Анализ характеристик и выбросов при использовании ацетоно-бензиновых топливных смесей. В этом исследовании новые смешанные виды топлива были получены путем добавления 3–10 об. % ацетона в обычный бензин. Насколько известно автору, это впервые, когда влияние ацетоновых смесей было изучено в бензиновом двигателе. Смешанные виды топлива были испытаны на их энергоэффективность и выбросы загрязняющих веществ с использованием двигателя SI (с искровым зажиганием) с одноцилиндровым и четырехтактным двигателями. Экспериментальные результаты показали, что смешанное топливо AC3 (3 об.% Ацетона + 97 об.% Бензина) имеет преимущество перед чистым бензином по температуре выхлопных газов, давлению в цилиндрах , тормозной мощности, крутящему моменту.и объемная эффективность примерно на 0,8%, 2,3%, 1,3%, 0,45% и 0,9% соответственно. По мере того, как содержание ацетона увеличивается в смесях, производительность двигателя улучшается там, где наилучшие характеристики получены в этом исследовании на смешанном топливе AC10. В частности, по сравнению с чистым бензином температура выхлопных газов, давление в цилиндре, мощность торможения, крутящий момент и объемная эффективность возрастают примерно на 5%, 10,5%, 5,2%, 2,1% и 3,2% соответственно. Кроме того, использование ацетона с бензиновым топливом снижает выбросы выхлопных газов в среднем примерно на 43% для окиси углерода.32% для углекислого газа и 33% для несгоревших углеводородов. Улучшенные характеристики двигателя и выбросы загрязняющих веществ обусловлены более высоким содержанием кислорода, небольшим наклоняющим эффектом, более низкой склонностью к детонации и высокой скоростью пламени ацетона по сравнению с чистым бензином. Наконец, механизм сгорания ацетона в бензиновых двигателях предлагается в этой работе; выделены два основных пути сжигания ацетона; Кроме того, признаны механизмы образования и окисления CO, CO2 и UHC (несгоревших углеводородов). Такой ацетоновый механизм используется для дальнейшего понимания процесса сгорания ацетона в двигателях с искровым зажиганием .
Современные промышленные процессы сильно зависят от ацетона как одного из обширных органических растворителей [1] , [2] . Ацетон является обширным растворителем для синтетических волокон и большинства пластмассовых материалов, таких как бутылки из полистирола , поликарбоната , полипропилена и других. Ацетон также используется в качестве основного ингредиента в лакокрасочной промышленности, а также во многих промышленных применениях (см., Например, ссылки [3] , [4] , [5] , [6] , [7]).). Такое многопрофильное использование ацетона приводит, без сомнения, к большим количествам содержащих ацетон отходов. К сожалению, при утилизации таких отходов возникает много экологических проблем. Закапывая отходы под землю, ацетон может проникать в грунтовые воды и, в свою очередь, растворяться вместе, потому что ацетон не впитывается в почву, но он хорошо растворим в воде; При этом загрязнение подземных вод происходит из-за высокой токсичностиацетона. С другой стороны, также известно, что утилизация таких отходов путем сжигания в некоторых условиях выражается в выбросе ацетона в атмосферу [8], Известно, что ацетон в атмосфере играет важную роль в изменении химического состава окружающей среды, а также является самым кислородсодержащим органическим веществом в верхней тропосфере [9] , [10] , [11] . Кроме того, ацетон в атмосфере может вызвать серьезные проблемы со здоровьем в центральной нервной системе, почках, репродуктивной системе, печени, коже и других. Повторное воздействие ацетона может привести к повреждению органов. Недавно сообщалось, что уровень ацетона в воде и воздухе составляет около 20 частей на миллион (ч / млн) и 13–20 ч / млн соответственно, и такие уровни следует минимизировать [12] .
Различные методы были разработаны для удаления выбросов ацетона. Одним из наиболее перспективных методов является использование каталитического сжигания ацетона (после отделения от других смешанных компонентов) для превращения его в диоксид углерода и воду. Этот метод в основном зависит от каталитических характеристик катализатора, который является наиболее важным фактором, определяющим эффективность этого метода. Обычно используются два типа катализаторов: оксиды благородных металлов и переходных металлов . Тип оксида благородного металла очень дорог, что ограничивает его широкое применение. Тип оксида переходного металла, с другой стороны, является менее дорогостоящим, но его стабильность при некоторых условиях эксплуатации является плохой, когда его дезактивациячасто наблюдается [13] , [14] , [15] . В текущем исследовании применяется новая методика, которая основана на сжигании ацетона в двигателях с искровым зажиганием (СИ). Такая новая технология очень сложна, так как мало известно о химическом поведении ацетона в горячей окислительной среде и, следовательно, о его практическом сгорании в двигателях СИ.
Сжигание ацетона в двигателях внутреннего сгорания рассматривается в литературе, и найдено несколько публикаций, касающихся сгорания ацетона в двигателях с воспламенением от сжатия (CI). Чанг и соавт. В [16] , [17] исследовались смеси ацетон-бутанол-этанол-дизель в двигателях CI. Исследователи применили смесь из 20 об.% Ацетон-бутанол-этанол (АБЕ) и 80 об.% Дизельного топлива ; результаты продемонстрировали лучшую эффективность сгорания и уменьшение количества твердых частиц , оксидов азота (NOx), ПАУ (полициклических ароматическихуглеводороды), несгоревшие углеводороды и образование сажи практически нулевое по сравнению с чистым дизельным топливом. Результаты также показали, что энергоэффективность ABE-дизеля была выше, чем у чистого дизельного топлива, что означает, что смесь ABE-дизель является перспективным экологически чистым топливом. Лин и соавт. [18] провели исследование с использованием 1-3 об.% Ацетона в дизельном топливе и показали, что топливные смеси могут повысить эффективность сгорания и снизить выбросы загрязняющих веществ по сравнению с чистым дизельным топливом. Основываясь на таком доступном небольшом количестве литературы, смесь ацетон-дизельное топливо является многообещающей альтернативой в двигателе с воспламенением от сжатия , особенно ацетон может быть получен из биомассы и, в свою очередь, считается возобновляемым топливом., как будет обсуждаться позже. Тем не менее, согласно лучшим данным автора, в литературе не было найдено подобных исследований по топливу, смешанному с ацетоном и бензином. Следовательно, существует потребность в фундаментальном понимании осуществимости смеси ацетон-бензин в двигателе СИ. Целью данного исследования является изучение характеристик горения ацетона и подтверждение его потенциального и экологического применения в качестве смешанного топлива в двигателях SI; Кроме того, целью исследования является изучение новой методики удаления отходов ацетона, которые были получены в ходе различных промышленных процессов (после отделения от других отходов).
Если планируется использовать ацетон в бензиновых двигателях , необходимо сначала понять его механизм сгорания. Механизм реакции обеспечивает понимание кинетики окисления ацетона в условиях сгорания на основе описания того, как реакции протекают на молекулярном уровне и какие связи разрушаются или образуются и в каком порядке. При обзоре литературы были найдены небольшие, но разнообразные работы, касающиеся механизма сгорания ацетона. Baldi et al. [19] показали, что ацетон был не полностью окислен (при 200 ° C) с образованием уксусной кислоты и ацетальдегида , но полностью окислен (при 270 ° C) с образованием CO2 и H2O. Эль-Нахас и др. [20] утверждал, что ацетон может подвергаться пиролизуреакции с частичным окислением ацетона с образованием ацетильного радикала. Сато и Хидака [21] разработали механизм пиролиза и окисления ацетона, который состоит из 164 реакций и 51 вида. Хаос и соавт. [22]измерили временные рамки для стабильных концентраций видов в условиях окисления ацетоном и предложили механизм, состоящий из 248 реакций и 46 видов. Чанг и Энтони [23] показали, что ацетон химически превращается в углеводороды, а затем в CO2 и H2O посредством декарбоксилирования и дегидратации. Барнард и Ханиман [24] , [25] представили окисление ацетона в газовой фазеи показали, что первой стадией инициирования цепи при окислении ацетона является атака ацетона через кислород с образованием ацетонильного радикала; после этого ацетонильный радикал разлагается на метильный радикал и кетен. Чонг [26] изучил механизм окисления ацетона и указал, что ацетон в основном реагирует через три основные реакции, которые образуют метильные радикалы в одной реакции и ацетонильный радикал в двух других реакциях. Tsuboi et al. [27]оценили окисление / разложение ацетона в условиях сгорания и представили механизм, который включает основные пути окисления / разложения ацетона. Из вышеприведенной литературы возникает идея, что сжигание ацетона в бензиновых двигателях очень сложно, и до недавнего времени его механизм достоверности не был до конца понятен. В текущем исследовании схема химической реакцииацетона, и предложен новый механизм, где такой химический механизм используется для понимания путей выбросов при сгорании ацетона в двигателях СИ. Важность такого механизма усиливается с появлением недавно появившейся возможности получения ацетона в больших количествах в процессе ферментации биомассы из нескольких видов биомассы, таких как отходы пальмового масла, бытовые отходы и обильные сельскохозяйственные культуры (см., Например, ссылки [28] , [29]. ] , [30] , [31] , [32] , [33] ). Следовательно, биоацетон в качестве возобновляемой энергии может быть предложен в ближайшем будущем в качестве заменителя или дополнения бензина в качестве транспортного топлива.
2 . Экспериментальный аппарат и способ
Эксперименты проводятся с использованием двигателя с искровым зажиганием , который имеет одноцилиндровый и четыре такта, размещенные на шасси и связанные с динамометром . Двигатель охлаждается воздухом с коэффициентом сжатия 7: 1 и безкаталитического нейтрализатора . Объем вытеснения составляет 147,7 куб. См с 2 клапанами на цилиндр. Двигатель работал с широко открытой дроссельной заслонкой со скоростью 2600–3400 об / мин и нагрузкой 1,3–1,6 кВт. ECU (электронный блок управления) использовался в настройках двигателя для управления соотношением воздух / топливо , которое изменяется в зависимости от скорости вращения двигателя / мощности, но не настраивается для различных видов топлива. Технические характеристики двигателя приведены втаблице 1., Различные датчики и устройства оснащены двигателем для проведения измерений производительности двигателя, таких как: датчик температуры, датчик давления, датчик скорости и т. Д. Различные разъемы используются для подачи сигналов от различных датчиков на усилитель, а затем на карту сбора данных.это связано с персональным компьютером (ПК). ПК позволяет записывать и отображать данные в различных формах через монитор ПК. Экспериментальная процедура применяется следующим образом: (1) заполнение системы топливом, (2) ввод в эксплуатацию устройства и датчиков, (3) запуск двигателя с использованием двигателя постоянного тока и (4) работа двигателя в установившемся режиме. После запуска двигателя он прогревается в течение нескольких минут без нагрузки, после чего проводятся измерения. Измеряются четыре различных вида топлива: чистый бензин (в качестве базового топлива), 3 об.% Ацетонав бензине, 7 об.% Ацетона в бензине и 10 об.% Ацетона в бензине. Свойства ацетона и бензина, использованных в этом исследовании, представлены вТаблице 2, из литературы[34],[35]., [36] , [37] , [38] , [39] , [40]. Эксперименты на всех видах топлива проводились при одинаковых условиях работы двигателя без настройки.
Таблица 1 . Технические характеристики двигателя.
двигательСИ двигательПроизводитель / модельGUNT, Гамбург, Германия / CT 150Количество цилиндров / циклОдин / 4 удараСистема зажиганияИскра зажиганияОтверстие × ход65,1 мм × 44,4 ммДлина шатуна79,5 ммОбъем смещения147,7 ГКСтепень сжатия7: 1Номинальная мощность1,5 кВтОхлаждающая средаС воздушным охлаждениемСистема смазкиСмазка под давлениемМасляный поддон0,6 лКоличество клапанов2
свойстваАцетонбензинМолекулярная формулаC3H6OC8H15Октановое число11090-99Содержание кислорода (мас.%)27,6-Плотность при 15 С (г / мл)0,7910,745Температура самовоспламенения (° C)560420Температура вспышки при закрытой чашке (° C)17,8От −45 до −38Более низкая теплотворная способность (МДж / кг)29,642,7Точка кипения (° С)56,125-215Стехиометрическое соотношение AF9,5414,7Скрытая теплота при 25 ° C (кДж / кг)518380-500Пределы воспламеняемости (об.%)2.6-12.80.6-8Давление насыщения при 38 ° С (кПа)53,431,01Вязкость при 40 ° С (мм 2 / с)
В дополнение к двигателю, анализатор выхлопных газов используется для измерения выбросов выхлопных газов . Пробоотборник анализатора соединен с ловушкой для воды длиной гибкого шланга. Чтобы избежать попадания чрезмерного количества конденсата в фильтры, следует избегать внезапного поднятия шланга над уровнем анализатора. Газоанализатор оснащен дисплеями и элементами управления через переднюю панель . На передней панели отображаются измерения CO, CO2, UHC (несгоревших углеводородов) и O2 на четырехзначных дисплеях. Диапазон измерений для различных газов составляет около 10% для CO, 20% для CO2 и 2000 ppm для UHC. Таблица 3представляет диапазон измерений и технические характеристики газоанализатора. Принцип работы газоанализатора основан на процедуре корреляции интерференционного фильтра; инфракрасная энергия передается через поток выхлопных газов на отфильтрованный инфракрасный детектор; вращающийся измельчитель колесо циклический прерывает инфракрасные лучи и производит последовательность сигналов; анализ измерительных сигналов выполняется автоматически микропроцессором . Измерение кислорода происходит с помощью электрохимической ячейки, При проведении испытаний на выбросы чистота газовых путей, особенно в случае углеводородов, имеет большое значение для точных измерений. Измерения видны на передней панели анализатора. Для получения дополнительной информации об экспериментальном устройстве и методике .
3 . Результаты и обсуждения
Результаты демонстрируют характеристики выбросов и эксплуатационные характеристики ацетон-бензиновых смесей, а также чистого бензинового топлива при стационарных условиях работы; следовательно, использование ацетона в качестве топлива в двигателе СИ оценивается и обсуждается. Механизм сгорания ацетона в двигателе SI также выделен для дальнейшего понимания характеристик двигателя и выбросов, В результате три различные смешанные скорости ацетон-бензиновых топлив обозначены как AC3, AC7 и AC10, где «AC» обозначает ацетон, а число рядом с «AC» обозначает объемный процент ацетона. Например, AC10 означает, что 10% ацетона (чистота 99%) смешивали с 90% бензина по объему; AC0 представляет чистый бензин в результатах. Важно подчеркнуть, что при добавлении ацетона к бензиновому топливу в двигателе возникает много проблем не только для окружающей среды и здоровья человека, но и для самого двигателя в случае неполного сгорания ацетона. Соответственно, исследование ограничивает содержание ацетона в смесях до 10 об.%; Другие причины ограничения содержания ацетона в бензине будут продемонстрированы позже.
3.1 . Механизм сгорания
Поскольку рабочие характеристики двигателя и выбросы загрязняющих веществ являются продуктами процесса сгорания топлива, необходимо сначала понять механизм сгорания ацетона в двигателях СИ, если его эффективно использовать. Сжигание ацетона в бензиновых двигателях очень сложно, и до недавнего времени его детальный механизм не был хорошо понят, как было продемонстрировано ранее. Схема химической реакции,представленная в этой работе, была разработана на основе ранее доступных Барнардом и Ханиманом [24] , [25] , Чонгом [26] , Хеге [47] , Декоттиньесом и др. [48] , Black et al. [49] , Tsuboi et al. [50] , Dias et al.[51]Pichon et al. [52] , Chong and Hochgreb [53] и Van Geem et al. [54] . На рис. 1 суммированы основные пути реакций потребления / окисления ацетона в стехиометрических условиях пламени. Как видно, термическое разложение ацетона (CH3COCH3) приводит к прямому образованию ацетонильного радикала (CH3COCH2), ацетильного радикала (CH3CO), метильного радикала (CH3), ацетальдегидногорадикала (CH3CHO) и очень небольшого количества метоксидного радикала (CH3O) через реакции R01, R02, R03 и R04, как показано втаблице 4, Затем ацетон реагирует с метильным радикалом с образованием ацетонильного, метанового, метильного и очень небольшого количества кетеновых радикалов (CH2CO) посредством двух различных путей реакции (R05 и R06), как показано в [54]Таблица 4 . Затем ацетонильный радикал разлагается с образованием метильного радикала и кетена по реакции R07. Затем кетен разлагается до этинилоксирадикала (HCCO), оксида углерода (CO) и метила по реакциям R18, R19 и R20. Затем этинилоксирадикал разлагается до этилена (CH2) и оксида углерода по реакции R21. Из ацетальдегидного пути он разлагается до ацетила по реакции R08. Некоторые исследователи [24] , [25] , [26] ,пренебрег этим путем и считал, что ацетон образует ацетил напрямую; однако другие [47] , [49] , [50] , [51] показали, что это важно и, в свою очередь, включено сюда. После этого ацетил разлагается до оксида углерода, диоксида углерода и метила (реакции R09 – R12); и метил разлагается в свою очередь до этилена, метаналя (CH2O) и оксида углерода по реакциям R13, R14 и R15 соответственно. Метанал разлагается до гидрокарбоната (HCO) (реакция R16), который, в свою очередь, разлагается до оксида углерода по реакции R17, как показано в таблице 4., Этилен и метан окисляются до оксида углерода по реакциям R22 и R24 соответственно. Кроме того, этилен вносит метан через реакцию R23. Наконец, окись углерода окисляется до двуокиси углерода (CO2) по реакции R25, а водород (H2) окисляется до воды (H2O) по реакции R26 в случае достаточного количества воздуха (стехиометрическое или обедненное ацетоновое пламя). Это ключевые пути механизма окисления / разложения ацетона. Различия между этим химическим механизмом и другими заключаются в том, что Барнард и Ханиман [24] , [25] и Чонг [26] показали, что ацетоновый механизм содержит три основные реакции инициации ацетона, а именно R01 (как два пути реакции) и R02 (как одна реакция) путь), как показано в таблице 4, Однако Black et al. [49] , Tsuboi et al. [50] и Dias et al. [51] показали, что ацетон также разлагается на ацетальдегид по реакциям R03 и R04, где такие реакции важны и их следует включить. С другой стороны, Black et al. [49] , Tsuboi et al. [50] и Dias et al. [51] не рассматривали некоторые другие важные пути в своих ацетоновых механизмах. Например, Black et al. [49] не рассматривали пути образования этинилокси (HCCO) из кетена (CH2CO); но этот путь является доминирующим путем формирования этинилокси (см. Чонг [26] и Диас и др. [51] ). Tsuboi et al.[50] и Dias et al. [51]с другой стороны, не рассматривали пути образования и окисления CH4 и CH2; Кроме того, они не учитывали образование CO2 из CH3CO.
В общем, предложенный здесь механизм окисления / разложения ацетона может охватывать основные пути основных образовавшихся частиц. Анализируя такой механизм, можно выделить только два основных пути сгорания ацетона: один для окисления, а другой для разложения. Ключевой путь окисления ацетона: CH3COCH3 → CH3CO → CH3 → CH2O → HCO → CO → CO2. Однако путь разложения ацетона можно определить следующим образом: CH3COCH3 → CH3COCH2 → CH2CO → HCCO → CO. Дальнейшая оценка таких двух основных путей позволяет сделать вывод о том, что путь разложения ацетона является основным путем потребления, а не окислением ацетона. путь (см. отношения в таблице 4 ). Этот вывод согласуется с Чонг [26], И наконец, важно уточнить, что это исследование не обеспечило систематическую проверку механизма реакции ацетона с точки зрения задержки зажигания или проверки моделирования двигателя, поскольку каждый путь уже подтвержден другими (например, References [24] , [ 25] , [26] , [47], [48] , [49] , [50] , [51] , [52] , [53] , [54] , [55] , [56] , [57] ) и, в свою очередь, ему можно доверять (см. таблицу 4).). Кроме того, скелетный механизм сгорания ацетона согласуется с характеристиками и измерениями выбросов топлива, смешанного с ацетоном, в двигателе внутреннего сгорания , то есть это дает дополнительную уверенность в механизме.
3.1.1 . Механизм образования СО
Поскольку окись углерода является вредным и ядовитым газом, важно снизить его уровень при сжигании ацетона. Предложенный ацетоновый химический механизм, описанный выше, способен определять пути эмиссии CO. CO образуется в результате разложения / окисления CH 3 CO через R09 и R11, CH3 через R15, HCO через R17, CH 2CO через R20, HCCO через R21, CH2 через R22 и CH4 через R24, как показано в таблице 4 . Однако основная промежуточная реакцияобразования CO из ацетона проходит главным образом по двум основным путям:
Путь 1: CH3COCH3 → CH3CO → CH3 → CH2O → HCO → CO
Путь 2: CH3COCH3 → CH3COCH2 → CH2CO → HCCO → CO
Путь 2 является более доминирующим, чем путь 1, для формирования СО. Следовательно, если кто-то стремится уменьшить выброс CO, его следует окислить до CO2, например, используя достаточно воздуха при высокой температуре окружающей среды, чтобы предшествовать полному окислению , что означает полное сгорание ацетона.
3.1.2 . Механизм СО 2 формирования
В ацетоновом механизме проиллюстрированы три основных пути реакций образования CO 2 , а именно R10, R12 и R25, как представлено в таблице 4 и показано на фиг. 1 . Как видно, механизм образования СО 2является результатом окисления как СО, так и СН 3 СО. Однако окисление СО (реакция R25) является основным путем образования СО2.
3.1.3 . Механизм образования UHC
Известно, что полный механизм реакции углеводородов может состоять из тысяч элементарных реакций [47] . В этой работе все углеводороды, полученные в результате окисления / разложения ацетона, можно классифицировать на метил (СН3), этилен (СН2) и метан (СН4), как показано на рис. 1 . Однако основным углеводородом, образующимся при сжигании ацетона, является в основном СН3. Такие углеводороды впоследствии окисляются до окиси углерода и водорода, а затем до двуокиси углерода и воды (в случае достаточного количества воздуха) с одновременным выделением энергии.
3.2 . Спектакль
Изучение смешанного топлива на работоспособность двигателя осуществляется с использованием различных вопросов производительности, как показано на фиг. 2 , фиг. 3 , фиг. 4 , фиг. 5 , фиг. 6 . На фиг.2 показана зависимость температуры выхлопных газов от частоты вращения двигателя; На фиг.3 показано давление газов внутри цилиндра; На фиг.4 показана мощность, генерируемая двигателем на разных скоростях; На фиг.5 показан крутящий момент взависимости от частоты вращения двигателя; и рис. 6показывает объемную эффективность в зависимости от частоты вращения двигателя для трех смешанных видов топлива и чистого бензина. Из рисунков можно продемонстрировать, что чем больше содержание ацетона в смесях, тем выше мощность двигателя, крутящий момент, объемный КПД, температура выхлопных газов и давление в цилиндре, то есть лучше производительность двигателя. Наилучшие характеристики были получены в этом исследовании на смешанном топливе AC10. В частности, температура выхлопных газов по сравнению с чистым бензиновым топливом увеличивается на 0,8%, 2,3% и 5% при использовании смесей AC3, AC7 и AC10 соответственно. Давление в цилиндре увеличивается на 2,3%, 9,1% и 10,5% при использовании смесей AC3, AC7 и AC10 соответственно по сравнению с бензиновым топливом. Мощность двигателя увеличивается на 1,3%, 3,9% и 5,2% при использовании смесей AC3, AC7 и AC10 соответственно по сравнению с бензиновым топливом. Крутящий момент увеличивается на 0,45%, 1,36% и 2,1% при использовании смесей AC3, AC7 и AC10 соответственно по сравнению с бензиновым топливом. Наконец, объемная эффективность увеличивается на 0,9%, 1,6% и 3,2% при использовании смесей AC3, AC7 и AC10, соответственно, по сравнению с бензиновым топливом.
Рис. 2 . Температура выхлопных газов в зависимости от частоты вращения двигателя для 10 об.% Ацетона (AC10), 7 об.% Ацетона (AC7), 3 об.% Ацетона (AC3) и 0 об.% Ацетона (AC0) в бензине.
. Мощность тормоза в зависимости от скорости двигателя.
Крутящий момент в зависимости от скорости двигателя.
Давление в цилиндре и температура выхлопных газов являются показателями полноты сгорания топлива при сравнении разных видов топлива при одинаковых условиях эксплуатации . Эти реагенты попадают в камеру сгорания (КС) при комнатной температуре , давлении / в то время как продукты демонстрируют повышенное давление / температуру. Давление / температура продуктов в СЦ зависит от энергии, выделяющейся в результате реакций сгорания и потерь тепла через границу СЦ. Давление / температура продуктов сгорания снижается для приведения в движение поршня , и после этого отработавшие газы покидают ЦК при температуре, называемой температурой отработавших газов. Сравнение температуры выхлопных газовИспытания топлива при работе в одинаковых условиях двигателя показаны на рис. 2. Результаты указывают на повышение температуры выхлопных газов при работе двигателя стопливными смесями. Чем выше скрытая жараиспарения для ацетона приводит к падению температуры в цилиндре и, в свою очередь, к снижению температуры выхлопных газов. Но есть и другие факторы, которые повышают температуру в цилиндре. Более низкая скрытая теплота ацетона по сравнению с бензином приводит к повышению объемной эффективности (как будет показано позже), что приводит к такому повышению температуры выхлопных газов топливных смесей. Кроме того, кислород в ацетоновых структурах улучшает сгорание смешанного топлива и, в свою очередь, повышает температуру выхлопных газов, поскольку температура выхлопных газов является отражением эффективности сгорания и других параметров, таких как время сгорания, прочность смеси и т. Д. Тепловыделение анализ также может показать, что при сжигании ацетон-бензиновых смесей наблюдается заметное поведение при высокой температуре тепловыделениятогда как 10 об.% ацетона в бензине демонстрирует самое высокое выделение тепла среди всех испытательных топлив. По тем же причинам высокое давление в цилиндре смешанного топлива (AC10) является самым высоким по сравнению с чистым бензином, как показано на рис. 3. Такая высокая скорость тепловыделения топливных смесей является результатом непосредственного пути образования СО, как показано нарис. 1. Механизм образования СО показывает прямой путь формирования, что означает быстрое сгорание ацетона в формегазовой фазы . Кроме того, такой прямой путь играет важную роль во времени задержки воспламенения топливных смесей.
Высокая объемная эффективность смешанных видов топлива (при увеличении доли ацетона в смешанных видах топлива, увеличении объемной эффективности) объясняется высокой скрытой теплотой сгорания ацетона (518 кДж / кг) по сравнению с бензином (380–500 кДж / кг), так как показано в таблице 2 , где чем выше теплоемкость , тем ниже испарение топлива и, следовательно, выше объемная эффективность. Ацетон испаряется гораздо медленнее, чем что-либо в бензине, где он находится в жидкой фазе при атмосферном давлении и комнатной температуре, в отличие от бензина. Ацетон может испаряться при низком давлении и температуре (27 бар и при 303 К [51]) или при 1 бар и 329 К (температура кипения 56 ° С, как показано в таблице 2 ). К этому добавлено высокое давление насыщенияацетона по сравнению с бензином; Давление насыщения ацетона составляет 53,4 кПа, тогда как для бензина оно составляет 31,01 кПа (при 38 ° C), как показано в таблице 2 . Еще одна причина преимущества объемной эффективности ацетона состоит в том, что поверхностное натяжение для ацетона составляет около 22,3 мН / м, но для бензина оно составляет около 20,9 мН / м (при 90% октана и 20 ° C) [58] . Следовательно, ацетону требуется более длительное время индукции.быть разложенным и испаренным из-за его высоких характеристик поверхностного натяжения. Но как только ацетон испаряется, он ускоряет горение, как только начинается реакция. Это можно объяснить на основе механизма реакции следующим образом. Обычно путь разложения ацетона медленнее, чем путь окисления. Следовательно, для разложения ацетона требуется больше времени, но через некоторое время происходит окисление, и, в свою очередь, реакция ускоряет процесс горения. Более высокая объемная эффективность ацетона приводит к получению более высокого крутящего момента двигателя, мощности, давления в цилиндре и температуры сгорания (например, температуры выхлопных газов). Как правило, использование ацетон-бензиновых смесей направлено на повышение эффективности преобразования топлива и производительности двигателя по сравнению с чистым бензином, как показано на рис. 2., Рис. 3 , рис. 4 , рис. 5 , рис. 6 .
Повышение производительности двигателя смешанного топлива может также относиться к тому факту, что значительный наклон смешанного топлива был получен, когда ацетон (AF = 9,54) смешивался с бензином (AF = 14,6) в определенных концентрациях. Это может частично объяснить скачок эффективности преобразования топлива из-за его более полного сгорания. Другая причина состоит в том, что ацетонное топливо содержит кислород (27,6 мас.%), Как показано в таблице 2 , что приводит к повышению эффективности преобразования топлива. Кроме того, ацетон имеет высокое октановое число примерно на 110, как показано в таблице 2 , из-за его высоких скоростей пламени. Чем выше скорость пламени, тем ниже тенденция к детонации и, в свою очередь, лучшая производительность.
Одна из гипотез ацетона в качестве топлива, как объяснялось выше, состоит в том, что его капля замедляет испарение, но ускоряет сгорание паров бензина, чтобы обеспечить более полное сгорание. Но добавление слишком большого количества ацетона в бензин ускорит горение пламени, а добавление слишком малого количества не повлияет или не ускорит горение топлива. В этой работе рассматривалось добавление 3–10 об.% Ацетона, и он хорошо работает; но необходимо определить максимальный предел добавления ацетона в бензин (это будет представлено в другой исследовательской работе). Кроме того, с увеличением содержания ацетона в смесях удельный расход топлива (рисунок не представлен) увеличивается из-за его более низкой плотности энергии по сравнению с чистым бензином, как показано наТаблица 2 . Кроме того, из-за более высокой скрытой теплоты испарения ацетона, чем у бензина, топливные смеси показали более высокие удельные расходы топлива, как и ожидалось. Однако на удельный расход топлива влияют многие факторы, такие как свойства топлива и параметры работы двигателя . Когда нагрузка / мощность постепенно увеличивается, удельный расход топлива постепенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что удельный расход топлива не измеряется во всем диапазоне скоростей, чтобы представить его как другие цифры в работе.
В ходе экспериментов было замечено, что при использовании ацетоновых смесей был получен разумный шум двигателя, хотя высокое давление в цилиндрах обычно вызывает высокий уровень шума (ацетоновые смеси обеспечивают высокое давление в цилиндрах, как показано на рис. 3 ). Еще одно преимущество использования ацетона в качестве смешанного топлива в двигателях SI заключается в том, что настроенные двигатели можно обслуживать без каких-либо необходимых модификаций / регулировок, когда содержание ацетона ниже 10% по объему. Кроме того, показано, что ацетон очень хорошо растворяется в бензиновом топливе, что, в свою очередь, обеспечивает высокое качество сгорания смесей. Однако ацетон также может растворяться в воде с образованием эмульсии , которая вызывает коррозию металлов. Следовательно, топливная система двигателябензин также должен быть полностью свободен от воды, в противном случае на топливной магистрали быстро произойдет коррозия, что приведет к широкомасштабной реформе топливной системы и, возможно, к худшему, если коррозия / повреждение возникли во время движения. Добавьте к этому, ацетон является эффективным разъедающим для резины и пластмассы; когда ацетон вступает в контакт с какими-либо резиновыми / пластмассовыми компонентами топливной системы, они растворяются, что приводит к обширному ремонту / замене / повреждению таких компонентов. Таким образом, топливная система не должна содержать никаких резиновых или пластмассовых компонентов, независимо от того, есть ли вода в системе / топливе или нет. В качестве рекомендации компоненты топливной системы должны быть изготовлены из высококачественных металлов перед использованием ацетона в двигателе, в противном случае возникнут серьезные проблемы, которые невозможно устранить.
3.3 . Выбросы
Рис. 7 , Рис. 8 , Рис. 9 иллюстрируют влияние ацетон-бензиновых смесей на выбросы двигателя. Как показано, использование ацетона с бензиновым топливом снижает выбросы выхлопных газов.в среднем около 43% для окиси углерода, 32% для двуокиси углерода и 33% для несгоревших углеводородов. Такое снижение выбросов изменяется при изменении частоты вращения двигателя или скорости смешивания. Когда частота вращения двигателя установлена равной примерно 2600 об / мин, AC3 производит количество выбросов меньше, чем чистый бензин, примерно на 40%, 29,5% и 35% для CO, CO2 и UHC соответственно; при использовании AC7 выбросы по сравнению с чистым бензином снижаются примерно на 44,5%, 34% и 33% для CO, CO2 и UHC соответственно; при использовании AC10 выбросы по сравнению с чистым бензином снижаются примерно на 46,7%, 35,5% и 31,8% для CO, CO2 и UHC соответственно. Это означает, что увеличение доли ацетона в смешанном топливе значительно снижает выбросы двигателя (CO и UHC). Но скорость снижения выбросов CO и UHC уменьшается за счет увеличения содержания ацетона, где вы можете сравнить изменения от AC3 до AC7 и / или от AC7 до AC10 с той же скоростью, как это будет показано позже. С другой стороны, обороты двигателя существенно влияют на выбросы загрязняющих веществ. Влияние оборотов двигателя и скорости ацетона на выбросы численно определяется следующим образом. Выброс СО для AC10 ниже, чем для AC7, на 2,2%, а выброс CO для AC7 ниже, чем CO для AC3, на 4,5%, при 2600 об / мин; однако при скорости 3400 об / мин CO AC10 ниже, чем CO AC7 на 5,5%, а CO AC7 ниже, чем CO AC3 на 7,7%, как показано на частота вращения двигателя существенно влияет на выбросы загрязняющих веществ. Влияние оборотов двигателя и скорости ацетона на выбросы численно определяется следующим образом. Выброс СО для AC10 ниже, чем для AC7, на 2,2%, а выброс CO для AC7 ниже, чем CO для AC3, на 4,5%, при 2600 об / мин; однако при скорости 3400 об / мин CO AC10 ниже, чем CO AC7 на 5,5%, а CO AC7 ниже, чем CO AC3 на 7,7%, как показано на частота вращения двигателя существенно влияет на выбросы загрязняющих веществ. Влияние оборотов двигателя и скорости ацетона на выбросы численно определяется следующим образом. Выброс СО для AC10 ниже, чем для AC7, на 2,2%, а выброс CO для AC7 ниже, чем CO для AC3, на 4,5%, при 2600 об / мин; однако при скорости 3400 об / мин CO AC10 ниже, чем CO AC7 на 5,5%, а CO AC7 ниже, чем CO AC3 на 7,7%, как показано наРис. 7 . Аналогично, в случае UHC, как показано на фиг.8 , AC10 ниже, чем AC7, на 1,3%, в то время как AC7 ниже, чем AC3, на 4,7% при скорости 2600 об / мин; однако при скорости 3400 об / мин AC10 ниже, чем AC7 на 6,3%, а AC7 ниже, чем AC3 на 8,25%. Как и в случае выбросов CO2, как показано на рис. 9AC10 выше, чем AC7 на 1,1%, а AC7 выше, чем AC3, на 2,3% при скорости 2600 об / мин; однако при скорости 3400 об / мин AC10 больше, чем AC7 на 1,6%, а AC7 больше, чем AC3 на 2,5%. Из этих чисел и их анализа можно заметить, что поведение смесей на высоких скоростях более эффективно при получении меньших выбросов загрязняющих веществ, чем в случае условий на низких скоростях. Кроме того, за счет увеличения скорости ацетона в смеси его эффективность по уменьшению выбросов не такая, как в условиях низкой скорости.
Интересно отметить, что при увеличении частоты вращения двигателя расход бензина отличается от смешанного топлива. В случае бензинового топлива содержание CO и UHC уменьшается, а содержание CO2 увеличивается за счет увеличения частоты вращения двигателя. В то время как в случае смешанного топлива выбросы CO и UHC увеличиваются за счет увеличения частоты вращения двигателя, пока они не достигнут пика, а затем они непрерывно уменьшаются до достижения минимального значения при скорости 3400 об / мин (предельная скорость эксперимента) , В случае выбросов CO2 поведение бензина аналогично поведению смешанных видов топлива, где CO2 увеличивается за счет увеличения частоты вращения двигателя для обоих типов топлива (бензин и смеси), но с разными скоростями (как показано ранее)
Одним из важных наблюдений является то, что наихудшие выбросы смесей происходят на средней скорости (2900–3000 об / мин), где достигаются самые высокие уровни CO и UHC. Кроме того, выбросы на низких скоростях (<2900 об / мин) имеют тенденцию увеличиваться при увеличении частоты вращения двигателя; но следует отметить, что выбросы смешанного топлива на низких и средних скоростях все же лучше, чем у бензинового топлива. Тенденции CO и UHC на низких и средних скоростях могут объясняться тем фактом, что пути производства / пласта CO и UHC являются доминирующими, чем пути потребления / окисления, например, быстрое производство / формация и медленное потребление / окисление как CO, так и UHC , Это может быть ясно показано на нескольких путях образования CO и UHC, но меньше на путях потребления.
При увеличении температуры внутри камеры сгорания (большая генерируемая мощность) в условиях высоких скоростей пути потребления / окисления становятся более активными, и, в свою очередь, СО и UHC уменьшаются. Кроме того, разложение / окисление углеводородов по пути реакции с диоксидом углерода (углеводороды могут образовывать диоксид углерода напрямую, не проходя через СО. Дальнейшим анализом результатов выбросов загрязняющих веществ с помощью ацетонового механизма, обсуждавшегося ранее, можно подчеркнуть, что выбросы CO, CO2 и UHC сильно зависят от промежуточных соединений. Такие соединения от разложения / окисления ацетона обычно увеличивались и росли при более низких температуре / давлении / скоростях из-за схемы скорости реакции. Реакционная способность таких промежуточных соединений зависит от скорости / мощности двигателя. Кроме того, скорость реакции зависит от концентрации кислородадавление, температура и природа соединений, например, различающиеся числом атомов C и H и связанными между ними связями. Кроме того, эти промежуточные соединения либо не термодинамически стабильны при высоких температурах реакции, либо имеют высокоэффективные пути реакции, которые приводят к стабильным продуктам CO2. Кроме того, роль кислорода в ацетоновом топливе может быть менее активной на низких и средних скоростях, нежели в окислении топлива. Наконец, важно уточнить, что влияние температуры и давления на химический состав разложения / окисления ацетона является довольно сложным, и анализ нуждается в дальнейшей поддержке путем исследования моделирования. В заключение можно подчеркнуть, что газофазные реакцииимеют большое влияние на выбросы загрязняющих веществ в двигателе, и это очень связано с частотой вращения двигателя. В качестве рекомендации можно оптимизировать выбросы загрязняющих веществ, образующихся в двигателе, при использовании топлива, смешанного с ацетоном и бензином, при работе на скоростях, превышающих или равных 3400 об / мин . В целом, выбросы загрязняющих веществ в двигателе SI, использующем смешанное топливо, намного ниже, чем в чистом бензиновом топливе на всех оборотах двигателя. Это может относиться к тому факту, что ацетонное топливо содержит кислород как часть его содержания, в то время как бензин не содержит кислорода. Это позволяет сжигать ацетон более полно с меньшим количеством загрязнений (CO и UHC). Также наблюдается, что ацетонное топливо содержит меньше атомов углерода, чем в бензиновом топливе, примерно на 62% (3 и 8 атомов углерода для ацетонового и бензинового топлива соответственно, как показано в таблице 2).), и это приводит к гораздо меньшим выбросам СО и СО2, чем в бензине (с точки зрения сохранения углерода). Кроме того, общий расход топлива может быть улучшен, поскольку смеси сгорают в значительных обедненных условиях (на расход топлива влияют параметры работы двигателя, как упоминалось ранее). Это может добавить преимущества широкого использования ацетонового топлива, не вызывая таких высоких выбросов, как в бензине. Из этого исследования можно сделать вывод, что ацетон является многообещающим топливом в двигателях SI из-за его дружественной окружающей среды. Добавление ацетона является своего рода активацией сжигания топлива или тоника. Анализируя факторы, влияющие на выбросы двигателя, в данной работе могут быть предложены следующие факторы, играющие основную роль в выбросах загрязняющих веществ двигателя SI в процессе сгорания, смешанных с ацетоном и бензином: индуцированный заряд воздуха, тип топлива и частота вращения двигателя. Заряд воздуха влияет на полноту сгорания. Увеличение содержания ацетона в топливных смесях или частоте вращения коленчатого вала двигателя (> 3000 об / мин) улучшает выбросы загрязняющих веществ CO и UHC. Следовательно, можно достичь высоких рабочих характеристик двигателя и низких выбросов загрязняющих веществ, оптимизируя обороты двигателя и / или увеличивая содержание ацетона в топливных смесях.
4 . Выводы
Несмотря на то, что в ранних исследованиях не было представленоникакой оценки характеристик сгорания ацетона в бензиновом двигателе, в этой работе было выявлено несколько факторов, позволяющих значительно исследовать характеристики и выбросы загрязняющих веществ в смеси, смешанной с ацетоном и бензином. Эксперименты проводились с топливными смесями, содержащими 3, 7 и 10 об.% Ацетона в бензине, а также чистое бензиновое топливо. Двигатель работал с каждой смесью при 2600–3500 об / мин. На основании этой работы можно сделать следующие выводы:
•
Использование ацетон-бензиновых смесей приводит к повышению эффективности преобразования топлива и производительности двигателя.
•
Чем выше содержание ацетона в смесях (до 10 об.%), Тем выше мощность двигателя, крутящий момент, объемная эффективность, температура выхлопных газов и давление в цилиндре.
•
Добавление ацетона в бензин приводит к начальному увеличению выбросов CO и UHC с последующим неуклонным снижением с увеличением частоты вращения двигателя. Тем не менее, выбросы (CO и UHC) постоянно уменьшаются с увеличением частоты вращения двигателя для чистого бензина.
•
В условиях высоких скоростей топливные смеси более эффективны для снижения выбросов загрязняющих веществ, чем в условиях низких скоростей.
•
Наихудшие (самые высокие) выбросы топливных смесей происходят на средней скорости (2900–3000 об / мин), но они все же ниже, чем у чистого бензина.
•
Выделены два основных пути сгорания ацетона: один для окисления, а другой для разложения. Путь разложения является доминирующим, чем путь окисления.
•
Ацетон нуждается в более длительном времени индукции для разложения, но как только он испаряется, он ускоряет горение после начала реакции.
•
По мере увеличения содержания ацетона в смесях удельный расход топлива увеличивается.
•
Три фактора были определены, чтобы значительно повлиять на производительность двигателя SI и выбросы при использовании ацетон-бензиновых смесей: индуцированный заряд воздуха, расход ацетона в топливных смесях и обороты двигателя.
•
Настройка двигателя SI может сохраняться без каких-либо необходимых изменений / регулировок, если содержание ацетона ниже 10% по объему.
•
Ацетон является очень перспективным альтернативным топливом для непосредственного использования в двигателях СИ. Добавление ацетона является своего рода активацией сгорания бензинового топлива. Но перед использованием ацетона в двигателе системы двигателя должны быть высокого качества.