Physikalische Eigenschaften, Motorleistung und Abgasemissionen von Fischöl-Biodiesel/Bioethanol/Dieselkraftstoffmischungen

Jun 17, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 14024 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der aktuellen Studie wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften, die Motorleistung und die Abgasemissionen verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen untersucht, die Altfischöl (WFO), Biodiesel, Bioethanol und Petrodiesel enthalten. WFO-Biodiesel wurde aus Abfallfischöl mittels Umesterungsverfahren hergestellt. Verschiedene physikochemische Eigenschaften, darunter kinematische Viskosität, Dichte, Flammpunkt, Fließpunkt, Trübungspunkt und Heizwert, wurden für verschiedene Kraftstoffmischungen gemessen und mit reinem Petrodiesel verglichen. Die Leistung und die Abgasemissionen des Motors wurden auch mit unterschiedlichen Kraftstoffmischungen und einem Einzylinder-Dieselmotor im Volllastzustand bei 1800 U/min untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Motordrehmoment, die Motorleistung und der thermische Wirkungsgrad der ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Benzindiesel durchschnittlich um 2,45 %, 9,25 % bzw. 2,35 % reduziert waren. Auch der durchschnittliche spezifische Kraftstoffverbrauch während der Pausen stieg im Vergleich zum reinen Benzindiesel um 10,44 %. Außerdem wurde der Ausstoß von Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Stickoxiden (NOx) gemessen. Es wurde auch festgestellt, dass die Verwendung ternärer Kraftstoffmischungen zu einer erheblichen Reduzierung der CO- und UHC-Emissionen um durchschnittlich 50,55 % bzw. 43,87 % im Vergleich zu reinem Petrodiesel führt. Auch der NOx-Ausstoß stieg im Vergleich zum reinen Benzindiesel um durchschnittlich 28,25 %. Es wurde auch festgestellt, dass die NOx-Emission durch Abstimmung der WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalte der ternären Kraftstoffmischungen angepasst werden kann.

Die Erschöpfung der Ressourcen fossiler Brennstoffe und die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursachte Umweltverschmutzung wie Kohlenoxide (COx), Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC) und Partikelemissionen (PM) sind die besorgniserregendsten Probleme bei der Nutzung fossiler Brennstoffe1 ,2. Deshalb suchen die Forscher immer nach geeigneten Alternativen für die fossilen Brennstoffe. Solarenergie, Windenergie, Wellenenergie und Geothermie sind interessante erneuerbare Energiequellen. Biokraftstoffe gehören zu den erneuerbaren Energiequellen und können in ähnlichen Anwendungen für fossile Brennstoffe eingesetzt werden, da die Biokraftstoffspezifikationen denen des Dieselkraftstoffs ähneln können. Abhängig von der Art des Biokraftstoffs und seiner Anwendung können die Biokraftstoffe einzeln oder in Kombination mit fossilen Kraftstoffen eingesetzt werden. Beispielsweise kann reiner Biodiesel in einem Kesselverbrennungssystem eingesetzt werden, die Mischung aus Biodiesel und Petrodiesel kann jedoch in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden3,4,5,6.

Bioethanol ist ein erneuerbarer und umweltfreundlicher Biokraftstoff, der durch Fermentations- und Hydrolyseprozesse aus Zucker, Stärke und Zellulose hergestellt werden kann6. Verschiedene Rohstoffe wie Zucker, Mais, Weizen, Kartoffeln, Stängel, Heu, landwirtschaftliche Abfälle, Melasse, Makroalgen, Mikroalgen und Seetang sind potenzielle Rohstoffe für die Bioethanolproduktion7,8. Bei den Rohstoffen Zucker, Mais und Kartoffeln handelt es sich um essbare Ressourcen, die zu den Rohstoffen der ersten Generation für die Biokraftstoffproduktion gehören und aufgrund der Debatte um Lebensmittel versus Kraftstoff nicht für die Bioethanolproduktion empfohlen werden. Die Verwendung von landwirtschaftlichen Abfällen, Melasse, Makroalgen, Mikroalgen und Meeresalgen als Biokraftstoff-Rohstoffe könnte eine geeignete Lösung für dieses Problem sein9. Bioethanol kann nicht als alleiniger Kraftstoff in Dieselmotoren verwendet werden und sollte dem Benzindiesel beigemischt werden1,10. Die Verwendung von Diesel-/Bioethanol-Mischkraftstoffen hat einige Vorteile, wie z. B. eine Erhöhung der Geschwindigkeit der vorgemischten Verbrennung, eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads und auch eine Reduzierung der Rauchentwicklung1. Bei der Zugabe von Bioethanol zum Dieselkraftstoff gibt es jedoch einige Herausforderungen, wie z. B. eine begrenzte Löslichkeit von Bioethanol im Diesel, eine mögliche Phasentrennung des Kraftstoffs bei kalten Bedingungen und negative Auswirkungen von Bioethanol auf einige Kraftstoffspezifikationen wie Cetanzahl, Heizwert usw Flammpunkt11,12. Um das Problem der Phasentrennung in der Diesel-/Bioethanol-Kraftstoffmischung zu lösen, wird die Zugabe von Emulgatoren oder Co-Lösungsmitteln empfohlen. Unter den verschiedenen potenziellen Co-Lösungsmitteln wird die Verwendung von Estern empfohlen, da Ester die Mischungseigenschaften verbessern und die negativen Auswirkungen von Bioethanol auf die Kraftstoffmischung abdecken können10,13.

Biodiesel ist eine weitere Art von Biokraftstoff, der hauptsächlich aus Triglyceridmethylestern besteht und durch verschiedene Verfahren wie Mikroemulsion, thermisches Cracken und Umesterung aus Pflanzenölen oder tierischen Fetten hergestellt wird. Abfallfischöl (WFO) entsteht als Nebenprodukt in großen Mengen in der fischverarbeitenden Industrie. Dieses Nebenprodukt ist im Vergleich zu anderen Nebenprodukten wie Fischsilage oder Fischdünger wertvoller14. Es ist zu beachten, dass WFO aufgrund seines geringen Gehalts an Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA) und der daraus resultierenden niedrigen Omega-3-Konzentration kein gutes Futtermittel für die Pharma- und Functional-Food-Industrie ist. WFO wird in die Rohstoffe der zweiten und dritten Generation für die Biodieselproduktion kategorisiert, einschließlich nicht essbarer Ressourcen, bei denen das Nahrungs-gegen-Kraftstoff-Dilemma nicht auftritt15. Durch den Einsatz von WFO in der Biodieselproduktion können die Kosten der Biodieselproduktion deutlich gesenkt werden14. Biodiesel wird üblicherweise in Kombination mit Petrodiesel im Dieselmotor verwendet. Der Einsatz von Biodiesel in den Motoren führt zu einem Anstieg der NOx-Emissionen8,16,17. Der Literatur zufolge weist die Verwendung der Diesel-/Bioethanol-/Biodiesel-Kraftstoffmischung bessere Eigenschaften und Leistungen im Vergleich zu Diesel-/Biodiesel- oder Diesel-/Bioethanol-Kraftstoffmischungen auf18.

Hulwan et al.12 untersuchten die Leistung, Emissionen und Verbrennungseigenschaften der Jatropha-Biodiesel/Ethanol/Diesel-Kraftstoffmischung in einem Mehrzylinder-DI-Dieselmotor. Ihren Ergebnissen zufolge führt die Anwesenheit von Biodiesel in den Kraftstoffmischungen zu einer Erhöhung der Ethanollöslichkeit in der Kraftstoffmischung. Der BSFC von Kraftstoffmischungen stieg durch einen Anstieg des Ethanolgehalts der Kraftstoffmischung. Es wurde außerdem festgestellt, dass der BTE bei hoher Last bei allen Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel zunimmt. Auch die Rauchentwicklung wurde bei allen Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel deutlich verringert. Ihren Ergebnissen zufolge war der CO-Ausstoß der Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel bei niedriger Last deutlich erhöht und bei hoher Last leicht gesunken12. Kwanchareon et al.19 untersuchten die Emissionseigenschaften von Palmöl-Biodiesel/Ethanol/Diesel im Dieselmotor. Laut dieser Studie fungiert der Biodiesel als wirksames Additiv zur Stabilisierung von Ethanol in der Kraftstoffmischung. Den Ergebnissen zufolge verringerten sich die CO- und HC-Emissionen von Kraftstoffmischungen bei hoher Motorlast im Vergleich zu Benzindiesel deutlich. Es wurde außerdem festgestellt, dass die NOx-Emissionen der Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel steigen19. Aydin et al.6 haben die Emissionen und die Leistung eines mit Distel-Biodiesel/Ethanol/Diesel betriebenen Motors überprüft. Ihren Ergebnissen zufolge wurden bei Verwendung der Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel keine signifikanten Unterschiede im Motordrehmoment und in der Leistung beobachtet. Bezüglich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (SFC) wurde bei den Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Diesel ein Anstieg des SFC beobachtet. Die CO2- und HC-Emissionen der Kraftstoffmischungen sind im Allgemeinen höher als bei reinem Diesel. Die SO2-Emissionen der Kraftstoffmischungen sind im Vergleich zum reinen Diesel geringer6. Guarieiro et al.10 untersuchten die Emissionen eines Dieselmotors, der mit ternären Mischungen aus (Sojabohnen-Biodiesel oder Rizinus-Biodiesel oder Rest-Biodiesel oder Sojaöl oder Rizinusöl)/Ethanol/Diesel betrieben wird. Basierend auf ihren Ergebnissen führt die Verwendung von Diesel-/Ethanol-Mischkraftstoffen im Vergleich zu reinem Diesel zu der höchsten Reduzierung der NOx-Emissionen. Bezüglich der CO2-Emissionen zeigen die Ergebnisse, dass die Emissionen der Kraftstoffmischungen bei 1800 U/min bzw. 2000 U/min im Bereich von 5–24 % bzw. 4–6 % im Vergleich zum reinen Diesel verringert wurden. Es wurde kein nennenswerter Unterschied zwischen der CO-Emission der gemischten Kraftstoffe und dem reinen Diesel beobachtet. Bei allen untersuchten gemischten Kraftstoffproben wurde im Vergleich zum reinen Diesel eine höhere Emission von Carbonylverbindungen beobachtet10. Subbaiah et al.2 untersuchten die Emissionen und die Leistung eines Motors, der Reiskleieöl-Biodiesel/Ethanol/Diesel-Kraftstoffmischungen verwendete. Ihrem Bericht zufolge sind BTE und BSFC aller untersuchten Kraftstoffmischungen höher als bei reinem Diesel. Es wurde außerdem festgestellt, dass die NOx-Emissionen aller Kraftstoffmischungen im Vergleich zu reinem Diesel bei niedrigen Lasten niedriger und im Vergleich zu reinem Diesel bei hohen Lasten höher waren. Der CO2-Ausstoß aller Kraftstoffmischungen ist im Vergleich zum reinen Diesel höher. Der CO-Ausstoß aller Kraftstoffmischungen ist im Vergleich zum reinen Diesel geringer. Die HC-Emissionen aller Kraftstoffmischungen sind bei niedriger Last höher als bei reinem Diesel und bei hoher Last niedriger als bei reinem Diesel2. Kürzlich untersuchten Sathiyaseelan et al.20 die Leistungs-, Emissions- und Verbrennungseigenschaften von Diesel/WFO-Biodiesel/Ethanol-Kraftstoffmischungen in DI-Dieselmotoren bei verschiedenen Verdichtungsverhältnissen. Ihrem Bericht zufolge führt die Verwendung von reinem Diesel bei allen untersuchten Kraftstoffproben mit Ausnahme von D91.25B7.5E1.25 bei einem Verdichtungsverhältnis von 18 zu der höchsten Spitze im Zylinderdruck und der höchsten Wärmefreisetzungsrate (HRR). Dieselkraftstoff hat der höchste BTE und der niedrigste BSFC im Vergleich zu den anderen untersuchten Kraftstoffproben. Darüber hinaus wurde unter Berücksichtigung aller untersuchten Kraftstoffproben die niedrigste CO- und NOx-Emission für die Kraftstoffmischung D86.25B12.5E1.25 beobachtet. Tabelle 1 zeigt eine kurze Zusammenfassung der bisherigen Studien zur Leistung und Emission von Biodiesel/Bioethanol/Diesel-Kraftstoffmischungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich viele Forscher auf verschiedene Diesel-/Biodiesel-Kraftstoffmischungen konzentriert haben. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Zugabe von Bioethanol zum Biodiesel/Diesel die Leistung der Kraftstoffmischungen verbessern kann, beispielsweise durch eine Reduzierung der NOx-Emissionen. Daher sollten weitere Untersuchungen zur ternären Kraftstoffmischung (dh Biodiesel/Bioethanol/Diesel) als geeignete Alternative für Petrodiesel durchgeführt werden.

Basierend auf unserer Literaturrecherche ist die Anwendung von WFO-Biodiesel in Diesel-/Biodiesel-/Bioethanol-Kraftstoffmischungen nur begrenzt. Die Studie von Sathiyaseelan et al.20 untersuchte kürzlich diese ternären Kraftstoffmischungen in begrenzten Konzentrationsbereichen von WFO-Biodiesel und Ethanol in der Mischung. Daher sind die verfügbaren Daten zu den physikalischen Eigenschaften, der Leistung und den Emissionen von WFO-Biodiesel/Bioethanol/Diesel begrenzt. In diesem Zusammenhang wird die vorliegende Studie durchgeführt, um diese Forschungslücke zu schließen, indem ternäre Kraftstoffmischungen aus Bioethanol, WFO-Biodiesel und Petrodiesel in größeren Konzentrationsbereichen untersucht werden. In diesem Zusammenhang sind die Spezifikationen der physikalischen Eigenschaften (d. h. Dichte, kinematische Viskosität, Fließpunkt, Trübungspunkt, Flammpunkt im geschlossenen Tiegel und Wärmewert), die Motorleistung (Drehmoment, Leistung, BSFC und BTE), die Abgasemission (CO) zu berücksichtigen , CO2, UHC und NOx) wurden für verschiedene WFO-Biodiesel-/Bioethanol-/Dieselkraftstoffproben untersucht.

Reiner Petrodiesel wurde von der Teheraner Raffineriegesellschaft (Teheran, Iran) geliefert. Abfallfischöl (WFO) für die Biodieselproduktion wurde von der Daneh Talayi Chabahar Company (Chabahar, Iran) geliefert. Methanol (99,8 %) für die Veresterungs- und Umesterungsreaktionen und 2-Propanol (99,8 %) zur Bestimmung des Gehalts an freien Fettsäuren im WFO wurden von der Dr. Mojallalli Industrial Chemical Complex Company (Iran) bezogen. Bioethanol (99,8 %) wurde von der Kimia Alcohol Zanjan Company (Iran) geliefert. Schwefelsäure (99,6 %) als Katalysator in den Veresterungsreaktionen und Kaliumhydroxid (KOH) als Katalysator in den Umesterungsreaktionen wurden von der Firma Merck (Deutschland) bezogen.

WFO, ein Nebenprodukt der Fischpulverproduktionsfirma. WFO wurde in den Produktionsstufen der Anlage erhitzt und durch einen Mikrofilter geleitet, um das Fischpulver aus dem im Öl vorhandenen Öl zurückzugewinnen. Daher ist das gekaufte WFO frei von festen Verunreinigungen und Wasser.

In dieser Studie wurde WFO-Biodiesel durch Umesterungsverfahren hergestellt. Der Gehalt an freien Fettsäuren (FFA) in WFO ist hoch, was zu unerwünschten Reaktionen in der Umesterungsstufe führt. Daher sollte der FFA-Gehalt von WFO auf < 1 % gesenkt werden, um die Effizienz der Biodieselproduktion durch Umesterung zu maximieren10. Der FFA-Gehalt von WFO wird durch ein einfaches Säure/Base-Neutralisationsexperiment bestimmt. FFA wird durch Gleichung bestimmt. (1):

Dabei ist A das erforderliche Volumen der Lösung für die Titration von WFO in ml, W die Menge der WFO-Probe in g, N die Konzentration der Titrationslösung im Normalmaßstab und Wcat das Molekulargewicht des Katalysators . Die Titrationslösung ist 0,1 N. Kaliumhydroxid (KOH) und 2-Propanolalkohol wurden als Katalysator bzw. Lösungsmittel bei der Titration verwendet.

Da der FFA-Gehalt von WFO mehr als 1 % beträgt, ist der Veresterungsverarbeitungsschritt in einer oder mehreren Stufen erforderlich, um den FFA-Gehalt von WFO auf < 1 % zu reduzieren. Die Veresterung von WFO wurde in einem 70-l-Chargenreaktor durchgeführt, der mit einem mechanischen Rührer mit einer Rührgeschwindigkeit von 300 U/min und einem Rückführstrom ausgestattet war. Bei der Veresterungsreaktion betrug das Verhältnis von Methanol zu WFO 9 zu 1 in Gegenwart einer 1 Gew.-%igen KOH/Schwefelsäurelösung bei 55 °C für 1 Stunde4,14,26. Nach Beendigung der Veresterungsreaktion sollten das nicht umgesetzte Methanol und das erzeugte Wasser vom veresterten WFO abgetrennt werden. Daher wurde der Reaktorinhalt zur Phasentrennung in einen Dekanter gegeben. Die behandelte WFO-Phase wurde nach 24 h abgetrennt. Nach der WFO-Veresterung wurde der FFA-Gehalt des behandelten WFO auf 0,96 % reduziert, was weniger als 1 % ist. Daher ist das behandelte WFO für die Umesterung bereit. Die Umesterung von behandeltem WFO wurde unter Berücksichtigung eines Verhältnisses von Methanol zu WFO von 6:1 in Gegenwart einer 1 Gew.-%igen KOH-Lösung bei 60 °C für 1 Stunde durchgeführt4,14,26. Die Produkte der Umesterungsreaktion sind Biodiesel und Glycerin. Die Glycerinphase wurde nach 24 Stunden vom WFO-Biodiesel getrennt. Der letzte Schritt bei der WFO-Biodieselherstellung war das Waschen mit Wasser, um den restlichen Katalysator, Alkohol, Seife und Glycerin aus dem WFO-Biodiesel zu entfernen. Hierzu wurde der WFO-Biodiesel 1,5 Stunden lang bei 60 °C mit Wasser gemischt (Verhältnis Wasser zu Biodiesel 2:1). Das Waschwasser wurde durch Dekantieren vom WFO-Biodiesel getrennt. Der behandelte WFO-Biodiesel wurde 8 Stunden lang auf 85 °C erhitzt, um das restliche Wasser vom WFO-Biodiesel abzutrennen. Der endgültige WFO-Biodiesel wurde in den Kraftstoffmischungen verwendet.

Ein luftgekühlter Einzylinder-Dieselmotor (Modell 3LD510 von Lombardini Company), der mit einem Dynamometer (Modell WE400 von Mobtakeran Pars Andish Company) ausgestattet war, wurde verwendet, um die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistung des Dieselmotors anhand verschiedener Parameter zu bestimmen Kraftstoffmischungen. Eine spezielle Software wurde für andere Berechnungen der Motorleistungsparameter verwendet, einschließlich der Bremsleistung (BP), des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (SFC), des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Bremse (BSFC) und des thermischen Wirkungsgrads der Bremse (BTE) unter Verwendung der folgenden Gleichungen4. Die wichtigsten Spezifikationen des verwendeten Dieselmotors und Leistungsprüfstands finden Sie in der Begleitinformationsdatei.

Das MAHA-MGT5-Gerät wurde verwendet, um das Ausmaß der Motoremissionen bei verschiedenen Kraftstoffmischungen zu messen. MAHA-MGT5 ist in der Lage, die CO2-, CO- und HC-Emission mittels Infrarottechnologie sowie O2 und NOx mittels elektrochemischer Sensoren zu bestimmen. Die detaillierten Spezifikationen der eingesetzten Emissionssensoren einschließlich Erfassungsbereich und Genauigkeit finden Sie in der unterstützenden Informationsdatei.

Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines Einzylinder-Dieselmotors, der zur Bewertung der Motorleistung und der Emissionen bei Verwendung verschiedener Kraftstoffmischungen angewendet wurde.

Der für die Motortests verwendete Versuchsaufbau.

Es ist zu beachten, dass bei jedem Motortest der Motor 15 Minuten lang unbelastet gehalten wurde, bis die Öltemperatur 70 °C erreichte. Dieser Zustand ist das sogenannte Aufwärmen des Motors. Anschließend wurde der Motor in den Volllastzustand versetzt und die Motordrehzahl auf 1800 U/min eingestellt. Anschließend wurden die Motorleistung und die Emissionen im stationären Zustand gemessen. Es sollte hinzugefügt werden, dass die Zuverlässigkeit der experimentellen Messungen durch die Wiederholung der experimentellen Durchläufe für die Kraftstoffmischungen bestätigt wurde. Die relative Standardabweichung lag im akzeptablen Bereich von 1–4 %. Es sollte erwähnt werden, dass die Motortests im Labor für erneuerbare Energien, Bioenergie-Forschungszentrum, Tarbiat-Modares-Universität, Teheran, Iran, durchgeführt wurden.

Das Fettsäureprofil des WFO-Biodiesels kann die Emissions- und Leistungseigenschaften des Motors beeinflussen3,8. In der vorliegenden Studie wurde die Clarus 580-Gaschromatographie (GC), hergestellt von der Perkin Elmer Company, verwendet, um das Fettsäureprofil von WFO-Biodiesel zu bewerten. Der GC war mit einem Flammenionisationsdetektor (FID) ausgestattet, um die verschiedenen WFO-Biodieselverbindungen zu spezifizieren. Es wurde eine spezielle GC-Säule (Modell CP 9080 von Varian Company mit 30 m Länge, einem Innendurchmesser von 0,32 mm und einer statischen Phasendicke von 0,25 μm) verwendet. Als Trägergas wurde Helium verwendet. Das Temperaturprogramm der Säule wurde gemäß der Norm EN 14.103 angepasst.

Wichtige physikalisch-chemische Eigenschaften von Kraftstoffen sind Dichte, kinematische Viskosität, Fließpunkt, Trübungspunkt, Flammpunkt und Heizwert3,4,27. Die Dichte verschiedener Kraftstoffmischungen wurde mit dem Stabinger-Viskosimeter SVM-3000 (Anton Paar Company) basierend auf ASTM D4052 mit einer Genauigkeit von 0,0001 g/cm3 bestimmt. Die kinematische Viskosität verschiedener Kraftstoffmischungen wurde mit dem Stabinger-Viskosimeter SVM-3000 (Anton Paar Company) basierend auf ASTM D 455-06 mit einer Genauigkeit von 0,01 cst bestimmt. Der Stockpunkt von Kraftstoffmischungen wurde gemäß ASTM D97 bestimmt. Die Messung des Trübungspunkts von Kraftstoffproben wurde basierend auf dem ASTM D2500-Standard durchgeführt. Der Flammpunkt von Kraftstoffmischungen wurde auf der Grundlage der Methode im geschlossenen Tiegel gemäß ASTM D93 unter Verwendung des Flammpunktgeräts SKY1002-I von Shanghai shenakai mit einer Genauigkeit von ± 2 °C gemessen. Der Heizwert der Kraftstoffmischungen wurde mit einem Gallenkamp-Kalorimeterbombengerät mit einer Genauigkeit von ± 0,1 % gemessen.

Laut GC-Analyse sind die Hauptfettsäureester von WFO-Biodiesel Palmitinsäure und trans-9-Elaidinsäuremethylester. Das Vorhandensein von Myristinsäuremethylester im WFO-Biodiesel wird ebenfalls bestätigt. Weitere Einzelheiten zu den Fettsäureprofilen und der Zusammensetzungsanalyse des WFO-Biodiesels finden Sie in der unterstützenden Informationsdatei.

In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Kraftstoffmischungen durch Mischen unterschiedlicher Konzentrationen von WFO-Biodiesel, Bioethanol und Petrodiesel hergestellt. Tabelle 2 zeigt die detaillierte Zusammensetzung verschiedener WFO-Biodiesel-/Bioethanol-/Dieselkraftstoffproben. Anschließend wurden verschiedene Spezifikationen wie Dichte, kinematische Viskosität, Fließpunkt, Trübungspunkt und Flammpunkt für verschiedene Kraftstoffmischungen gemäß den Standards ASTM D 4052, ASTM D 445-06, ASTM D 97, ASTM D 2500 und ASTM D93 gemessen , jeweils. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in den Abbildungen dargestellt. 2, 3, 4, 5, 6 und 7 für verschiedene untersuchte Kraftstoffproben. Der Anteil von WFO-Biodiesel in den ternären Kraftstoffmischungen beträgt 5–20 %. Der Anteil von Bioethanol in den ternären Kraftstoffproben beträgt 5–15 %. Diese ausgewählten Konzentrationsbereiche sind im Vergleich zur Studie von Sathiyaseelan et al.20 erheblich breiter.

Die Dichte verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Kinematische Viskosität verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Fließpunkt verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Trübungspunkt verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Flammpunkt verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen im geschlossenen Tiegel.

Heizwert verschiedener ternärer Brennstoffmischungen.

Abbildung 2 zeigt die Dichte verschiedener untersuchter Kraftstoffproben. Es ist zu beachten, dass die Kraftstoffdichte direkten Einfluss auf den Einspritzzeitpunkt und die Sprühqualität der Kraftstoffe im Brennraum hat28,29. Die Kraftstoffdichte beeinflusst auch die Abgasemissionen. Die Verwendung von hochdichtem Kraftstoff führt dazu, dass die in die Brennkammer gelangende Kraftstoffmenge zunimmt und das Sauerstoff-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Gleichgewicht gerät, was zu einer unvollständigen Verbrennung und einem anschließenden Anstieg der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe führt28. Gemäß Abb. 2 steigt die Dichte von Kraftstoffmischungen mit zunehmendem WFO-Biodieselgehalt der Mischungen, da die Dichte von WFO-Biodiesel aufgrund des höheren Molekulargewichts von WFO-Biodiesel im Vergleich zu reinem Diesel höher ist als die von reinem Diesel30. Die Dichte von aus verschiedenen Quellen hergestelltem Biodiesel liegt im gleichen Bereich, aber der WFO-Biodiesel (Dichte = 892 kg/m3) ist für die Herstellung von Kraftstoffmischungen besser geeignet als der Sojabohnen-Biodiesel (Dichte = 913 kg/m3) und der Pongamia-Biodiesel (Dichte = 931 kg/m3)8. Andererseits nimmt die Dichte ternärer Kraftstoffmischungen mit zunehmendem Bioethanolgehalt der Mischung ab, da Bioethanol im Vergleich zu Diesel und WFO-Biodiesel eine geringere Dichte aufweist. Die Zugabe von Bioethanol führt aufgrund seiner geringen Dichte zu einer Verbesserung der Kraftstoffmischung/Luftmischung, was zu einer vollständigeren Verbrennung nahe dem stöchiometrischen Verhältnis und einer anschließenden Verringerung des Abgasrauchs führt31. Gemäß Abb. 2 wurde außerdem festgestellt, dass die Zugabe von Bioethanol zu den ternären Kraftstoffmischungen den Dichtezuwachs der WFO-Biodieselzugabe neutralisiert. In dieser Hinsicht wird der niedrigste Dichtewert für B5E15-Kraftstoffmischungen beobachtet.

Abbildung 3 zeigt die kinematische Viskosität verschiedener Kraftstoffproben. Die Kraftstoffviskosität ist ein wichtiger Parameter, der die Sprühqualität und damit die Kraftstoff-Luft-Mischung beeinflusst14. Die Viskosität von WFO-Biodiesel ist im Vergleich zu Petrodiesel höher, was zu einer unvollständigen Verbrennung führen kann, indem die Qualität der Kraftstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer verringert und die Abgasemissionen erhöht werden3,32. Die Wärmefreisetzungsrate (HRR) und der Zylinderdruck sind die wichtigsten Verbrennungseigenschaften, die von der Kraftstoffviskosität beeinflusst werden. Eine Erhöhung des Biodieselgehalts der Kraftstoffmischungen führt aufgrund der hohen Viskosität zu einer schlechten Zerstäubung der Kraftstoffprobe und führt zu einer Erhöhung der Zündverzögerung und einem daraus resultierenden niedrigeren HRR und einem niedrigeren Zylinderdruck33,34. Andererseits ist die Sauerstoffkonzentration von Kraftstoffmischungen ein weiterer Parameter, der den Zylinderdruck beeinflusst. In dieser Hinsicht führt der Einsatz von Biokraftstoffen zu einer früheren Verbrennung und verbessert den Zylinderdruck aufgrund der Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischungen35. Gemäß Abb. 3 erhöht sich die kinematische Viskosität von Kraftstoffmischungen durch Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts bzw. Verringerung des Bioethanolgehalts von Kraftstoffmischungen. Ein Vorteil ist, dass die Viskosität von Altfischöl-Biodiesel im Vergleich zu Calophyllum-Biodiesel um 87 % und Pongamia-Biodiesel um 48 % niedriger ist8. Es sollte auch beachtet werden, dass eine übermäßige Verringerung der Viskosität des Kraftstoffgemisches nicht wünschenswert ist, da dies zu Undichtigkeiten im Kraftstoffsystem führen kann36. Daher kann die Viskosität von Kraftstoffmischungen durch Anpassung der Bioethanol- und WFO-Biodieselgehalte der ternären Kraftstoffmischungen auf den gewünschten Wert innerhalb des Normbereichs eingestellt werden. Es wurde auch festgestellt, dass die B5E15-Mischungen den niedrigsten Wert der kinematischen Viskosität aufweisen.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen den Pourpoint bzw. Trübungspunkt verschiedener Kraftstoffproben. Fließpunkt und Trübungspunkt sind wichtige Eigenschaften für die Verwendung der Kraftstoffproben unter kalten Klimabedingungen. Die mangelnde Beachtung dieser Parameter kann bei niedrigen Temperaturen zur Kristallbildung und anschließenden Verstopfung der Kraftstoffleitungen führen37. Wie man sehen kann, führt eine Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts ternärer Kraftstoffmischungen zu einer Erhöhung des Pourpoints und Trübungspunkts der Kraftstoffmischungen. Der Fließpunkt und der Trübungspunkt von WFO-Biodiesel sind höher als bei Petrodiesel, was für die Motorleistung bei kalten Wetterbedingungen ungeeignet ist38. Der Stock- und Trübungspunkt von WFO-Biodiesel ist im Vergleich zu anderen Biodieselproben besser für die Herstellung der Kraftstoffmischungen geeignet. Beispielsweise liegen der Stockpunkt und der Trübungspunkt von Palm-Biodiesel bei 15 °C bzw. 16 °C, was offensichtlich höher ist als der Stockpunkt und der Trübungspunkt von WFO-Biodiesel8. Andererseits führt eine Erhöhung des Bioethanolgehalts ternärer Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung des Pourpoints und Trübungspunkts von Kraftstoffmischungen. Daher können die Kälteeigenschaften von Kraftstoffmischungen innerhalb des gewünschten Bereichs eingestellt werden, indem der WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalt der Kraftstoffmischung angepasst wird. In dieser Hinsicht kann das Vorhandensein von Bioethanol in den Kraftstoffmischungen den zunehmenden Einfluss von WFO-Biodiesel auf den Fließpunkt und den Trübungspunkt von ternären Kraftstoffmischungen bis zu einem gewissen Grad verringern38.

Abbildung 6 zeigt den Flammpunkt verschiedener Kraftstoffproben. Der Flammpunkt ist aus sicherheitstechnischer Sicht eine wichtige Eigenschaft im Zusammenhang mit der Handhabung, Lagerung und dem Transport von Kraftstoffmischungen39. Gemäß Abb. 6 führt eine Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts der ternären Kraftstoffprobe zu einer leichten Erhöhung des Flammpunkts der ternären Kraftstoffmischungen. Der Restalkoholgehalt, die Anzahl der Kohlenstoffatome und die Doppelbindungen des Biodiesels sind die wichtigsten Faktoren, die den Flammpunkt des Biodiesels beeinflussen40. Allerdings führt die Erhöhung des Bioethanolanteils der Kraftstoffmischungen zu einer erheblichen Senkung des Flammpunkts der Kraftstoffmischung. Im Allgemeinen hat die Mischungskomponente mit dem niedrigsten Flammpunkt den dominanten Einfluss auf den Flammpunkt der Kraftstoffmischung. Es ist zu beachten, dass die Zugabe von Bioethanol im Bereich von 0–10 % zu einer spürbaren Verringerung des Siedepunktbereichs der Kraftstoffmischung führt19,41. Wie zu beobachten ist, wird der Flammpunkt von Kraftstoffmischungen hauptsächlich durch den Bioethanolgehalt beeinflusst. Der durchschnittliche Flammpunktwert verschiedener Kraftstoffmischungen liegt bei etwa 34 °C und ist damit niedriger als bei Petrodiesel und WFO-Biodiesel. Daher ist beim Transport und der Lagerung von Kraftstoffmischungen, die Bioethanol enthalten, besondere Vorsicht geboten.

Abbildung 7 zeigt den Heizwert verschiedener Brennstoffproben. Wie zu beobachten ist, führt eine Erhöhung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischung zu einer Verringerung des Heizwerts der Kraftstoffmischungen. Dieser Befund kann durch den geringeren Heizwert von WFO-Biodiesel und Bioethanol im Vergleich zu Petrodiesel erklärt werden. Die Länge der Kohlenstoffkette beeinflusst den Heizwert von Kraftstoffproben. In dieser Hinsicht führt die längere Länge der Kohlenstoffkette zu einem höheren Heizwert der Brennstoffprobe42. Daher führt die Zugabe von WFO-Biodiesel und Bioethanol zu den ternären Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung des Heizwerts der Kraftstoffmischung. In dieser Hinsicht weist B5E5 unter Berücksichtigung verschiedener untersuchter Kraftstoffmischungen den höchsten Heizwert auf. Außerdem wurde festgestellt, dass der Heizwert der ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Petrodiesel um durchschnittlich 7 % sinkt.

Abbildung 8 zeigt den Cetanzahl-Index verschiedener untersuchter Kraftstoffproben. Wie in Abb. 8 zu sehen ist, führt die Zugabe von WFO-Biodiesel und Bioethanol zur Kraftstoffmischung zu einer anschließenden Verringerung des Cetanzahl-Index. Es ist zu beachten, dass die Zugabe von Bioethanol zu den Kraftstoffmischungen aufgrund des zu niedrigen Cetanzahlindex zu einer erheblichen Verringerung des Cetanzahlindex der Kraftstoffmischungen führt. Bizzo und Moretti43 berichteten auch von einer Abnahme der Cetanzahl als Folge der Erhöhung des Ethanolgehalts der Kraftstoffmischung. Es ist zu beachten, dass eine Erhöhung des Cetanzahl-Index der Kraftstoffmischung zu einer Verringerung der Zündverzögerung und einer schnelleren Verbrennung während der vorgemischten Verbrennungsphase führt, was zu einem höheren Zylinderdruck führt. Daher wird der Zylinderdruck von Kraftstoffmischungen verringert, indem der Bioethanol- und WFO-Biodieselgehalt der Kraftstoffmischungen erhöht wird31,44,45.

Cetanzahl verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Nach der Bewertung verschiedener physikalisch-chemischer Spezifikationen der Kraftstoffmischungen wurden die Motorleistungsparameter einschließlich Leistung, Drehmoment, thermischer Bremswirkungsgrad und motorspezifischer Kraftstoffverbrauch in einem Einzylinder-Dieselmotor bei einer Drehzahl von 1800 U/min und unter Volllastbedingungen untersucht.

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen das Motordrehmoment und die Bremsleistung bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen mit unterschiedlichen Anteilen an Diesel, WFO-Biodiesel bzw. Bioethanol.

Motordrehmoment bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Unterbrechen Sie die Leistung mithilfe verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen.

Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, ist der Heizwert von WFO-Biodiesel im Vergleich zu Petrodiesel niedriger. Auch der Heizwert von Bioethanol ist im Vergleich zu WFO-Biodiesel geringer. Daher führt eine Erhöhung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung des Motordrehmoments und der Bremsleistung. Der geringere Heizwert der Kraftstoffmischungen, die WFO-Biodiesel und Bioethanol enthalten, führt zu einer geringeren Energieabgabe im Verbrennungsprozess und damit zu einer geringeren Bremsleistung und einem geringeren Drehmoment4,46. Der Einsatz von Kraftstoffmischungen mit unterschiedlichen Bioethanolkonzentrationen bei konstanten Konzentrationen von 5 %, 12,5 % und 20 % WFO-Biodiesel führt zu einer Reduzierung des Motordrehmoments um 1,1 %, 2,4 % bzw. 3,9 %. Bei diesen Kraftstoffmischungen verringert sich auch die Motorbremsleistung um 0,8 %, 2,3 % bzw. 3,7 %. Die Verwendung von Kraftstoffmischungen mit unterschiedlichen Konzentrationen an WFO-Biodiesel bei einer konstanten Konzentration von 5 %, 10 % und 15 % Bioethanol führt zu einer Verringerung des Motordrehmoments um 1,9 %, 2,4 % und 3 % und einer Leistungsunterbrechung um 1,7 %. 2,3 % bzw. 2,9 %.

Abbildung 11 zeigt die BSFC verschiedener untersuchter ternärer Kraftstoffmischungen. Der spezifische Kraftstoffverbrauch in der Pause ist das Verhältnis der Kraftstoffverbrauchsrate zur erzeugten Leistung. BSFC als Maß für die Bewertung der Kraftstoffeffizienz hängt vom Heizwert, der Dichte und der Viskosität des Kraftstoffs ab4,46,47. Wie in Abb. 11 zu sehen ist, führt eine Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts der ternären Kraftstoffmischungen zu einem anschließenden Anstieg des BSFC. Dies kann auf die Verringerung der Effizienz aufgrund des niedrigeren Heizwerts, der höheren Dichte und der höheren Viskosität von WFO-Biodiesel im Vergleich zu Petrodiesel zurückgeführt werden. Eine Erhöhung des Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen führt auch zu einem Anstieg des BSFC. Bioethanol hat im Vergleich zu WFO-Biodiesel und Petrodiesel eine geringere Dichte und Viskosität. Daher wird durch die Zugabe von Bioethanol zu den Kraftstoffmischungen eine Verbesserung der Kraftstoff-Luft-Mischung erwartet. Allerdings führt der deutlich geringere Heizwert von Bioethanol im Vergleich zu WFO-Biodiesel und Petrodiesel zu einem anschließenden Anstieg des BSFC12,48,49. Fang et al.50, Zhu et al.51 und Al-Hassan et al.52 berichteten über einen Anstieg des BSFC durch einen Anstieg des Ethanolgehalts von Kraftstoffmischungen. Es sollte erwähnt werden, dass die Zugabe von WFO-Biodiesel und Bioethanol zu den ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zu Petrodiesel zu einer durchschnittlichen Erhöhung des BFSC um etwa 10 % führt.

BSFC mit verschiedenen ternären Kraftstoffmischungen.

Abbildung 12 zeigt BTE für verschiedene untersuchte Kraftstoffmischungen. BTE ist ein Parameter, der die Effizienz der Umwandlung von Brennstoffenergie in die abgegebene mechanische Energie darstellt12. Der BTE wird umgekehrt vom BSFC und dem Heizwert des Kraftstoffs beeinflusst. Wie in Abb. 12 zu sehen ist, ist der Trend der BTE-Änderung für verschiedene Kraftstoffmischungen entgegengesetzt zum Trend von BFSC. Es wurde außerdem festgestellt, dass der BTE für die Kraftstoffmischungen B5E5, B5E10 und B12.5E5 im Vergleich zu reinem Petrodiesel trotz ihres höheren BSCF im Vergleich zu Petrodiesel höher ist. Dies lässt sich durch den geringeren Heizwert dieser ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum Petrodiesel erklären, der die Wirkung von BFSC auf den BTE dominiert. Die Ergebnisse zeigen auch, dass eine Erhöhung des Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung des BTE führt.

BTE mit verschiedenen ternären Brennstoffmischungen.

Abbildung 13 zeigt die CO-Emission im Motorabgas für verschiedene untersuchte ternäre Kraftstoffproben. Abbildung 13a zeigt den CO-Ausstoß in %. Abbildung 13b zeigt die CO-Emission in g/kWh, berechnet nach Gl. (6)53:

CO-Emission bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen (a) % (b) g/(kWh).

Die Emission von CO als giftigem Gas ist auf die unvollständige Verbrennung infolge einer schlechten Brennstoff-Sauerstoff-Mischung zurückzuführen. Wie in Abb. 13 zu sehen ist, wird die CO-Emission durch eine Erhöhung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen verringert. Dies kann durch eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischungen durch Erhöhung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen erklärt werden. Die Anreicherung des Sauerstoffgehalts der ternären Brennstoffmischungen führt zu einer vollständigeren Verbrennung aufgrund der weiteren Oxidation von CO im Verbrennungsprozess. Dieser Befund steht im Einklang mit den Studien von Kwanchareon et al.19, Subbaiah et al.2, Li et al.54, Shi et al.55 und Guarieiro et al.10 zum CO-Ausstoß bei Volllastmotorleistung. Den Studien von Fan et al.50 und Zhu et al.51 zufolge ist der CO-Ausstoß bei Verwendung von Rapsöl-Biodiesel/Ethanol/Diesel und Altspeiseöl-Biodiesel/Ethanol/Diesel im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff erhöht. Als Vorteil der Verwendung von WFO-Biodiesel in den ternären Kraftstoffproben wird in der vorliegenden Studie jedoch eine deutliche Reduzierung der CO-Emission beobachtet. Es ist zu beachten, dass der CO-Ausstoß von B5E5 (dh den Kraftstoffmischungen mit dem niedrigsten WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalt) im Vergleich zu Petrodiesel um 20,22 % niedriger ist. Außerdem ist der CO-Ausstoß von B20E15 (d. h. den Kraftstoffmischungen mit dem höchsten WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalt) im Vergleich zu Petrodiesel um 70,22 % niedriger. Dies ist eine spürbare Reduzierung des CO-Ausstoßes.

Abbildung 14 zeigt die CO2-Emission im Motorabgas für verschiedene untersuchte ternäre Kraftstoffproben. Abbildung 14a zeigt den CO2-Ausstoß in Volumenprozent. Abbildung 14b zeigt die CO2-Emission in g/kWh, berechnet nach Gl. (7)53.

CO2-Emission bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen (a) % (b) g/(kWh).

Gemäß Abb. 14 wird der CO2-Ausstoß im Motorabgas durch die Erhöhung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischung erhöht. Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, führt eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischungen infolge der Zugabe von WFO-Biodiesel und Bioethanol zu einer Verbesserung der vollständigen Verbrennung und einem anschließenden Anstieg der CO2-Emissionen. Dieser Befund steht im Einklang mit den Studien von Subbaiah et al.2, Hulwan et al.12, Cheenkachorn et al.56 und Guarieiro et al.10.

Abbildung 15 zeigt die UHC-Emission im Motorabgas für verschiedene untersuchte ternäre Kraftstoffproben. Abbildung 15a zeigt die UHC-Emission in ppm. Abbildung 15b zeigt die UHC-Emission in g/kWh, berechnet nach Gl. (8)25.

Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen (a) ppm (b) g/(kWh).

Wie in Abb. 15 zu erkennen ist, ist die UHC-Emission bei allen untersuchten ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum Petrodiesel deutlich geringer. Eine Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts der Kraftstoffmischungen führt zu einer vollständigeren Verbrennung und damit zu einer geringeren UHC-Emission. Den bisherigen Studien zufolge wird die UHC-Emission offensichtlich auch durch einen Anstieg des Biodieselgehalts in den Kraftstoffmischungsproben verringert19,57. Es wurde außerdem festgestellt, dass eine Erhöhung des Bioethanolanteils der Kraftstoffmischungen zu einem Anstieg der UHC-Emissionen führt. Dies ist auf die Verschlechterung der Verbrennungseffizienz aufgrund der Zunahme von Bioethanol in den Kraftstoffmischungen zurückzuführen. Auch der Trend zu BSFC mit Bioethanolanteil in den Kraftstoffmischungen bestätigt diese Tatsache. Nach Angaben von Kwanchareon et al.19 und Subbaiah et al.2 ist dies auf die Emission von unverbranntem Bioethanol im Motorabgas aufgrund des großen Ethanolverteilungsbereichs in der Brennkammer zurückzuführen. Laut Fang et al.50 führt die Verwendung von Rapsöl-Biodiesel in einer Biodiesel/Alkohol/Diesel-Mischung zu einem Anstieg der UHC-Emissionen. Ein klarer Vorteil ist jedoch, dass die Anwendung von Fischöl-Abfall-Biodiesel in ternären Kraftstoffproben eine überlegene Leistung im Vergleich zu Rapsöl-Biodiesel aufweist.

Abbildung 16 zeigt die NOx-Emission im Motorabgas für verschiedene untersuchte ternäre Kraftstoffproben. Abbildung 16a zeigt die NOx-Emission in ppm. Abbildung 16b zeigt die NOx-Emission in g/kWh, berechnet nach Gl. (9)25.

NOx-Emission bei Verwendung verschiedener ternärer Kraftstoffmischungen (a) ppm (b) g/(kWh).

Wie in Abb. 16 zu sehen ist, erhöht sich die NOx-Emission durch eine Erhöhung des WFO-Biodieselgehalts der ternären Kraftstoffmischungen. Es wurde auch festgestellt, dass eine Erhöhung des Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung der NOx-Emissionen führt. Der vorherrschende Mechanismus der NOx-Bildung ist der thermische Mechanismus. Der thermische Mechanismus umfasst die endothermen Reaktionen, die durch hohe Temperaturen stimuliert werden. Gleichung (10) gibt die NO-Bildungsrate basierend auf dem Zeldovich-Mechanismus an, der die NO-Bildung durch thermischen Mechanismus beschreibt58:

Nach Gl. (10) sind Temperatur und Sauerstoffkonzentration wirksame Parameter bei der NO-Bildung. Dabei führt eine Temperaturerhöhung zu einer verstärkten NO-Bildung. Eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration führt auch zu einer zunehmenden NO-Bildung, da Sauerstoff als Reaktant für die NOx-Bildungsreaktion ein wesentlicher Faktor für den Ablauf der endothermen Reaktion ist3,58.

Ein zunehmender Biodieselgehalt in den Kraftstoffmischungen führt zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischung. Der normale Siedepunkt von Biodiesel liegt bei etwa 350 °C und er entzündet sich vor der Verdampfung, was zu einer Erhöhung der Brennraumtemperatur führt. Daher führt die Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischung und der Brennkammertemperatur aufgrund der Zugabe von WFO-Biodiesel zu den ternären Kraftstoffmischungen zu einer Erhöhung der NOx-Emissionen59. Eine Erhöhung des Anteils von Bioethanol in den Kraftstoffmischungen führt auch zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischung. Der normale Siedepunkt von Bioethanol liegt jedoch bei etwa 78 °C und seine latente Verdampfungswärme beträgt 846 kJ/kg. Es scheint, dass ein Teil des Bioethanolanteils der Kraftstoffmischungen bei der Zündung im Brennraum verdampft, was zu einer spürbaren Absenkung der Brennraumtemperatur führt. Daher wirken sich die Zunahme des Sauerstoffgehalts der Kraftstoffmischung und die Abnahme der Brennkammertemperatur aufgrund der Zugabe von Bioethanol zu den Kraftstoffmischungen entgegengesetzt auf die NO-Bildungsrate aus. Der abnehmende Trend der NOx-Bildung durch Erhöhung des Bioethanolgehalts der Kraftstoffmischungen bestätigte, dass der Effekt der Verringerung der Brennkammertemperatur auf die NOx-Bildung dominant ist und daher die Erhöhung des Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen zu einer Verringerung des NOx führt Emission7,12.

Dies ist ein interessanter Pull-Push-Effekt, der genutzt werden kann, um die NOx-Emissionen des Motors auf den gewünschten Grenzwert einzustellen, indem der WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalt der ternären Kraftstoffmischungen angepasst wird. In diesem Zusammenhang ist zu beobachten, dass die NOx-Emissionen der Kraftstoffmischung B5E15 ungefähr im Bereich des reinen Benzindiesels liegen.

Gemäß der Dieselnorm Euro 5 sind die Kraftstoffmischungen B5E5, B5E10 und B5E15 die Kraftstoffproben, die die Standardkriterien erfüllen. Diese Kraftstoffproben können als potenzielle Kandidaten für die besten Kraftstoffmischungen angesehen werden. Die Kraftstoffmischung B5E5 weist im Vergleich zu den anderen Kraftstoffmischungen unter Berücksichtigung der Motorleistungstests eine bessere Leistung auf. Die Kraftstoffmischung B5E15 weist im Vergleich zu den anderen Kraftstoffmischungen hinsichtlich der Motorabgasemissionen eine bessere Leistung auf.

Laut Kara et al.60 betragen die Kosten für Petrodiesel und WFO-Biodiesel 0,91 USD/L bzw. 0,69 USD/L. Laut IRENA-Berichten61 betragen die Kosten für Bioethanol 1,04 USD/L. Daher kann eine vorläufige Kostenbewertung für verschiedene ternäre Kraftstoffmischungen durchgeführt werden. Abbildung 17 zeigt das Ergebnis dieser vorläufigen Kostenbewertung.

Vorläufige Kostenbewertung für verschiedene ternäre Kraftstoffmischungen.

Laut Abb. 17 sind die Kosten aller Kraftstoffmischungen mit denen von reinem Petrodiesel vergleichbar. Es ist zu beachten, dass die Kosten für WFO-Biodiesel, Petrodiesel und Bioethanol aufgrund des Gleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage dieser Kraftstoffe, der Verfügbarkeit von Rohstoffen und dem eingesetzten Produktionsverfahren weltweit unterschiedlich sind. Daher wird eine detailliertere Kostenanalyse in verschiedenen Situationen dringend empfohlen.

In der vorliegenden Studie wurden die physikalisch-chemischen Spezifikationen, die Motorleistung und die Motorabgase für verschiedene ternäre Kraftstoffmischungen untersucht, die WFO-Biodiesel, Bioethanol und Petrodiesel enthielten. Die wichtigsten Erkenntnisse lauten wie folgt:

Es wurde festgestellt, dass Viskosität, Dichte, Trübungspunkt und Stockpunkt aller untersuchten Kraftstoffmischungen im Standardbereich und nahe am Petrodiesel liegen. Aufgrund des niedrigen Flammpunkts von Bioethanol ist der Flammpunkt von Kraftstoffmischungen mit hohem Bioethanolanteil jedoch erheblich niedriger als der von reinem Petrodiesel. Dies sollte bei der Lagerung und Handhabung der Kraftstoffmischungen berücksichtigt werden. Der Heizwert der Kraftstoffmischungen, die WFO-Biodiesel und Bioethanol enthalten, ist im Vergleich zu reinem Petrodiesel niedriger.

Bezüglich der Motorleistungsparameter wurde festgestellt, dass das Motordrehmoment und die Bremsleistung bei den ternären Kraftstoffmischungen, die WFO-Biodiesel und Bioethanol enthalten, im Vergleich zu reinem Petrodiesel geringer sind. Der BSFC war bei den Kraftstoffmischungen höher als bei dem reinen Benzindiesel, der verwendet wird. Dies ist auf den geringeren Heizwert der ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Petrodiesel zurückzuführen.

Bezüglich der Motorabgasemissionen wurde bei den ternären Kraftstoffmischungen im Vergleich zum reinen Petrodiesel ein deutlicher Rückgang der CO- und UHC-Emissionen beobachtet. Dies ist ein klarer Vorteil der Verwendung von WFO-Biodiesel/Bioethanol/Diesel-Kraftstoffmischungen im Vergleich zu reinem Petrodiesel. Es wurde auch festgestellt, dass trotz des Anstiegs der NOx-Emissionen bei Verwendung der Kraftstoffmischungen, die WFO-Biodiesel und Bioethanol enthalten, die NOx-Emissionen des Motors durch Abstimmung des WFO-Biodiesel- und Bioethanolgehalts der ternären Kraftstoffmischungen auf den gewünschten Grenzwert eingestellt werden konnten.

Die Kraftstoffmischung B5E5 weist im Vergleich zu den anderen Kraftstoffmischungen unter Berücksichtigung der Motorleistungsparameter die beste Leistung auf. Darüber hinaus ist B5E15 im Hinblick auf die Motorabgasemissionen die beste Kraftstoffmischung. Die Untersuchung des Einflusses der Motordrehzahl und -last auf die Leistung und Emission verschiedener Kraftstoffmischungen ist ein interessantes Thema für zukünftige Studien.

Es sollte begründet werden, dass „alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten sind“.

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Barat Ghobadian

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DT: Untersuchung; Zeichnen von Figuren; Methodik; formale Analyse; Software; Schreiben – Originalentwurf; Visualisierung. MAS: Konzeptualisierung; Aufsicht; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten; Projektverwaltung. SS: Formale Analyse; Software; Schreiben – Originalentwurf; Visualisierung. BG: Aufsicht; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten; Validierung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Mohammad Amin Sobati.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tarangan, D., Sobati, MA, Shahnazari, S. et al. Physikalische Eigenschaften, Motorleistung und Abgasemissionen von Fischöl-Biodiesel/Bioethanol/Dieselkraftstoffmischungen. Sci Rep 13, 14024 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41280-5

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Eingegangen: 25. März 2023

Angenommen: 24. August 2023

Veröffentlicht: 28. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41280-5

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