Influencia de la mezcla de combustible diésel hidrogenado/H2O2 en el rendimiento del motor diésel y la caracterización de las emisiones de escape

Apr 30, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 836 (2023) Citar este artículo

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El hidrodiesel oxigenado (OHD) se prepara a partir de peróxido de hidrógeno (H2O2), acetona y polisacárido de algas. Se llevó a cabo un estudio a largo plazo sobre la estabilidad de la mezcla de combustible OHD durante aproximadamente un año a varias temperaturas. La estabilidad a largo plazo muestra propiedades muy estables, no se rompe fácilmente la emulsión y tiene un largo período de almacenamiento. La prueba de desempeño de combustible diesel puro y mezcla se realizó a varias velocidades del motor, 1700–3100 RPM, la mezcla diesel con 5% en peso y 10% en peso. % de H2O2 reveló la mejor fracción para reducir humos y emisiones. La mezcla contiene 15% en peso de H2O2, lo que revela una reducción significativa en la temperatura de escape sin considerar el rendimiento del motor. Además, el desempeño del OHD también reveló una tasa económica, reduciendo la contaminación ambiental y prolongando la vida útil del motor. El desempeño del motor diesel y la evaluación ambiental que lleva a la caracterización de las emisiones de escape (\({\mathrm{CO}}_{\mathrm{X}}\), \({\mathrm{SO}}_{\mathrm{X}} , {\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\), y otros). En base a los resultados, las diversas concentraciones de H2O2 son un método eficaz para reducir las emisiones de los motores diésel. También se observaron disminuciones de CO, SO2, hidrocarburos no quemados y NO2 como porcentajes de H2O2. Debido al aumento del contenido de oxígeno, el contenido de agua y el número de cetano, la cantidad de hidrocarburos no quemados del combustible diesel disminuyó con la adición de H2O2. Por lo tanto, la mezcla OHD puede reducir significativamente las emisiones de escape del combustible diésel convencional, lo que ayudará a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero nocivos de las fuentes de combustible diésel.

En los combustibles fósiles, el uso de diésel es bastante significativo, como en el transporte, los vehículos pesados ​​y livianos, el transporte marítimo y numerosas prácticas agrícolas e industriales1,2. Además, debido a su notable potencial energético, los combustibles diésel también se utilizan en la generación de energía a gran escala y en los sistemas de calefacción residencial. El motor diésel generalmente se considera el más potente de todos los tipos de motores de combustión interna. Aunque los valores caloríficos predeterminados del combustible diésel pueden ser más bajos que los de otros combustibles derivados del petróleo, se ha demostrado que tiene una mayor capacidad calorífica en la estructura del motor. Además, el combustible diésel tiene una potencia de mando extraordinaria, un ahorro de combustible eficiente y un ciclo de vida y consistencia considerablemente mayores3,4,5.

Independientemente del combustible de mejor rendimiento, el diésel es uno de los contribuyentes más importantes de contaminantes emitidos por los vehículos de carretera y todoterreno y los motores diésel marinos a gran escala6,7. Como resultado, se ha puesto mucho énfasis en mejorar los combustibles diésel, así como en investigaciones teóricas y prácticas sobre la relación entre las emisiones de NOx, COx e hidrocarburos, así como las emisiones de material condensado, como material particulado (PM) y hollín8. Las emisiones provenientes de un motor están determinadas por las condiciones de funcionamiento y el tipo de combustible utilizado, como se muestra en el Apéndice 1, que proporciona las emisiones principales de los motores diésel que comprenden NOx, SOx, CO, VOC, NO2, NO y CO26,9.

Sin embargo, además de otros factores de emisión, otro factor crítico es el contenido de azufre en el combustible diésel. El aumento de las restricciones sobre el combustible diesel ha tenido una consecuencia considerable en la limpieza de los gases de escape. El contenido de azufre del combustible diesel ahora se limita a 15 partes por millón (ppm) cuando antes era tan alto como 400–550 ppm (EURO diesel I y EURO II)10,11. La Figura 1 ilustra las limitaciones actuales del contenido de azufre en el combustible diesel limpio.

Limitaciones recientes del contenido de azufre en el combustible diésel limpio11,12.

La propiedad crítica del combustible diésel es su índice de cetano, que afecta el retardo del encendido hasta la combustión13,14,15. El combustible que contiene un índice de cetano más alto mejora el proceso de combustión durante el funcionamiento16. Sin embargo, la creciente preocupación por la protección del medio ambiente y las estrictas normas gubernamentales sobre las emisiones de escape para reducir la contaminación han provocado un aumento significativo en la investigación sobre el desarrollo de motores17. Reducir el material particulado (PM) y \({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\) particularmente en los estándares Euro VI simultáneamente es problemático debido a una relación inversa entre \({\mathrm{NO}} _ {\mathrm{X}}\) y PM18. Numerosos investigadores se dedican a desarrollar tecnología de postratamiento nueva o mejorada para reducir las emisiones de \({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}},\) PM y compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (COVNM)19,20, 21,22. La reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés) es la tecnología de control de emisiones activas más sofisticada que se utiliza con eficacia en los vehículos con motor diésel23,24. SCR utiliza un catalizador monolítico para convertir el NOx en agua (H2O) y nitrógeno diatómico (N2)7.

Debido al desarrollo sostenible y la preocupación por el medio ambiente, se ha prestado gran atención al desarrollo de combustibles reformulados o alternativos. Muchos de estos esfuerzos se han centrado en mejorar el combustible diesel en forma de combustible mezclado para obtener mezclas superiores duraderas y eficientes para reemplazar el combustible diesel convencional. Las principales mezclas de combustible diésel desarrolladas hasta ahora incluyen etanol25,26,27,28,29, biodiésel30,31,32,33, hidrógeno11,34,35; agua-diesel2,36,37, aceite vegetal38,39,40 y varios otros combustibles oxigenados41,42,43,44. Se piensa ampliamente que la reformulación de los combustibles diesel ha jugado un papel importante en el logro de reducciones considerables en las emisiones de escape39,45,46,47. La reformulación de los combustibles diésel trajo ventajas adicionales, como la reducción del contenido de azufre y aromáticos y la posibilidad de agregar oxígeno al combustible. Muchos aditivos basados ​​en compuestos oxigenados han demostrado ser bastante efectivos para reducir las emisiones de partículas de los motores diésel48,49,50. Sin embargo, el problema más importante con el combustible diesel es su capacidad reducida para disolver otras mezclas de combustible. Una vez que se inserta un aditivo como complemento, se observa una reducción repentina en las propiedades del combustible, especialmente en el número de cetanos que cae significativamente51. El combustible diesel se mezcla parcialmente con el etanol, pero la solubilidad se ve afectada debido a la diferencia en las tensiones superficiales de ambos líquidos.

El agua es un aditivo típico del combustible diésel que se puede combinar con el diésel para que coexista con un emulsionante52. Además, el agua se puede rociar directamente en la cámara de combustión o fumigar en el aire de admisión53. Recientemente, Atarod et al.54 realizaron un estudio experimental y de modelado sobre el combustible emulsionado de agua-diésel inducido por nanopartículas para el control de emisiones del motor diésel. Se utilizó una mezcla de Span 80 y Tween 80 al 5 % en peso, mientras que el contenido de agua y la composición de nanopartículas variaron entre 0 y 3 % en peso y 0 y 150 μM, respectivamente. Los hallazgos revelaron que agregar agua a un combustible diesel mitigó la emisión de hidrocarburos no quemados y las gotas de nanopartículas en la formación de óxido de nitrógeno en condiciones de carga moderada. Además, el modelo basado en lógica neurológica difusa predijo de manera efectiva los parámetros operativos y las emisiones de escape del combustible de mezcla de agua y diésel.

Una de las mejores formas posibles de introducir el combustible oxigenado es la inserción de H2O2 en la mezcla de combustible diesel, que tiene una tendencia a un número de cetano más alto con una molécula de agua adicional42,43,44. Sin embargo, estudios previos ilustraron que la separación de fases ocurre con el tiempo al agregar H2O2 a una solución de combustible diesel y etanol51. La mayor estabilidad de la mezcla durante un período más prolongado también es un problema importante55. Además, pocos estudios han indicado varios usos potenciales del H2O2 en procesos de combustión con una amplia gama de sistemas de conversión de energía13,44. David & Reader56 y Golovitchev et al.57 estudiaron las perspectivas de autoignición del metano en el aire con H2O2. Descubrieron que el retraso de la ignición se redujo significativamente al agregar una pequeña cantidad de H2O2 (10% por volumen). El retraso de la ignición se redujo en un orden de magnitud para (i) la mezcla de CH4/O2/aire a 2,55–13,01 atm, donde la temperatura de combustión osciló entre 1525 y 2025 K; y para (ii) mezcla de CH4/aire a 0,4–10 atm con un rango de temperatura de 1100–2000 K56. Un estudio posterior realizado por Golovitchev & Piliaf57 también encontró un autoencendido de metano mejorado con H2O2 que era más resistente que el gas de hidrógeno pobre. Esta disminución del retraso en la ignición es comprensiblemente evidente debido al papel de los radicales 'O' y 'OH' producidos por la descomposición inmediata de H2O257,58.

Además, Martínez et al.59 encontraron que el H2O2 catalizaba la conversión del óxido nítrico letal en dióxido de nitrógeno menos peligroso en los gases de escape de los motores diesel. David & Reader56 y Ashok & Saravanan51 explicaron que una adecuada inyección de H2O2 en un motor diésel reducía notablemente el hollín y los NOx. Además, Martinez & Cabezas59 determinaron que las concentraciones de hidrocarburos no quemados (NOx y CO) de una cámara de combustión a escala de planta piloto industrial alimentada con gas natural se redujeron significativamente mediante la inyección de unos pocos cientos de ppm de H2O2. Un estudio complementario realizado por David & Reader56 mostró que agregar H2O2 redujo la concentración de CO y las emisiones de NOx, mientras que Ashok & Saravanan51 demostraron un aumento en la eficiencia del freno térmico. Y Yusof et al.44 informaron que el aumento de H2O2 mejora significativamente el número de cetano de las mezclas de combustible diésel. Además, estos estudios también revelaron un menor consumo específico de combustible, material particulado, densidad del humo, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en comparación con el combustible diésel solo o mezclado con combustible emulsionado51.

Por lo tanto, el presente trabajo se enfoca en estudiar las características de rendimiento y emisión del 5-15% en peso agregado al diésel en presencia de un polímero de polisacárido recién preparado (agarosa)/emulsionante de acetona. Además, los resultados se comparan con el diésel de referencia (diésel puro). Nuestro estudio anterior encontró la estabilidad coherente del combustible emulsionado. El estudio experimental también reveló que el aumento del contenido de H2O2 en el diesel mejoró significativamente el índice de cetano de las mezclas de combustible. Por lo tanto, el presente trabajo es una continuación de nuestro estudio anterior para investigar la influencia de la mezcla de combustible diésel/\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) en el diésel. caracterización del rendimiento del motor y de las emisiones de escape, particularmente en la reducción de NOx, CO, \({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\), y \({\mathrm{SO}}_{2}\).

La energía de salida (OPE) a varias velocidades (rpm) es una herramienta para comparar el rendimiento integral de \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/mezcla diésel combustible con gasóleo de referencia (RD). Teóricamente, ha medido cuánto combustible se desembolsa por tiempo de ruptura para entregar la máxima potencia. La Figura 2 ilustra la salida del generador (kW) de los diversos combustibles de prueba a diferentes velocidades del motor y varios pares de motor (6-12,5 Nm).

Comparación de la eficiencia de salida de potencia de varias cantidades de mezclas de combustible H2O2/diésel.

Los resultados revelaron que el combustible RD producía una mayor potencia a varias velocidades del motor, casi 1 a 2,5 %. Sin embargo, las mezclas de H2O2/diésel emulsionado mostraron una menor eficiencia de producción. La razón puede deberse al valor calorífico relativamente más bajo del combustible H2O2/diesel que el combustible RD discutido en nuestro estudio anterior44.

Entre el \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/combustible de mezcla diésel, el 5% en peso de \({\mathrm{H}}_{ 2}{\mathrm{O}}_{2}\) mostró un contenido de mezcla de H2O2/diesel algo más alto que más alto. Tal deficiencia insignificante podría revelarse debido a su mayor eficiencia de combustión y contenido de oxígeno efectivo en la mezcla de combustible diesel, lo que quizás sea un buen acuerdo para la eficiencia de combustión temprana en comparación con el diesel RD. Además, en nuestro trabajo anterior13,44,60, ya demostramos que la adición de H2O2 en el diesel mejoró el número de cetano con conductividad térmica y calor específico. Quizás el poder calorífico del combustible de la mezcla de H2O2/diésel apenas disminuyó debido al menor contenido de energía de las mezclas de combustible, a pesar de que todos los significados están convenientemente dentro del alcance del combustible diésel47,61.

La sección actual del estudio investiga el rendimiento del motor utilizando un parámetro conveniente de consumo específico de combustible (SFC) y una comparación de la mezcla de combustible RD y H2O2/diésel. Las pruebas se realizaron en varias condiciones de par motor (6 12,5 Nm) y velocidad que oscilaban entre 1700 y 3024 rpm. SFC indica la relación entre la tasa de consumo de combustible y la potencia de frenado. La Figura 3 resume el SFC de RD y mezcla de combustibles diesel; los resultados ilustraron una tendencia decreciente a medida que la velocidad del motor aumentaba de 1700 a 3024 rpm.

Comparación de la eficiencia del consumo de combustible específico de varias cantidades de mezclas de combustible diésel/H2O2.

Debido a que la bomba de inyección de combustible del motor de prueba era de un tipo personalizado, la cantidad de combustible entregada disminuyó a la velocidad mínima predeterminada de Yanmar62, como 1700 rpm. Simularon la tasa de comparación de ruptura con respecto a la tasa de mezcla de aire y combustible de RD y el exceso de contenido de oxígeno dentro de la mezcla de combustible diesel. El aumento de la velocidad del motor mejoró el rendimiento del sistema al tiempo que disminuyó el SFC de cada combustible de prueba.

No obstante, la coherencia volumétrica reducida a velocidades más altas puede revelar una deficiencia de SFC a velocidades superiores a 1700 rpm62. En promedio, el SFC de la prueba RD fue más alto que el de todos los combustibles de mezcla H2O2/diésel. El SFC del combustible RD fue entre un 2% y un 5% más alto que el del H2O2/diésel. El combustible de prueba contiene 10 y 15 % en peso de H2O2, respectivamente, y la mezcla de diesel mostró resultados de SFC más prometedores que la mezcla de diesel con 5 % en peso de H2O2. H2O2 demostró una reducción de 1,5 a casi 5,2 % en SFC en comparación con 5 % en peso de H2O2/diesel y combustible RD, respectivamente. El SFC más alto del combustible RD que todos los combustibles de mezcla de H2O2/diésel se atribuye al alcance de energía ligeramente superior del diésel RD. Técnicamente, los valores caloríficos de las mezclas de combustibles fueron más bajos debido al contenido de volumen molar de H2O2 y emulsionante (C14H24O9/C3H6O); por lo tanto, se suponía que el consumo debía aumentarse para lograr un par ligeramente superior a 11 Nm. A pesar de tener valores caloríficos relativamente más bajos, todos los combustibles de mezcla de H2O2/diésel tenían un SFC más bajo que el combustible RD. La razón de un SFC eficaz se debe al valor de cetano más alto de la mezcla de combustible diesel/H2O251. Cuando el número de cetano de la mezcla de combustible aumenta con mayores cantidades de H2O2, la temperatura y el contenido de oxígeno en la cámara de combustión tienen un mayor autocontrol, lo que promueve el craqueo térmico y aumenta las tasas de oxidación al tiempo que disminuye las emisiones de HC no quemados y el consumo específico de combustible63. También sugiere que la SFC adecuada de las mezclas de H2O2/diésel quizás se encuentre debido a la presencia de altos contenidos estables de oxígeno en la mezcla de diésel.

La densidad del humo de escape, también denominada materia particulada múltiple (PM), se relaciona con los hidrocarburos no quemados (HxYx), NOx y SOx y ha demostrado ser un problema crítico para el combustible diésel. Por lo tanto, desde la última decadencia, los países desarrollados han realizado políticas rigurosas para restringir el uso de diésel ligero (EURO II y III) en los automóviles públicos. Sin embargo, las PM, en particular HxYx y NOx, siguen siendo un desafío en los países europeos debido al ambiente helado10,12. Aunque el transporte público utiliza diésel de alta velocidad (EURO V y VI) seguido de tecnología avanzada como catalizadores de oxidación en cilindro e híbridos avanzados con sistema de filtros catalíticos.

Por lo tanto, esta sección investigó una evaluación integral del rendimiento del motor en el SD de diferentes combustibles de mezcla H2O2/diésel. El análisis SD se llevó a cabo utilizando un medidor de humo AVL durante la condición de funcionamiento de la prueba con un par variable (6-12,5 nm) seguido de diferentes velocidades del motor que van desde ~ 1700 a 3600 rpm. Los resultados de SD se pueden ver en la Fig. 4; la comparación SD de mezclas H2O2/diésel con combustible RD mostró una tendencia decreciente a medida que la velocidad del motor aumentaba de 1700 a 3600 rpm.

Comparación de la densidad del humo de escape de varias cantidades de mezclas de H2O2/combustible diésel.

También se ha notado que el SD siguió un nivel de tendencia similar a las disminuciones de la Fig. 4 para cada mezcla de H2O2/diésel que el RD. Sin embargo, la sequía de SD mostró una caída significativa en todo el combustible de mezcla de H2O2/diésel, alrededor de 10 a 25 % de reducción. La reducción del nivel de SD probablemente se reveló debido al exceso de contenido de oxígeno, que también se ha atribuido a una mejor mezcla de aire de admisión y combustible y a un aumento en los contenidos de masa molar del radical OH en la cámara de combustión38,51,64. Usualmente, los componentes del combustible diesel exhiben una intensa capacidad de interacción con el oxígeno. Además, la estabilidad del diésel/H2O2 es mayor, se reduce la combustión secundaria y se mejora el rendimiento de la combustión.

Además, nuestros estudios anteriores han demostrado que el emulsionante utilizado en el H2O2 y el diésel evitó la ruptura de fase entre el diésel y el H2O2, como se ve en la Fig. 444. Por lo tanto, es probable que el H2O2 invariablemente reduzca las emisiones de hollín y PM en el diésel. Además, podría ser la consecuencia de una rápida descomposición del combustible debido al claro compromiso del contenido de oxígeno en la cámara de combustión del combustible, probablemente más relacionado con la densidad del humo. La mayor reducción de SD se obtuvo por 15 wt. de combustible de mezcla diésel H2O2 en condiciones de carga máxima es del 26 % (consulte la Fig. 5).

Comparación del porcentaje de reducción en la densidad del humo de escape (SD) para varias cantidades de mezclas de H2O2/combustible diésel.

Además, la figura 5 muestra que el valor máximo más bajo alcanzado por el 5 % en peso de H2O2 en la mezcla de combustible diésel a una velocidad de carga de 2900 rpm es de aproximadamente el 12 %. La densidad del humo se reduce aún más con la adición del 10 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel debido al exceso de contenido de oxígeno. Por lo tanto, presumiblemente reveló la diferencia de volumen molar entre el agar/acetona (C14H24O9/C3H6O) y la mezcla de diésel \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) añadida combustible, lo que podría revelar la relevancia directa de SD y partículas (HxYx + Nox) entre sí. Lo más probable es que la reducción de partículas se deba a una buena concordancia en la combinación de acetona y H2O2 en el combustible diesel, que puede actuar como un agente oxidante para mantener limpia la cámara de combustión. Además, la SD se reduce para las mezclas de H2O2/diésel debido al mayor contenido de masa molar de hidrógeno en el emulsionante. Por lo tanto, también puede quemarse prácticamente como libre de SD bajo un ambiente de combustión específico65. Ashok y Saravan51 también informaron observaciones similares para el combustible emulsionado agregado \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) debido a la presencia de exceso de oxígeno. Sin embargo, en base a la masa molar suplementaria de C14H24O9/C3H6O como acumulación de emulsionante con H2O2. Hipotéticamente, el combustible menos emulsionado probablemente tenga un papel importante en la reducción de SD.

Este estudio evaluó las emisiones de escape con el Lancom 4, un analizador de gases portátil en un motor diesel de velocidad máxima (2989 rpm) con y sin carga. Este analizador cumple con los requisitos del método de referencia US EPA CTM 034 con una desviación máxima del límite de detección dentro de 2 ppm para gases de escape e hidrocarburos no quemados desde 0,1 ppm66. Las Figuras 6, 7, 8 y 9 resumen que la emisión de escape promedio de la corriente de escape de los generadores diesel se ha estudiado minuciosamente. Los resultados resumen las concentraciones de emisiones de escape promedio reducidas del generador cargado y descargado a máxima potencia (ver Fig. 3) después de insertar 5–15% en peso de H2O2 en el combustible mezclado.

Comparación de emisiones basadas en carbono en motores diesel sin carga (UL) y con carga completa (FL).

Comparación de las emisiones de dióxido de azufre (SO2) e hidrocarburos no quemados en motores diésel sin carga (UL) y con carga completa (FL).

Comparación de emisiones a base de nitrógeno en motores diésel sin carga (UL) y con carga (FL).

Comparación de emisiones basadas en hidrocarburos no quemados (CxHy) en motores diésel sin carga (UL) y con carga (FL).

Las figuras 6a y b resumen los resultados de las emisiones de CO y CO2 del escape del generador cargado y descargado, respectivamente. Los resultados de la prueba (ver Fig. 6a yb) del motor descargado revelaron emisiones de CO diésel (RD) de referencia de 565 ppm y 706,25 ppm con carga, en comparación con 437,5 ppm y 525,4 ppm (con carga). En general, se sabe que el combustible diesel requiere más oxígeno para quemarse, por lo que en el caso de un motor diesel completamente cargado, la combustión requiere una mayor cantidad de entrada de aire para ser ahogada por cada carrera de admisión, independientemente de la posición del acelerador. Luego, el aire se comprime y se calienta antes de alimentar el cilindro con combustible diesel. Cuando el combustible se expone a una mayor cantidad de aire caliente, se quema rápidamente. Esto da como resultado una mayor concentración de gases de escape COx y NOx en el motor cargado en comparación con el motor descargado. Se evaluaron las tres mejores emulsiones de mezcla diesel/H2O2 para reducir el contenido de CO.

El generador UL muestra que el 5 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel representa una reducción del 22,5 al 25 %. El 10 % en peso de la mezcla de diésel redujo las emisiones de CO a 348,5 ppm, una reducción del 38 %, y la reducción del 34,8 % de las emisiones de CO representa el 15 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel. El 10 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel muestra la mayor reducción en las emisiones de CO del generador UL. Teóricamente, la relación de igualdad aire/combustible se define como la diferencia entre la relación aire/combustible definida y la relación aire/diésel estequiométrica en la cámara de compresión de un motor diésel58. Por el contrario, en el caso del H2O2/diésel, el peróxido inestable probablemente proporciona parte del oxígeno necesario para que el diésel se encienda antes, lo que reduce la necesidad de aire adicional en la cámara de compresión. Técnicamente hablando, si está presente la cantidad requerida de oxígeno, entonces los motores diesel UL funcionan en el lado más pobre de la estequiometría, las emisiones de CO son muy bajas en el caso de un volumen molar adicional de peróxido en la cámara de compresión.

Sin embargo, el generador cargado tiene emisiones de CO de alrededor de 400,7 ppm, que es un 13% más que el generador descargado pero menor que los generadores cargados y descargados de combustible RD. Se sugiere que en el caso de un motor diesel completamente cargado, el diesel requiere más oxígeno, y el oxígeno probablemente inestable presente en la emulsión diesel probablemente no sea suficiente para la ignición. Por lo tanto, la cámara de compresión toma más aire y, por lo tanto, el contenido de las emisiones de CO es mayor que en el motor diésel con carga UL. Sin embargo, el 15 % en peso de las mezclas de diésel también muestran contenidos de CO más bajos en el generador cargado y descargado que el diésel de referencia, pero son un poco más altos que el 5 y el 10 % en peso de la composición de la mezcla de diésel, respectivamente.

No obstante, los generadores cargados muestran casi un 10-20 % más de emisiones que el generador sin carga en todas las pruebas de combustible. El generador cargado requería más potencia y más entrada de combustible y aire para quemarse, por lo que, en consecuencia, aumentaba la tasa de emisión de CO. Probablemente se deba a que la mayor masa molar de oxígeno en la composición de la mezcla diésel y los mayores contenidos de CO en las emisiones diésel de referencia están en buena concordancia debido a la entrada de aire dentro de la combustión en el cilindro. Además, la tendencia H2O2 es completamente reactiva, quemando una vez que tiene ambientes ideales como la ignición en una cámara cerrada. Por lo tanto, reacciona de forma independiente y no necesita ningún oxidante, lo que ayuda al diésel para un proceso de combustión temprano y limpio. Pero la mayor cantidad de H2O2 en la mezcla contribuye a reducir los contenidos de CO. Gribi et al.67 también encontraron que el H2O2 tiene características de combustión individuales. Han informado que el H2O2 se puede utilizar como combustible o como oxidante cuando reacciona con otros combustibles, particularmente en las cámaras de combustión. Así, asume la naturaleza dual del H2O2 y explora sus beneficios potenciales en tecnología de combustión limpia.

Las Figuras 6c y d también muestran el impacto del H2O2 en la reducción de las partes de CO2 del flujo de escape del generador diesel cargado y descargado. Aunque el diésel de referencia tuvo una emisión de CO2 muy baja (1,2 %), la mezcla de combustible al 5 % \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) aumentó ligeramente la emisión de CO2 al 1,75%. Resultados similares también se observan en generadores cargados, y la emisión de CO2 exhibe un contenido mayor pero es menor que la emisión de diesel RD, ya sea generador cargado o descargado. Sin embargo, los valores de emisiones de CO2 para porcentajes superiores son bastante parecidos a RD (1,2%), y el efecto no es significativamente evidente sobre las emisiones de CO2. Al-lwayzy et al.69 y Scragg et al.70 observaron una pequeña disminución en la proporción de CO2 en los gases de escape producidos por el combustible de emulsión que contiene microalgas en comparación con el combustible hecho a base de biodiesel. Según Koc y Abdullah71, los niveles más altos de átomos de oxígeno en la mezcla de combustible como resultado de concentraciones más altas de agua pueden explicar por qué el combustible diesel emulsionado tiene niveles más altos de CO2. La justificación de Koc y Abdullah71 podría ser un buen acuerdo en el caso del 5% de H2O2 en las mezclas de combustible diesel, pero la brecha de incremento no es grande con la emisión de CO2 del diesel RD. Sin embargo, se necesita más experimentación para explicar el impacto de una mezcla de 5% H2O2/diésel en las emisiones de CO2.

Además, el 10 % en peso de H2O2 en la mezcla de combustible reveló que las emisiones de contenido de CO2 ascendieron al 0,95 % en el generador descargado y al 1,09 % en el generador cargado, lo que representa una reducción general del 19 al 21 % de la RD. Ashok y Saravanan51 observaron resultados similares con diésel/H2O2 y David y Reader56 (CH4/H2O2) en sus estudios con combustibles mezclados con H2O2, que mostraron una reducción de alrededor del 16,5 %. Sin embargo, la mezcla diésel de H2O2 al 15 % en peso redujo ligeramente el componente de escape de dióxido de carbono en el generador cargado y descargado.

Los resultados de un analizador de gas portátil en un motor diesel de velocidad máxima (2989 rpm) sin carga y generador de carga mostraron la influencia de \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2} \) sobre la emisión de dióxido de azufre (SO2) de las mezclas de combustibles. La Figura 7 muestra la comparación de las emisiones de SO2. El combustible RD muestra emisiones de SO2 más altas de 16 ppm y 20 ppm del generador descargado y cargado que todas las mezclas de H2O2/diésel.

La mezcla de H2O2/diésel también tuvo un impacto positivo en las concentraciones de flujo de escape de SO2 medidas en un generador diésel cargado y descargado. Las concentraciones reducidas de SO2 en los gases de escape se deben a la propiedad oxidante sustancial del H2O2 en el combustible mezclado. El 5 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel muestra una reducción significativa de SO2 a 11 ppm en el escape del generador sin carga y 13,2 ppm en carga, casi un 31,5 % y un 34 % menos que el diésel RD. De manera similar, las emisiones de SO2 del 10 % en peso de H2O2 fueron de 13,4 ppm y 14,35 ppm revelaron el 15 % en peso de H2O2 en el combustible mezclado. El 15% en peso de H2O2 en la mezcla de diésel redujo ligeramente las emisiones de SO2 (14,35 ppm).

Sin embargo, el generador cargado y descargado muestra emisiones de SO2 considerablemente más bajas que el combustible diesel RD. Estas reducciones se observaron debido al menor contenido general de azufre del combustible diesel y la ausencia de contenido de azufre en el H2O2. Ashok y Saravanan51 y David y Reader56 observaron hallazgos similares en sus estudios con combustibles mezclados con H2O2.

El analizador de gases portátil Lancom 4 también ha computarizado los resultados de óxido nitroso (NOx), óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) de las emisiones de escape del diesel de referencia y mezclas de combustible H2O2/diesel, y la Fig. 8 resume los resultados de la comparación.

El mecanismo principal que causa la reducción de las emisiones de escape parece ser la disminución de la temperatura de los productos de la combustión como resultado de la vaporización del agua líquida y la subsiguiente dilución de las especies en fase gaseosa. Los resultados de NOx encontraron impactos positivos en las concentraciones de NO2 y óxido nitroso (NO) en las corrientes de escape de combustible diesel, ya sea generadores cargados o descargados. La Figura 8 ilustra una comparación de reducción general en las emisiones de dióxido de nitrógeno y óxido nitroso debido a la capacidad de oxidación sólida del H2O2 a medida que se descompone en la cámara de combustión en oxígeno y agua.

El agua producida durante esta reacción absorbió calor que, a su vez, disminuyó ligeramente la temperatura en la cámara de combustión. Esta reducción de temperatura limitó la producción de NO2 y NO. Aunque el diésel de referencia tiene emisiones muy bajas de NOx (12 ppm), el 5 y el 10 % en peso de H2O2 en la mezcla diésel disminuyó su formación a 9 y 5,8 ppm, respectivamente. La reducción de la formación de NOx provocada por la combinación de un mayor número de cetano y contenido de agua reduce la temperatura del motor diésel13,43,51. También se observan resultados similares en las emisiones del generador cargado. La reducción significativa de las emisiones a base de nitrógeno de la mezcla de combustible en generadores cargados o descargados podría ser una posibilidad de vaporización y disociación rápidas de H2O2 en radiculas de hidroxilo. Además, también se puede interpretar que el H2O2 se ha vuelto extenuantemente inestable y altamente activo en la cámara de combustión, oxidando en consecuencia el NO y el NO2 en el escape. Kasper et al.68 también investigaron la importancia del H2O2 en la descomposición y reducción de las emisiones a base de nitrógeno; han demostrado experimentalmente que el NOx puede oxidarse a NO y NO2 en fase gaseosa por los radicales OH generados por la descomposición térmica del H2O2. Resultados similares también fueron observados por Saravanan et al.72. y Ashok & Saravanan51, en sus estudios de mezclas de H2O2-diésel, encontraron una reducción global de alrededor del 18,5%.

La Figura 8 también muestra los resultados de Nox, y se observó que el 5% en peso de H2O2 en la mezcla de diesel muestra contenidos más altos de NOx en las emisiones del generador UL y FL. Se ha encontrado que una mezcla de diésel con 5% de H2O2 no hace una gran diferencia en la reducción de NOx y CO2. Es probable que esto se deba a que no hay tanto H2O2 en el diésel, pero produce menos calor (consulte la Fig. 10) que el diésel RD, independientemente de que sea el generador UL o FL. Aunque la reducción de temperatura es del 2 al 20 % en el caso de un escape de combustible con una mezcla de 5 % H2O2/diésel, esta diferencia probablemente no sea suficiente para superar la reducción de NOx y CO2. Por otro lado, las concentraciones más altas (10-15 %) de H2O2 en la mezcla de diesel muestran una reducción significativa en el NOx en las emisiones del generador UL y FL. Parece que un mayor nivel de contenido de agua en la mezcla de diésel reduce la temperatura de la cámara de combustión, lo que resulta en una menor concentración de NOx.

Comparación de la temperatura de escape y el exceso de entrada de aire en un motor diésel sin carga (UL) y con carga (FL).

Por lo general, la temperatura de combustión, la concentración de oxígeno y el tiempo de retención del producto de combustión en la zona de combustión suelen ser las variables más predominantes que determinan la cantidad de NOx generado. La alta temperatura dentro del cilindro causada por la alta relación de compresión fomenta la emisión de NOx, y los resultados de RD muestran una buena concordancia con los resultados experimentales74. La temperatura de la llama adiabática local se reduce por el calor de vaporización y el calentamiento sensible del agua, lo que también reduce la generación de NOx. Por lo tanto, cuanto mayor sea la concentración de H2O2 en la mezcla de diésel, mayor será la reducción de NOx75. Scrage70 y Koc71 informaron resultados similares, que aumentaron los contenidos de agua y oxígeno mientras reducían el NOx y el CO2, pero la reducción de CO2 aún no es significativa. Tal vez podría ser superado en el caso de la alteración del motor.

Las emisiones de hidrocarburos del escape de los motores diesel también son contaminantes esenciales. Las mezclas \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/diésel también demostraron impactos constructivos en el contenido total de hidrocarburos de la corriente de escape del generador diésel. La Figura 9 muestra comparaciones de la reducción global en la concentración de hidrocarburos no quemados (CxHy) debido a la considerable propiedad oxidante del H2O2.

El combustible RD muestra mayores emisiones de contenido CxHy en el escape del generador cargado y descargado. El combustible de mezcla diésel tiene un 5% en peso de mezcla de H2O2/diésel y no reveló el contenido de CxHy en el escape del generador cargado y descargado. Sin embargo, el 10 % en peso de H2O2 en la mezcla de diésel incrementó levemente la producción de hidrocarburos no quemados. El 15 % de H2O2 en la mezcla es más bajo que el diésel RD y el 10 % en peso de la mezcla de H2O2/diésel. El nivel más bajo de hidrocarburos no quemados probablemente se deba a la formación de peróxido de acetona antes de que la solución se mezcle con el diésel. que muy probablemente actúa como un fuerte reactivo oxidante en la cámara de combustión, y una vez que se enciende el diésel, actúa como una herramienta de limpieza junto con los vapores de agua para superar la reducción de hidrocarburos no quemados en la mayor concentración de H2O2 en la mezcla de diésel.

Además, los resultados revelaron que, a medida que aumentaba la concentración de H2O2 en las mezclas, mejoraban los contenidos de oxígeno inestable debido a la naturaleza peroxidante del H2O2, aunque la viscosidad, la densidad y el poder calorífico alto disminuían ligeramente47,73. En general, una densidad más alta y una viscosidad más baja conducen a un flujo más alto; por lo tanto, estos hallazgos sugirieron que la menor viscosidad del combustible de mezcla diesel/H2O2 podría tener éxito en la reducción de la inyección de combustible con un tiempo de encendido temprano47,73, lo que podría resultar en un buen acuerdo en la reducción de hidrocarburos no quemados y NOx. Además, la relación molar más alta del grupo peróxido dio como resultado una caída en la viscosidad de cada mezcla estable en comparación con RD y una concentración más baja de H2O2 en las mezclas de combustible. También sugirió que el contenido de agua del 70 % del H2O2 formaba gotitas de agua dentro del diesel, y estas gotitas se mezclaban bien debido al polímero de polisacárido en la mezcla de H2O2/diesel.

Sin embargo, las emisiones de hidrocarburos no quemados estuvieron muy por debajo de las del combustible diesel puro. En términos de emisiones de material particulado (PM), la presencia de agua durante la formación intensiva de partículas de hollín parece reducir y mejorar significativamente el agotamiento al aumentar la concentración de especies de oxidación como OH73.

La figura 10 compara la temperatura de escape del generador descargado y cargado a la máxima potencia de salida. La temperatura de escape del combustible RD muestra una temperatura más alta que la de todos los combustibles de mezcla de H2O2/diésel, ya sea que el generador esté descargado o cargado a la máxima potencia de salida. La mayor temperatura de escape del combustible RD se reveló debido al mayor calor de evaporación y al retraso en el proceso de combustión del diésel pobre. Sin embargo, toda la mezcla de H2O2/diesel muestra una temperatura de escape casi 20–41% más baja del generador cargado.

Debido al mayor número de cetano H2O2, tiene un calor latente de evaporación más bajo que el diesel. El retardo de ignición para H2O2/combustible diesel disminuye, resultando en una baja temperatura de escape13,44,72. Además, durante el funcionamiento típico del motor, el refrigerante absorbe la mayor parte del calor. El H2O2 también tiene partículas de agua, que interactúan con el refrigerante y absorben más calor, disminuyendo o controlando las temperaturas de emisión de los gases de escape51. La temperatura máxima del motor aumenta constantemente la generación de NOx. Incluir H2O2 en la mezcla de diésel eleva el índice de cetano, lo que precede a una reducción en la latencia de encendido. Este retardo de encendido reducido reduce la cantidad de combustible acumulado antes de la combustión y reduce las tasas de combustión iniciales, lo que reduce la temperatura máxima y, por lo tanto, reduce la generación de NOx. La reducción de NOx, COx y CxHy en las emisiones de escape es un acuerdo significativo para justificar la reducción de temperatura60,73. La figura 10 también compara las cantidades de entrada de aire durante el proceso de combustión. En comparación con el diesel RD, el combustible de mezcla H2O2/diesel muestra una menor entrada de aire en el proceso de combustión, probablemente debido a la disponibilidad del oxígeno requerido en la cámara de combustión.

PETRONAS Sdn Bhd proporcionó combustible diésel de referencia. El H2O2 de grado comercial (30%) se obtuvo de Chemical Company of Malaysia Berhad (CCM). Los intermediarios emulsionantes, como la acetona (C3H6O) de 99 % de pureza y el polímero polisacárido (agarosa: C14H24O9), se adquirieron de Merck.

El emulsionante se preparó antes de mezclar la mezcla de combustible diesel de referencia (RD) y \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\). Se logró una reacción de polímero de polisacárido (PSP) y acetona en una proporción de 1:4 p/v en una botella Schott sellada de 500 ml. Un agitador magnético calentado mezcló la solución a 50 C durante 12 h. Las mezclas de combustible diesel/H2O2 se prepararon con un aparato de condensación de solvente personalizado descrito en otra parte13,44,47. Durante la preparación de mezclas de combustible diesel/H2O2, la cantidad de emulsionante PSP se mantuvo en 5 % en volumen, y las proporciones de volumen de H2O2 a RD variaron en el rango de 5 a 15 % en peso. La mezcla del emulsionante PSP y el H2O2 tomó 30 minutos para formar una solución homogeneizada estable. Como punto final, el 91% de RD se insertó en el recipiente de mezcla y se mantuvo durante el proceso de mezcla hasta 70 min. Se forma una emulsión bien estabilizada utilizando la naturaleza hidrófoba, hidrófila y lipófila del emulsionante PSP y mediante los efectos compartidos producidos por el agitador de fluidos de alta velocidad en el recipiente con la mezcla de combustible emulsionado. Todas las formulaciones de la mezcla de combustible se llevaron a cabo a una velocidad constante de 100 rpm en condiciones de carga variables y mantuvieron la temperatura de la preparación de la mezcla de combustible a la temperatura ambiente de 25 ± 1 °C.

El objeto de la presente investigación fue un motor diésel Yanmar L48 N monocilíndrico, de cuatro tiempos, de inyección directa, con una potencia de 3,6 kW (4,7 ps) y un controlador de velocímetro variable53, normalmente utilizado para la producción de electricidad agrícola y residencial. Las especificaciones detalladas del generador diesel se compilan en la Tabla 1. Se eligió el motor de un solo cilindro porque era compacto y fácil de mantener. El sistema es más adecuado para circunstancias calurosas y áridas porque está enfriado por aire, por lo que no se necesita un radiador, un cuerpo de agua o una bomba. El motor de prueba (un generador diésel) se muestra en la Fig. 11 y se ha modificado con cuatro lámparas de descarga de alta intensidad Philips 32150-5 de 1000 W para investigar la prueba de carga del motor. La carga en el generador se midió usando un medidor de energía de potencia de voltaje de corriente de generador digital (QV05 MK 11-380; S/N 36220526). Cada medida se toma y se registra manualmente. Haga funcionar el motor durante aproximadamente 10 minutos con combustible diésel de referencia antes de arrancarlo. El caudal de combustible se calculó utilizando una bureta calibrada y un cronómetro digital. La Figura 11 muestra el diagrama esquemático de la configuración experimental junto con toda la instrumentación. Antes de cada experimento, el analizador de emisiones se puso a cero y se calibró para un motor diesel convencional.

Configuración experimental con generador diésel de inyección directa Yanmar.

Como se discutió anteriormente, las emisiones de escape son uno de los problemas más significativos asociados con el combustible diesel y contribuyen a la contaminación ambiental. Los principales componentes de casi todos los productos de combustión de gas son N2, CO2, CO y vapor de agua. No son venenosos ni tóxicos, aunque el dióxido de carbono generalmente ha sido reconocido como un gas de efecto invernadero crítico que contribuye al calentamiento global. Una parte comparativamente diminuta de los productos de combustión de gas comprende sustancias tóxicas o letales indeseables como el CO, que se forma debido a una combustión incompleta), hidrocarburos (apropiadamente indicados como \({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{ \mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\) del combustible sin quemar, y NOx formado durante temperaturas de combustión elevadas. Se usa un medidor de humo AVL para estimar la capacidad de humo. La medición de las emisiones de escape de diésel en este estudio fue realizado con el analizador portátil de gases de combustión y emisiones de chimenea Lancom 4. El analizador Lancom 4 cumple con los estándares del método de referencia CTM 034 de la EPA de EE. UU., con una variación máxima del límite de detección de 2 ppm para gases de escape e hidrocarburos no quemados desde 0,1 ppm. del analizador se insertó con la salida de la corriente de escape del generador diesel para determinar las cantidades de contaminantes tales como emisiones basadas en carbono (CO de rango alto a compensado y \({\mathrm{CO}}_{2}\) ), emisiones basadas en nitrógeno (NO, \({\mathrm{NO}}_{2}\), NOx—calculado donde \({\mathrm{NO}}_{2}\) el sensor no estaba instalado) , \({\mathrm{SO}}_{2}\), \({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}\), hidrocarburos (\({\mathrm{C}}_ {\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\)), respectivamente.

En este estudio experimental, se observaron sistemáticamente los efectos específicos de la adición de peróxido de hidrógeno (H2O2) al combustible diésel para varias composiciones de mezclas de combustible para descubrir una mezcla óptima que mejore mejor el rendimiento de las emisiones de escape del combustible diésel. Debido a la naturaleza ecológica del H2O2, este estudio determinó y demostró de manera sólida los efectos ambientales mejorados sobre las emisiones de los generadores diésel cargados y descargados. Se lograron emisiones reducidas de CO, SO2 e hidrocarburos no quemados junto con NOx a medida que se aumentó ligeramente el contenido de H2O2 de la mezcla de combustible. El estudio también demostró que mientras que la adición de 5 % en peso de H2O2 aumentó ligeramente la concentración de CO2, la cantidad de CO se redujo a alrededor del 25,6 % en condiciones de carga completa. La cantidad de hidrocarburos no quemados (CxHy) de la combustión mejorada disminuyó debido al aumento del contenido de oxígeno durante el proceso de combustión. En general, las propiedades ambientales superiores de la mezcla de combustible diésel/H2O2 quizás se observaron debido al mayor número de cetano potencial del H2O2, el contenido de agua y el oxígeno adecuado, que proporcionan una combustión completa con un perfil de temperatura ligeramente reducido. Resultando en forma de combustión completa con formaciones reducidas de gases ácidos (Cox, SOx y NOx). Por lo tanto, este estudio experimental demostró que 5 y 10 % en peso de H2O2 en combustibles de mezcla diésel podrían sugerirse mejor después de la caracterización fisicoquímica, térmica y de emisiones de escape. Por lo tanto, este estudio hará un esfuerzo por contribuir a la investigación en curso de un combustible diésel más ecológico y reducir el efecto invernadero nocivo del combustible diésel convencional, que puede contribuir a reducir los objetivos de emisiones de carbono y de efecto invernadero.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer la subvención de publicación # IFPHI-129-123-2020 de la Universidad King Abdulaziz para apoyar este trabajo de investigación. Además, los autores agradecen el uso de las instalaciones técnicas y de laboratorio del Departamento de Ingeniería Química, especialmente el Centro de Investigación de CO2 (CO2RES) en Universiti Teknologi PETRONAS.

Centro de excelencia en tecnología de desalinización, Universidad King Abdulaziz, PO Box 80200, Jeddah, 21589, Arabia Saudita

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

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad King Abdulaziz, PO Box 80200, Jeddah, Arabia Saudita

Iqbal Ahmed Moujdin, Hani Abdulelah Abulkhair y Abdulmohsen Omar Alsaiari

Centro de Investigación de CO2, Tecnología Universitaria PETRONAS, Seri Iskandar, Malasia

Muhammad Saad Kan

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IAM: Redacción—Revisión, Edición, Financiamiento. MSK: Conceptualización, Metodología, Investigación, Curación de datos, Redacción—Preparación del borrador original. HAA: Metodología, Redacción—Preparación del borrador original, Financiamiento. AAS: Metodología, Redacción—Financiación. HAO: Metodología, Revisión y Edición, Financiamiento. AOA: Revisión y Edición, Financiamiento. Todos los autores han revisado y acordado el manuscrito final.

Correspondencia a Iqbal Ahmed Moujdin o Muhammad Saad Khan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Moujdin, IA, Khan, MS, Abulkhair, HA et al. Influencia de la mezcla de combustible diésel hidrogenado/H2O2 en el rendimiento del motor diésel y la caracterización de las emisiones de escape. Informe científico 13, 836 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27569-5

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Recibido: 26 junio 2022

Aceptado: 04 enero 2023

Publicado: 16 enero 2023

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

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