水素化ディーゼル/H2O2 混合燃料がディーゼルエンジンの性能と排気ガス特性に及ぼす影響

Aug 30, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 836 (2023) この記事を引用

1086 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

含酸素水力ディーゼル (OHD) は、過酸化水素 (H2O2)、アセトン、海藻多糖類から調製されます。 OHD 燃料ブレンドの安定性に関する長期研究が、さまざまな温度で約 1 年間実施されました。長期安定性は非常に安定した性質を示し、乳化破壊が容易ではなく、長期間の保存期間が可能です。ニートディーゼルと混合燃料の性能試験は、さまざまなエンジン速度、1700 ～ 3100 RPM で、5 wt.% と 10 wt.% のディーゼル混合燃料で実施されました。 H2O2 の % により、煙と排出ガスを削減するのに最適な割合が明らかになりました。このブレンドには 15 wt.% の H2O2 が含まれており、エンジンの性能を考慮せずに排気温度が大幅に低下することがわかります。さらに、OHD の性能により、経済率が向上し、環境汚染が減少し、エンジンの耐用年数が延長されることも明らかになりました。排気ガスの特性評価につながるディーゼルエンジンの性能と環境評価 (\({\mathrm{CO}}_{\mathrm{X}}\)、\({\mathrm{SO}}_{\mathrm{X}} 、{\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\) など)。結果に基づいて、さまざまな濃度の H2O2 がディーゼルエンジンの排出ガスを削減する効果的な方法であることがわかりました。 CO、SO2、未燃炭化水素、NO2 の減少も H2O2 の割合として観察されました。酸素含有量、水分含有量、セタン価の増加により、H2O2 の添加によりディーゼル燃料からの未燃炭化水素の数が減少しました。したがって、OHD ブレンドは従来のディーゼル燃料の排出ガスを大幅に削減でき、ディーゼル燃料源からの有害な温室効果ガス排出量の削減に役立ちます。

化石燃料では、輸送、大型車両および軽車両、海運、および数多くの農業および工業活動などで、ディーゼルの使用が非常に重要です1、2。さらに、ディーゼル燃料はその顕著なエネルギー潜在力により、大規模な発電や住宅用暖房システムにも使用されています。ディーゼルエンジンは一般に、すべての内燃エンジンの種類の中で最も強力であると考えられています。ディーゼル燃料のデフォルトの発熱量は他の石油燃料よりも低いかもしれませんが、エンジン構造上、ディーゼル燃料の発熱能力が高いことが証明されています。さらに、ディーゼル燃料は並外れた指揮力、効率的な燃費、そしてかなり高いライフサイクルと一貫性をもたらします3、4、5。

最高の性能の燃料に関係なく、ディーゼルは、オンロード車やオフロード車、大型船舶用ディーゼルエンジンから放出される汚染物質の最も重大な原因の 1 つです6,7。その結果、ディーゼル燃料の改善、NOx、COx、炭化水素排出量と粒子状物質 (PM) や煤などの凝縮物質排出量との関係についての理論的かつ実践的な研究に重点が置かれています8。エンジンからの排出物は、付録 1 に示すように、運転条件と使用する燃料の種類によって決定され、NOx、SOx、CO、VOC、NO2、NO、CO26,9 を含むディーゼルエンジンからの主要排出物が提供されます。

それにもかかわらず、さらなる排出係数に加えて、別の重要な要因はディーゼル燃料中の硫黄含有量です。ディーゼル燃料に対する制限の強化は、排気ガスの浄化に重大な影響を及ぼしています。ディーゼル燃料の硫黄含有量は、以前は 400 ～ 550 ppm (EURO ディーゼル I および EURO II) という高さでしたが、現在では 15 ppm に制限されています。10、11。図 1 は、クリーンディーゼル燃料中の硫黄含有量の現在の制限を示しています。

クリーンディーゼル燃料中の硫黄含有量の最近の制限11、12。

ディーゼル燃料の重要な特性は、燃焼までの着火遅れに影響を与えるセタン価です13、14、15。より高いセタン価を含む燃料は、運転中の燃焼プロセスを強化します16。しかし、環境保護に対する関心の高まりと、汚染を軽減するための排気ガスに対する政府の厳しい規制により、エンジン開発の研究が大幅に増加しています17。特にユーロ VI 基準における粒子状物質 (PM) と \({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}}\) を同時に削減することは、\({\mathrm{NO}} の間に逆の関係があるため問題があります) _{\mathrm{X}}\) と PM18。多くの研究者が、\({\mathrm{NO}}_{\mathrm{X}},\) PM および非メタン揮発性有機化合物 (NMVOC) の排出を削減するための新しいまたは改良された後処理技術の開発に専念しています19,20。 21、22。選択触媒還元 (SCR) は、ディーゼルエンジン車で効果的に利用されている最も高度なアクティブ排出ガス制御技術です 23,24。 SCR はモノリス触媒を使用して NOx を水 (H2O) と二原子窒素 (N2) に変換します7。

持続可能な開発と環境への懸念により、改質燃料や代替燃料の開発に大きな注目が集まっています。これらの取り組みの多くは、従来のディーゼル燃料に代わる耐久性と効率性に優れた優れたブレンドを得るために、ブレンド燃料の形でディーゼル燃料を改良することに焦点を当ててきました。これまでに開発された主なディーゼル燃料ブレンドには、エタノール 25、26、27、28、29、バイオディーゼル 30、31、32、33、水素 11、34、35 が含まれます。水-ディーゼル2、36、37、植物油38、39、40、およびその他のさまざまな酸素化燃料41、42、43、44。ディーゼル燃料の改質は、排気ガスの大幅な削減を達成する上で重要な役割を果たしてきたと広く考えられています39、45、46、47。ディーゼル燃料の改質は、硫黄分と芳香族含有量の低減、燃料への酸素添加の可能性など、さらなる利点をもたらしました。多くの含酸素化合物ベースの添加剤は、ディーゼルエンジンからの微粒子排出量を削減するのに非常に効果的であることが証明されています48、49、50。しかし、ディーゼル燃料の最も重大な問題は、他の混合燃料を溶解する能力が低下していることです。添加剤が補助剤として挿入されると、燃料特性の突然の低下、特にセタン数の大幅な低下が観察されます51。ディーゼル燃料は部分的にエタノールと混合しますが、両方の液体の表面張力の違いにより溶解度が影響を受けます。

水は、乳化剤を共存させるためにディーゼルと組み合わせることができる典型的なディーゼル燃料添加剤です52。さらに、水を燃焼室に直接噴霧したり、吸気中に燻蒸したりすることもできる53。最近、Atarod ら 54 は、ディーゼルエンジンからの排出ガス制御のため、ナノ粒子で誘導された水ディーゼル乳化燃料に関する実験およびモデル化研究を実施しました。 Span 80 と Tween 80 の混合物を 5 wt.% で使用し、水分含量とナノ粒子組成はそれぞれ 0 ～ 3 wt.% と 0 ～ 150 μM の間で変化しました。調査結果により、ディーゼル燃料に水を添加すると、中程度の負荷条件で未燃炭化水素の排出と窒素酸化物形成におけるナノ粒子の落下が軽減されることが明らかになりました。さらに、開発されたニューロファジーロジックベースのモデルは、水とディーゼルの混合燃料からの動作パラメータと排気ガスを効果的に予測しました。

含酸素燃料を導入する最良の方法の 1 つは、ディーゼル燃料混合物に H2O2 を挿入することです。これは、水分子が追加されるとセタン価が高くなる傾向があります 42,43,44。しかし、以前の研究では、エタノールとディーゼル燃料の溶液に H2O2 を添加すると、時間の経過とともに相分離が起こることが示されています 51。より長期間にわたるブレンドの安定性の向上も重要な問題です55。さらに、広範囲のエネルギー変換システムによる燃焼プロセスにおける H2O2 の潜在的な用途を示した研究はほとんどありません 13,44。 David & Reader56 と Golovitchev ら 57 は、H2O2 による空気中でのメタンの自己発火の見通しを研究しました。彼らは、少量の H2O2 (体積で 10%) を添加することにより、着火遅れが大幅に短縮されることを発見しました。点火遅れは、(i) 2.55 ～ 13.01 気圧の CH4/O2/空気混合気の場合、燃焼温度は 1525 ～ 2025 K の範囲で減少しました。 (ii) CH4/空気混合物、0.4 ～ 10 気圧、温度範囲 1100 ～ 2000 K56。ゴロヴィチェフとピリアフによって行われたその後の研究でも、希薄水素ガスよりも弾力性のある H2O2 を使用するとメタンの自己発火が強化されることがわかりました。この着火遅延の減少は、H2O の即時分解によって生成される「O」および「OH」ラジカルの役割により当然のことながら明らかです257,58。

さらに、Martinez ら 59 は、H2O2 がディーゼル排気中の致死性の一酸化窒素から危険性の低い二酸化窒素への変換を触媒することを発見しました。 David と Reader56 および Ashok と Saravanan51 は、ディーゼルエンジンに H2O2 を適切に噴射すると、煤と NOx が大幅に減少したと説明しました。さらに、Martinez & Cabezas 59 は、天然ガスを燃料とする産業用パイロットプラント規模の燃焼室からの未燃焼炭化水素 (NOx および CO) の濃度が、数百 ppm の H2O2 の注入によって大幅に低下したことを確認しました。 David と Reader が実施した補足研究 56 では、H2O2 を添加すると CO 濃度と NOx 排出量が減少することが示され、一方、Ashok と Saravanan 51 は熱ブレーキ効率の向上を実証しました。そして、Yusof et al.44 は、H2O2 の増加によりディーゼル燃料ブレンドのセタン価が大幅に増加すると報告しました。さらに、これらの研究では、ディーゼル燃料単独または乳化燃料と混合した場合と比較して、比燃料消費量、粒子状物質、煙濃度、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素が低いことも明らかになりました51。

したがって、本研究は、新しく調製された多糖類ポリマー（アガロース）/アセトン乳化剤の存在下でディーゼルに添加された5〜15重量％の性能と排出特性の研究に焦点を当てています。さらに、結果は基準ディーゼル（ニートディーゼル）と比較されます。私たちの以前の研究では、乳化燃料の一貫した安定性が判明しました。この実験研究では、ディーゼル中の H2O2 含有量の増加により、混合燃料のセタン価が大幅に増加することも明らかになりました。したがって、本研究は、水素化ディーゼル/\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) ブレンド燃料がディーゼルに及ぼす影響を調査するという以前の研究の継続です。エンジンの性能と排気ガスの特性評価、特に NOx、CO、\({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\) の削減、および\({\mathrm{SO}}_{2}\)。

さまざまな速度 (rpm) での出力エネルギー (OPE) は、\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/ディーゼルブレンドの総合的なパフォーマンスを比較するためのツールです。燃料と基準ディーゼル (RD)。理論的には、最大パワーを供給するために分割時間ごとにどれだけの燃料が分配されるかを測定しました。図 2 は、さまざまなエンジン速度およびさまざまなエンジントルク (6 ～ 12.5 Nm) でのさまざまなテスト燃料の発電機出力 (kW) を示しています。

さまざまな量の H2O2/ディーゼル燃料混合物の出力効率の比較。

結果は、RD 燃料がさまざまなエンジン速度でほぼ 1 ～ 2.5% 高い出力を生成することを明らかにしました。ただし、乳化した H2O2/ディーゼル混合物は出力効率が低くなりました。その理由は、H2O2/ディーゼル燃料の発熱量が、以前の研究で議論したRD燃料よりも比較的低いためである可能性があります44。

\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/ディーゼル混合燃料のうち、5 wt.% の \({\mathrm{H}}_{ 2}{\mathrm{O}}_{2}\) は、H2O2/ディーゼル混合物よりも若干高い含有量を示しました。このような無視できる欠陥は、ディーゼルブレンド燃料の高い燃焼効率と有効酸素含有量によって明らかになる可能性があり、おそらくRDディーゼルと比較して初期の燃焼効率に関してはよく一致しています。さらに、私たちの以前の研究13、44、60では、ディーゼルにH2O2を添加すると、熱伝導率と比熱とともにセタン価が向上することをすでに実証しました。おそらく、H2O2/ディーゼル混合燃料の発熱量は、すべての重要性がディーゼル燃料の範囲内に一致しているにもかかわらず、混合燃料のエネルギー含有量が低いため、ほとんど低下しませんでした47,61。

研究の現在のセクションでは、比燃料消費量 (SFC) の便利なパラメーターと、RD と H2O2/ディーゼル混合燃料の比較を使用して、エンジンの性能を調査します。テストは、さまざまなエンジントルク (6 ～ 12.5 Nm) および 1700 ～ 3024 rpm の範囲の速度条件下で実施されました。 SFCはブレーキ出力に対する燃料消費率の比率を表します。図 3 は、RD 燃料とディーゼル混合燃料の SFC をまとめたものです。結果は、エンジン速度が 1700 rpm から 3024 rpm に増加するにつれて減少傾向を示しました。

さまざまな量の H2O2/ディーゼル燃料混合物の比燃料消費効率の比較。

試験エンジンの燃料噴射ポンプはカスタムタイプであったため、ヤンマー62のデフォルト最低回転数（1700rpm）では吐出燃料量が減少した。彼らは、RD 燃料と空気の混合率とディーゼル混合燃料内の過剰酸素含有量に関する分解比較率をシミュレートしました。エンジン速度を上げるとシステム性能が向上し、同時に各テスト燃料の SFC が低下しました。

それにもかかわらず、高速での体積凝集性の低下により、1700 rpm を超える速度では SFC の欠陥が明らかになる可能性があります62。平均して、RD テストの SFC は、すべての H2O2/ディーゼル混合燃料の SFC よりも高かった。 RD 燃料の SFC は、H2O2/ディーゼルより 2 ～ 5% 高かった。試験燃料にはそれぞれ 10 および 15 wt.% の H2O2 が含まれており、ディーゼルブレンドは 5 wt.% の H2O2 を含むディーゼルブレンドよりも有望な SFC 結果を示しました。 H2O2 は、5 wt.% H2O2/ディーゼルおよび RD 燃料と比較して、SFC がそれぞれ 1.5 ～ 5.2% 近く減少することが実証されました。 RD 燃料の SFC がすべての H2O2/ディーゼル混合燃料よりも高いのは、RD ディーゼルのエネルギー範囲がわずかに高いためです。技術的には、燃料混合物の発熱量は、H2O2 と乳化剤 (C14H24O9/C3H6O) のモル体積含有量により低くなりました。したがって、11 Nm をわずかに超えるトルクを達成するには、消費量が増加すると考えられていました。発熱量が比較的低いにもかかわらず、すべての H2O2/ディーゼル混合燃料は RD 燃料よりも SFC が低かった。 SFC が効果的である理由は、H2O2/ディーゼル燃料混合物のセタン価が高いためです51。 H2O2 の量が増加して混合燃料のセタン価が上昇すると、燃焼室内の温度と酸素含有量がより自己制御され、熱分解が促進され、酸化速度が増加する一方で、未燃 HC 排出量と燃料消費量が減少します63。また、このことは、おそらくディーゼル混合物中に安定した高酸素含有量が存在するために、Ｈ２Ｏ２／ディーゼル混合物の適切なＳＦＣが見出されることを示唆している。

排気煙濃度は多重粒子状物質 (PM) とも呼ばれ、未燃炭化水素 (HxYx)、NOx、SOx に関連しており、ディーゼル燃料にとって重大な問題であることが証明されています。したがって、前回の崩壊以来、先進国は公共用自動車での軽グレードディーゼル (EURO II および III) の使用を制限する厳格な政策を講じてきました。しかし、ヨーロッパ諸国では、PM、特に HxYx と NOx は、凍結環境のため依然として困難です 10,12。公共交通機関では高速ディーゼル (EURO V および VI) が使用され、その後にシリンダー内触媒や触媒フィルターシステムを備えた高度なハイブリッド酸化触媒などの高度な技術が使用されています。

したがって、このセクションでは、さまざまな H2O2/ディーゼル混合燃料の SD におけるエンジン性能の包括的な評価を調査しました。 SD 分析は、可変トルク (6 ～ 12.5 nm) とそれに続く約 1700 ～ 3600 rpm の範囲のさまざまなエンジン速度でのテスト運転条件中に、AVL スモークメーターを使用して実行されました。 SD の結果を図 4 に示します。 H2O2/ディーゼルブレンドと RD 燃料の SD 比較では、エンジン速度が 1700 rpm から 3600 rpm に増加するにつれて低下する傾向が示されました。

さまざまな量の H2O2/ディーゼル燃料混合物の排気煙濃度の比較。

また、SD は図 4 と同様の傾向レベルに従い、H2O2/ディーゼル混合物ごとに RD よりも減少していることもわかりました。しかし、SD の干ばつにより、すべての H2O2/ディーゼル混合燃料が大幅に減少し、約 10 ～ 25% 減少しました。 SD レベルの減少は、おそらく過剰な酸素含有量によって明らかになりました。これは、吸入空気と燃料の混合が改善され、燃焼室内の OH ラジカルのモル質量含有量が増加したことにも起因すると考えられています 38,51,64。通常、ディーゼル燃料の成分は酸素との強い相互作用能力を示します。さらに、ディーゼル・H2O2の安定性が高く、二次燃焼が低減され、燃焼性能が向上します。

さらに、我々の以前の研究は、図444に見られるように、H2O2とディーゼルに使用される乳化剤がディーゼルとH2O2の間の相の亀裂を防ぐことを実証しました。したがって、H2O2はおそらく常にディーゼル中の煤とPMの排出を削減します。また、これは燃料燃焼室内の酸素含有量の明確な関与による急速な燃料の分解の結果である可能性があり、おそらく煙の密度により関連しています。最も高いＳＤ減少は１５重量％で得られた。最大負荷条件における H2O2 ディーゼル混合燃料の割合は 26% です (図 5 を参照)。

さまざまな量の H2O2/ディーゼル燃料混合物の排気煙密度 (SD) の減少率の比較。

また、図５は、２９００ｒｐｍの負荷速度でディーゼル混合燃料中の５重量％のＨ２Ｏ２によって達成される低いピーク値が約１２％であることを示している。ディーゼル混合物に 10 wt.% の H2O2 を添加すると、酸素含有量が過剰になるため、煙密度はさらに減少します。したがって、寒天/アセトン (C14H24O9/C3H6O) と \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) を加えたディーゼルブレンドのモル体積の違いが明らかになったと考えられます。これにより、SD と粒子状物質 (HxYx + Nox) の相互の直接的な関連性が明らかになる可能性があります。微粒子の減少は、ディーゼル燃料中のアセトンと H2O2 の組み合わせがよく一致するためである可能性が高く、燃焼室を清浄に保つ酸化剤として機能する可能性があります。さらに、乳化剤中の水素のモル質量含有量が高いため、H2O2/ディーゼル混合物の SD は減少します。したがって、特定の燃焼環境下では実質的に SD フリーとして燃焼することも可能です65。 Ashok と Saravan51 も、過剰酸素の存在による \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) 添加乳化燃料について同様の観察結果を報告しました。それにもかかわらず、H2O2 による乳化剤の蓄積としての C14H24O9/C3H6O の追加モル質量に基づいています。仮説としては、乳化が最も少ない燃料がおそらく SD の低減に重要な役割を果たしていると考えられます。

この研究では、ポータブルガス分析計である Lancom 4 を使用し、負荷の有無にかかわらずフルスピード (2989 rpm) のディーゼルエンジンで排気ガスを評価しました。この分析装置は、排気ガスおよび未燃炭化水素の検出限界の最大偏差が 0.1 ppm66 から 2 ppm 以内であるという米国 EPA CTM 034 参照法の要件を満たしています。図 6、7、8、9 は、ディーゼル発電機の排気流からの平均排気ガスが徹底的に研究されたことをまとめています。結果は、混合燃料に 5 ～ 15 wt.% の H2O2 を挿入した後の、最大出力での負荷がかかっている発電機と負荷がかかっていない発電機の平均排出ガス濃度の減少をまとめています (図 3 を参照)。

無負荷 (UL) ディーゼルエンジンと全負荷 (FL) ディーゼルエンジンにおける炭素ベースの排出量の比較。

無負荷 (UL) ディーゼルエンジンと全負荷 (FL) ディーゼルエンジンにおける二酸化硫黄 (SO2) と未燃炭化水素の排出量の比較。

無負荷（UL）ディーゼルエンジンと負荷（FL）ディーゼルエンジンにおける窒素ベースの排出量の比較。

無負荷（UL）ディーゼルエンジンと負荷（FL）ディーゼルエンジンにおける未燃炭化水素（CxHy）ベースの排出量の比較。

図 6a と図 6b は、それぞれ、負荷がかかっている発電機と負荷がかかっていない発電機の排気からの CO と CO2 の排出結果をまとめたものです。無負荷エンジンのテスト結果 (図 6a および b を参照) では、基準ディーゼル (RD) CO 排出量が負荷時 437.5 ppm および 525.4 ppm と比較して、負荷時 565 ppm および 706.25 ppm であることが明らかになりました。一般に、ディーゼル燃料の燃焼にはより多くの酸素が必要であることが知られています。そのため、フル負荷のディーゼルエンジンの場合、燃焼には、スロットルの位置に関係なく、各吸気行程でかき消されるより多くの吸気量が必要になります。次に、空気は圧縮および加熱されてから、ディーゼル燃料がシリンダーに供給されます。燃料が大量の熱風にさらされると、急速に燃焼します。その結果、負荷がかかっているエンジンでは、負荷がかかっていないエンジンに比べて、COx および NOx の排気ガス濃度が高くなります。 CO 含有量を削減するために、3 つの最良のディーゼル/H2O2 ブレンドエマルジョンが評価されました。

UL ジェネレーターは、ディーゼル混合物中の 5 wt.% の H2O2 が 22.5 ～ 25% の削減に相当することを示しています。 10 wt.% のディーゼルブレンドにより CO 排出量は 348.5 ppm に減少し、38% の削減となりました。CO 排出量の 34.8% 削減は、ディーゼルブレンド中の H2O2 の 15 wt.% に相当します。ディーゼル混合物中の 10 wt.% の H2O2 は、UL 発電機の CO 排出量の最大の削減を示しています。理論的には、空燃比は、ディーゼルエンジンの圧縮室内の明確な空燃比と理論空燃比との差として定義されます58。対照的に、H2O2/ディーゼルの場合は、不安定な過酸化物がディーゼルの早期点火に必要な酸素の一部を提供する可能性が高く、圧縮室内の追加空気の必要性が減ります。技術的に言えば、必要な量の酸素が存在する場合、UL ディーゼルエンジンは化学量論のリーン側で動作し、圧縮室内に過酸化物のモル量が追加された場合の CO 排出量は非常に低くなります。

しかし、負荷のある発電機の CO 排出量は約 400.7 ppm で、これは負荷のない発電機より 13% 高くなりますが、RD 燃料の負荷のある発電機および負荷のない発電機よりは少ないです。フル負荷のディーゼルエンジンの場合、ディーゼルはより多くの酸素を必要とし、ディーゼルエマルジョン中に存在するおそらく不安定な酸素は点火にはおそらく十分ではないことが示唆されています。したがって、圧縮室はより多くの空気を取り込むため、CO排出量はUL搭載ディーゼルエンジンよりも多くなります。それにもかかわらず、１５重量％のディーゼルブレンド組成物もまた、負荷および無負荷発電機中のＣＯ含有量が基準ディーゼルよりも低いことを示すが、それぞれディーゼルブレンド組成物の５重量％および１０重量％よりはわずかに高い。

それにも関わらず、すべての燃料試験において、装填された発電機は、装填されていない発電機よりもほぼ 10 ～ 20% 高い排出量を示しました。発電機を搭載すると、燃焼するためにより多くの電力とより多くの燃料と空気の吸入が必要となり、結果的に CO 排出率が高くなります。これはおそらく、シリンダー内燃焼内部に空気が取り込まれることにより、ディーゼルブレンド組成中の酸素のより高いモル質量と基準ディーゼル排出ガス中のより高い CO 含有量がよく一致しているためと考えられます。さらに、H2O2 は完全に反応性が高く、密閉室内での点火のような理想的な環境になると燃え上がります。したがって、独立して反応し、酸化剤を必要とせず、ディーゼルの早期かつクリーンな燃焼プロセスに役立ちます。しかし、混合物中の H2O2 の量が多いほど、CO 含有量の削減に貢献します。Gribi ら 67 は、H2O2 が個別の燃焼特性を持っていることも発見しました。彼らは、H2O2 が、特に燃焼室で他の燃料と反応するときに燃料または酸化剤として使用できることを報告しました。したがって、H2O2 の二重の性質を想定し、クリーン燃焼技術におけるその潜在的な利点を探ります。

図 6c と図 6d は、負荷のないディーゼル発電機の排気流と負荷が入っているディーゼル発電機の排気流の CO2 部分の削減に対する H2O2 の影響も示しています。基準ディーゼルの CO2 排出量は非常に低かった (1.2%) が、5% \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) 燃料混合物では CO2 排出量がわずかに増加しました。 1.75%まで。同様の結果が負荷のある発電機でも観察され、CO2 排出量はより高い含有量を示しますが、負荷のある発電機または負荷のない発電機のいずれかにかかわらず、RD ディーゼル排出量よりも低くなります。ただし、より高いパーセンテージの CO2 排出量の値は RD (1.2%) とほぼ同じであり、CO2 排出量に対する影響は顕著ではありません。 Al-Lwayzy ら 69 と Scragg ら 70 は、バイオディーゼルから作られた燃料と比較して、微細藻類を含むエマルジョン燃料によって生成される排気ガス中の CO2 の割合がわずかに減少することを観察しました。 Koc 氏と Abdullah71 氏によると、水濃度が高い結果として燃料混合物中の酸素原子レベルが高くなることが、乳化ディーゼル燃料の CO2 レベルが高くなる理由を説明できる可能性があります。 Koc 氏と Abdullah71 氏の正当化は、ディーゼル燃料混合物に H2O2 が 5% 含まれる場合にはよく一致する可能性がありますが、RD ディーゼルの CO2 排出量との増加の差は大きくありません。それにもかかわらず、5% の H2O2/ディーゼル混合物が CO2 排出量に及ぼす影響を説明するには、さらなる実験が必要です。

さらに、燃料混合物中の 10 wt.% の H2O2 により、CO2 含有量の排出量は無負荷の発電機で合計 0.95 パーセント、負荷のある発電機で 1.09 パーセントであることが明らかになり、RD から全体で 19 ～ 21 パーセントの削減に相当します。 Ashok と Saravanan51 は、H2O2 混合燃料を用いた研究で、ディーゼル/H2O2 と David と Reader56 (CH4/H2O2) で同様の結果を観察し、約 16.5% の削減を示しました。しかしながら、１５重量％のＨ２Ｏ２ディーゼル混合物は、負荷のある発電機および負荷のない発電機における二酸化炭素の排出成分をわずかに減少させた。

フルスピード (2989 rpm) のディーゼルエンジンを無負荷にして負荷発生器を使用したポータブルガス分析計の結果は、\({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2} の影響を示しました) \) 混合燃料による二酸化硫黄 (SO2) の排出量に関する。図 7 に SO2 排出量の比較を示します。 RD 燃料は、すべての H2O2/ディーゼル混合物よりも、負荷のない発電機と負荷のかかる発電機で 16 ppm と 20 ppm という高い SO2 排出量を示します。

H2O2/ディーゼル混合物は、負荷のないディーゼル発電機と負荷のあるディーゼル発電機で測定した SO2 排気流の濃度にもプラスの影響を与えました。 SO2 の排気濃度の減少は、混合燃料中の H2O2 の実質的な酸化特性によるものです。ディーゼルブレンド中の 5 wt.% の H2O2 は、SO2 を無負荷の発電機排気で 11 ppm、負荷のある発電機排気で 13.2 ppm に大幅に削減し、RD ディーゼルよりもほぼ 31.5% および 34% 低いことを示しています。同様に、10 wt.% の H2O2 からの SO2 排出量は 13.4 ppm で、14.35 ppm は混合燃料中の 15 wt.% H2O2 を明らかにしました。ディーゼル混合物中の 15 wt.% の H2O2 により、SO2 排出量 (14.35 ppm) がわずかに減少しました。

それにもかかわらず、負荷のない発電機と負荷のある発電機は、RD ディーゼル燃料よりもかなり低い SO2 排出量を示します。これらの減少は、ディーゼル燃料の硫黄含有量が全体的に低く、H2O2 中に硫黄含有量が存在しないために観察されました。 Ashok & Saravanan51 と David & Reader56 は、H2O2 混合燃料を用いた研究で同様の発見を観察しました。

Lancom 4 ポータブルガス分析計は、基準ディーゼルおよび H2O2/ディーゼル燃料ブレンドの排気ガスの亜酸化窒素 (NOx)、一酸化窒素 (NO)、および二酸化窒素 (NO2) の結果もコンピューター化しました。図 8 はその結果をまとめたものです。比較の様子。

排気ガスの削減を引き起こす主なメカニズムは、液体の水の蒸発とその後の気相種の希釈の結果としての燃焼生成物の温度の低下のように見えます。 NOx の結果では、発電機が負荷がかかっていても負荷がかかっていても、ディーゼル燃料の排気流中の NO2 と亜酸化窒素 (NO) の濃度にプラスの影響があることがわかりました。図 8 は、H2O2 が燃焼室内で酸素と水に分解するときの H2O2 の固体酸化能力による、二酸化窒素と亜酸化窒素の排出量の全体的な削減比較を示しています。

この反応中に生成された水は熱を吸収し、燃焼室内の温度がわずかに低下しました。この温度の低下により、NO2 と NO の生成が制限されました。基準ディーゼルの NOx 排出量は非常に低い (12 ppm) ものの、ディーゼル混合物中の H2O2 の 5 重量% と 10 重量% により、その生成量はそれぞれ 9 ppm と 5.8 ppm に減少しました。より高いセタン価と含水量の組み合わせによって NOx の生成が減少すると、ディーゼルエンジンの温度が低下します 13、43、51。同様の結果が負荷発電機の排出でも観察されます。負荷のない発電機または負荷のある発電機で混合燃料の窒素ベースの排出が大幅に減少することは、H2O2 が急速に蒸発し、ヒドロキシル基に解離する可能性がある可能性があります。さらに、燃焼室内で H2O2 が激しく不安定になり、活性が高くなり、その結果、排気中の NO および NO2 が酸化されたと解釈することもできます。 Kasper ら 68 は、窒素ベースの排出物の分解と削減における H2O2 の重要性も調査しました。彼らは、H2O2 の熱分解によって生成される OH ラジカルによって、気相中で NOx が NO と NO2 に酸化できることを実験的に実証しました。同様の結果が Saravanan らによっても観察されました 72。 Ashok と Saravanan51 は、H2O2 とディーゼルの混合物の研究で、全体で約 18.5% の削減を発見しました。

図 8 は NOx の結果も示しており、ディーゼル混合物中の H2O2 が 5 wt.% であると、UL および FL 発電機の排出物中の NOx 含有量が高くなることがわかりました。 5% の H2O2 ディーゼル混合物は、NOx と CO2 の削減に大きな違いがないことがわかっています。これは、ディーゼルには H2O2 がそれほど多くないためと考えられますが、UL 発電機か FL 発電機かに関係なく、RD ディーゼルよりも発生する熱が少ないためです (図 10 を参照)。 5% H2O2/ディーゼル混合燃料排気の場合、温度低下は 2 ～ 20% ですが、この差はおそらく NOx と CO2 の削減を克服するには十分ではありません。一方、ディーゼル混合物中の H2O2 濃度が高くなると (10 ～ 15%)、UL および FL 発電機の排出ガスにおける NOx が大幅に減少します。ディーゼル混合物の水分含量レベルが高くなると、燃焼室の温度が低下し、その結果 NOx 濃度が低下すると考えられます。

無負荷（UL）ディーゼルエンジンと負荷（FL）ディーゼルエンジンにおける排気温度と過剰空気吸入の比較。

一般に、燃焼温度、酸素濃度、および燃焼ゾーン内の燃焼生成物の滞留時間は、生成される NOx の量を決定する最も一般的な変数であることがよくあります。高い圧縮比によって引き起こされるシリンダー内の高温は NOx の排出を促進し、RD の結果は実験結果とよく一致しています74。局所的な断熱火炎温度は、水の蒸発熱と顕熱によって低下し、NOx の発生も減少します。したがって、ディーゼル混合物中の H2O2 濃度が高くなるほど、NOx75 の削減が大きくなります。 Scrage70 と Koc71 は、NOx と CO2 を減少させながら水と酸素の含有量を増加させる同様の結果を報告しましたが、CO2 の削減はまだ顕著ではありません。もしかしたら、エンジンを改造すれば解決するかもしれません。

ディーゼルエンジンの排気ガスからの炭化水素の排出も重要な汚染物質です。 \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\)/ディーゼルブレンドは、ディーゼル発電機の排気流の総炭化水素含有量に建設的な影響を与えることも実証しました。図 9 は、H2O2 の顕著な酸化特性による未燃炭化水素 (CxHy) 濃度の全体的な減少の比較を示しています。

RD 燃料は、負荷のない発電機排気および負荷が負荷された発電機の排気において、より高い CxHy 含有量の排出を示します。ディーゼル混合燃料は 5wt.% の H2O2/ディーゼル混合物を含み、負荷のない発電機排気および負荷された発電機排気中の CxHy 含有量は明らかにされませんでした。しかし、ディーゼル混合物中の 10 wt.% の H2O2 により、未燃炭化水素の生成がわずかに増加しました。ブレンド中の 15% H2O2 は、RD ディーゼルおよび 10 wt.% H2O2/ディーゼルブレンドよりも低いです。未燃炭化水素のレベルが低いのは、溶液がディーゼルと混合される前に過酸化アセトンが形成されたためであると考えられます。これは燃焼室内で強力な酸化剤として作用する可能性が高く、ひとたびディーゼルが点火されると、これが水蒸気とともに洗浄ツールとして機能し、ディーゼル混合物中の高濃度の H2O2 における未燃炭化水素の減少を克服します。

さらに、結果は、ブレンド中の H2O2 の濃度が増加するにつれて、粘度、密度、および高熱量がわずかに減少するものの、H2O2 の過酸化性質により不安定な酸素含有量が改善することを明らかにしました 47,73。一般に、密度が高く、粘度が低いほど、流量が高くなります。したがって、これらの発見は、ディーゼル/H2O2 混合燃料のより低い粘度が、早期の点火時間で燃料噴射の低下に成功する可能性があり 47,73、その結果、未燃炭化水素と NOx の削減において良好な一致が得られる可能性があることを示唆しています。さらに、過酸化物基のモル比が高いため、RD と比較して各安定ブレンドの粘度が低下し、燃料ブレンド中の H2O2 濃度が低くなります。また、含水量 70% の H2O2 がディーゼル内部で水滴を形成し、H2O2/ディーゼル混合物中の多糖類ポリマーによりこれらの液滴がよく混合したことも示唆されました。

それにもかかわらず、未燃焼炭化水素の排出量は純粋なディーゼル燃料からの排出量を大幅に下回っていました。粒子状物質 (PM) の排出に関しては、煤粒子の集中的な形成中に水が存在すると、OH73 などの酸化種の濃度が増加するため、バーンアウトが大幅に減少し、促進されるようです。

図 10 は、最大出力時の無負荷発電機と負荷発電機の排気温度を比較しています。 RD 燃料の排気温度は、発電機が無負荷であるか最大出力で負荷されている場合でも、すべての H2O2/ディーゼル混合燃料よりも高い温度を示します。ＲＤ燃料のより高い排気温度は、より高い蒸発熱とリーンディーゼルの燃焼プロセスの遅延により明らかになった。ただし、すべての H2O2/ディーゼル混合物は、搭載された発電機の排気温度がほぼ 20 ～ 41% 低いことが示されています。

セタン価 H2O2 が高いため、ディーゼルよりも蒸発潜熱が低くなります。 H2O2/ディーゼル燃料の点火遅れが減少し、排気温度が低くなります13、44、72。さらに、通常のエンジン運転中、冷却剤は熱の大部分を吸収します。 H2O2 には水粒子も含まれており、これが冷却剤と相互作用してより多くの熱を吸収し、排気ガス温度を低下または制御します51。エンジンのピーク温度により、NOx の生成が常に増加します。ディーゼル混合物に H2O2 を含めるとセタン価が上昇し、着火潜伏期間が短縮されます。この点火遅れの減少により、燃焼前に蓄積される燃料の量が減少し、初期燃焼速度が低下し、ピーク温度が低下するため、NOx の発生が減少します。排気ガス中の NOx、COx、および CxHy を削減することは、温度低下を正当化する重要な合意です 60,73。図10では燃焼過程における空気吸入量も比較しています。 RD ディーゼルと比較して、H2O2/ディーゼル混合燃料は、おそらく燃焼室内で必要な酸素が利用可能であるため、燃焼プロセスでの空気の取り込みが少なくなります。

PETRONAS Sdn Bhd は参考ディーゼル燃料を提供しました。商用グレードの H2O2 (30%) は、マレーシアの Chemical Company Berhad (CCM) から入手しました。純度 99% のアセトン (C3H6O) や多糖類ポリマー (アガロース: C14H24O9) などの乳化剤中間体は、Merck から購入しました。

乳化剤は、基準ディーゼル (RD) と \({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}\) ディーゼル燃料ブレンドを混合する前に調製されました。多糖類ポリマー (PSP) とアセトンを 1:4 w/v の比率で反応させ、500 mL の密封した Schott ボトル内で行いました。加熱したマグネチックスターラーを用いて溶液を５０℃で１２時間混合した。ディーゼル/H2O2 燃料混合物は、別の場所で説明されているカスタマイズされた溶媒凝縮装置を使用して調製されました 13、44、47。ディーゼル/H2O2 燃料ブレンドの調製中、PSP 乳化剤の量は 5 vol% に維持され、H2O2 と RD の体積比は 5 ～ 15 wt.% の範囲で変化しました。 PSP 乳化剤と H2O2 を混合すると、安定した均質な溶液が形成されるまでに 30 分かかりました。最終点として、RD の 91% を混合容器に挿入し、混合プロセス中 70 分間保持しました。 PSP 乳化剤の疎水性、親水性、および親油性の性質を利用し、乳化燃料ブレンドを含む容器内の高速流体スターラーによって生成される共有効果によって、十分に安定化されたエマルションが形成されます。すべての燃料ブレンド配合は、可変負荷条件下で 100 rpm の一定速度で実行され、燃料ブレンド配合の温度を周囲温度 25 ± 1 °C に維持しました。

出力 3.6 kW (4.7 ps) と可変速度計コントローラー 53 を備えたヤンマー L48 N 単気筒 4 ストローク直噴ディーゼルエンジンは、通常、農業用および家庭用の電力生産に使用され、今回の調査の対象となりました。ディーゼル発電機の詳細仕様を表1にまとめます。エンジンはコンパクトでメンテナンスが容易な単気筒エンジンを採用しました。このシステムは空冷であるため、ラジエーター、水域、ポンプが必要ないため、高温で乾燥した環境により適しています。テストエンジン (ディーゼル発電機) は図 11 に示されており、エンジン負荷テストを調査するために 4 つの Philips 32150-5 1000 W 高輝度放電ランプを使用して改造されています。発電機の負荷は、デジタル発電機電流電圧電力エネルギーメーター (QV05 MK 11-380; S/N 36220526) を使用して測定されました。すべての測定は手動で行われ、記録されます。エンジンを始動する前に、基準ディーゼル燃料で約 10 分間エンジンを運転します。燃料流量は、校正されたビュレットとデジタルストップウォッチを使用して計算されました。図 11 は、すべての機器を含む実験セットアップの概略図を示しています。各実験の前に、排出ガス分析装置をゼロ調整し、従来のディーゼルエンジン用に校正しました。

ヤンマー直噴ディーゼル発電機を使用した実験装置。

前述したように、排気ガスはディーゼル燃料に関連する最も重大な問題の 1 つであり、環境汚染の原因となることが考えられます。ほぼすべてのガス燃焼生成物の主成分は、N2、CO2、CO、および水蒸気です。二酸化炭素は地球温暖化に寄与する重要な温室効果ガスとして一般に認識されていますが、それらは有毒でも有毒でもありません。ガス燃焼生成物の比較的微量には、不完全燃焼により形成される CO などの望ましくない有毒または致死物質が含まれます)、炭化水素 (\({\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{ と適切に示されます) \mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\) は未燃燃料から発生し、燃焼温度が上昇すると NOx が生成します。煙の量を推定するために AVL スモークメーターが使用されます。この研究でのディーゼル排気ガスの測定は次のとおりです。 Lancom 4 - ポータブル燃焼および煙道排出ガス分析装置を使用して測定されます。Lancom 4 分析装置は、米国 EPA CTM 034 参照法の基準を満たしており、排気ガスおよび未燃炭化水素の最大検出限界変動は 0.1 ppm から 2 ppm です。分析装置はディーゼル発電機の排気流出口に挿入され、炭素ベースの排出物（高域から補償までの CO および \({\mathrm{CO}}_{2}\）などの汚染物質の量を測定しました） )、窒素ベースの排出量 (NO、\({\mathrm{NO}}_{2}\)、NOx - \({\mathrm{NO}}_{2}\) センサーが取り付けられていない場合に計算) 、\({\mathrm{SO}}_{2}\)、\({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}\)、炭化水素 (\({\mathrm{C}}_ {\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\)) をそれぞれ。

この実験研究では、ディーゼル燃料への過酸化水素 (H2O2) の添加による特定の効果が、ディーゼル燃料の排気ガスの性能を最も高める最適なブレンドを発見するために、燃料ブレンドのさまざまな組成について体系的に観察されました。 H2O2 は環境に優しい性質を持っているため、この研究では、無負荷時および負荷時におけるディーゼル発電機の排出に対する環境影響の改善が確実に決定され、実証されました。混合燃料の H2O2 含有量をわずかに増加させることで、CO、SO2、および NOx とともに未燃炭化水素の排出量の削減が達成されました。この研究では、5 wt.% の H2O2 を添加すると CO2 濃度がわずかに増加しましたが、全負荷条件では CO 量が約 25.6% に減少したことも実証されました。燃焼プロセス中の酸素含有量の増加により、強化燃焼による未燃焼炭化水素 (CxHy) の数が減少しました。全体として、H2O2/ディーゼル燃料混合物の優れた環境特性は、H2O2 のより高いセタン価ポテンシャル、水分含有量、および適切な酸素によりおそらく観察され、わずかに低下した温度プロファイルで完全燃焼を実現します。その結果、酸性ガスの生成 (Cox、SOx、NOx) が減少し、完全燃焼の形になります。したがって、この実験研究は、物理化学的、熱的、および排気ガス特性を評価した後、ディーゼル混合燃料中の H2O2 の 5 および 10 wt.% が最も適切に提案される可能性があることを実証しました。したがって、この研究は、より環境に優しいディーゼル燃料に関する進行中の研究に貢献し、従来のディーゼル燃料の有害な温室効果を削減することに努め、炭素と温室効果ガス排出目標の削減に貢献することができます。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、この研究活動を支援するためにキング・アブドゥルアズィズ大学からの出版助成金 # IFPHI-129-123-2020 に感謝したいと思います。また、著者らは、化学工学部の技術施設および実験施設、特にペトロナス工科大学の CO2 研究センター (CO2RES) の使用に感謝の意を表します。

Center of Excellence in Desalination Technology、キング・アブドゥルアズィズ大学、私書箱 80200、ジェッダ、21589、サウジアラビア

イクバル・アーメド・ムジディン、ハニ・アブドゥレラ・アブクヘア、アメル・アーメド・シャイバン、ハッサム・アドナン・オーガンジ、アブドゥルモーセン・オマル・アルサイアリ

キング・アブドゥルアズィズ大学機械工学部、私書箱 80200、ジェッダ、サウジアラビア

イクバル・アハメド・ムジディン、ハニ・アブドゥレラ・アブクヘア、アブドゥルモーセン・オマル・アルサイアリ

CO2 研究センター、University Technology PETRONAS、セリ・イスカンダル、マレーシア

ムハンマド・サード・カーン

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IAM: 執筆—レビュー、編集、資金提供。 MSK: 概念化、方法論、調査、データキュレーション、執筆 - 原案の準備。 HAA: 方法論、執筆 - 原案の準備、資金調達。 AAS: 方法論、執筆 - 資金提供。 HAO: 方法論、レビューと編集、資金調達。 AOA: 審査と編集、資金提供。著者全員が最終原稿を確認し、同意しました。

イクバル・アハメド・ムジディンまたはムハンマド・サード・カーンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アイオワ州ムージディン、ミシシッピ州カーン、ハワイ州アブルヘア他水素化ディーゼル/H2O2 混合燃料がディーゼルエンジンの性能と排気ガス特性に及ぼす影響。 Sci Rep 13、836 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27569-5

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受信日: 2022 年 6 月 26 日

受理日: 2023 年 1 月 4 日

公開日: 2023 年 1 月 16 日

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

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水素化ディーゼル/H2O2 混合燃料がディーゼル エンジンの性能と排気ガス特性に及ぼす影響

水素化ディーゼル/H2O2 混合燃料がディーゼルエンジンの性能と排気ガス特性に及ぼす影響