Анализ НО при холодном пуске₂ и выбросы NOx, а также выбросы NO₂/Коэффициент NOx в дизельном двигателе, работающем на различных смесях дизель-биодизель ☆

В транспортном секторе увеличивается доля биотоплива, такого как биодизель, и известно, что такие виды топлива значительно влияют на выбросы NOx. В дополнение к выбросам NOx дизельными двигателями, которые представляют собой серьезную проблему для производителей транспортных средств в соответствии с самыми последними правилами выбросов (Евро 6.2), в этом исследовании исследуется NOx. ₂ который представляет собой токсичный выброс, который в настоящее время не регулируется, но будет регулироваться в следующем постановлении (Евро 7). В этой рукописи изучается, как увеличение доли биотоплива влияет на NO₂, NOx и NO₂ /NOx при холодном пуске (при котором системы доочистки не очень эффективны и в основном это происходит в городских районах). Используя дизельный двигатель Cummins с турбонаддувом (с системой Common-Rail), работающий на дизельном топливе и биотопливе, полученном из кокосового ореха (соотношение компонентов смеси 10 и 20%), в этом исследовании период прогрева двигателя был разделен на 7 этапов, а также исследованы официальные холодные и горячие режимы работы. периоды эксплуатации, кроме некоторых промежуточных стадий, которые в регламенте не определены как холодные, а также не могут рассматриваться как горячая эксплуатация. Для объяснения наблюдаемых тенденций использовались охлаждающая жидкость двигателя, температура смазочного масла и выхлопных газов, время впрыска, давление в цилиндре и скорость выделения тепла. Результаты показали, что NOx, NO ₂, и нет₂/NOx были соответственно 31–60 %, 1,14–2,42 раза и 3–8 % выше, чем при горячей эксплуатации. На большинстве стадий НЕТ₂ и НЕТ₂Соотношение /NOx с дизельным топливом имело наименьшее значение и увеличивалось с увеличением количества биотоплива в смеси. Изменение стратегии впрыска значительно сместило диаграммы давления в цилиндрах и тепловыделения в соответствии с внезапным падением NOx во время прогрева двигателя. Негативное влияние работы в холодном состоянии на выбросы NOx увеличивалось с увеличением доли биотоплива.

графическая абстракция

Введение

Транспортный сектор вносит значительный вклад в загрязнение городов из-за выхлопных газов транспортных средств, таких как CO, CO.₂, HC, NOx, PM и PN. Воздействие таких загрязнителей может привести к серьезным проблемам со здоровьем (Vaughan et al., 2019; Vaughan et al., 2015). Чтобы уменьшить воздействие, существуют стимулы для ограничения этих вредных выбросов с помощью государственных постановлений (Delphi Technologies и "Wor, 2019"). Например, в Европе изменение правил выбросов с Евро 1 до Евро 6.2 позволило успешно транспортный раздел за счет систематического снижения допустимых порогов по каждому выбросу (Delphi Technologies и «Wor, 2019»). Еще одной регулируемой мерой по контролю за выбросами является использование альтернативных видов топлива, которые могут смягчить неблагоприятное воздействие ископаемых видов топлива, а также стимулировать экономику. Например, к 2010 г. Европейский Союз поставил цель довести долю биотоплива в топливе до 5,75% (Директива ЕС 2003/30). Это было продолжено в Директиве (2009)/28/EC об увеличении доли биотоплива до 10% в 2020 году. Результатом этих действий с точки зрения автомобильного топлива стал переход от использования чистого дизельного топлива/бензина к постепенному увеличению доли биотоплива. биотоплива, сегодня широко распространены смеси 10% биотоплива с дизельным топливом/бензином (Delphi Technologies and "Wor, 2019").

В дополнение к нормативным актам и законодательству, направленным на поощрение альтернативных видов топлива и замещения ископаемых видов топлива, необходимо также переориентировать энергетические субсидии на биотопливо. Например, исследование Khatibi et al.(2020) показали, что субсидирование цен на ископаемые энергоносители способствует чрезмерному потреблению и повышает уровень загрязнения воздуха, в то время как, наоборот, 100-процентное повышение цен на энергоносители в исследуемом географическом регионе может привести к сокращению выбросов загрязнителей воздуха на 62,9 млн тонн.

Использование биотоплива в двигателях внутреннего сгорания влияет на выбросы выхлопных газов (Thang et al., 2016; Chai et al., 2013). Часто сообщалось, что выбросы ТЧ значительно снижаются при использовании биотоплива (Nabi et al., 2017a; Verma et al., 2019). Это связано с содержанием кислорода в биотопливе (Jafari et al., 2019; Nabi et al., 2016). С другой стороны, содержание кислорода в топливе также является причиной более высокого содержания NOx при использовании биотоплива, что является существенным недостатком этих альтернативных видов топлива, о котором часто сообщается в литературе (Nabi et al., 2017b; Nabi et al., 2015; Zare et al. , 2015). Роль биотоплива, такого как биодизель, в изменениях NOx является спорной. В большом количестве исследований утверждается об увеличении выбросов NOx из-за содержания кислорода в биодизельном топливе, но есть также значительное количество исследований, утверждающих обратное (Hosseinzadeh-Bandbafha et al., 2018; Khalife et al., 2017; Aghbashlo et al., 2021).

Среди выбросов транспортных средств большое значение имеют выбросы NOx из-за их неблагоприятного воздействия на здоровье и окружающую среду (World Health Organization, 2013; Stevanovic et al., 2017). Термин NOx представляет несколько соединений азота, но преимущественно состоит из оксида азота (NO) и диоксида азота (NO₂). Как правило, NO является продуктом процесса сгорания, который образуется в камере сгорания; пока НЕТ₂ может образовываться в нескольких местах в дополнение к сгоранию в цилиндрах, где он образуется из существующего NO в результате реакции конверсии (Rößler et al., 2017). Однако разные NO₂ Пути образования являются активной областью исследований.

НЕТ₂ имеет важное значение не только потому, что может оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье, особенно на дыхательную систему (Boezen et al., 1999), но и из-за того, как реагирует в атмосфере с образованием озона и кислотных дождей (Агентство по охране окружающей среды (EPA), 1999). Европейское агентство по охране окружающей среды (отчет ЕАОС № декабрь 2018 г. о качестве воздуха в Европе) сообщило, что высокий уровень NO₂ соотношение выхлопных газов может повлиять на химический состав городской атмосферы и, следовательно, на качество воздуха. В этом отчете говорится, что концентрации приземного озона (O3) увеличились после увеличения выбросов NO дизельными автомобилями.₂ выбросы. НЕТ₂ в настоящее время не регулируется, но в предстоящем регулировании выбросов (Евро 7) особое внимание уделяется регулированию.

Отношение NO₂ в NOx играет важную роль в современных системах доочистки автомобилей, таких как каталитические системы SCR (SCR означает селективное каталитическое восстановление). Системы SCR основаны на каталитической реакции с аммиаком, потребности в кислороде и быстрых реакциях, которые сильно зависят от доли NO.₂ в NOx, иначе известный как NO₂/NOx (Rößler et al., 2017; Iwasaki and Shinjoh, 2010).

В литературе предлагаются различные стратегии сокращения выбросов NOx, такие как использование различных добавок (Hosseinzadeh-Bandbafha et al., 2019; Aghbashlo et al., 2018). Тем не менее, системы последующей обработки являются обычным явлением для снижения выбросов NOx (Joshi, 2020; Giakoumis et al., 2012). Praveena and Martin (2018) рассмотрели различные методы последующей обработки для снижения выбросов NOx в двигателях с воспламенением. Например, они показали, что SCR с мочевиной может снизить выбросы NOx на 98–99% при прогретом двигателе. Они также изучили влияние температуры выхлопных газов на методы контроля NOx, сообщив, что производительность систем доочистки зависит от условий работы двигателя, а также от состояния. Исследование Mera et al.(2021) использовали современный внедорожник с дизельным двигателем, оснащенный SCR, и сообщили, что при холодном запуске выбросы NOx были в 2,7 раза выше, чем пределы выбросов NOx Евро-6, в то время как при прогретом двигателе выбросы при холодном запуске снизились на 92%. . Известно, что при холодном пуске системы доочистки малоэффективны, и в этот период выбросы практически не очищаются. Производители автомобилей могут использовать различные стратегии впрыска для снижения выбросов NOx в течение этого периода, что будет показано в этом исследовании; однако снижение NOx не так значительно, как при использовании SCR.

Во время работы в холодном состоянии температура блока цилиндров и компонентов не оптимальна, и смазочное масло холодного двигателя также имеет высокую вязкость (Roberts and Brooks, 2014; Mitchell et al., 2017). Эти факторы приводят к более высоким потерям на трение, поэтому для поддержания выходной мощности требуется больше топлива. Часто сообщалось, что холодная эксплуатация приводит к повышенному расходу топлива (Van et al., 2019; Lodi et al., 2020a) и снижению мощности двигателя (Lodi et al., 2020b; Zare et al., 2018). Впоследствии холодная эксплуатация приводит к более высокому уровню выбросов выхлопных газов (Lodi et al., 2021; Verma et al., 2021).

Известно, что двигатель холодный при включении после нескольких часов ночной стоянки или днем, когда водитель находится в офисе. Это относится ко многим транспортным средствам в городах, и эксплуатация холодного пуска является неотъемлемой частью их ежедневной нормы (Reiter and Kockelman, 2016).

Новые автомобили должны быть оснащены технологиями доочистки, чтобы пройти тесты на одобрение типа и получить сертификат на выбросы. Учитывая, что значительная часть вредных выбросов может быть удалена системами доочистки, значительный вклад в общий объем выбросов вносит период холодного пуска, в течение которого системы доочистки не работают.Это, а также тот факт, что холодный пуск обычно происходит в городских районах (вреден для здоровья человека), и растущая доля биотоплива на рынке подчеркивают важность понимания холодного режима работы с биотопливом. Учитывая, что относительно большая часть коротких поездок приходится на холодные двигатели, выбросы от холодного пуска имеют большое значение для городских условий вождения (Mensink et al., 2000). Это особенно важно, когда речь идет о НЕТ₂ и выбросы NOx при работе с биотопливом при работе в холодном состоянии, поскольку фундаментальных исследований NOx не так много (и нет исследований NOx).₂) во время прогрева двигателя на биотопливе. Кроме того, большинство таких исследований ограничиваются определенным периодом работы в холодном состоянии, поскольку большинство правил (например, Директива ЕС 2012/46/ЕС) определяют период прогрева от запуска двигателя (при температуре окружающей среды после надлежащего времени выключения двигателя) либо в течение первых 5 мин работы или периода, в течение которого температура охлаждающей жидкости двигателя повышается от температуры окружающей среды до 70 °С. Предыдущие исследования нашей исследовательской группы показали, что неоптимальная температура двигателя по-прежнему оказывает значительное влияние на характеристики двигателя и выбросы за пределами этой узкой границы (Zare et al., 2020; Zare et al., 2017).

Было опубликовано много статей о выбросах дизельного двигателя при холодном пуске. В этих статьях небольшая часть оценивала NO₂ и НЕТ₂/NOx при холодном пуске дизельного двигателя. И из этих работ только несколько существует на темы НЕТ₂ и НЕТ₂/NOx при холодном пуске дизеля на альтернативном топливе. Например, Лапуэрта и др. (2015) оценили NO₂/NOx в дополнение к различным выбросам выхлопных газов во время ездового цикла (включая секцию холодного пуска) с использованием передового биотоплива на основе глицерина. В другом исследовании оценивались выбросы на холостом ходу при холодном запуске (включая NO₂) в дизельном двигателе с использованием смесей этанола и диэтилового эфира (Roy et al., 2016). Используя гидрогенизированное растительное масло и биодизель, Pechout et al.(2019) сообщили о различных выбросах, включая NO₂ на участке холодного пуска различных ездовых циклов. Есть также еще несколько статей в этой области, сообщающих НЕТ₂ и НЕТ₂/ Выбросы отношения NOx при работе двигателя с холодным пуском на альтернативных видах топлива (Hadavi et al., 2013; Calle-Asensio et al., 2021; Tipanluisa et al., 2021). Однако после обширного обзора литературы мы не смогли найти ни одной литературы, в которой исследовалась бы NO.₂ и НЕТ₂/NOx на альтернативных видах топлива на разных стадиях прогрева двигателя, включая холодный пуск, а также на фазах, выходящих за официально установленную границу холодного пуска (Директива ЕС, 2012/46/EU), которые также не могут считаться горячим пуском. При калибровке двигателя системы доочистки и стратегии впрыска в основном основаны на регламентированном периоде холодного пуска. Однако это исследование показывает, что период отрицательного влияния на выбросы двигателя значительно больше по сравнению с официальной границей холодного пуска. Это исследование направлено на изучение влияния свойств топлива и температуры двигателя на разных стадиях прогрева двигателя на выбросы NOx, NO₂, и НЕТ₂/NOx отношение.

Фрагменты раздела

Методология

Учитывая, что это исследование направлено на изучение влияния температуры двигателя и свойств топлива на выбросы NOx, NO₂ и НЕТ₂/NOx на разных этапах периода прогрева двигателя было принято решение использовать двигатель без систем доочистки (например, EGR, SCR, DPF), чтобы выбросы не зависели от таких устройств (тип и производительность) для лучшего анализа фактических выбросов, зависящих от двигателя и сгорания (López et al., 2009; Yang et al., 2021a). В этом экспериментальном исследовании использовалась

Результаты и обсуждения

В этом разделе изучаются NOx, NO₂, и НЕТ₂/NOx при прогреве двигателя. Как уже упоминалось, период прогрева двигателя разбит на 7 последовательных этапов, каждый по 2 мин. Разница между ступенями показывает влияние температуры двигателя на разные параметры.Температура выхлопных газов может быть репрезентативной для температуры сгорания, показывая, как двигатель прогревается. Помимо нагрузки и скорости двигателя, температура сгорания зависит от различных параметров, таких как температура двигателя.

Выводы и будущие направления

В данном исследовании изучалось влияние свойств топлива и температуры двигателя на разных стадиях прогрева двигателя на выбросы NOx, NO₂, и НЕТ₂/NOx при использовании смесей дизельного топлива и биотоплива (10 и 20%). Эксперименты проводились на 6-цилиндровом двигателе Cummins с турбонаддувом и системой Common-Rail. Период прогрева двигателя был разделен на 7 стадий для изучения официальных периодов работы в холодном и горячем состоянии в дополнение к промежуточным этапам, которые не определены как эксплуатация в холодном состоянии в (ЕС)

Заявление автора кредита

Али Заре: Концептуализация, Методология, Валидация, Формальный анализ, Написание — Первоначальный проект Визуализация Администрирование проекта Надзор Светлана Стеванович: Концептуализация Методология Валидация Написание — Обзор и редактирование Администрирование проекта Надзор Мохаммад Джафари: Формальный анализ Письмо — обзор и редактирование Пунит Верма: Формальный анализ Письмо — обзор и редактирование Липин Ян: Формальный анализ Письмо — обзор и редактирование Мейсам Бабайе: Написание — обзор и редактирование визуализации

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить благодарность профессору Йохену Мюллеру, г-ну Эндрю Элдеру (DynoLog Pty Ltd), г-ну Эндрю Бэнксу, г-ну Ноэлю Хартнетту и ARC Linkage (LP110200158) за поддержку в этом исследовании.