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Aug 20, 2023

Auswirkungen des reaktivitätskontrollierten Kompressionszündungsmodus (RCCI)-Motorbetriebs in Dieselmotoren, die mit einer B20-Mischung aus Altspeiseöl-Biodiesel betrieben werden

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 4798 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der Zweck dieser Studie besteht darin, eine experimentelle Bewertung der Auswirkungen von RCCI (reaktivitätsregulierter Kompressionszündung) auf die Leistung, Emissionen und Verbrennung eines CRDI-Motors durchzuführen. Es wird ein Kraftstoffgemisch (20 % Biodiesel, 80 % Diesel und ein NaOH-Katalysator) erzeugt. Die hergestellte Kombination wird anhand der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) festgelegten Standards auf ihre Eigenschaften hin bewertet. Die Motorenforschung umfasste drei verschiedene Arten von Injektionen: 10 % Pen RCCI, 20 % Pen RCCI und 30 % Pen RCCI. Eine Erhöhung des Einspritzdrucks erhöht den thermischen Wirkungsgrad der Bremse, oft auch als BTE bezeichnet. Die NOx-Emissionen stiegen aufgrund höherer Einspritzdrücke und einer verbesserten Verbrennung. Wenn jedoch die Einspritzrate erhöht wird, sinkt der spezifische Kraftstoffverbrauch (SFC). Die CO2- und Kohlenwasserstoffemissionen sowie die Rauchtrübungswerte stiegen mit zunehmender Ladung. Das resultierende Gemisch kann in einem CI-Motor mit Vormischzündung verwendet werden, um die Gesamtleistung des Motors sowie die Verbrennungseigenschaften zu verbessern.

Die Transportindustrie ist für einen erheblichen Teil des weltweiten Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen verantwortlich1. Daher sollte das Erreichen einer hohen Energieeffizienz durch strikte Einhaltung der Emissionsanforderungen im Mittelpunkt jedes Plans stehen, um ein stetiges, umweltverträgliches und sozial gerechtes Wirtschaftswachstum zu gewährleisten2. Die Nachfrage nach Rohöl wächst aufgrund der weltweiten Wirtschaftsexpansion rasant. Der willkürliche Einsatz verschiedener Brennstoffquellen hat zu einem Anstieg der Zahl der Menschen mit Atemwegserkrankungen sowie zu einer zunehmenden Erschöpfung fossiler Brennstoffe usw. geführt. Diese Faktoren haben den Weg für die Nutzung alternativer Energiequellen geebnet[3,4,5,]. Den numerischen Simulationen zufolge verringert eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der elektrochemischen Zelle die Spannungsschwankungen der Einheit und reduziert den Stromverbrauch des Systems um 19 %6. Dieselmotoren sind für Forscher aufgrund ihres hohen CR und ihrer hervorragenden Kraftstoffeffizienz attraktiv7,8. Dennoch hat sich gezeigt, dass Dieselmotoren mehr Feinstaub und Stickoxide erzeugen9. Aufgrund der geringeren Emissionen und der verbesserten Effizienz hat die vorgemischte Kompressionszündung (PCCI) in den letzten Jahren zu Bedenken geführt. Durch die Verwendung einer fortgeschritteneren Mischung von Kraftstoff und Luft vor der Zündung kann die Partikelmenge bei Verwendung des PCCI-Verbrennungsmodus10 reduziert werden. Die NOx-Emissionen wurden durch die Verwendung eines magereren Kraftstoff-Luft-Gemisches in Verbindung mit einer verbesserten Abgasrückführungsrate (AGR) reduziert. Dadurch wurde die Verbrennungstemperatur gesenkt. Da Dieselkraftstoff leichter entflammbar, aber weniger flüchtig ist als Benzin, müssen bei der PCCI-Verbrennungsart einige Hürden überwunden werden. Zu diesen Herausforderungen gehören die Herstellung einer homogenen Mischung, die Steuerung der Zündung, eingeschränkte Funktionalität und starke Stöße auf die Brennkammerwände11. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Volumenprozentsatzes der Partikel die Wärmekapazität und die Flüssigkeitsviskosität verbessert, der Trend der Schwankungen der Wärmekapazität hängt jedoch von den herkömmlichen Flüssigkeiten ab12.

Die RCCI-Verbrennungsart, eine praktikable und saubere Verbrennungstechnik, wurde kürzlich erfunden. Um den mit der PCCI-Verbrennungsart verbundenen Herausforderungen zu begegnen, nutzt dieses System zwei einzigartige Arten von Kraftstoffen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sowie eine separate Einspritzung. Der Begriff „Reaktivitätsgradient“ bezieht sich auf die andere Art der Reaktivität, die global oder lokal sein kann13. Sowohl die verschiedenen Kraftstoffarten als auch die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge werden zur Steuerung der globalen Reaktivität genutzt. Der Reaktivitätsgradient unterscheidet sich vom Ansatz der Kraftstoffeinspritzung, der die frühe bzw. späte Einspritzung von Kraftstoffen mit hoher bzw. niedriger Oktanzahl umfasst. Infolgedessen kann der RCCI-Verbrennungsmodus je nach Kraftstoffeinspritzmethode und Einspritzrate variieren14,15. Im Ansaugkrümmer wurde Benzin mit höherer Oktanzahl verwendet, während im Brennraum Kraftstoff mit höherer Oktanzahl verwendet wurde. Dies geschah, um die Reaktivität des Brennstoffs in einer separaten Struktur anzuordnen, was zu einer Schichtverbrennung führte16. Durch die Verwendung von Polyoxymethylendimethylethern (PODE) als hochreaktivem Brennstoff (HRF) in Kombination mit Methanol als niedrigreaktivem Brennstoff (LRF) für die RCCI-Verbrennung konnten Duraisamy et al.17 die Dauer des Verbrennungsprozesses und die Verzögerungszeit erheblich reduzieren . Pan et al.18 entdeckten, dass mit zunehmendem Anteil der vorgemischten Verbrennung der IMEP für die RCCI-Verbrennung von Isobutanol-Diesel und Benzin-Diesel deutlich zunahm. Die Isobutanol- und Diesel-RCCI-Motoren zeigten einen größeren IMEP, wenn beide Kraftstoffe gleichmäßig vorgemischt wurden, als der Benzin-Diesel-RCCI-Motor. Yang et al.19 beobachteten in ihrer Studie am RCCI-Motor, dass der Zeitpunkt der Benzin- und Methanoleinspritzung einen Einfluss auf den Verbrennungsprozess hatte. Es war möglich, die Leistung zu verbessern, indem die vorherige Diesel-Einspritzzeit und die nachfolgende Methan-Einspritzzeit angepasst wurden. Wang et al.20 berichteten, dass eine Erhöhung des Lufteinlasses und eine Verringerung der AGR den thermischen Wirkungsgrad eines Benzin-PODE-RCCI-Motors verbesserten. Luftverdünnung, um den Ansaugdruck konstant zu halten, verbessert die thermische Effizienz. Zheng et al.21 zeigten, dass niedrige und mittlere Lasten die RCCI-Wärmeleistung (HRR) senkten. Eine Erhöhung des n-Butanol-Verhältnisses des Motors verringerte seinen thermischen Wirkungsgrad. Charitha et al.22 fanden heraus, dass die Zugabe von Baumwollölmethylester die NOx-Emissionen reduzierte. Die HC-Emissionen stiegen, wenn die Menge an Baumwollölmethylester niedrig war, sanken jedoch, wenn sie höher war. Isik et al.23 fanden heraus, dass ein mit Ethanol betriebener RCCI-Motor mit B50 HRF einen höheren Spitzendruck erzeugte als der Kontrollmotor. Die HRR-Kurven des mit Ethanol betriebenen RCCI-Motors stiegen in alle Richtungen an. Thiyagarajan et al.24 zeigten, dass n-Pentanol den BTE im Vergleich zu Methanol erhöhte. Der Dual-Fuel-Modus verbrauchte weniger als Biodiesel, aber mehr als Diesel in Bezug auf die bremsspezifische Energie (BSEC). Laut Radheshyam et al.25 nahm die Verzögerungszeit mit der AGR-Rate und dem Pentanolgehalt zu. Bei geringer Belastung senkte 1-Pentanol den Zylinderdruck, während es bei hoher Belastung anstieg.

Beim Einsatz von RCCI hat Benzin den Nachteil, dass nicht genügend Energie aus fossilen Quellen zur Verfügung steht. Darüber hinaus enthält das Benzin polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, allgemein bekannt als PAK, die einen Faktor bei der Rußbildung darstellen26. Experten untersuchen andere Kraftstoffquellen, um eine Lösung für die Situation zu finden. Aufgrund seiner Oxidation und Wiederholbarkeit für RCCI-Motoren haben sich Alkoholkraftstoffe nach und nach zu vielversprechenden Kraftstoffen mit geringer Aktivität entwickelt. Dadurch konnten sie sich stetig zu einem geeigneten Kraftstoff mit geringer Aktivität weiterentwickeln. Darüber hinaus haben Alkoholenergien eine höhere Verdampfungswärme im Leerlauf und enthalten kein PAK27. Aufgrund ihrer enormen Effizienz und geringen Emissionen haben RCCI-Motoren (reaktivitätsgeregelte Kompressionszündung), die die kombinierten Kraftstofftechniken herkömmlicher Diesel- und Benzinmotoren verwenden, viel Zuspruch gefunden der Aufmerksamkeit14. Diese Motoren verwenden eine Kombination aus Standard-Diesel- und Benzin-Kraftstofftechniken. Diese Motoren verwenden ein Hybrid-Kraftstoffsystem, das Diesel- und Benzin-Kraftstoffmethoden kombiniert. Der RCCI wurde ursprünglich mit der Absicht entwickelt, Benzin und Diesel als Kraftstoffe mit niedriger und hoher Reaktivität zu verwenden, um das erforderliche Maß an Reaktion zu erzeugen. Einige der Forscher haben ihren Fokus auf die Frage verlagert, ob RCCI-Motoren alternative und erneuerbare Energiequellen nutzen können. Der RCCI wurde ursprünglich mit der Idee entwickelt, Benzin und Diesel als Kraftstoffe mit geringer bzw. hoher Reaktivität zu verwenden. Einige der Forscher konzentrierten ihre Bemühungen auf die Entwicklung von Methoden zur Nutzung alternativer und erneuerbarer Energiequellen in RCCI-Motoren. Beispielsweise wurden in früheren Studien Kraftstoffe mit geringer Reaktivität wie Erdgas, Methanol und Ethanol eingesetzt, obwohl weiterhin Kraftstoffe mit hoher Reaktivität wie Diesel verwendet wurden28,29.

Chen et al.30 berichteten in ihrer Studie, dass Diesel-n-Pentanol-Methanol-Mischkraftstoffe eine kürzere Verbrennungsdauer und eine längere Zündverzögerung aufwiesen, was im Vergleich zu Diesel zu einer höheren HRR führte. Die Diesel-n-Pentanol-Methanol-Mischkraftstoffe weisen geringere Rußemissionen als Diesel auf, verursachen jedoch höhere NOx-Emissionen. Huang et al.31 beobachteten, dass die Zugabe von n-Pentanol die HRR steigerte, was die Verbrennung beschleunigte und die Zeit bis zur Verbrennung verkürzte. Der Anteil des von den Bremsen genutzten Kraftstoffs nahm mit zunehmender AGR-Rate zu. Tian et al.32 beobachteten, dass das Mischen von n-Butanol mit Benzin die Temperatur des Motorabgases im Vergleich zur alleinigen Verwendung von Benzin senkt. Im Vergleich zu reinem Benzin haben gemischte Kraftstoffe aus n-Butanol und Benzin sowie reines n-Butanol das Potenzial, sowohl den BTE als auch den volumetrischen Wirkungsgrad bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen zu verbessern. Die Kombination von n-Butanol mit Benzin verringert wahrscheinlich die Menge an Kohlenmonoxid und Stickoxiden, die vom Motor erzeugt werden. Bei der reaktivitätsgesteuerten Kompressionszündung handelt es sich um ein teilweise vorgemischtes Dual-Fuel-Verbrennungskonzept, das die Saugrohreinspritzung eines Kraftstoffs mit geringer Reaktivität (z. B. Benzin, Gas und Alkohol) und die Direkteinspritzung eines Kraftstoffs mit hoher Reaktivität (z. B. Diesel usw.) verwendet Biodiesel) mit Mischung innerhalb der Brennkammer zur Verlängerung der Verbrennungsdauer und Phasensteuerung33. Der Betrieb von Dual-Fuel-Motoren im RCCI-Modus verbessert den thermischen Wirkungsgrad und senkt gleichzeitig die Stickoxid- und Rußemissionen. Die mitgelieferte Hardware begrenzt die stabile RCCI-Verbrennung. Niedrige Lasten können die Verbrennungseffizienz verringern, hohe Lasten können jedoch dazu führen, dass der Zylinderdruck die Auslegungsgrenze des Motors überschreitet34. Unter hoher Last führt die schnelle RCCI-Verbrennung zu hohen Spitzendrücken im Zylinder und Druckanstiegsraten35.

Altspeiseöle (WCOs) sind nützliche Nebenprodukte der Nahrungskette, die das Potenzial haben, als umweltfreundliche Rohstoffe bei der Synthese von Chemikalien verwendet zu werden. Altspeiseöle sind auch unter der anderen Bezeichnung Altspeiseöl bekannt. Die erstaunliche Anzahl von WCOs in verschiedenen Regionen der Welt hat zu schwerwiegenden Problemen in den Bereichen Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft geführt. Es wird geschätzt, dass jedes Jahr weltweit mehr als 15 Millionen Tonnen Pflanzenölabfälle anfallen, wobei die Europäische Union (EU) jährlich über 1 Million Tonnen beisteuert36,37. Triglyceride, Monoglyceride und Diglyceride machen den größten Teil der WCOs aus. Es kommen auch freie Fettsäuren vor, deren Mengen zwischen 5 und 20 Gew.-% liegen. Triglyceride, die hauptsächlich aus gesättigten und ungesättigten Fettsäuren bestehen, werden als Plattformchemikalien bei der Herstellung hochwertiger Rohstoffe in einer Vielzahl von Branchen verwendet. Diese Plattformverbindungen haben ein breites Anwendungsspektrum38,39. Nach Durchsicht einer Vielzahl unterschiedlicher Literaturrecherchen wurde ein verlässlicher Maßnahmenplan entwickelt und in der aktuellen Studientätigkeit umgesetzt. Aufgrund seiner Effizienz bei mäßiger Belastung ist aus Altspeiseöl erzeugter Biodiesel im Vergleich zur Effizienz bei niedriger oder hoher Belastung ein bevorzugter alternativer Kraftstoff für CRDI-Motoren. Biodiesel gilt nicht nur als alternativer Kraftstoff, sondern hat auch einen erheblichen Einfluss auf die Menge an Schadstoffen, die bei seiner Verbrennung nicht in die Atmosphäre gelangen. Darüber hinaus bietet es eine Lösung für das Dilemma der Nachfrage nach fossilen Brennstoffen. Dieses Forschungsgebiet stellt einen Mechanismus für CRDI-Motoren bereit, um eine Vielzahl von Altspeiseölen zu nutzen. Darüber hinaus soll eine reaktivitätskontrollierte Kompressionszündung (RCCI) angeboten werden, die dafür sorgt, dass der Dieselmotor so effizient wie möglich arbeitet.

Durch die Kombination von 80 % Diesel (3L) und 20 % Biodiesel entstand eine 4L B20-Ölmischung, die häufiger als Hochleistungskraftstoffmischung (1L Altspeiseöl) bezeichnet wird. Bei der Umesterung verwendeten wir 1,2 Liter Öl, das auf 60 Grad Celsius erhitzt wurde. 180 ml Methanol und 4,5 g Natriumhydroxid-Katalysator wurden zugegeben. Anschließend gibt es für die folgenden 90 Minuten eine Entspannungsphase. Anschließend wird der Biodiesel zur Schichtentrennung in den Scheidetrichter überführt und dort zwei Stunden lang ruhen gelassen. Danach beginnt es sich in zwei Schichten aufzuspalten, wobei sich die Glyzerinschicht unten und die Biodieselschicht oben befindet. Im letzten Prozess wird der Biodiesel gewaschen. Dabei wird die Wassertemperatur auf siebzig Grad erhöht. Anschließend wird der Biodiesel im letzten Verarbeitungsschritt für weitere 45 Minuten bei einer konstanten Temperatur von 110 Grad gekocht. Zur Herstellung des Endprodukts werden 1,2 L Altspeiseöl in 1 L Biodiesel umgewandelt, wie in Abb. 1 dargestellt.

Aufbereitung von Biodiesel.

Das wichtige Ziel des Eigenschaftsscreenings besteht darin, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kraftstoffmischung zu bewerten und mit denen der Standardwerte zu vergleichen. Dies erfolgt durch den Vergleich der Kraftstoffmischung mit einer Reihe von Standardwerten. Die gebildete Kraftstoffkombination wird mithilfe verschiedener wissenschaftlicher Geräte einer Reihe von Tests unterzogen, um ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Ergebnisse dieser Tests werden nach Abschluss gesammelt.

Aräometer: Es handelt sich um eine Maschine, die das spezifische Gewicht eines Materials bestimmt. Die Genauigkeit beträgt 0,001 Grad. Mit dem Aräometer wird die Dichte des Biodieselgemisches berechnet. Nach Auswahl eines akzeptablen Hydrometers für das spezifische Gewicht werden 250 ml der Biodieselmischung in das Becherglas gegeben. Nach dem Eintauchen in das Becherglas wurde das Aräometer dem Stabilisierungsverfahren unterzogen. Das Hydrometer zeigte die Messung des spezifischen Gewichts an, die nach dem Eintauchen erhalten wurde.

Die Viskosität wird mit einem Canon-Fenske-Viskosimeter gemessen (Abb. 2). Das Viskositätsrohr wurde mit Aceton gereinigt und getrocknet. 50 ml Biodiesel gingen in das Viskositätsröhrchen. Um die Marke des Benzinviskosimeters anzuheben, war eine Absaugung erforderlich. Um die Biodieselprobe zu erwärmen, wurde das Viskosimeter 30 Minuten lang in ein 40 °C warmes Bad gestellt. Nachdem der Biodiesel den höheren Punkt erreicht hatte, wurde die Saugkraft abgeschaltet und die Zeit aufgezeichnet, die zum Erreichen des unteren Ziels benötigt wurde.

Viskositätsmessung.

Der Wert des Kaloriengehalts wird mithilfe eines Bombenkalorimeters ermittelt. Die Bombe, die Feuereinheit, der versetzte Rührer, das Gasablassventil, der Wassermantel, der Timer, das Manometer, der Tiegel, der Zünddraht, das Thermometer und das Kalorimetergefäß sind die Komponenten, aus denen das Kalorimeter besteht. Die Wärmemenge, die bei der Verbrennung von 10 ml Biodieselmischung in einer geschlossenen Kammer entsteht, wird zur Berechnung des Heizwerts des Kraftstoffs verwendet.

Für die experimentelle Untersuchung wird ein Dieselmotor mit einem Zylinder und vier Takten eingesetzt. Dieser Dynamometer nutzt Wirbelstrom zur Belastung des Motors und ist zu diesem Zweck mit diesem verbunden. Es ist bereits mit den erforderlichen Geräten zur Erkennung von Kurbelwinkel und Verbrennungsdruck ausgestattet und kann sofort eingesetzt werden. Ein Datenerfassungsgerät bestehend aus einem piezoelektrischen Drucksensor und einem Kurbelwinkelanzeiger wurde entwickelt und im Motor installiert, um die Überwachung der Verbrennungseigenschaften des Motors zu unterstützen. Um den Zylinderdruck, die Wärmefreisetzungsrate und die Zündverzögerung zu bestimmen, muss das Datenerfassungssystem das Ausgangssignal eines an das Datenerfassungssystem angeschlossenen Druckwandlers über einen Zeitraum von fünfzig Zyklen mitteln. Dies ist erforderlich, um eine genaue Messung des Zylinderdrucks, der Wärmefreisetzungsrate und der Zündverzögerung zu erhalten. Abbildung 3 zeigt den Prüfstand sowie ein allgemeines schematisches Layout, das einen allgemeinen Überblick über das gesamte System bietet. Bevor stationäre Messungen durchgeführt werden können, muss der Motor zunächst ohne Last gestartet werden und ihm dann ausreichend Zeit zum Aufwärmen auf seine Nenndrehzahl von 1.500 Umdrehungen pro Minute (U/min) gegeben werden. Wenn der Motor seine Nenndrehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute erreicht hat, können stationäre Messungen durchgeführt werden. Als Ergebnis dieser Forschung wird es möglich sein, die Auswirkungen der thermischen Effizienz der Bremse und anderer Emissionsparameter wie Stickoxide, Ethangastemperatur und -zusammensetzung, Kohlenmonoxidkonzentration und -zusammensetzung, Rauchopazität und Rauchdampfdruck zu überwachen und zu analysieren , über Motorleistung und Emissionswerte. Es umfasst neben einem Rauchmessgerät auch einen Partikelgrößenanalysator. Die Trübungsmessgeräte, die die Lichtmenge erkennen und messen, die in einer von Dieselmotoren abgegebenen Rauchprobe behindert wird, werden als Dieselabgasrauchmessgeräte bezeichnet. Der Rauchmesser zeigt die Rauchdichte an, was einen Hinweis auf die Effizienz der Verbrennung gibt. Eine separate elektrische Steuereinheit ist in einem separaten Messkopf im Messkopf des Rauchmessgeräts untergebracht. Zusätzlich verfügt der Messkopf über eine optische Einheit. Die Gasanalysatoren basieren auf der Idee, dass das zu testende Gas Licht absorbiert, um einen genauen Messwert zu liefern. Der Analysator muss lediglich einen Lichtstrahl durch die unbeheizte Kammer schießen und dann wird der Anteil der jeweiligen Wellenlänge gemessen, der von der Probe erfasst wurde. Der Analysator besteht aus einem optischen Filter, der jegliches Licht außerhalb der Wellenlänge, die das jeweilige Gasmolekül erkennen kann, blockiert. Andere Gasmoleküle haben nicht die Fähigkeit, Licht dieser spezifischen Wellenlänge zu absorbieren, und sie haben nicht einmal einen Einfluss auf die Lichtmenge, die vom Detektor empfangen wird.

Motorprüfstand.

Nachdem der Dieselmotor mit diesen Parametern gestartet wurde, wurden ihm die erzeugten Testkraftstoffe zum Betrieb zugeführt, sodass er gemäß Tabelle 1 bewertet werden konnte. Der Motor wurde während des Tests einer Reihe von Belastungen ausgesetzt und es wurden Leistungsdaten bei a erfasst konstante Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute (U/min).

Unsicherheit und Ungenauigkeit können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, beispielsweise durch die Auswahl der Prüfgeräte und deren Kalibrierung sowie durch die sich ständig ändernden Bedingungen in der Umgebung. Die meisten unklaren Ergebnisse lassen sich entweder auf vorsätzliche Fehler oder unvorhergesehene Ausrutscher zurückführen. In einer früheren Diskussion haben wir das Problem der Wiederholbarkeit diskutiert; In der zweiten Diskussion sprachen wir über das Problem der Analyse40. In der A-Posteriori-Wahrscheinlichkeit der beiden Guass-Verteilungen wird die Unsicherheitsvarianz in der Teststatistik, die durch die Achse X angegeben ist, mithilfe der Gleichung ausgewertet. (1). 95 % der berechneten Zahlen liegen innerhalb der Grenze von zwei Cent, was dem Durchschnitt entspricht.

Xi stellt den experimentellen Mittelwert und die Standardabweichung dar. Diese Aussagen behaupten, dass eine Bewertung der Messunsicherheiten vorgenommen wurde41.

In der Gleichung steht der Buchstabe „R“ für die Funktion von X1, X2, Xn usw. (2). Die Gesamtzahl der Messungen, bezeichnet mit Xn, wurde mit bestimmt. Der Wert von „R“ wird bestimmt, indem die Quadratwurzel der Standardabweichung gezogen wird, die mit den definierenden Erwartungen verknüpft ist.

Um ein besseres Verständnis der Verbrennungseigenschaften des Motors zu erhalten, wurden Verbrennungsmetriken wie IMEP und COV verwendet, die sowohl die thermische Effizienz als auch die Zündeffizienz sowie höhere Zylinderinnentemperatur, Druckrate und MFB zeigten. Den Schlussfolgerungen dieser Studie zufolge wurde der IMEP sowohl während der Kompressions- als auch der Expansionsphase wie folgt berechnet:

Das mit Vd bezeichnete Verdrängungsvolumen kann durch Integration einer Funktion berechnet werden, die zu Beginn des Kompressionshubs (180 Grad KW) beginnt und bis zum Abschluss des Expansionshubs (180 Grad KW) fortgesetzt wird. Der COV wurde folgendermaßen formuliert:

Der Umesterungsprozess dient der Verbesserung und Bewertung der Biodieselsynthese. Der Umesterungsprozess dauerte etwa 90 Minuten bei 60–65 °C. Überschüssiges Methanol wurde in einem Methanol-zu-Öl-Verhältnis von 6:1 eingesetzt, um die Biodieselproduktion zu steigern. Als Katalysator wurde KOH verwendet, was zu einer maximalen Ausbeute von 96 % führte. Betrachtet man mehrere Eigenschaftstests von Hochleistungskraftstoff, Biodiesel und Diesel, stellt man fest, dass der Kupferkorrosionstest für alle besprochenen Kraftstoffarten die gleichen Ergebnisse lieferte . Der Trübungspunkt für herkömmliche Diesel-, Biodiesel- und Hochleistungskraftstoffmischungen liegt bei −1 °C. Der Brennwert ist während des gesamten Verbrennungsprozesses besonders wichtig; höhere Heizwerte sind vorzuziehen. Abbildung 4 zeigt, dass die Heizwerte relativ wenig variieren (d. h. Diesel – 9235,23 Cal/g, Biodiesel – 7445,65 Cal/g und Hochleistungskraftstoffmischung – 8818,116 Cal/g). Darüber hinaus waren alle Eigenschaften mit denen eines herkömmlichen Diesels vergleichbar. Hochleistungsbenzine und Biodiesel haben einen extrem hohen Stockpunkt und können daher schon bei Temperaturen von − 8 °C eingesetzt werden. Dies ist eine sehr gewünschte Kraftstoffeigenschaft, da in vielen Ländern, darunter den Vereinigten Staaten, Russland, China und Kanada, Temperaturen unter null Grad Celsius herrschen.

Unterbrechen Sie den thermischen Wirkungsgrad im Verhältnis zur Last.

Es wurde beobachtet, dass es für jede Maschinenladung einen großen Unterschied beim BTE gibt, bei bestimmten Gewichten bis zu vier Punkte. Dies sind die Auswirkungen einer Änderung des Vormischverhältnisses des CRDI-Motors basierend auf der Last bei einem bestimmten BMEP42. Unter allen Umständen mit gemischten Kraftstoffen erhöht eine Erhöhung der Last den thermischen Wirkungsgrad der Bremse. Mit steigender Belastung verringert sich der Wärmeverlust. Der Grafik zufolge hat B20–30 % Pen RCCI den höchsten BTE, gefolgt von B20–20 % Pen RCCI, B20–10 % Pen RCCI Diesel und B20-normal. Die 30 % vorgemischte Ladung weist im Vergleich zu B20–20 % Pen RCCI, B20–10 % Pen RCCI, B20 und Diesel offensichtlich den höchsten BTE während der gesamten Injektion auf.

Das Verhältnis der Luftmenge, die von der Maschine gerieben wird, zur Luftmenge, die vom Kolben gespült wird, ist die volumetrische Leistung der Maschine. Beim Expansionshub bewegt sich der Kolben bis zum unteren Totpunkt, das Volumen, das er von außen ansaugt, ist jedoch nicht dasselbe wie das Volumen, das er beim Expandieren überstrichen hat. Die Grafik zeigt, dass Diesel den maximalen volumetrischen Wirkungsgrad aufweist. Bei steigender Last zeigt sich jedoch, dass der volumetrische Wirkungsgrad in verschiedenen Situationen abnimmt. Abbildung 5 zeigt, dass B20–10 % Pen RCCI bei maximaler Belastung den besten volumetrischen Wirkungsgrad aufweist.

Volumetrischer Wirkungsgrad im Verhältnis zur Last.

Ein Abgastemperaturmesser ist ein Gerät, das die Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors misst. Je nach Energie steigt oder sinkt die Temperatur des Abgases. Wie in Abb. 6 dargestellt, steigt die Abgastemperatur mit zunehmender Last; Bei maximaler Belastung weist RB20 im Vergleich zu anderen Kraftstoffen die höchste Abgastemperatur auf. RB20-PM30 % hat die niedrigste Abgastemperatur bei maximaler Last.

Abgastemperatur im Verhältnis zur Last.

Dabei handelt es sich um die Kraftstoffmenge, die ein Fahrzeug für jede erzeugte Energieeinheit verbraucht. Der spezifische Treibstoffverbrauch eines Triebwerks ist die Treibstoffmenge, die zur Erzeugung einer Schubeinheit benötigt wird. Es vergleicht die Effizienz von CRDI-Motoren. Abbildung 7 zeigt den jeweiligen Kraftstoffverbrauch bei verschiedenen Lasten. Mit steigender Last steigt auch der spezifische Kraftstoffverbrauch. Im Vergleich zu B20–10 % Pen RCCI, B20–20 % Pen RCCI, Diesel und B20 weist B20–30 % Pen RCCI den niedrigsten spezifischen Kraftstoffverbrauch auf.

Spezifischer Kraftstoffverbrauch im Verhältnis zur Last.

In einem RCCI-Motor entsteht Kohlenmonoxid als Nebenprodukt unvollständiger Verbrennung. Es entsteht durch die teilweise Oxidation von Verbundwerkstoffen auf Kohlenstoffbasis. Bei der Verbrennung entsteht häufig Kohlendioxid (CO2). Abbildung 8 zeigt, dass Diesel den geringsten CO-Ausstoß aufweist, während B20 fast denselben Ausstoß aufweist. Bei bestimmten Lasten liegt der CO-Ausstoß bei B30–30 % Pen RCCI, darüber hinaus ist er so niedrig wie bei Diesel.

Kohlenmonoxid versus Belastung.

Kohlenstoff- und Wasserstoffatome kommen in Benzin vor. Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung, wenn Kohlenstoff (C) aus dem Kraftstoff mit Sauerstoff (O2) aus der Luft (CO2) interagiert. In dieser Abbildung 9 hat B20–30 % Pen RCCI die geringsten Emissionen bei der größten Belastung und B20 die höchsten Emissionen bei der niedrigsten Belastung, aber die meisten Kraftstoffe sind im Fazit ungefähr gleich.

Kohlendioxid versus Belastung.

CRDI-Motoren laufen bei höheren Temperaturen und Drücken als Benzinmotoren. Als Folge dieser Situationen entstehen NOx-Gase. Stickoxide sind sehr giftige und hochreaktive Gase. Diese Gase entstehen bei der Verbrennung von Kraftstoff mit hoher Temperatur. Pkw, Lkw und andere nicht für den Straßenverkehr bestimmte Fahrzeuge erzeugen NOx-Emissionen (z. B. Baumaschinen, Boote). Es scheint ein bräunliches Gas zu sein. In dieser Abbildung 10 weist Diesel sowohl bei der niedrigsten als auch bei der höchsten Belastung die niedrigsten NOX-Emissionen auf. Im Vergleich zu B20, Diesel, B20–20 % Pen RCCI und B20–10 % Pen RCCI weist B20–30 % Pen RCCI die höchsten Emissionen auf.

Stickoxid versus Belastung.

Die Ursache liegt meist in einer unvollständigen Kraftstoffverbrennung im Brennraum. Es handelt sich lediglich um unverbranntes Benzin, das direkt in die Abgasanlage geschüttet wird. Die Kompression wird reduziert, wenn ein Zündproblem oder ein interner Motorschaden vorliegt. Durch eine unzureichende Kraftstoffzündung wird eine erhebliche Menge HC in die Umwelt freigesetzt. Abbildung 11 zeigt den größten HC-Emissionswert bei maximaler Belastung für den B20–30 % Pen RCCI. DIESEL emittiert sowohl bei maximaler als auch bei minimaler Belastung die geringste Menge an Schadstoffen.

Kohlenwasserstoffemission im Vergleich zur Belastung.

Bei dieser Form der Emission entstehen Partikel, die durch die Ablagerung von Kraftstoff an der Zylinderwand entstehen. Die Lichtmenge, die durch Rauch blockiert wird, wird als Opazität bezeichnet und spielt eine Rolle bei der Messung der Rauchmenge, die ein CRDI-Motor durch an den Zylinderwänden verbleibendes Benzin erzeugt. Die Deckkraft von B20 ist sowohl bei der maximalen als auch bei der niedrigsten Belastung am größten und beträgt bei B20–30 %. Abbildung 12 zeigt, dass der Pen RCCI selbst bei voller Belastung die geringste Opazität aufweist.

Rauchopazität im Verhältnis zur Last.

Die Abbildungen 13, 14, 15, 16 und 17 zeigen den Kurbelwinkel und den Zylinderdruck. Wir können beobachten, dass der Zylinderdruck bei Diesel größer ist und B20–30 % Pen RCCI den niedrigsten CP bei niedrigeren Lasten aufweist. Wenn der Kurbelwinkel zunimmt, erhöht sich der CP für B20–30 % Pen RCCI. DIESEL hat den höchsten CP bei 0 % Last und B20–30 % Pen RCCI hat den niedrigsten CP. Bei 25 % Auslastung hat Pen RCCI den niedrigsten CP und Diesel den höchsten CP. Diesel hat den höchsten CP bei 50 % Last, gefolgt von B20 und B20–30 % Pen RCCI hat den niedrigsten CP. Bei 75 % Belastung hat B20–30 % Pen RCCI den höchsten CP, gefolgt von B20–20 % Pen RCCI und B20 den niedrigsten. Bei maximaler Last (100 % Last) hat B20–30 % Pen RCCI den höchsten CP, während Diesel den niedrigsten CP hat. Infolgedessen ist eine Erhöhung des Kurbelwinkels umgekehrt proportional zu einer Erhöhung des Zylinderdrucks.

Zylindrischer Druck bei 0 % Last.

Zylindrischer Druck bei 25 % Last.

Zylindrischer Druck bei 50 % Last.

Zylindrischer Druck bei 75 % Last.

Zylindrischer Druck bei 100 % Last.

Der Winkel der Kurbel hat Einfluss auf die insgesamt abgegebene Wärmemenge. Gemäß den in den Abbildungen dargestellten Daten. 18, 19, 20, 21 und 22 Diesel haben die höchste Nettowärmeabgabe bei 0 % Last, gefolgt von B20–10 % Pen RCCI und B20 mit der niedrigsten. Durch die Erhöhung der Last auf 25 % können wir die beim Diesel auftretenden Schwingungen bei verschiedenen Kurbelwinkeln untersuchen. B20 unterliegt stärkeren Schwankungen als Diesel. Die Nettowärmeabgabe von B20 ist am höchsten, während die Nettowärmeabgabe von Diesel am niedrigsten ist. Diesel weist bei allen Lasten die größte Variabilität auf, was sich daran zeigt, dass er bei 50 % Last die höchste Nettowärmefreisetzung aufweist, gefolgt von B20–20 % Pen RCCI und dann Diesel, der die niedrigste Nettowärmefreisetzung aufweist. Bei 75 % Last ist die Nettowärmeabgabe, die von B20–20 % Pen RCCI erzeugt wird, am größten, gefolgt von der von DIESEL und B20–20 % Pen RCCI erzeugten. Bei bestimmten Belastungen hat B20–30 % Pen RCCI die geringste Nettowärmeabgabe, bei 100 % Belastung weist B20–30 % Pen RCCI jedoch die größte Nettowärmeabgabe auf, gefolgt von B20–20 % Pen RCCI.

Nettowärmeabgabe bei 0 % Last.

Nettowärmeabgabe bei 25 % Last.

Nettowärmeabgabe bei 50 % Last.

Nettowärmeabgabe bei 75 % Last.

Nettowärmeabgabe bei 100 % Last.

Diese Forschungsstudie schlägt eine Lösung für CRDI-Motoren vor, um eine Vielzahl von Altspeiseölen zu nutzen. Darüber hinaus soll eine reaktivitätskontrollierte Kompressionszündung (RCCI) angeboten werden, die dafür sorgt, dass der Dieselmotor so effizient wie möglich arbeitet. Altspeiseöl wurde erfolgreich gemäß den Standards für die Herstellung von Biodiesel aufbereitet.

Nach der Erstellung der Hochleistungsmischung wurden ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bewertet. Das Hochleistungskraftstoffgemisch wird mit verschiedenen Ladungen und unterschiedlichen Belastungen getestet. Es wurde beobachtet, dass der thermische Wirkungsgrad der Bremsen beim B20–30 % Pen RCCI recht hoch war. Der volumetrische Wirkungsgrad von B20–10 % Pen RCCI erwies sich als relativ gut, der von Diesel war jedoch niedrig. Der B20–30 % Pen RCCI hat verbesserte Emissionseigenschaften gezeigt, einschließlich einer Verringerung der Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidemissionen über einen weiten Bereich von Lastbedingungen. Diesel hat die niedrigsten NOx-Emissionen, die man sich vorstellen kann, gefolgt von B20–30 % Pen RCCI. Die Kohlenwasserstoffemissionen waren bei RB20–30 % am höchsten.

Die Autoren geben an, dass alle notwendigen Daten zur Replikation ihrer Ergebnisse im Inhalt der Forschung zu finden seien.

CSO, Energiestatistik 2019 (sechsundzwanzigste Ausgabe), 2019, online, verfügbar.

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Diese Arbeit wurde vom Sathyabama Institute of Science and Technology und der Saveetha School of Engineering unterstützt. Die Autoren danken dem Center of Research für das Sponsoring. Die Autoren danken der Researchers Supporting Project-Nummer (RSP2023R407) der King Saud University, Riad, Saudi-Arabien, für die Unterstützung.

School of Mechanical Engineering, Sathyabama Institute of Science and Technology, Jeppiar Nagar, Chennai, Indien

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J. Aravind Kumar

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TR Praveenkumar

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Ayman A. Ghfar

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M. Rajasimman

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Balasubramani Ravindran

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MA: Originalentwurf; JJ: Ressourcen; PB: Projektförderung; NJ: Analyse; VJ: experimenteller Input; KA: Ergebnisausarbeitung; JAK: Gesamtverfeinerung; TRP-Korrespondenz; AAG: Bildverfeinerung; MR: Sprachkorrektur; BR: Revisionsentwurf.

Korrespondenz mit J. Aravind Kumar oder TR Praveenkumar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Anish, M., Jayaprabakar, J., Bency, P. et al. Auswirkungen des reaktivitätsgesteuerten Kompressionszündungsmodus (RCCI)-Motorbetriebs in einem Dieselmotor, der mit einer B20-Mischung aus Altspeiseöl-Biodiesel betrieben wird. Sci Rep 13, 4798 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31044-6

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Eingegangen: 5. Januar 2023

Angenommen: 06. März 2023

Veröffentlicht: 23. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31044-6

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