Motorleistung und Emissionsbewertung von Tensiden

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10599 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Malaysia ist einer der Top-Exporteure von Palmöl, und obwohl es derzeit in einigen Teilen der Welt auf heftigen Widerstand gegen Palmölimporte stößt, besteht eine Möglichkeit zur Nutzung dieses Rohstoffs in der Erhöhung des Palm-Biodieselgehalts im lokalen kommerziellen Diesel. Aufgrund der sauerstoffreichen Natur von Biodiesel ist seine Verwendung jedoch im Vergleich zu herkömmlichem Diesel mit einem erhöhten Ausstoß von Stickoxiden (NOx) verbunden. Um dieses Problem zu mildern und die Leistung und Emissionen von Dieselmotoren mithilfe von Biodiesel-Diesel-Mischungen zu verbessern, wurde in dieser Studie versucht, die Implementierung eines Echtzeit-Kraftstoffversorgungssystems ohne Tensidemulsion (RTES) zu untersuchen, das eine Wasser-in-Diesel-Emulsion als Kraftstoff ohne Tenside erzeugt . Die NOx-Reduktionsfähigkeit des von RTES hergestellten Wasser-in-Diesels ist gut dokumentiert. Daher wurde in dieser Studie 30 % Biodiesel-Diesel (B30) als Basiskraftstoff verwendet, während von B30 abgeleitete Emulsionen mit 10 Gew.-%, 15 Gew.-% und 20 Gew.-% Wassergehalt in einen 100-kVA-5,9-l-Motor eingespeist wurden Elektrischer Generator mit Common-Rail-Turbodieselmotor. Der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen wurden gemessen und mit kommerziell erhältlichem malaysischem minderwertigem Dieselkraftstoff (D2M) verglichen. Es gibt Hinweise darauf, dass der von RTES hergestellte emulgierte B30-Biodiesel den thermischen Wirkungsgrad der Bremse (BTE) um maximal 36 % steigern und den spezifischen Kraftstoffverbrauch der Bremse (BSFC) um bis zu 8,70 % senken konnte. Darüber hinaus erzeugten B30-Biodiesel-Diesel-Emulsionen bei hoher Motorlast deutlich weniger NOx, Kohlenmonoxid und Rauch. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass B30-Biodiesel-Diesel-Emulsionen problemlos in aktuellen Dieselmotoren eingesetzt werden können, ohne Kompromisse bei Leistung und Emissionen einzugehen.

Malaysia ist einer der führenden Exporteure von Palmöl und kann seinen eigenen Palmöl-Biodiesel produzieren. Da die Europäische Union (EU) jedoch immer feindseliger gegenüber Palmölimporten wird1,2, muss Malaysia Wege finden, diesen Rohstoff auf dem heimischen Markt vollständig zu nutzen. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten zur Steigerung der Palmölnutzung ist die Erhöhung des Biodieselgehalts auf Palmölbasis im heimischen Diesel. Seit 2010 hat Malaysia den Anteil des Biodiesels im inländischen Dieselkraftstoff von 5 auf 10 Vol.-% erhöht. Im 12. Malaysia-Plan (RMK-12) wurde das Ziel festgelegt, bis zum Jahr 2025 einen Anteil von 30 Vol.-% Biodiesel-Diesel-Mischung (B30) im inländischen Dieselkraftstoff vorzuschreiben3. Ab sofort besteht kommerziell erhältlicher Diesel, der landesweit an Tankstellen verkauft wird, aus einem dieser beiden Stoffe 7 Vol.-% (B7) oder 10 Vol.-% (B10) Biodiesel–Diesel. Dennoch wecken solche Bemühungen bei Motorenherstellern sowie Nutzfahrzeug- und Privatfahrzeugbesitzern Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen dieser Umsetzung auf Kraftstoffkosten und Effizienz sowie Motorleistung und Haltbarkeit.

Die Produktionskosten für Biodiesel sind im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff auf Erdölbasis höher4, daher wird ein Anstieg des Biodieselgehalts in Biodiesel-Dieselkraftstoff-Mischungen zu steigenden Kraftstoffproduktionskosten führen. In Malaysia führt die Regierung seit Jahrzehnten ein groß angelegtes Subventionsprogramm für die Kraftstoffpreise5 durch, das möglicherweise den Preisanstieg aufgrund zunehmender Biodiesel-Diesel-Kraftstoffmischungen auffangen und so den Marktpreis für gewerblichen Diesel stabilisieren kann. Wenn jedoch der Biodieselgehalt im Biodiesel-Dieselkraftstoff zunimmt, sinkt der Gesamtheizwert pro Volumen, da Biodiesel einen niedrigeren Heizwert (CV) als Diesel auf Erdölbasis haben. Dies führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, da mehr Kraftstoff verbraucht werden muss, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen wie herkömmlicher Diesel auf Erdölbasis. Darüber hinaus könnte auch der Kraftstoffverbrauch steigen, da Biodiesel eine höhere Viskosität aufweist, was zu einem schlechten Kraftstoffpump- und Sprühverhalten führen könnte6.

Biodiesel weist im Allgemeinen eine höhere kinematische Viskosität und Dichte auf als herkömmlicher Diesel7. Diese Faktoren beeinflussen die Zerstäubung und Mitnahme von Kraftstofftröpfchen beim Einspritzen in die Brennkammer. Bei einem modernen Dieselmotor, der mit einem Common-Rail-Einspritzsystem ausgestattet ist, wird jedoch argumentiert, dass die Auswirkungen der oben genannten Eigenschaften eher unbedeutend waren. Dies liegt daran, dass die Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung durch das Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eine verbesserte Zerstäubung und Verdampfung der Kraftstofftröpfchen ermöglicht und so den Verbrennungsprozess verbessert8. Dennoch emittiert Biodiesel höhere Stickoxide (NOx), wenn man längere Zündverzögerungen berücksichtigt, die durch höhere Verbrennungsspitzentemperaturen infolge des höheren Sauerstoffgehalts im Biodiesel verursacht werden9. Darüber hinaus ist der Kraftstoffverbrauch aufgrund des niedrigeren CV von Biodiesel im Vergleich zu herkömmlichem Diesel erheblich höher. Mehrere Untersuchungen haben einen höheren Kraftstoffverbrauch bei der Verwendung verschiedener Biodieselmischungen in Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzung dokumentiert10,11,12.

Um die NOx-Emissionen zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch von Biodiesel und Biodiesel-Diesel-Mischungen zu verbessern, müssen die Temperaturen im Zylinder gesenkt und die Verbrennungseffizienz verbessert werden. Eine Strategie, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Wasser-in-Diesel (W/D)-Emulsionskraftstoff. Die Auswirkungen von W/D werden seit vielen Jahren untersucht und haben vielversprechende Verbesserungen in Bezug auf Motorleistung und Abgasemissionen gezeigt13,14,15,16. Dies ist auf die Mikroexplosion mikrokleiner Wassertröpfchen zurückzuführen, die im Dieselöl dispergiert sind. Bei der Verbrennung kommt es zu einer Mikroexplosion, wenn in W/D-Emulsionen suspendierte Wassertröpfchen aufgrund ihres niedrigeren Siedepunkts explodieren. Dies führt zu einer sekundären Zerstäubung des primären Kraftstoffstrahls, wodurch die Verteilung der Kraftstofftröpfchen verringert wird, was zu einer verbesserten Verbrennung führt17,18. Es wurde berichtet, dass bei einem Anstieg des Wassergehalts in der W/D-Emulsion auf maximal 20 % der thermische Wirkungsgrad der Bremse (BTE) zunimmt, während sich die Gastemperatur (EGT) umgekehrt verhält, was auf niedrigere Spitzentemperaturen aufgrund der Ladungskühlung durch Wasserverdampfung hinweist15. In einer anderen Studie wurde die Rußemission durch die Verwendung von W/D-Mikroemulsionen mit 3,5 Vol.-% Wasser deutlich um 50 % gesenkt19. In Bezug auf Biodiesel-Diesel-W/D-Emulsionen wurde dokumentiert, dass W/D Abgase wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC) und Rußtrübung reduzieren kann, während die Kohlendioxidemissionen (CO2) zunahmen20. Die Autoren schlussfolgerten, dass die beobachteten CO2-Anstiege mit einer vollständigeren Verbrennung zusammenhängen und dass bei der Wasserverdampfung vorhandene Hydroxidradikale (OH) die Bildung von CO2 aus CO unterstützen.

Da Wasser und Öl jedoch nicht auf natürliche Weise gemischt werden können, erfordert die Synthese von W/D-Emulsionen die Verwendung eines chemischen Zusatzstoffs, der als Tensid oder Emulgator bekannt ist, um die Wasserpartikel im Dieselöl über einen längeren Zeitraum zu suspendieren. Trotz ihrer Vorteile ist bekannt, dass Tenside, die in W/D-Emulsionen verwendet werden, Kraftstofffilter verstopfen, indem sie Ablagerungen in den Kraftstoffleitungen und Kraftstofftanks verdrängen21. Ein weiterer Nachteil von Tensiden besteht darin, dass die Produktion von W/D-Emulsionskraftstoffen aufgrund ihrer teuren Natur kein brauchbarer Ersatz für Diesel auf Erdölbasis wäre, was die Kommerzialisierung erschwert22.

Um die Abhängigkeit von Tensiden zur Herstellung von W/D-Emulsionskraftstoff zu beseitigen, entwickelten Ithnin et al.23 ein Gerät, das in der Lage ist, W/D-Emulsionskraftstoff ohne Zugabe von Tensid herzustellen, indem es ein Echtzeit-Emulgiergerät einbaut, das Diesel und Wasser im Kraftstoff mischt leitungsgebunden und bedarfsgesteuert an den Motor weitergeleitet. Zur Herstellung der W/D-Emulsion wird ein Mischer mit hoher Scherwirkung in Kombination mit einem Ultraschallrührer eingesetzt. Dieses Gerät erhielt den Namen „Real-Time Non-Tensid Emulsion Fuel Supply System“; oder kurz RTES. Es wurde zunächst an einem 5-kW-Einzylinder-Dieselmotor mit mechanischer Kraftstoffeinspritzung getestet, der 6,5 Gew.-% W/D-Emulsionskraftstoff produziert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der BTE des Motors um 3,59 % verbesserte, während der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) um 3,89 % gesenkt wurde. Auch die Abgasemissionen zeigten positive Verbesserungen: Die NOx- und Partikelemissionen (PM) sanken im Vergleich zu herkömmlichem Diesel um 31,7 % bzw. 16,3 %.

Zukünftig wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen der RTES-Implementierung auf Dieselmotoren zu untersuchen. Im Allgemeinen war die RTES-Implementierung wirksam bei der Verringerung der NOx- und Rauchemissionen bei gleichzeitiger Erhöhung des BTE sowie einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Eine Zusammenfassung früherer Untersuchungen zu den Auswirkungen von W/D, die von RTES auf verschiedene Motoranwendungen erzeugt werden, ist in Tabelle 1 erläutert.

Eines der Schlüsselelemente des ursprünglichen RTES-Designs war jedoch die Rolle des Ultraschallrührers als eine der Mischmethoden, die aufgrund ihres hohen Leistungsbedarfs die Gesamtenergieeffizienz verringerte. Um eine reibungslose und stabile Versorgung des Motors mit W/D-Emulsion zu gewährleisten, benötigt das Ultraschallrührwerk 120 W elektrische Energie23. Darüber hinaus berichtete eine Studie zur Bestimmung der RTES-Haltbarkeit bei längerer Nutzung über einen Ausfall des Ultraschallrührwerks nach 26 Stunden und 24 Stunden.

Als Reaktion darauf wurden weitere Designverbesserungen durchgeführt. RTES Technology (M) Sdn. Bhd., das die Verwendung eines Ultraschallrührers aus der Mischmethode eliminierte25. Das aktualisierte Design besteht aus statischen Mischern und Druckerhöhungspumpen, um Flüssigkeitsturbulenzen zu erleichtern und das Mischen zu fördern. Dieses Designkonzept wurde von Mahdi et al.26 getestet und es wurde festgestellt, dass die Stabilität innerhalb von 128 s aufrechterhalten wurde, wenn 7–10 Vol.-% des Wassergehalts in der W/D-Emulsion 1 Minute lang bei 3500 U/min gemischt wurden. In derselben Studie zeigten Pilottests an einem Dieselmotor mit mechanischer Einspritzung einen geringeren NOx- und Kraftstoffverbrauch, was darauf hindeutet, dass mit diesem Design hergestellte W/D-Emulsionen ähnliche Eigenschaften wie das ursprüngliche RTES-Design aufweisen.

Diese Studie ist eine Fortsetzung unserer Forschung zu RTES-produzierten W/D-Emulsionen als alternativer Kraftstoff in industriellen dieselelektrischen Generatoren32. In diesem Artikel wurde die Wirkung von B30-Emulsionskraftstoff (B30E), der mit dem aktualisierten RTES-Design hergestellt wurde, bewertet. Der Hauptzweck dieser Studie konzentriert sich auf die Untersuchung der Auswirkungen von B30-Emulsionen mit variablen Wassergehalten auf die Senkung der NOx-Emissionen, die häufig mit Biodiesel-Diesel-Mischungen verbunden sind. Zweitens ist es wichtig, das Leistungs- und Emissionsprofil eines modernen Common-Rail-Systems zu ermitteln, da frühere RTES-Studien ausschließlich mit mechanisch angesaugten Dieselmotoren mit mechanischer Kraftstoffeinspritzung und konventionellem Diesel und/oder Biodiesel-Diesel-Mischungen (B10) durchgeführt wurden Einspritzmotoren mit höheren Biodiesel-Diesel-W/D-Mischungen; in diesem Fall B30, um die Bereitschaft der RTES-Implementierung zu prüfen, sollte die B30-Einführung gemäß RMK-12 bis 2025 landesweit erfolgen.

Der in dieser Studie verwendete Basiskraftstoff ist minderwertiger Dieselkraftstoff (D2M) der Klasse Euro 2M aus Malaysia. Es ist im Inland in Malaysia im Handel erhältlich und enthält standardmäßig 10 Vol.-% Palmöl-Fettsäuremethylester (POME). Da diese Studie darauf abzielt, die Auswirkungen von B30-Biodiesel-Diesel-W/D-Mischungen zu untersuchen, wurden weitere 20 Vol.-% POME zu D2M hinzugefügt, um B30 zu bilden. Die Spezifikationen von D2M und POME sind in Tabelle 2 angegeben. Während der Herstellung wurden 20 Vol.-% POME abgemessen und zu D2M gegeben, bevor es mit einem Hochschermischer bei einer konstanten Geschwindigkeit von 500 U/min in einem geschlossenen Behälter gemischt wurde, um die Homogenität der Mischung sicherzustellen . B30 wurde dann sofort dem Motor zugeführt, wo es laufen gelassen wurde, bis die Kraftstoffleitungen mit B30 gefüllt waren, bevor ein Testlauf durchgeführt wurde.

Zur Herstellung von W/D-Emulsionen von B30 (B30E) wurde häusliches Leitungswasser als dispergierte Phase der Emulsion verwendet. Die Eigenschaften von Leitungswasser werden in Tabelle 3 erläutert. Die in dieser Studie berücksichtigten Wasseranteile betrugen 10 % (B30E10), 15 % (B30E15) und 20 % (B30E20). Ein höherer Wassergehalt war nicht wünschenswert, da ein Wert über 20 % zu übermäßigen Vibrationen und zum Abwürgen des Motors führt. In der Zwischenzeit wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften von B30 nicht getestet, da B30 kontinuierlich gemischt werden muss, um eine Koaleszenz und Trennung zwischen D2M und POME zu verhindern.

W/D-Emulsionen wurden von RTES unter Verwendung des aktualisierten RTES-Designs hergestellt, das von RTES Technology Sdn. entwickelt wurde. Bhd. durch Entfernung des Ultraschallrührwerks. Das aktuelle RTES-Design umfasst eine turbulenzerzeugende Mischleitung und Druckerhöhungspumpen. Abbildung 1 zeigt das aktualisierte RTES-Design. Das detaillierte Design wurde vom Technologieentwickler nicht bekannt gegeben, weitere Informationen zu RTES können jedoch auf seiner Website25 abgerufen werden.

Aktualisiertes RTES-Design.

Abbildung 2 zeigt den Motortestaufbau für diese Studie. Die Tests wurden an einem 5,9-l-6-Zylinder-Saugdieselmotor mit Turbolader und Common-Rail-Einspritzung durchgeführt. Der Motor ist an einen 100 kVA 4-poligen 3-Phasen-Wechselstromgenerator angeschlossen, der auf einer konstanten Drehzahl von 1500 U/min gehalten wird, um 420 V zu erzeugen. Die Spezifikationen des dieselelektrischen Generators sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Tests wurden unter Bedingungen variabler elektrischer Last durchgeführt Die Bandbreite reicht von niedriger Last (5 kW), mittlerer Last (34 kW) bis hin zu hoher Last (64 kW), bereitgestellt durch eine elektrische Lastbank. Der in dieser Studie verwendete dieselelektrische Generator und die Lastbank sind in Abb. 3 dargestellt. Die Lastbank ist vom Widerstandstyp und die Lastüberprüfung wurde intern gemäß Gl. durchgeführt. (1)37 wobei der Leistungsfaktor aufgrund ohmscher Lasten mit 1 angenommen wird. Daher werden die Ergebnisse der Belastungsüberprüfung in Tabelle 5 erläutert.

Schematische Darstellung des Motortestaufbaus mit RTES.

Testen Sie die Engine- und Lastbankkonfiguration.

Wie aus den Herstellerangaben in Tabelle 4 hervorgeht, wurde die Spitzenleistung des dieselelektrischen Generators bei 86 kW erreicht und gilt daher als 100 % Last. In Bezug auf die zuvor in Tabelle 5 erläuterte Belastungsüberprüfung wurde bei 100 % Belastung ein Fehler zwischen 9,08 und 9,92 % festgestellt. Unterdessen wurde bei einer Belastung von 75 % (64 kW) und darunter ein maximaler Fehler von 6,41 % ermittelt. Daher wurden für die Zwecke dieser Studie Tests mit einer maximalen Last von 64 kW durchgeführt, um eine stabile Leistungsabgabe mit minimalen Fehlern sicherzustellen.

Für die Motorleistungs- und Emissionsprüfung wird der Motor zunächst mit B30 aufgewärmt, bis sich die Schmierstofftemperatur bei etwa 60 °C stabilisiert. Anschließend wird Absperrschieber 1 geschlossen und Absperrschieber 2, wie in Abb. 2 gezeigt, gleichzeitig geöffnet, und das Gewicht des Hauptkraftstofftanks wird mithilfe einer elektronischen Waage gemessen (Genauigkeit ± 0,001 kg). Dadurch wird der Hauptkraftstofftank umgangen, indem der Kraftstofffluss zu einer anderen Kraftstoffquelle umgeleitet wird. Nach Abschluss des Wiegens wird Absperrventil 1 wieder geöffnet und Absperrventil 2 wieder geschlossen. Gleichzeitig wird das RTES-System aktiviert, um die Emulgierung von B30 und Wasser zu ermöglichen. Die resultierenden B30E-Emulsionskraftstoffe werden dem Motor zugeführt und in 6-Minuten-Zyklen unter jeder Lastbedingung getestet. Dieser Vorgang wird über mehrere Zyklen wiederholt. Der Kraftstoffverbrauch wird durch Berechnung der Gewichtsdifferenz vor der RTES-Aktivierung und nach Abschluss jedes Testzyklus gemessen. In jedem Testzyklus werden die NOx- und CO-Abgasemissionen mit dem Gasanalysator ECOM J2KN PRO gemessen, während die Abgasrauchtrübung mit dem Trübungsmessgerät HORIBA MEXA-600S gemessen wird. Beide Messgeräte sind in Abb. 4 dargestellt. Die technischen Spezifikationen des Gasanalysators und des Trübungsmessgeräts werden in den Tabellen 6 bzw. 7 erläutert.

Messgeräte für die Abgasanalyse.

In dieser Studie wurden BTE und BSFC aus Kraftstoffverbrauchsdaten berechnet. Gleichung (2) 38 wurde zur Bewertung von BSFC verwendet:

Dabei ist ṁKraftstoff der in (g/h) gemessene Kraftstoffmassendurchsatz, während Pb die Motorbremsleistung in kW ist. Andererseits gilt Gl. (3)38 wurde zur Berechnung des BTE verwendet.

wobei BSFC aus Gleichung erhalten wird. (2) gemessen in (g/kWh) und CV für D2M und POME intern mit dem Bombenkalorimeter CAL2K ECO überprüft. In der Zwischenzeit wurde der CV für B30 berechnet, indem der CV von POME zu D2M addiert wurde, um ein Mischungsverhältnis von 30:70 für Biodiesel-Diesel (42,9 MJ/kg) zu erreichen. Darüber hinaus wurde zur Berechnung des CV für B30E10, B30E15 und B30E20 die Methode des gewichteten Durchschnitts verwendet, wie in Gleichung (1) erläutert. (4) 39.

wobei CVwater Null ist.

Darüber hinaus ist die in dieser Studie verwendete Berechnung für die Unsicherheitsanalyse in Gleichung dargestellt. (5) 40.

Dabei ist ωR die Gesamtunsicherheit der experimentellen Daten, während ω1, ω2, ω3 bis ωn unabhängige Variablen darstellen. Diese Gleichung wird verwendet, um die Unsicherheit von BTE und BSFC zu berechnen, die aus unabhängigen Variablen wie ṁKraftstoff, Pb und Kraftstoff-CV bestand, wie in Gleichung (1) ersichtlich ist. (3). Beispielsweise wird die Unsicherheit von BSFC durch Gleichung angegeben. (6) 41.

Daher ist die Gesamtunsicherheit der Experimente wie in Gleichung erläutert. (7)

Abbildung 5 zeigt die Auswirkungen von W/D-Emulsionen auf den BTE des Motors bei Betrieb unter variablen Lasten. Es ist offensichtlich, dass der BTE bei allen Testkraftstoffen mit zunehmender Motorlast zunimmt. Bei hoher Motorlast erreichte D2M einen BTE von 27,5 %, während B30E10, B30E15 und B30E20 mit 32,8 %, 35,6 % bzw. 37,4 % einen deutlich höheren BTE aufwiesen. B30E20 erreichte insgesamt den höchsten Wirkungsgrad mit einer beträchtlichen Steigerung von 36,0 % im Vergleich zu D2M bei hoher Motorlast. Darüber hinaus wurde bei allen getesteten Motorlasten festgestellt, dass mit zunehmendem Wasseranteil in B30E-Emulsionen auch der BTE zunahm. Es gibt vier Postulationen für diese wesentliche Verbesserung. Erstens kann dies auf den Mikroexplosionseffekt zurückzuführen sein, der auftritt, wenn Wassertröpfchen im Emulsionskraftstoff verdampfen und die Kraftstofftröpfchen zerreißen, was die Verbrennung weiter verbessern und so einen höheren Druck im Zylinder erzeugen kann42,43. Obwohl die Common-Rail-Kraftstoffeinspritzung während der Vorverbrennung sehr feine Kraftstofftröpfchen erzeugen kann, kann dennoch eine sekundäre Zerstäubung durch die Verdunstung von Wasser in den B30E-Emulsionskraftstoffen auftreten und zur Verbesserung des Luft-Kraftstoff-Gemisches beitragen. Zweitens neigen in Dieselmotoren eingeführte Emulsionskraftstoffe dazu, die Zündverzögerung zu verlängern, was die Zeit für die Luft-Kraftstoff-Mischung und Verdampfung verlängert und somit die Verbrennungsqualität verbessert17,44,45. Drittens könnte es an der Anwesenheit von Sauerstoff im B30-Biodiesel liegen. Auch wenn B30 im Vergleich zu D2M einen geringeren Heizwert hat, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt, wie aus früheren dokumentierten Untersuchungen hervorgeht10,11,12, bedeutet dies nicht, dass der Verbrennungsprozess selbst nicht effizient war. Das Vorhandensein von Sauerstoff in Biodieseln unterstützt die Verbrennung in kraftstoffreichen Regionen und verbessert so die Verbrennungseffizienz. Allerdings konnte die Verbesserung der Verbrennungseffizienz in den meisten Fällen den Mangel an Energiegehalt im Biodieselkraftstoff selbst nicht ausgleichen und führte daher zu einem höheren BSFC. Schließlich ist es möglich, dass die Verdunstung und Ausdehnung von Wassertröpfchen im Emulsionskraftstoff während des Verbrennungsprozesses die Gesamtwärmefreisetzungsrate im Vergleich zu herkömmlichem Diesel erhöhte. Wasser transportiert keine Verbrennungsenergie und fungiert lediglich als Expansionsmittel im Verbrennungszylinder, indem es die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme absorbiert. Je höher der Wassergehalt (als Expansionsmittel) ist, desto höher ist die Wärmefreisetzung im Verbrennungszylinder. Tatsächlich könnte der Zylinderinnendruck im Vergleich zu herkömmlichem Diesel höher sein, wenn der Zündbeginn so geändert werden kann, dass er zum gleichen Zeitpunkt erfolgt30,46. Befindet sich dagegen zu viel Wasser im Emulsionskraftstoff, führt die Wärmeaufnahme durch Wasserpartikel dazu, dass einige der bei der Verbrennung ablaufenden chemischen Reaktionen gelöscht werden, wodurch der maximale Wassergehalt begrenzt wird, der in den Emulsionskraftstoff eingebracht werden kann. In dieser Studie wurde festgestellt, dass 20 Gew.-% Wasser der optimale Wasseranteil in der W/D-Emulsion sind, der als Expansionsmittel wirken kann, ohne die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses wesentlich zu beeinflussen.

BTE von Testkraftstoffen bei verschiedenen Motorlasten.

In dieser Studie wird zur Berechnung des BSFC nur B30 als Kraftstoff berücksichtigt. Dies liegt daran, dass Wasser kein brennbarer Stoff ist. Diese Methode wurde unter Bezugnahme auf frühere Studien zum BSFC-Verhalten von W/D-Emulsionskraftstoffen28,32,47 gewählt. Daher gilt gemäß Gl. (2), der BSFC von D2M und verschiedene Wasseranteile von B30E bei steigender Motorlast sind in Abb. 6 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass der BSFC mit zunehmender Motorlast abnimmt. Dies bedeutet, dass die Verbrennungseffizienz des Motors bei höherer Motorlast verbessert wird17. Darüber hinaus wurde auch beobachtet, dass sich der BSFC bei jeder getesteten Motorlast mit zunehmendem Wasseranteil in B30E verbesserte. Vor allem bei niedriger Motorlast zeigte sich, dass die BSFC für die Kraftstoffe B30E10, B30E15 und B30E20 im Vergleich zu D2M deutlich um 3,67 %, 7,43 % bzw. 8,70 % zurückging. Unterdessen zeigte B30E15 bei hoher Motorlast von 64 kW eine maximale BSFC-Reduzierung mit einer Verbesserung von 7,19 %. Unter Berücksichtigung aller Motorlasten beträgt die durchschnittliche Reduzierung jedes B30E-Emulsionskraftstoffs 1,18 %, 4,63 % bzw. 3,6 % für B30E10, B30E15 und B30E20. Diese beobachtete Reduzierung des BSFC kann als signifikant angesehen werden, da in einem früheren Bericht ein geringfügiger BSFC-Anstieg beobachtet wurde, wenn B30-Biodiesel in ein Dieselfahrzeug mit Common-Rail-Einspritzung im Gegensatz zu B1010 getankt wurde. Trotz eines Brennwertdefizits von etwa 16,8 % im Vergleich zu D2M zeigten die mit B30E15 erzielten deutlich niedrigeren BSFC und höheren BTE, dass der Mikroexplosionseffekt in der W/D-Emulsion ausreicht, um die gleichen Motorlasten mit einer geringeren Kraftstoffmenge zu überwinden.

BSFC von Testkraftstoffen bei verschiedenen Motorlasten.

Die NOx-Emissionen von D2M und B30E bei steigender Motorlast sind in Abb. 7 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die NOx-Emissionen mit zunehmender Motorlast zunehmen. Im Niedriglast-Motorzustand von 5 kW liegt die durchschnittliche NOx-Emission auf dem Mindestniveau von 60,4 g/kWh. Mit zunehmender Motorlast steigen die durchschnittlichen NOx-Emissionen um etwa 400 % bei mittlerer bzw. 950 % bei hoher Last. NOx-Gase entstehen typischerweise bei hohen Temperaturen über 1800 K durch den Zeldovich-Mechanismus48. Daher steigt mit zunehmender Motorlast die Temperatur des Verbrennungszylinders, was zu einer höheren NOx-Bildungsrate führt. Darüber hinaus sinken die NOx-Emissionen bei allen getesteten Motorlasten, wenn der Wassergehalt in B30E steigt. Insbesondere bei hoher Last emittierte D2M 672 g/kWh NOx, während die Emulsionen B30E10, B30E15 und B30E20 um 5,95 %, 5,65 % bzw. 11,6 % weniger NOx erzeugten. In B30E-Kraftstoffen vorhandene Wassertröpfchen führten aufgrund der Absorption latenter Wärme durch Wasserpartikel zu niedrigeren Flammentemperaturen während der Verbrennung. Daher wurde die NOx-Bildung durch den Zeldovich-Mechanismus eingeschränkt49. Darüber hinaus ist mit zunehmendem Wassergehalt in B30E die pro Volumen eingespritzte Menge an B30-Kraftstoff erheblich geringer, wodurch die Menge an Verbrennungsnebenprodukten reduziert und die NOx-Bildung weiter begrenzt wird42. Darüber hinaus steigt mit steigendem Wasseranteil die Wahrscheinlichkeit, dass mehr Sauerstoffmoleküle unter Bildung von Hydroxylradikalen (OH) ionisieren, deutlich an, was zu einer geringeren NOx-Bildung führt29. Dennoch ist die in dieser Studie beobachtete NOx-Reduktion im Vergleich zu früheren Studien eher minimal17,22,34. Diese Beobachtung könnte aus zwei Gründen erklärt werden. Erstens enthalten B30E-Emulsionen einen höheren Biodieselgehalt, was zu einem höheren Sauerstoffgehalt im Kraftstoff führt. Obwohl zu erwarten ist, dass B30 (aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff) höhere NOx-Emissionen erzeugen sollte, wurde die Bildung von NOx unterdrückt, da in B30E Wassertröpfchen vorhanden sind. Zweitens ist es möglich, dass aufgrund der höheren Verbrennungstemperatur, die durch die Common-Rail-Kraftstoffeinspritzung in Verbindung mit einem turbogeladenen Ansaugluftansaugsystem gefördert wird, die Mikroexplosion winziger Wasserpartikel in B30E-Emulsionen die Verbrennungstemperatur nicht in einem in früheren Studien beobachteten Ausmaß wirksam senken konnte. Diese Behauptungen wurden in einer separaten Studie untermauert, in der dokumentiert wurde, dass ein Common-Rail-Turbomotor, der mit Polyoxymethylen-Dimethylether-Diesel, einem stark sauerstoffhaltigen Kraftstoff, betrieben wird, die NOx-Bildung unter verschiedenen Motorlasten nicht wirksam unterdrücken konnte50.

NOx-Emission von Testkraftstoffen bei verschiedenen Motorlasten.

Abbildung 8 zeigt die CO-Emissionen von D2M und B30E bei verschiedenen Belastungen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die CO-Emissionen aller Kraftstoffe bei niedriger Motorlast am höchsten sind. Dies ist auf die niedrigere Temperatur des Verbrennungszylinders infolge des Anstiegs des Wärmeverlusts pro Zyklus zurückzuführen51. Daher nimmt die Oxidationsrate von CO zu CO2 unter 1400 K ab17. Unterdessen ist ein leichter Anstieg bei hoher Motorlast zu beobachten, wo die CO-Emissionen bei allen Testkraftstoffen im Vergleich zur mittleren Last leicht höher sind. Erklärbar ist, dass bei höherer Motorlast überschüssiger Kraftstoff in den Verbrennungszylinder eingespritzt wird, was zu geschichteten fetten Gemischbereichen führt. Dies wiederum führt zu einem geringeren Kontakt zwischen Kraftstoff und Sauerstoff, was zu einer schlechten Verbrennung in diesen Regionen führt. Diese Annahme wurde durch eine frühere Studie bestätigt, die einen Anstieg der CO-Emissionen bei höherer Motorlast aufgrund von Sauerstoffmangel am Ende des auf die Zylinderwand auftreffenden Kraftstoffstrahls berichtete52. Dennoch ist offensichtlich, dass B30E-Emulsionen bei geringer Motorlast im Vergleich zu D2M-Emulsionen wesentlich höhere CO-Emissionen aufwiesen. Dies ist auf den Kühleffekt zurückzuführen, der bei der Verbrennung der W/D-Emulsion auftritt und die unvollständige Oxidation von CO zu CO2 in Gegenwart von Wassertröpfchen begünstigt51,53. Allerdings wiesen B30E-Emulsionen bei hoher Motorlast deutlich geringere CO-Emissionen auf als D2M. Höhere Motorlasten sind durch höhere Temperaturen und Drücke im Zylinder gekennzeichnet, wobei man argumentieren kann, dass Mikroexplosionen heftiger auftreten, was zu einer feineren Verteilung der Kraftstofftröpfchen führt und letztendlich die Verbrennung verbessert17.

CO-Emission von Testkraftstoffen bei verschiedenen Motorlasten.

Abbildung 9 zeigt das Rauchtrübungsprofil von D2M und verschiedenen B30E bei zunehmender Motorlast. Es ist klar, dass die Rauchtrübung mit zunehmender Motorlast zunimmt. Dies liegt daran, dass bei hoher Motorlast mehr Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird, was zu einem Rückgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und damit zur Rauchbildung aufgrund unvollständiger Verbrennung führt54. Im Allgemeinen ist bei hoher Motorlast zu beobachten, dass die Rauchtrübung mit zunehmendem Wassergehalt in B30 geringer wird. Tatsächlich wird durch B30E15 unter hoher Belastung eine maximale Reduzierung der Rauchtrübung erreicht, mit einer Reduzierung um 61,5 % im Vergleich zu D2M. Auch hier ist es offensichtlich, dass die Mikroexplosion eine sehr wirksame Rolle bei der Verbesserung der Kraftstoffzerstäubung spielt und eine höhere Verbrennungsqualität22 in einer Umgebung mit hoher Motorlast, die durch höheren Druck und Temperatur im Zylinder gekennzeichnet ist, erreicht. Ein weiterer beitragender Faktor ist, dass durch das Vorhandensein höherer OH-Radikale in B30E die Luftporenbildung angereichert wird, was die Rauchbildung weiter reduziert55. Ähnliche Trends wurden zuvor bei der Verwendung von von D2M abgeleiteten W/D-Emulsionen beobachtet, bei denen eine maximale Reduzierung der Rauchopazität von 87,0 % durch einen Wassergehalt von 21,8 Gew.-% erreicht wurde, wenn sie in denselben Testmotor eingespeist wurden32. Darüber hinaus ist dieser Trend auch bei anderen Arten von Biodiesel-Diesel-Emulsionen wie Nerium-Biodiesel-Diesel zu beobachten, bei denen die Rauchtrübung um bis zu 12,96 % reduziert wurde56, was auf die Auswirkungen der Mikroexplosion zurückzuführen ist. Es kann auch festgestellt werden, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in POME (daher B30) zu einer effizienteren Verbrennung und einer unterdrückten Rauchbildung beitrug Der Effekt der Mikroexplosion ist im Hochdruck-Kraftstoffstrahl der Common-Rail-Einspritzung weniger ausgeprägt. Darüber hinaus werden, ähnlich dem in Abb. 8 dargestellten CO-Emissionstrend, höhere Rauchemissionen bei geringer Motorlast festgestellt, wenn mit B30E betrieben wird, wo der Effekt der Mikroexplosion weniger signifikant ist.

Rauchtrübung von Testkraftstoffen bei verschiedenen Motorlasten.

In dieser Forschung wurde versucht, die Leistung und die Emissionen eines 100-kVA-Dieselgenerators mit Common-Rail-Kraftstoffeinspritzung und Turbolader zu verbessern, indem Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff aus höheren Biodiesel-Diesel-Mischungen (B30) ohne Zusatz von Emulgatoren oder Tensiden verwendet wurde. Als Basiskraftstoff wurde ein minderwertiger malaysischer Euro-2-Dieselkraftstoff (D2M) und drei emulgierte B30-Kraftstoffe, hergestellt durch Mischen von D2M mit POME (B30E), ausgewählt. Die berücksichtigten Wasseranteile betrugen 10 Gew.-% (B30E10), 15 Gew.-% (B30E15) und 20 Gew.-% (B30E20). B30E wurden mit dem Real-Time Non-Surfactant Emulsion Fuel Supply System (RTES) unmittelbar vor dem Eintritt in das Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem hergestellt.

Aus dem Experiment werden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Der thermische Wirkungsgrad der Bremse (BTE) stieg bei jeder getesteten Motorlast mit zunehmendem Wasseranteil in B30E-Emulsionskraftstoffen. Der höchste Zuwachs wurde bei hoher Motorlast bei B30E20 mit einem Zuwachs von 36,0 % im Vergleich zu D2M beobachtet.

Im Allgemeinen verringerte sich der BSFC für alle B30E-Emulsionskraftstoffe mit Ausnahme eines leichten Anstiegs bei mittlerer Motorlast im Vergleich zu D2M. Die maximale Reduzierung wurde bei niedriger Motorlast mit einer Reduzierung um 8,70 % durch B30E20 beobachtet. Bei hoher Motorlast zeigte B30E15 eine maximale Reduzierung von 7,19 %.

Mit zunehmendem Wasseranteil in B30E-Emulsionskraftstoffen wurden die NOx-Emissionen reduziert. Die beobachteten Reduzierungen waren jedoch nicht so ausgeprägt wie in früheren Studien, was möglicherweise auf höhere Verbrennungstemperaturen bei der Verwendung von Common-Rail-Einspritzsystemen mit Zwangsansaugung zurückzuführen ist.

B30E-Emulsionskraftstoffe weisen bei niedriger Motorlast eine höhere CO-Emissionskonzentration und bei hoher Motorlast eine niedrigere CO-Emissionskonzentration auf als D2M. Die Verbrennungstemperatur bei verschiedenen Motorlasten beeinflusst die Oxidation von CO zu CO2 und die Stärke der Mikroexplosion von B30E-Emulsionskraftstoffen.

Die Rauchtrübung von B30E-Emulsionskraftstoffen verringerte sich im Vergleich zu D2M bei hoher Motorlast erheblich. Dies beweist, dass die Mikroexplosion die Bildung von Rußpartikeln einschränkte, indem sie die Verbrennung durch sekundäre Kraftstoffzerstäubung verbesserte. Allerdings war die Wirkung der Mikroexplosion bei niedriger und mittlerer Motorlast schwächer.

Kurz gesagt, die von RTES hergestellten Biodiesel-Diesel-W/D-Emulsionen mit höheren Mischungen konnten beim Einbau in einen modernen Dieselmotor die thermische Effizienz des Motors und den Kraftstoffverbrauch verbessern sowie die NOx- und Rußemissionen reduzieren. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie wird die Umsetzung von RTES empfohlen, wenn in Malaysia in naher Zukunft bis 2025 das B30-Biodiesel-Mandat durchgesetzt wird.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten und auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Wechselstrom

10 Vol.-% Biodiesel – 90 Vol.-% Diesel

30 Vol.-% Biodiesel – 70 Vol.-% Diesel

10 Gew.-% Wasser-B30-Emulsion

15 Gew.-% Wasser-B30-Emulsion

20 Gew.-% Wasser-B30-Emulsion

7 Vol.-% Biodiesel – 93 Vol.-% Diesel

Bremsspezifischer Kraftstoffverbrauch

Thermische Effizienz der Bremse

Kohlenmonoxid

Kohlendioxid

Heizwert

Malaysischer Euro-2M-Diesel

Abgastemperatur

Europäische Union

Kraftstoffverbrauch

Wärmefreisetzungsrate

Druck im Zylinder

Stickoxide

Hydroxidion

Feinstaub

Palmölfettsäuremethylester

12. Malaysia-Plan

Revolutionen pro Minute

Echtzeit-Kraftstoffversorgungssystem ohne Tensidemulsion

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe

Wasser-in-Emulsion (5 Vol.-% Biodiesel – 95 Vol.-% Diesel).

Wasser-in-Diesel-Emulsion

Wasser-in-malaysische Dieselemulsion Euro 2M

Regenwasser-in-malaysische Euro 2M-Dieselemulsion

Meerwasser-in-malaysische Euro 2M-Dieselemulsion

Leitungswasser in malaysischer Dieselemulsion Euro 2M

Massendurchsatz des Kraftstoffs

Bremskraft

Volumenprozent

Massenprozent

Mikrometer

Kinematische Viskosität

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Die Autoren möchten dem Malaysia-Japan Institute of Technology, Universiti Teknologi Malaysia (UTM) für die Bereitstellung wertvoller Forschungsgelder durch den UTM High Impact Research Grant (Q.K130000.2443.08G98) danken. Darüber hinaus möchten die Autoren SAE Malaysia und ANCHOR für die bereitgestellten Ressourcen und Fachkenntnisse danken.

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Mohamad Qayyum Mohd Tamam, Md Reashed Tasvir Omi, Wira Jazair Yahya, Ahmad Muhsin Ithnin, Hasbullah Abdul Rahman und Md. Mujibur Rahman

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Chungpyo Hong, Takeshi Otaka und Eiji Kinoshita

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Korrespondenz mit Wira Jazair Yahya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mohd Tamam, MQ, Omi, MRT, Yahya, WJ et al. Motorleistungs- und Emissionsbewertung der tensidfreien B30-Biodiesel-Diesel/Wasser-Emulsion als alternativer Kraftstoff. Sci Rep 13, 10599 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37662-4

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Eingegangen: 21. Januar 2023

Angenommen: 25. Juni 2023

Veröffentlicht: 30. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37662-4

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