O2/Dieselkraftstoffmischungen.

Außerdem zeigt Abb. 5, dass der untere Spitzenwert, der durch die 5 Gew.-% H2O2 in der Dieselkraftstoffmischung bei einer Lastdrehzahl von 2900 U/min erreicht wird, etwa 12 % beträgt. Durch den Zusatz von 10 Gew.-% H2O2 zur Dieselmischung wird die Rauchdichte aufgrund des überschüssigen Sauerstoffgehalts weiter verringert. Somit wurde vermutlich der molare Volumenunterschied zwischen der Agar/Aceton (C14H24O9/C3H6O) und der \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) zugesetzten Dieselmischung offenbart Treibstoff, der die direkte Relevanz von SD und Feinstaub (HxYx + Nox) zueinander aufzeigen könnte. Die Partikelreduzierung ist höchstwahrscheinlich auf eine gute Übereinstimmung in der Kombination von Aceton und H2O2 im Dieselkraftstoff zurückzuführen, das als Oxidationsmittel wirken kann, um die Brennkammer sauber zu halten. Darüber hinaus verringert sich die SD bei den H2O2/Diesel-Mischungen aufgrund der höheren Molmassenanteile an Wasserstoff im Emulgator. Somit kann es auch unter einer bestimmten Verbrennungsumgebung praktisch SD-frei verbrannt werden65. Ashok und Saravan51 berichteten auch über ähnliche Beobachtungen für den \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) hinzugefügten emulgierten Kraftstoff aufgrund des Vorhandenseins von überschüssigem Sauerstoff. Basierend auf der ergänzenden Molmasse von C14H24O9/C3H6O als Emulgatorakkumulation mit H2O2. Hypothetisch spielt der am wenigsten emulgierte Kraftstoff wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der SD.

In dieser Studie wurden die Abgasemissionen mit dem Lancom 4, einem tragbaren Gasanalysator, bei einem Dieselmotor mit voller Drehzahl (2989 U/min) mit und ohne Last bewertet. Dieser Analysator erfüllt die Anforderungen der Referenzmethode US EPA CTM 034 mit einer maximalen Abweichung der Nachweisgrenze innerhalb von 2 ppm für Abgase und unverbrannte Kohlenwasserstoffe von 0,1 ppm66. Die Abbildungen 6, 7, 8 und 9 fassen zusammen, dass die durchschnittliche Abgasemission aus dem Abgasstrom von Dieselgeneratoren gründlich untersucht wurde. Die Ergebnisse fassen die reduzierten durchschnittlichen Abgasemissionskonzentrationen des beladenen und unbelasteten Generators bei maximaler Leistung zusammen (siehe Abb. 3), nachdem 5–15 Gew.-% H2O2 in den gemischten Kraftstoff eingebracht wurden.

Vergleich der kohlenstoffbasierten Emissionen bei unbelastetem (UL) und vollbeladenem (FL) Dieselmotor.

Vergleich der Emissionen von Schwefeldioxid (SO2) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei unbelastetem (UL) und vollbelastetem (FL) Dieselmotor.

Vergleich der stickstoffbasierten Emissionen bei unbelastetem (UL) und belastetem (FL) Dieselmotor.

Vergleich der auf unverbrannten Kohlenwasserstoffen (CxHy) basierenden Emissionen bei unbelastetem (UL) und belastetem (FL) Dieselmotor.

Abbildung 6a und b fassen die Emissionsergebnisse von CO und CO2 aus beladenen bzw. unbeladenen Generatorabgasen zusammen. Die Testergebnisse (siehe Abb. 6a und b) des unbelasteten Motors ergaben CO-Emissionen des Referenzdiesels (RD) von 565 ppm und 706,25 ppm beladen, verglichen mit 437,5 ppm und 525,4 ppm (beladen). Es ist allgemein bekannt, dass Dieselkraftstoff zum Verbrennen mehr Sauerstoff benötigt. Daher erfordert die Verbrennung bei einem vollbeladenen Dieselmotor, dass bei jedem Ansaughub eine größere Menge an angesaugter Luft übertönt wird, unabhängig von der Stellung der Drosselklappe. Die Luft wird dann komprimiert und erhitzt, bevor Dieselkraftstoff in den Zylinder geleitet wird. Wenn Kraftstoff einer größeren Menge heißer Luft ausgesetzt wird, verbrennt er schnell. Dadurch kommt es im belasteten Motor zu einer höheren Konzentration an COx- und NOx-Abgasen im Vergleich zum unbelasteten Motor. Die drei besten Diesel/H2O2-Mischemulsionen wurden bewertet, um den CO-Gehalt zu reduzieren.

Der UL-Generator zeigt, dass die 5 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung eine Reduzierung um 22,5–25 % bedeuten. Die 10 Gew.-% der Dieselmischung reduzierten die CO-Emissionen auf 348,5 ppm, was einer Reduzierung um 38 % entspricht, und die Reduzierung der CO-Emissionen um 34,8 % entspricht den 15 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung. Die 10 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung zeigen die größte Reduzierung der CO-Emissionen des UL-Generators. Theoretisch ist das Luft-Kraftstoff-Gleichheitsverhältnis als die Differenz zwischen dem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem stöchiometrischen Luft-Diesel-Verhältnis in der Kompressionskammer eines Dieselmotors definiert58. Im Gegensatz dazu liefert das instabile Peroxid im Fall von H2O2/Diesel wahrscheinlich einen Teil des Sauerstoffs, der für die frühe Zündung des Diesels erforderlich ist, wodurch der Bedarf an zusätzlicher Luft in der Kompressionskammer verringert wird. Wenn technisch gesehen die erforderliche Sauerstoffmenge vorhanden ist, laufen die UL-Dieselmotoren auf der magereren Seite der Stöchiometrie, die CO-Emissionen sind bei einem zusätzlichen Molvolumen Peroxid in der Kompressionskammer sehr gering.

Der beladene Generator hat jedoch CO-Emissionen von etwa 400,7 ppm, was 13 % höher ist als der unbelastete Generator, aber kleiner als die beladenen und unbeladenen Generatoren mit RD-Brennstoff. Es wird vermutet, dass bei einem vollbeladenen Dieselmotor der Diesel mehr Sauerstoff benötigt und der möglicherweise instabile Sauerstoff in der Dieselemulsion wahrscheinlich nicht für die Zündung ausreicht. Daher saugt die Kompressionskammer mehr Luft an und somit sind die CO-Emissionen höher als beim UL-beladenen Dieselmotor. Dennoch weisen die 15 Gew.-% der Dieselmischungen auch geringere CO-Gehalte im beladenen und unbelasteten Generator auf als der Referenzdiesel, liegen jedoch etwas höher als die 5 bzw. 10 Gew.-% der Dieselmischungszusammensetzung.

Dennoch weisen die belasteten Generatoren in allen Kraftstofftests fast 10–20 % höhere Emissionen auf als der unbelastete Generator. Der belastete Generator erforderte mehr Leistung und mehr Kraftstoff und Luft zur Verbrennung, was zu einem höheren CO-Ausstoß führte. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die höhere Molmasse an Sauerstoff in der Zusammensetzung des Dieselgemischs und der höhere CO-Gehalt in den Referenzdiesemissionen aufgrund des Lufteinlasses bei der Verbrennung im Zylinder gut übereinstimmen. Darüber hinaus ist die Tendenz H2O2 völlig reaktiv und entflammt, sobald es ideale Bedingungen wie die Zündung in einer geschlossenen Kammer hat. Dadurch reagiert es selbstständig und benötigt kein Oxidationsmittel, was dem Diesel zu einem frühen und sauberen Verbrennungsprozess verhilft. Allerdings trägt der höhere Anteil an H2O2 in der Mischung dennoch zur Reduzierung des CO-Gehalts bei. Gribi et al.67 fanden außerdem heraus, dass H2O2 individuelle Verbrennungseigenschaften aufweist. Sie haben berichtet, dass H2O2 als Brennstoff oder Oxidationsmittel bei der Reaktion mit anderen Brennstoffen, insbesondere in Brennkammern, verwendet werden kann. Daher geht es von der dualen Natur von H2O2 aus und untersucht seine potenziellen Vorteile in der sauberen Verbrennungstechnologie.

Abbildung 6c und d zeigen auch den Einfluss von H2O2 auf die Reduzierung von CO2-Anteilen im Abgasstrom des unbelasteten und belasteten Dieselgenerators. Obwohl Referenzdiesel einen sehr geringen CO2-Ausstoß aufwies (1,2 %), erhöhte die Kraftstoffmischung mit 5 % \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) den CO2-Ausstoß leicht auf 1,75 %. Ähnliche Ergebnisse werden auch bei beladenen Generatoren beobachtet, und die CO2-Emission weist einen höheren Gehalt auf, ist jedoch niedriger als die RD-Diesel-Emission, sowohl bei beladenem als auch bei unbelastetem Generator. Allerdings liegen die Werte der CO2-Emissionen bei höheren Prozentsätzen eher bei RD (1,2 %), und die Auswirkung auf die CO2-Emissionen ist nicht deutlich erkennbar. Al-lwayzy et al.69 und Scragg et al.70 beobachteten einen leichten Rückgang des CO2-Anteils im Abgas, der durch Mikroalgen enthaltenden Emulsionskraftstoff im Vergleich zu Kraftstoff aus Biodiesel entsteht. Laut Koc und Abdullah71 könnten höhere Sauerstoffatomgehalte im Kraftstoffgemisch aufgrund höherer Wasserkonzentrationen erklären, warum emulgierter Dieselkraftstoff höhere CO2-Werte aufweist. Die Begründung von Koc und Abdullah71 könnte im Fall von 5 % H2O2 in den Dieselkraftstoffmischungen eine gute Übereinstimmung sein, aber die Erhöhungslücke ist bei den CO2-Emissionen von RD-Diesel nicht groß. Dennoch sind weitere Experimente erforderlich, um die Auswirkungen einer 5 %igen H2O2/Diesel-Mischung auf die CO2-Emissionen zu erklären.

Darüber hinaus ergaben die 10 Gew.-% H2O2 in der Kraftstoffmischung, dass die CO2-Emissionen im unbelasteten Generator insgesamt 0,95 Prozent und im belasteten Generator 1,09 Prozent betrugen, was einer Gesamtreduzierung von 19 bis 21 Prozent gegenüber RD entspricht. Ashok und Saravanan51 beobachteten ähnliche Ergebnisse mit Diesel/H2O2 und David und Reader56 (CH4/H2O2) in ihren Studien mit H2O2-Mischkraftstoffen, die eine Reduzierung von etwa 16,5 % zeigten. Allerdings reduzierte die Dieselmischung mit 15 Gew.-% H2O2 den Abgasanteil von Kohlendioxid im beladenen und unbelasteten Generator leicht.

Die Ergebnisse eines tragbaren Gasanalysators bei einem unbelasteten Dieselmotor mit voller Drehzahl (2989 U/min) und einem Lastgenerator zeigten den Einfluss von \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2} \) auf den Schwefeldioxidausstoß (SO2) der Kraftstoffmischungen. Abbildung 7 zeigt den Vergleich der SO2-Emissionen. Der RD-Kraftstoff weist höhere SO2-Emissionen von 16 ppm und 20 ppm im unbelasteten und belasteten Generator auf als alle H2O2/Diesel-Mischungen.

Die H2O2/Diesel-Mischung wirkte sich auch positiv auf die Konzentrationen des SO2-Abgasstroms aus, gemessen in einem unbelasteten und beladenen Dieselgenerator. Die verringerten SO2-Konzentrationen im Abgas sind auf die erhebliche oxidierende Eigenschaft von H2O2 im Kraftstoffgemisch zurückzuführen. Die 5 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung zeigen eine deutliche Reduzierung des SO2-Gehalts auf 11 ppm im unbeladenen und 13,2 ppm im beladenen Generatorabgas, fast 31,5 % bzw. 34 % weniger als bei RD-Diesel. Ebenso lagen die SO2-Emissionen aus 10 Gew.-% H2O2 bei 13,4 ppm, und 14,35 ppm zeigten 15 Gew.-% H2O2 im gemischten Kraftstoff. Die 15 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung reduzierten die SO2-Emissionen leicht (14,35 ppm).

Dennoch weist der unbelastete und belastete Generator deutlich geringere SO2-Emissionen auf als RD-Dieselkraftstoff. Diese Verringerungen wurden aufgrund des insgesamt geringeren Schwefelgehalts von Dieselkraftstoff und des fehlenden Schwefelgehalts in H2O2 beobachtet. Ashok & Saravanan51 und David & Reader56 beobachteten ähnliche Ergebnisse in ihren Studien mit H2O2-Brennstoffen.

Der tragbare Gasanalysator Lancom 4 hat auch die Ergebnisse von Lachgas (NOx), Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) der Abgasemissionen von Referenzdiesel und H2O2/Diesel-Kraftstoffmischungen computerisiert, und Abb. 8 fasst die Ergebnisse zusammen des Vergleichs.

Der Hauptmechanismus, der die Reduzierung der Abgasemissionen verursacht, besteht in der Abnahme der Temperatur der Verbrennungsprodukte infolge der Verdampfung des flüssigen Wassers und der anschließenden Verdünnung der Gasphasenspezies. Die NOx-Ergebnisse ergaben positive Auswirkungen auf die Konzentrationen von NO2 und Lachgas (NO) in den Dieselabgasströmen, sowohl bei unbelasteten als auch bei belasteten Generatoren. Abbildung 8 zeigt einen Gesamtreduktionsvergleich der Stickstoffdioxid- und Lachgasemissionen aufgrund der festen Oxidationskapazität von H2O2 bei der Zersetzung in der Brennkammer zu Sauerstoff und Wasser.

Das bei dieser Reaktion entstehende Wasser absorbierte Wärme, was wiederum die Temperatur in der Brennkammer leicht senkte. Diese Temperaturabsenkung begrenzte die Produktion von NO2 und NO. Obwohl Referenzdiesel sehr niedrige NOx-Emissionen (12 ppm) aufweist, verringerten die 5 und 10 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung deren Bildung auf 9 bzw. 5,8 ppm. Die durch die Kombination aus höherer Cetanzahl und Wassergehalt verursachte Verringerung der NOx-Bildung senkt die Temperatur des Dieselmotors13,43,51. Ähnliche Ergebnisse werden auch bei den Emissionen belasteter Generatoren beobachtet. Die erhebliche Reduzierung der stickstoffbasierten Emissionen von Kraftstoffgemischen bei unbelasteten oder belasteten Generatoren könnte eine Möglichkeit für die schnelle Verdampfung und Dissoziation von H2O2 in Hydroxylradikale sein. Darüber hinaus kann es auch so interpretiert werden, dass das H2O2 im Brennraum stark instabil und hochaktiv geworden ist und infolgedessen das NO und NO2 im Abgas oxidiert. Kasper et al.68 untersuchten auch die Bedeutung von H2O2 für den Abbau und die Reduzierung stickstoffbasierter Emissionen; Sie haben experimentell gezeigt, dass NOx in der Gasphase durch OH-Radikale, die bei der thermischen Zersetzung von H2O2 entstehen, zu NO und NO2 oxidiert werden kann. Ähnliche Ergebnisse wurden auch von Saravanan et al.72 beobachtet. und Ashok & Saravanan51 fanden in ihren Studien zu H2O2-Diesel-Mischungen eine Gesamtreduzierung von etwa 18,5 %.

Abbildung 8 zeigt auch die Ergebnisse von Nox, und es wurde festgestellt, dass die 5 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung höhere NOx-Gehalte in den UL- und FL-Generatoremissionen aufweisen. Es wurde festgestellt, dass eine Dieselmischung mit 5 % H2O2 keinen großen Unterschied bei der Reduzierung von NOx und CO2 macht. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass der Diesel nicht so viel H2O2 enthält, aber er erzeugt weniger Wärme (siehe Abb. 10) als RD-Diesel, unabhängig davon, ob der UL- oder FL-Generator verwendet wird. Obwohl die Temperaturreduzierung im Fall von Kraftstoffabgasen mit 5 % H2O2/Dieselmischung 2–20 % beträgt, reicht diese Lücke wahrscheinlich nicht aus, um die Reduzierung von NOx und CO2 zu überwinden. Andererseits zeigen höhere Konzentrationen (10–15 %) von H2O2 in der Dieselmischung eine deutliche Verringerung der NOx-Emissionen in den UL- und FL-Generatoremissionen. Es scheint, dass ein höherer Wassergehalt in der Dieselmischung die Temperatur der Brennkammer senkt, was zu einer niedrigeren NOx-Konzentration führt.

Vergleich der Abgastemperatur und der überschüssigen Luftansaugung bei unbelastetem (UL) und belastetem (FL) Dieselmotor.

Typischerweise sind die Verbrennungstemperatur, die Sauerstoffkonzentration und die Verweilzeit des Verbrennungsprodukts in der Verbrennungszone oft die vorherrschenden Variablen, die die erzeugte NOx-Menge bestimmen. Die durch das hohe Verdichtungsverhältnis verursachte hohe Temperatur im Zylinder fördert die NOx-Emission und die RD-Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen74. Die lokale adiabatische Flammentemperatur wird durch die Verdampfungswärme und die fühlbare Erwärmung des Wassers reduziert, was auch die NOx-Erzeugung reduziert. Je höher also die H2O2-Konzentration im Dieselgemisch ist, desto größer ist die NOx-Reduzierung75. Scrage70 und Koc71 berichteten über ähnliche Ergebnisse, die den Wasser- und Sauerstoffgehalt erhöhten und gleichzeitig NOx und CO2 verringerten, die CO2-Reduktion ist jedoch noch nicht signifikant. Vielleicht könnte es im Falle einer Änderung des Motors überwunden werden.

Kohlenwasserstoffemissionen aus Dieselmotorabgasen sind ebenfalls wesentliche Schadstoffe. Die \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/Diesel-Mischungen zeigten auch konstruktive Auswirkungen auf den Gesamtkohlenwasserstoffgehalt des Abgasstroms des Dieselgenerators. Abbildung 9 zeigt Vergleiche der Gesamtreduzierung der Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe (CxHy) aufgrund der erheblichen Oxidationseigenschaft von H2O2.

Der RD-Kraftstoff weist im unbeladenen und belasteten Generatorabgas einen höheren CxHy-Gehalt an Emissionen auf. Die Dieselkraftstoffmischung enthält 5 Gew.-% H2O2/Diesel-Mischung und zeigte keinen CxHy-Gehalt im unbeladenen und belasteten Generatorabgas. Die 10 Gew.-% H2O2 in der Dieselmischung erhöhten jedoch leicht die Produktion unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Die 15 % H2O2 in der Mischung sind niedriger als bei RD-Diesel und der 10 Gew. % H2O2/Diesel-Mischung. Der geringere Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe ist höchstwahrscheinlich auf die Bildung von Acetonperoxid vor dem Mischen der Lösung mit dem Diesel zurückzuführen. Dieses wirkt höchstwahrscheinlich als starkes Oxidationsmittel in der Brennkammer und wirkt nach der Zündung des Diesels zusammen mit den Wasserdämpfen als Reinigungswerkzeug, um die Reduzierung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch die höhere H2O2-Konzentration in der Dieselmischung zu überwinden.

Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass sich mit steigender H2O2-Konzentration in den Mischungen der instabile Sauerstoffgehalt aufgrund der peroxidierenden Natur von H2O2 verbesserte, obwohl Viskosität, Dichte und hoher Heizwert leicht abnahmen47,73. Im Allgemeinen führen eine höhere Dichte und eine niedrigere Viskosität zu einem höheren Durchfluss; Somit deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die niedrigere Viskosität von Diesel-/H2O2-Kraftstoffgemischen die Kraftstoffeinspritzung mit einem frühen Zündzeitpunkt senken könnte47,73, was zu einer guten Übereinstimmung bei der Reduzierung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und NOx führen könnte. Darüber hinaus führte das höhere Molverhältnis der Peroxidgruppe zu einem Rückgang der Viskosität jeder stabilen Mischung im Vergleich zu RD und zu einer geringeren H2O2-Konzentration in Kraftstoffmischungen. Es deutete auch darauf hin, dass der 70-prozentige Wassergehalt von H2O2 Wassertröpfchen im Inneren des Diesels bildete und diese Tröpfchen sich aufgrund des Polysaccharidpolymers in der H2O2/Diesel-Mischung gut vermischten.

Dennoch lagen die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe deutlich unter denen von reinem Dieselkraftstoff. Im Hinblick auf die Feinstaubemissionen (PM) scheint die Anwesenheit von Wasser während der intensiven Bildung von Rußpartikeln den Ausbrand erheblich zu reduzieren und zu verstärken, indem die Konzentration von Oxidationsspezies wie OH73 erhöht wird.

Abbildung 10 vergleicht die Abgastemperatur des unbelasteten und des belasteten Generators bei maximaler Leistungsabgabe. Die Abgastemperatur von RD-Kraftstoff weist eine höhere Temperatur auf als alle H2O2/Diesel-Mischkraftstoffe, unabhängig davon, ob der Generator unbelastet oder mit maximaler Leistung belastet ist. Die höhere Abgastemperatur von RD-Kraftstoff wurde aufgrund der höheren Verdampfungswärme und des verzögerten Verbrennungsprozesses von magerem Diesel festgestellt. Allerdings weisen alle H2O2/Diesel-Mischungen eine um fast 20–41 % niedrigere Abgastemperatur des belasteten Generators auf.

Aufgrund der höheren Cetanzahl H2O2 hat es eine geringere latente Verdampfungswärme als Diesel. Die Zündverzögerung für H2O2/Dieselkraftstoff verringert sich, was zu einer niedrigen Abgastemperatur führt13,44,72. Darüber hinaus nimmt das Kühlmittel während des normalen Motorbetriebs den Großteil der Wärme auf. Das H2O2 enthält auch Wasserpartikel, die mit dem Kühlmittel interagieren und mehr Wärme absorbieren, wodurch die Abgasemissionstemperaturen gesenkt oder kontrolliert werden51. Die Spitzentemperatur des Motors steigert ständig die NOx-Erzeugung. Durch die Einbeziehung von H2O2 in die Dieselmischung wird die Cetanzahl erhöht, was zu einer Verringerung der Zündlatenz führt. Diese verkürzte Zündverzögerung verringert die vor der Verbrennung angesammelte Kraftstoffmenge und senkt die anfänglichen Verbrennungsraten, wodurch die Spitzentemperatur und damit die NOx-Erzeugung gesenkt werden. Die Reduzierung von NOx, COx und CxHy in der Abgasemission ist eine wichtige Vereinbarung zur Rechtfertigung der Temperatursenkung60,73. Abbildung 10 vergleicht auch die Lufteinlassmengen während des Verbrennungsprozesses. Im Vergleich zu RD-Diesel weist das H2O2/Diesel-Kraftstoffgemisch eine geringere Luftaufnahme im Verbrennungsprozess auf, was wahrscheinlich auf die Verfügbarkeit des erforderlichen Sauerstoffs in der Brennkammer zurückzuführen ist.

PETRONAS Sdn Bhd lieferte Referenzdieselkraftstoff. Handelsübliches H2O2 (30 %) wurde von der Chemical Company of Malaysia Berhad (CCM) bezogen. Die Emulgatorzwischenprodukte, wie Aceton (C3H6O) mit 99 % Reinheit und Polysaccharidpolymer (Agarose: C14H24O9), wurden von Merck bezogen.

Der Emulgator wurde vor dem Mischen von Referenzdiesel (RD) und der Dieselkraftstoffmischung \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) hergestellt. In einer versiegelten 500-ml-Schott-Flasche wurde eine Polysaccharid-Polymer- (PSP) und Aceton-Reaktion im Verhältnis 1:4 w/v durchgeführt. Ein beheizter Magnetrührer vermischte die Lösung 12 Stunden lang bei 50 °C. Die Diesel/H2O2-Kraftstoffmischungen wurden mit einem maßgeschneiderten Lösungsmittelkondensationsgerät hergestellt, das an anderer Stelle beschrieben wird13,44,47. Bei der Herstellung von Diesel/H2O2-Kraftstoffmischungen wurde die Menge des PSP-Emulgators bei 5 Vol.-% gehalten und die Volumenverhältnisse von H2O2 zu RD variierten im Bereich von 5–15 Gew.-%. Das Mischen des PSP-Emulgators und H2O2 dauerte 30 Minuten, um eine stabile homogenisierte Lösung zu bilden. Abschließend wurden 91 % der RD in das Mischgefäß gegeben und während des Mischvorgangs bis zu 70 Minuten aufbewahrt. Eine gut stabilisierte Emulsion wird gebildet, indem die hydrophobe, hydrophile und lipophile Natur des PSP-Emulgators und die durch den Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsrührer im Behälter erzeugten Sharing-Effekte mit der emulgierten Kraftstoffmischung genutzt werden. Alle Kraftstoffmischungsformulierungen wurden bei einer konstanten Geschwindigkeit von 100 U/min unter variablen Belastungsbedingungen durchgeführt und die Temperatur der Kraftstoffmischungszubereitung wurde auf der Umgebungstemperatur von 25 ± 1 °C gehalten.

Gegenstand der aktuellen Untersuchung war ein Yanmar L48 N Einzylinder-Viertakt-Direkteinspritzungsdieselmotor mit einer Leistung von 3,6 kW (4,7 PS) und einem variablen Tachoregler53, der typischerweise für die Stromerzeugung in der Landwirtschaft und in Privathaushalten eingesetzt wird. Die detaillierten Spezifikationen des Dieselgenerators sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Der Einzylindermotor wurde ausgewählt, weil er kompakt und einfach zu warten war. Das System eignet sich besser für heiße und trockene Bedingungen, da es luftgekühlt ist und daher kein Kühler, kein Gewässer oder keine Pumpe erforderlich ist. Der Testmotor (ein Dieselgenerator) ist in Abb. 11 dargestellt und wurde mit vier Philips 32150-5 1000 W-Hochleistungsentladungslampen modifiziert, um den Motorlasttest zu untersuchen. Die Belastung des Generators wurde mit einem digitalen Generatorstrom-Spannungs-Energiemessgerät (QV05 MK 11-380; S/N 36220526) gemessen. Jede Messung wird durchgeführt und manuell aufgezeichnet. Lassen Sie den Motor etwa 10 Minuten lang mit Referenzdiesel laufen, bevor Sie ihn starten. Der Kraftstoffdurchfluss wurde mit einer kalibrierten Bürette und einer digitalen Stoppuhr berechnet. Abbildung 11 zeigt das schematische Diagramm des Versuchsaufbaus zusammen mit der gesamten Instrumentierung. Vor jedem Experiment wurde der Emissionsanalysator auf Null gestellt und für einen herkömmlichen Dieselmotor kalibriert.

Versuchsaufbau mit direkteinspritzendem Dieselgenerator von Yanmar.

Wie bereits erwähnt, sind Abgasemissionen eines der größten Probleme im Zusammenhang mit Dieselkraftstoff und tragen wohlüberlegt zur Umweltverschmutzung bei. Die Hauptbestandteile fast aller Gasverbrennungsprodukte sind N2, CO2, CO und Wasserdampf. Sie sind weder giftig noch toxisch, obwohl Kohlendioxid allgemein als kritisches Treibhausgas gilt, das zur globalen Erwärmung beiträgt. Ein vergleichsweise kleiner Teil der Gasverbrennungsprodukte besteht aus unerwünschten toxischen oder tödlichen Substanzen wie CO, das durch unvollständige Verbrennung entsteht, Kohlenwasserstoffen (angemessen als \({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{ \mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\) aus unverbranntem Kraftstoff und NOx, das bei erhöhten Verbrennungstemperaturen entsteht. Zur Schätzung der Rauchkapazität wird ein AVL-Rauchmessgerät verwendet. Die Messung der Dieselabgasemissionen in dieser Studie erfolgte durchgeführt mit dem tragbaren Gasanalysator Lancom 4 für Verbrennungs- und Kaminemissionen. Der Lancom 4-Analysator erfüllt die Standards der US-amerikanischen EPA CTM 034-Referenzmethode mit einer maximalen Abweichung der Nachweisgrenze von 2 ppm für Abgase und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ab 0,1 ppm. Die Sonde Der Analysator wurde in den Abgasstromauslass des Dieselgenerators eingesetzt, um die Mengen der Schadstoffe wie kohlenstoffbasierte Emissionen (CO vom hohen Bereich bis zum kompensierten Bereich und \({\mathrm{CO}}_{2}\) zu bestimmen. ), stickstoffbasierte Emissionen (NO, \({\mathrm{NO}}_{2}\), NOx – berechnet, wenn \({\mathrm{NO}}_{2}\) der Sensor nicht eingebaut war) , \({\mathrm{SO}}_{2}\), \({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}\), Kohlenwasserstoffe (\({\mathrm{C}}_ {\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\)).

In dieser experimentellen Studie wurden spezifische Auswirkungen der Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2) zu Dieselkraftstoff systematisch für verschiedene Zusammensetzungen von Kraftstoffmischungen beobachtet, um eine optimale Mischung zu finden, die die Leistung der Dieselabgasemissionen am besten steigert. Aufgrund der umweltfreundlichen Natur von H2O2 wurden in dieser Studie verbesserte Umgebungseffekte auf die Emissionen von unbelasteten und belasteten Dieselgeneratoren zuverlässig ermittelt und nachgewiesen. Durch die leichte Erhöhung des H2O2-Gehalts der Kraftstoffmischung wurden geringere Emissionen von CO, SO2 und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie NOx erreicht. Die Studie zeigte auch, dass die Zugabe von 5 Gew.-% H2O2 zwar die CO2-Konzentration leicht erhöhte, die CO-Menge jedoch bei Volllastbedingungen auf etwa 25,6 % reduziert wurde. Die Anzahl unverbrannter Kohlenwasserstoffe (CxHy) aus der verstärkten Verbrennung verringerte sich aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehalts während des Verbrennungsprozesses. Insgesamt wurden die überlegenen Umwelteigenschaften der H2O2/Diesel-Kraftstoffmischung möglicherweise aufgrund des höheren Cetanzahlpotenzials von H2O2, des Wassergehalts und des ausreichenden Sauerstoffs beobachtet, die eine vollständige Verbrennung mit einem leicht reduzierten Temperaturprofil ermöglichen. Dies führt zu einer vollständigen Verbrennung mit reduzierter Bildung saurer Gase (Cox, SOx und NOx). Somit zeigte diese experimentelle Studie, dass 5 und 10 Gew.-% H2O2 in Dieselkraftstoffmischungen nach physikalisch-chemischer, thermischer und Abgasemissionscharakterisierung am besten vorgeschlagen werden können. Daher wird sich diese Studie darum bemühen, zur laufenden Forschung nach umweltfreundlicherem Dieselkraftstoff beizutragen und die schädlichen Treibhausauswirkungen von herkömmlichem Dieselkraftstoff einzudämmen, was zur Reduzierung der CO2- und Treibhausgasemissionsziele beitragen kann.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren bedanken sich für das Publikationsstipendium # IFPHI-129-123-2020 der King Abdulaziz University zur Unterstützung dieser Forschungsarbeit. Außerdem danken die Autoren für die Nutzung der technischen und Laboreinrichtungen der Abteilung für Chemieingenieurwesen, insbesondere des CO2-Forschungszentrums (CO2RES) an der Universiti Teknologi PETRONAS.

Kompetenzzentrum für Entsalzungstechnologie, King Abdulaziz University, PO Box 80200, Jeddah, 21589, Saudi-Arabien

Iqbal Ahmed Moujdin, Hani Abdulelah Abulkhair, Amer Ahmed Shaiban, Hussam Adnan Organji und Abdulmohsen Omar Alsaiari

Fakultät für Maschinenbau, King Abdulaziz University, Postfach 80200, Jeddah, Saudi-Arabien

Iqbal Ahmed Moujdin, Hani Abdulelah Abulkhair und Abdulmohsen Omar Alsaiari

CO2-Forschungszentrum, Universitätstechnologie PETRONAS, Seri Iskandar, Malaysia

Muhammad Saad Khan

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IAM: Schreiben – Überprüfen, Bearbeiten, Fördern. MSK: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, Datenkuration, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung. HAA: Methodik, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Finanzierung. AAS: Methodik, Schreiben – Finanzierung. HAO: Methodik, Begutachtung und Bearbeitung, Finanzierung. AOA: Überprüfung und Bearbeitung, Finanzierung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript überprüft und sich darauf geeinigt.

Korrespondenz mit Iqbal Ahmed Moujdin oder Muhammad Saad Khan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Moujdin, IA, Khan, MS, Abulkhair, HA et al. Einfluss von hydriertem Diesel/H2O2-Kraftstoffgemisch auf die Leistung von Dieselmotoren und die Charakterisierung der Abgasemissionen. Sci Rep 13, 836 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27569-5

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Eingegangen: 26. Juni 2022

Angenommen: 04. Januar 2023

Veröffentlicht: 16. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27569-5

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