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工程科学与技术,国际期刊37(2023)101295石墨和还原氧化石墨烯纳米颗粒燃料添加剂优化生物柴油的热物性和燃烧性能Cihan Bayindirlia,Mehmet Celikb,Zaha,Recep ZancaNigde Ömer Halisdemir大学,Nigde技术科学职业学校,Nigde,TürkiyebKarabuk大学机械工程系,Karabuk,TurkiyecNigde Ömer Halisdemir大学,文理学院,Nigde,Türkiye阿提奇莱因福奥文章历史记录:2022年7月30日收到2022年10月6日修订2022年11月3日接受2022年11月18日网上发售保留字:纳米颗粒还原氧化石墨烯发动机性能废气排放A B S T R A C T在本研究中,将50和75 ppm还原氧化石墨烯和石墨纳米颗粒添加剂添加到通过酯化方法获得的棉籽油甲酯中。测定了相关纳米添加剂对燃油粘度、低热值、密度和十六烷值等性能的影响,并试验研究了其对发动机性能和排放的影响。实验研究了还原氧化石墨烯的优良性能,如优异的导电性、高反应活性和大比表面积对发动机性能和排放的影响。结果表明,与C 0燃料相比,在全负荷下,添加NPs添加剂的CGt-50燃料、CGt-75燃料、CGn-50燃料和CGn-75燃料的制动热效率分别制动器燃油消耗率降低6.92%、11.25%、13.36%和16.28%。在8Nm负载下,与基础燃料相比,添加纳米颗粒的燃料的气缸压力增加1.91%至5.16%。结果表明,随着纳米粒子添加比例的增加,热释放速率增加CGt-75和CGn-75燃料的ID降低率在2%-5.09%之间,CD降低率在0.84%-5.85%之间。与C 0燃料相比,CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料在满负荷时CO排放分别降低了9.48%、11.85%、14.23%和14.99%。由于纳米颗粒添加剂,燃料的热物理性质和传热速率得到改善,并且燃料混合物得到稳定,导致HC排放分别改善8.98%、11.79%、14.04%和15.73%NPs添加剂使缸内温度提高了10.59%~ 17.72%,NOx排放增加.还观察到烟雾排放量减少了8.57%-18.09%。©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍随着石油资源的减少、价格的高度波动和人口的增长,能源需求正在增加。此外,由于气候变化和使用化石燃料导致的全球变暖问题,关于使用环保、清洁和低成本燃料的研究已经增加[1]。今天的运输部门和电力系统依赖于内燃机和化石燃料。特别是柴油发动机,由于其优势,如高功率/重量比和效率值[2]而脱颖而出。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 : cbayindirli@ohu.edu.tr ( 中 国 ) Bayindirli ) ,mehcelik@karabuk.edu. tr(M. Celik),recep. ohu.edu.tr(R. Zan)。由Karabuk大学负责进行同行审查多年来,工程师和研究人员一直在研究如何改善改进研究不仅旨在提高发动机性能,而且还旨在减少废气排放[3燃料价格的不稳定,环境因素和能源需求的急剧增长导致研究人员将重点放在燃烧相关技术的研究上[6内燃机最有趣的研究课题之一是研究相对完全燃烧的燃料,因为在使用这种类型的燃料时没有必要改变发动机设计生物柴油是一种很好的柴油替代燃料它具有可持续、无毒、可再生、闪点高、性能好等优点[8然而,它也有一些缺点。NOx潜势高,雾化不良,燃烧不完全。有很多方法可以减少生物柴油的负面特性。在这些方法中,使用NP添加剂和催化剂已经被广泛https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1012952215-0986/©2022 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchC. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012952命名法冰内燃机CP缸压力TDC上止点去氧化石墨烯CA曲柄角(度)rGO还原的氧化石墨烯BTHE制动热效率GT石墨BSFC制动燃料比耗NPS纳米颗粒EGT排气温度ppm每百万LHV低热值C0棉籽甲酯CN十六烷值CGn-50具有50 ppm rGO NP的CFPP冷滤点CGn-75具有75 ppm rGO NP的CO2二氧化碳CGt-50具有50 ppm GT NP的CO一氧化碳CGt-75含75 ppm GT NP的NOx氮氧化物SEM扫描电子显微镜HC烃FTIR傅里叶变换红外ID点火延迟XRDx射线衍射CD燃烧持续期HRR热释放速率近年来研究下文提供了与NPs燃料添加剂相关的文献中的研究的总结NPs添加剂改善燃烧反应,释放更多能量,提供更完全的燃烧。将NPs添加剂添加到生物柴油中减少了有害污染物并提高了燃烧效率[8,12]。NPs添加剂形成增强的活性表面积,用于快速氧化,因为它们是纳米尺寸的。由于它们的高导热性,它们改善了前火焰和未燃烧的燃料颗粒之间的热传递。它们能够吸收几乎两倍于分子爆炸所获得的能量这有助于燃料液滴更好地完全燃烧,从而减少柴油发动机的燃料消耗和有害排放[13向燃料中添加NPs可以改善燃料的热物理性质,例如导热性、质量分布和大的表面积-体积比,以及燃料的物理化学性质,高粘度和高密度会导致燃油在缸内蒸发不良此外,燃料液滴与空气的混合受到燃料混合物的蒸发特性的不利影响因此,由于较高的表面张力,喷雾的燃料液滴较大燃油喷射质量直接影响发动机功率、燃烧效率和排放控制[16]。氧化石墨烯(GO)是一种很有前途的添加剂材料。它具有优越的性能实例,大的表面积,更高的导热性和优越的机械强度。它可以用于技术和医疗应用,锂离子电池,超级电容器,化学和生物传感器等,由于这些特性,在许多领域中使用。然而,对于大规模工业应用来说,它是一种昂贵的材料[17氧化石墨烯NP增加了燃料的汽化热,因此燃料-空气装料的密度可释放出较高的燃烧焓和能量密度大的表面积影响化学反应性的增加[20]。尽管其具有优异的性能,但由于其低温稳定性、化学气相沉积、典型的合成路线以及有限的效率和成本,其生产变得复杂[21]。这极大地限制了GO纳米颗粒的使用因此,可以通过其部分还原来增加GO的热稳定性这导致还原的氧化石墨烯(rGO)的形成rGO在能源储存和转换技术中显示出巨大应用潜力的最大领域在各种各样的碳纳米颗粒中,rGO仍然是最有趣的纳米材料,由于其独特的物理化学性质,可及性和有前途的前景。除了能量存储和转换技术,rGO还用于许多应用,例如化学和生物,吸附剂,催化剂等。该应用由于可以形成无金属、高度稳定和可获得的碳催化剂,因此rGO受到关注[22]。石墨纳米颗粒是结晶碳,其与金属纳米粉末相比毒性小得多。此外,与氧化石墨烯的耐用结构相比,它非常柔软,在低压下更容易分解。当与大多数材料接触时,它表现得像一种惰性材料。石墨含有90%的碳,是内燃机的优良润滑剂.它对皮肤无害。它不会通过接触或呼吸引起人类急性中毒[14]。通常,NP在尺寸和形状方面与普通催化剂相当不同,因为它们具有诸如纳米棒、纳米线、纳米纤维和金属氧化物的种类。NP以非常小的比例添加到燃料中,并且容易溶于燃料中。其主要目的是改善燃料性能[23]。Ahmet等人[14]在他们的研究中向柴油燃料中添加了50、100和150 mg(mg/l)的氧化铁(Fe2 O3)和石墨。在燃料中加入石墨后,粘度降低4.9%,十六烷指数提高3.26%.实验结果表明,添加石墨的燃料的扭矩、功率和BSFC值均优于添加Fe2O3的燃料。在150 mg/l石墨添加燃料中,BSFC降低2.6%,而功率和据指出,在150 mg/l石墨浓缩物中,CO排放量减少10.6%,NOx排放量增加29.2%。在Murugesan等人的一项研究中,[24]将圣几内亚裸藻以20-40-60-80的比例添加到柴油发动机燃料中。而在学习的第一阶段,这一比例为100%。在第二阶段在这项研究中,他们加入了氧化石墨添加剂(20,40,60和80ppm)添加到20%血裸藻80%柴油(ES20D80)的混合燃料中,以使混合燃料富氢,并在HCCI发动机上进行了试验。与ES 20 D80燃料相比,当向ES 20 D80燃料中添加80 ppmGTNP时,BTHE增加0.98%并且BSFC降低2.9%。CO、HC和烟度排放分别降低8.2%、23.5%和53.07%。在另一项研究中,Zhao等人[25]在他们的研究中制备了氧化石墨烯倾点下降剂。研究了所制备的混合气对柴油冷态流动特性和排放的影响。据指出,添加0.2%的倾点下降剂使柴油燃料的CFPP降低14 °C。此外,提高发动机转速可有效降低HC和CO排放,而在满负荷时NO和CO2排放增加。Soudagar等人[26]将20-40-60ppm氧化石墨烯添加实验C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012953在单缸水冷柴油发动机上以1500 rpm在6种不同负荷下进行。作为实验的 结 果 , 在 添 加 40ppm 氧 化 石 墨 烯 NP 的 情 况 下 , BTHE 改 善 了11.56% , BSFC 改 善 了 8.34% , HC 改 善 了 21.68% , 烟 雾 改 善 了24.88%,CO改善了38.66%,并且NOx排放增加了1.56%。5.62%。回收率随加入量的增加而降低氧化石墨烯纳米颗粒添加剂添加到燃料中。此外,在DSOME 20燃料混合物中,在40 ppm的比率下获得CD、ID、PP和HRR的最佳结果。氧化石墨烯纳米颗粒是改善生物柴油发动机性能和排放特性的合适燃料添加剂。在另一项研究中,Heidari-Maleni等人[27]通过向乙醇-生物柴油混合物中添加30 ppm石墨烯量子点纳米颗粒(GQDNPs)进行了发动机实验。实验结果表明,GQDNPs添加剂使发动机的功率和扭矩分别提高了28.18%和12.42%。BSFC、CO和HC排放分别下降了14.35%、29.54%和31.12%。因此,他们揭示了GQDNPs可以成为乙醇-生物柴油混合物的合适的替代燃料添加剂Bello等人[28]另一方面,将氧化石墨烯(GO)、二氧化钛(TiO2)和TiO2与氧化石墨烯(GO-TiO2)纳米粒子一起添加到柴油中。观察到添加GO的燃料的十六烷值变得高于柴油燃料的十六烷值。结果表明,在添加了GO的燃料中,当气缸压力增加2%时,TiO2增加1.5%,GO-TiO2增加1.18%。与柴油相比,GO、TiO2和GO- TiO2燃料的ID时间分别降低了3.11%、14.77%和12.34%.由于发动机性能实验,BSFC下降,3.91%,在 GO 、 TiO2 和 GO-TiO2 燃 料 中 , CO 和 TiO 2 分 别 为 13.02% 和10.11%。Ettefaghi等人。[29]通过添加1-5和10%蒸馏水和20-60和100 ppm GQDNPs(按体积计)加入B15燃料中。他们确定,与B15燃料相比,水和GQDNPs添加剂的发动机功率和NOx排放量增加,CO和HC排放量减少。EL-Seesy等人[30]在其研究中将25-50-75和100 mg/l氧化石墨烯(GO)添加到麻风树甲酯(JME)中。与JME燃料相比,缸内压力分别增加了1.12%、2.96%、3.44%和2.96%。1.54% , 连 续 。 根 据 JME 燃 料 , 使 用 25-50 mg/l GO 添 加 剂 获 得BSFC、BTHE和EGT的最佳结果。与JME燃料相比,添加GO的燃料的NOx排放增加,而CO和HC排放降低。Dhahad和Chaichan[31]以50ppm和100 ppm的比率在柴油燃料中添加纳米ZnO和纳米Al2 O3结果表明,随着NP的加入,BSFC降低,随着纳米颗粒的加入,燃烧室内温度升高,NOx排放增加,而CO和HC排放降低。NPs添加剂由于其对燃料的热物理和化学性质的积极影响而被广泛使用燃料性质的变化取决于NP的类型、它们的颗粒尺寸和与基础燃料的浓度。尽管有这些优点,但文献中也有模糊和相互矛盾的结果此外,不同研究人员的实验结果还没有得到足够的推广,以达成关于这种新的燃料改性方法的共识。需要在该领域进行进一步研究,以使用和确定NPs添加剂的最大潜力,并为柴油发动机提供有前途的燃料添加剂[13]。添加到燃料中的NPs对人类健康和环境的影响由于它们的大小,NP可以渗透到细胞壁、膜和组织中。它们可以通过渗透到皮肤、呼吸、食物或水中进入人体,从而产生毒性作用。离开排气管后,它可以通过不同的由此得出结论,从长远来看,NP可能会对环境造成污染[32]。在此基础上,优化生物柴油的热物理性质,改善其燃烧性能。在研究范围内,由于金属添加剂对人体健康的严重威胁,优选非金属添加剂。为此,将具有纳米尺寸的石墨和还原的氧化石墨烯NP以各种比例添加到生物柴油中。测定了添加NPs的燃料混合物的燃料性质,并实验测定了该添加剂对发动机性能和排放的影响氧化石墨烯和还原氧化石墨烯是石墨烯的两种重要衍生物这两种材料由于其化学组成的差异而显示出不同的化学和结构特性最明显的差异是导电性、亲水性、机械强度和分散性。还原过程导致GO的结构性质、机械强度、稳定性、溶解性和反应性性质的重大变化。Dhahad和Chaichan[31]指出,纳米添加剂对燃料性能有积极影响,但燃料热导率的增加更为重要。其中最重要的作用之一是提高了GO还原过程中的导电性和高迁移率。 在还原过程中,rGO的表面积也增加。在研究中研究了还原石墨烯作为燃料添加剂的这些优越性能。在以前的研究中,研究了石墨和还原氧化石墨烯NPs添加剂对发动机性能、燃烧和本研究的目的是通过实验确定石墨和还原氧化石墨烯纳米添加剂对生物柴油燃料性质和燃烧性能的影响。研究中给出了纳米粒子的性质、电子显微镜图、拉曼2. 材料和方法2.1. 添加剂生产在这项研究中,石墨粉和还原氧化石墨烯石墨粉末购自Sigma-Aldrich并用于合成rGO。首先,为了获得rGO,使用Hummer方法合成石墨烯氧化物(GO)该方法基于石墨的氧化、超声处理和离心过程。与其他GO合成技术相比,该方法相对快速和有效合成的GO具有含氧官能团(环氧基、羧基和羟基),这些官能团的存在使得GO与石墨相比是电绝缘体。为了使GO恢复其导电性,需要通过从结构中去除官能团来因此,使用称为肼的化学品进行GO的还原过程以获得rGO优化的GO/rGO合成过程的细节可以在我们以前的工作中找到图1中给出了rGO的SEM图像。由于GO的化学剥离及其还原,rGO的层状结构以及褶皱区域清楚地出现石墨和rGO通过拉曼光谱表征(图2a和2b)。碳基材料具有三个主峰。这些是D,G和2D峰,通过使用它们的位置,锐度和强度,有助于了解石墨烯薄膜的厚度,均匀性和质量。石墨的拉曼光谱,C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012954~Fig. 1. 石墨和rGO纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。图二. 纳米颗粒的拉曼光谱图。在图a中,有三个主峰,D峰在1340 cm-1,G峰在1596 cm-1,2D峰在2696 cm-1带。G峰强度的降低和强度的增加,在rGO的拉曼光谱中观察到了D峰。这些峰位置被确定为D峰为1331cm-1,G峰为1593 cm-1,2D峰为2669 cm-1如所预期的,D峰强度的这种增加是由于GO还原过程,其导致结构中缺陷态的增加。此外,ID/IG比提供了评论rGO结构的杂交(键状态)状态的机会。在这种情况下,石墨结构的ID/IG比被确定为0.2,而rGO结构的ID/IG比被记录为0.9。这表明形成了新的sp2结构,而不是由于还原过程而从氧化石墨结构中除去的官能团,从而增加了规则结构的量。图3a和3b示出了纳米颗粒的热重分析(TGA)图。采用热重分析法研究了石墨和rGO的热分解行为。石墨的TGA显示了一系列反应步骤,并且正如预期的那样,石墨在高达600 °C时高度稳定。发现rGO样品具有不同的分解温度。rGO在100-400 ℃的分解范围内没有显示出大量的质量损失,这揭示了在合成中的还原过程期间氧官能团的有效去除。XRD(X射线衍射)是用于确定材料的晶体结构的另一重要表征方法。在图4a和4b中,其中XRD光谱归因于在2h = 26.5°处的石墨的独特晶体结构峰,对应于(002)平面,其是尖锐的并且具有高强度。随着石墨含量的增加,在2h= 44°和54°处测定了碳主峰,对应于(101)和(004)(JCPDS 41-1487)。石墨的(002)、(101)和(004)处的石墨晶面证明了由于较高的碳含量而导致的高石墨化。此外,在图Ib中,我们观察到在2 h= 11°处的峰,其对应于rGO的(001)晶面,以及在15°-30°之间的宽峰,其归因于rGO的(002)晶面。XRD石墨和rGO结果均与当前文献一致。2.2. 获得试验燃料性能、燃烧和排放特性高度依赖于发动机燃料的物理化学性质。添加到棉甲酯中的燃料NPs添加剂的燃料性质如粘度、低热值、密度和十六烷值示于表1中。以精炼棉籽油为原料,采用酯交换法制备生物柴油.酯交换反应在60 °C下进行,每1升使用200 ml甲醇和3.5 g碱性催化剂(NaOH石油。将50和75ppm还原的氧化石墨烯和石墨NP添加剂添加到生物柴油中。用超声混合器在50 °C下将燃料混合45分钟。然后测定测试燃料的性质。发动机试验在理想状态下进行C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012955图三.纳米粒子的热重分析图。见图4。 纳米颗粒的X射线衍射图。表1试验燃料的物理和化学性质燃料密度(kg/m3 15°C)运动粘度(mm2/s 40°C)低热值(MJ/kg)闪点(MJ/kg)十六烷值ASTM D 1298ASTM D 445ASTM D 2015ASTM D 93ASTM D 613C00.8864.6038.8017555.3CGt-500.8824.3638.9917156.2CGt-750.8794.2439.0816456.7CGn-500.8784.1639.1716257.1CGn-750.8733.9639.2915757.9图五. 实验装置。C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012956表2试验发动机的技术规格。Antor 3 LD 510型柴油机发动机类型DI,柴油发动机表4排烟装置技术规范Bosch 1070不透光烟度计技术规格不透明度k值缸位移cm31510测量范围0吸收系数(k)0-指定价值测量室长度215 mm应用区域操作温度。实验装置在表5结果的不确定性分析。图五. Antor 3LD510单缸柴油机,实验试验发动机的技术指标见表2。试验过程中采用Bosch-1000350型排放装置和Bosch-1000070型烟度测量套件测量尾气排放。废气排放装置的技术规格见表3和表4。气缸压力测量系统由气缸压力传感器、编码器、放大器和数据采集卡组成.缸内压力测量采用AVL牌QC34D型水冷压力传感器。在获得最大扭矩的速度(1800 rpm)下,在5种不同的负荷下进行其性质预先确定的燃料的发动机试验。试验发动机运行了50h,这是目录中规定的值,并且通过了磨合期。在此过程之后,更换发动机机油和滤清器。在获得测试数据之前,发动机被带到工作温度,发动机油和进气空气入口温度保持恒定。首先,发动机用柴油运行,直到达到工作温度。通过测量发动机扭矩、燃油消耗率、排气温度和排放物,研究了发动机的性能和排放特性。每种燃料的发动机试验重复3次。试验设备的不确定度分析3. 结果和讨论在这项研究中,将还原氧化石墨烯和石墨纳米颗粒添加剂添加到棉甲酯中,从燃烧、性能和排气排放方面研究了在柴油发动机中的影响。根据实验结果,确定了不同曲轴转角下的CP、HRR和ID等燃烧参数。绘制了不同负荷工况下的性能参数(BTHE和BSFC)和排放参数(CO、HC、NOx和烟度)曲线图。3.1. 制动器热效率(BTHE)BTHE是了解气缸内燃烧效率的重要参数之一。它是注入燃料的化学能-机械功的比率表3废气排放装置技术规范Bosch G350技术规格测量范围感性CO00.001%体积HC01 ppm没有0<= 1 ppmCO200.01%体积O200.01%体积测量精度和计算结果参数准确度(±)不确定度(%)温度(°C)±1(°C)± 0.1时间(s)± 0.1 s ± 0.4载荷(N)± 1 N ± 0.25发动机转速(rpm)± 10 rpm ± 0.2燃油(g)± 0.1 g ± 0.1排气温度(°C)±1(°C)± 0.1编码器(°CA)±1° ± 0.3气缸压力传感器(bar)± 0.1 bar ± 0.1 BSFC(g/kWh)-± 0.94BTHE(%)-± 0.76见图6。 B具有rGO和GT NP添加剂的燃料的图。[33].试验燃料的图表如图6所示。如图所示,BTHE随着负载和NP比率的增加而增加。在8 Nm负荷下,C 0燃料中的BTHE为16.01%,而CGt-75和CGn-75燃料中的BTHE分别为18.15%和18.79%。CGn-75燃料在满负荷时的最高BTHE值为26.85%。当与C 0燃料混合时,在CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料中加入NPs添加剂,在满负荷时BTHE分别增加6.92%、11.89%、14.35%和17.97%结果表明,添加NPs后,试验燃料的十六烷值和低热值也有所增加。十六烷值的增加和ID时间的缩短增加了燃料的混合率并改善了完全燃烧过 程 [34] 。 随 着 粘 度 和 密 度 的 降 低 , 燃 料 雾 化 和 蒸 发 增 加 了BTHE[35]。rGO和石墨NP的高能量含量、高热值和十六烷值在燃烧过程期间的化学反应中充当催化剂。由于晶体中较高的氧气输送能力孔mm85中风mm90压缩率17.5:1旋转rpm3000最大发动机功率kW12(3000 rpm)最大扭矩Nm32.8(1800 rpm)C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012957晶格、rGO和石墨NP由于相对更好的燃烧而导致BTHE增加[33,36]。更好的燃烧结果增加了BTHE,这源于rGO和石墨NP微爆和ID期间伴随热传递的更高热导率[37]。CGn-75燃料的BTHE在满负荷时比CGt-75燃料高5.43%。这是由于rGO添加剂的导热性优于石墨NP[38]。本研究中BTHE增加的原因与文献中提出的原因一致3.2. 制动燃油消耗率(BSFC)BSCF表示发动机将供应的能量转换成有用能量的能力。密度、粘度和低热值等指标在燃烧和BSFC中起重要作用[20]。将NP添加剂添加到CO燃料中对BSFC的影响示于图7中。虽然在C 0燃料中在8Nm 负荷下BSFC 为576 , 245 g/kWh,但在 CGt-50 、 CGt-75 、CGn-50 和 CGn-75 燃 料 中 分 别 为 511.443g/kWh 、 507 , 330 g/kWh、501.917g/kWh和487,337 g/kWh。在满负荷时,在C 0燃料中BSFC降低到407.546 g/kWh 如图所示。 7.随着负荷的增加,在C0燃料中添加NPs添加剂会降低BSFC。应该注意的是,BSFC值随着负载的增加而减小。高负荷时缸内温度较高,因此试验燃料的ID较短。这些因素强烈影响燃烧效率,因此,在较高的发动机负荷下形成较低的BSFC 值[33]。观察到CGt-50、CGt-75 、CGn-50 和CGn-75燃料中BSFC比率的降低为6.92%,与C0燃料相比,分别为11.25%、13.36%和16.28满载。随着rGO和石墨NPs的添加,测试燃料的密度降低,而它们的LHV增加rGO和石墨纳米颗粒通过增加集体传热系数改善了燃烧机制。通过提高气缸内的氧化速率来提高燃烧效率,通过最小化后期燃烧时间来缩短燃烧时间,从而提供较低的BSFC。粘度和密度的降低导致燃料液滴在TDC附近区域燃烧。通过加速热交换过程减少ID,支持完全燃烧,产生高CP并增加缸内温度[34,35,39,40]。添加rGO的测试燃料的LHV和十六烷值高于添加石墨NP的测试燃料,因为rGO具有更好的燃料性质和导热性[41]。CGn-75燃料在满负荷时的BSFC比CGt-75燃料低5.67%.见图7。 具有rGO和GT NP添加剂的燃料的BSFC图。3.3. 气缸压力(CP)燃烧过程的目的是将燃料的化学能转化为热能,然后将热能转化为有用功和动力。为了使燃料完全燃烧,需要超过化学计量量的空气。这可能比理想量多30%为了实现这一点,必须创造正确的混合条件,特别是控制空气运动和湍流。当这三种元素(燃料、氧气和热量)在合适的条件下结合时,就会发生点火并随之燃烧[42]。柴油机的最大CP值取决于无控燃烧过程中的燃油量,而无控燃烧过程是由燃油喷射过程中的ID时间和喷射形状控制的由于粘度的降低和更好的空气,燃料混合物产生高CP[43]。图8示出了根据负载条件的CP和HRR图。随着负荷的增加,CP和HRR由于喷射更多的燃料而增加[44]。C 0、CGt- 50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料的PP分别为55.42、56.48、57.01,8Nm载荷下为57.26和58.28 bar,61.12、61.28、61.43、62.68和满载时分别为63.98 bar。与C0燃料相比,添加有rGO和石墨NP的燃料的CP增强由于rGO和石墨NP添加的燃料的十六烷值提高,其具有更高的表面积、传热速率和优异的结果,CP和气缸温度升高[40,453.4. 热释放速率(HRR)HRR在发动机气缸中的燃料燃烧期间具有非常关键的作用。它提供了有关发动机中不同间隔组成的不同燃烧阶段的详细信息。在没有HRR的情况下,无法检查各种参数,例如ID、燃烧开始/结束以及不同燃烧阶段的燃烧燃料质量[45]。在内燃机中,燃烧以三个不同的阶段继续。第一阶段,燃烧速度通常很高,并且在曲柄角处仅持续几度。第二阶段是主要的HRR期,在40-50 CA结束。一般来说,总燃料能量的大约80%在第一和第二阶段辐射。约20%的总燃料能量在燃烧的第三阶段释放[43]。图8显示了所有负载下在C 0燃料中,HRR为0.01535 kJ/oCA,8 Nm负荷时,其能量密度为0.02077kJ/oCA。HRR随着负荷的增加而增加。概括地说,HRR在增加rGO和石墨NP添加剂的量时增加。CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75在全负荷下的最大HRR分别为0.2136、0.2230、0.2301和0.02385 kJ/o添加rGO和石墨纳米粒子后,燃烧质量随着雾化性能的改善而提高[37,42,47,48]。与添加有石墨的燃料相比,具有rGO添加剂的燃料的LHV增加导致更高的CP和HRR。rGO的高导热性由于其较低的氧化能而提高了其催化效果。因此,HRR高于添加石墨的燃料Sathya-murthy等人[49]指出,具有LHV的燃料将具有较低的HRR。3.5. 点火延迟(ID)柴油机喷雾燃烧的重要参数之一是ID。它被定义为燃料喷射开始和燃烧开始之间的时间燃烧开始也被定义为HRR从负值变为正值的曲柄角在发动机的热力循环中,HRRC. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012958图8.第八条。具有rGO和GT NP添加剂的燃料的CP和HRR图直接影响点火开始时间。此外,发动机性能、发动机噪声和污染物排放受ID[50在柴油发动机中,ID是物理过程(燃料喷雾的雾化、混合和蒸发)和化学过程(反应前的动力学速率燃料的物理性质(主要是CN、LHV、密度和粘度)直接影响ID[53,54]。 图图9示出了测试燃料的ID图。随着NPs添加比例的增加,ID时间缩短。在8 Nm负载下,ID时间与C 0燃料相比为12.08CA,而CGt-75和CGn 75燃料与C 0燃料相比减少了2.48%和5.96%随着载荷的增加,ID时间缩短在满载时,ID减少2%,5.09%的CGt-75和CGn 75燃料。随着rGO和石墨NP的量的增加,ID的降低更明显。燃料的CN随着rGO和石墨NP的添加而改善。燃料的CN随着rGO和石墨NP的添加而改善这种情况增加了燃油液滴的蒸发速度。rGO和石墨NP具有大的表面积和更高的热导率,从而提供更快的热吸收的燃料滴和早期点火,因此,减少ID图。9.第九条。具有rGO和GT NP添加剂的燃料的ID图C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)1012959而CP和HRR的增加产生[55添加rGO的燃料的CP和HRR这导致ID较低。可以认为,由于rGO具有较高的导热性和微爆特性,其蒸发时间短于添加石墨的燃料[57]。3.6. 一氧化碳(CO)排放有许多参数强烈地影响内燃机CO排放的产生。这些因素是:不合适的空气/流量比、燃料的低HV、冷流特性、操作条件、所用燃料的氧和碳含量、燃烧室形状、CD、燃烧过程的开始等。【58】。一氧化碳是一种无色、无嗅、无味的易燃气体,比空气稍重。CO排放主要是由于燃料碳氧化不良导致燃烧室内氧气不足。这些排放还取决于负载条件、燃料特性和燃料的氧含量。燃油粘度高,油滴大,蒸发弱。这就是喷射燃料的燃烧。当气缸内的温度高于1500 K时,CO与二氧化碳(CO2)氧化[56,59,60]。试验燃料的CO排放如图10(a)所示。随着负荷的增加,CO排放量增加。在低负荷时,气缸内的温度较低。在8Nm负荷下,C0燃料的CO排放为0.17%,满载时为0.65%图10个。具有rGO和GT NP添加剂的燃料的CO和HC排放图在8 Nm负荷下,与C 0燃料相比,CGt-75和CGn-75燃料的CO排放量分别减少40.59%和45.95%。CO排放随rGO和石墨纳米粒子添加比例的增加而降低.与C0燃料相比,在低负荷下CO排放的减少更高。CGt-50、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-50、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-70、CGt-75、CGt-75、CGt-75、CGt-7CGn-50和CGn-75燃料,连续满负荷与C 0燃料相比。这是因为rGO和石墨NP缩短了点火时间,这可以归因于更好的燃料点火。rGO和石墨NP添加剂的高催化活性和较高的表面积体积比导致在燃烧过程中形成更好的在满负荷下,CGn-75燃料中的CO排放比CGt-75燃料高3.56%。ID缩短,因为rGO NP增加了取决于热导率的化学反应性,超过石墨NP添加的燃料。因此,发生更完全的燃烧和更少的CO排放。3.7. 碳氢化合物(HC)排放图10(b)示出了具有NP添加剂的测试燃料的HC排放图。HC排放形成的主要原因是燃烧不完全、雾化压力、燃油液滴直径和缸内温度[49]。HC排放量的降低取决于纳米颗粒添加剂在生物柴油中的添加比例在这项研究中,HC排放量为137 ppm的C0燃料在8 Nm的负荷,满载时为178 ppmHC排放量分别下降8.98%、11.79%、CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料在满负荷时与C 0燃料相比分别降低了14.04%和15.73%。rGO和石墨NP添加剂提供更好的氧化、完全燃烧和高的缸内温度[61]。由于燃料的热物理性质和传热速率的改善,rGO和石墨NP减少了HC排放,稳定了燃料混合物。HC排放的减少是改善不完全燃烧的良好指标和证据[62]。随着rGO和石墨NP的添加,由于NOx排放的同时和逐渐增加,HC和CO排放显著减少[63]。3.8. 氮氧化物(NOx)排放氮氧化物的排放主要是通过柴油机燃烧过程中高温下氮的氧化而产生的。接触这些有毒排放物可能导致健康问题。这些排放物也对环境和自然有害[64]。NOx机理取决于许多因素,例如CD、最高气缸温度、最高温度的剩余时间和燃烧燃料的成分[65]。氮氧化物排放量随着HRR的增加而增加[61,66]。 图 11(a)显示了测试燃料的NOx排放当C0燃料中的NOx排放在8Nm负荷下为885ppm时,其在满负荷下为1388ppm与C 0燃料相比,CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料在8 Nm负荷下的NOx排放分别增加3.39%、7.71%、9.70%和11.34%在满负荷时获得最大增加,因为随着负荷增加,气缸内的温度也增加。在满负荷时,CGt-50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料。缸内温度升高是由于添加NP后碳氢化合物氧化增加[67]。同时,rGO和石墨纳米颗粒添加剂具有催化作用,加速了反应的完成通过最小的碳氢化合物热分解的燃烧过程。因此,它导致NOx排放量增加[40]。C. Bayindirli,M. Celik和R. 昝工程科学与技术,国际期刊37(2023)10129510图十一岁具有rGO和GT NP添加剂的燃料的烟排放图3.9. 烟雾排放烟度的形成与燃烧过程中的等排比、燃料氧化温度、燃料的ID、CN、粘度、LHV、不良混合气和长时间着火等因素有关。烟雾排放主要是气缸内富燃料混合物区域的产物[45,56,68]。由于长链烃化合物分子的热分解,这种排放在缺氧环境中发生[69]。测试燃料的烟排放曲线图如图11(b)所示,其中它们随着NP的添加而减少。当满负荷时,C 0燃料的烟度排放为52.5%时,CGt- 50、CGt-75、CGn-50和CGn-75燃料的烟度排放分别降低了8.57%、12.95%,14.47%和18.09%。rGO和石墨NPs添加剂充当氧缓冲剂并促进热传递。它增加了颗粒在高温下的氧化,减少了烟雾排放[62]。此外,CN的上升、粘度和密度的下降、ID、更好的燃烧降低了添加rGO和石墨NP的烟雾排放[68,70]。4. 结论和建议在该研究中,以50和75 ppm的比例添加石墨和还原氧化石墨烯NP燃料添加剂,以改善棉籽油甲酯生物柴油的热物理燃料性质。特别地,还原的氧化石墨烯的优异性质(例如优异的导电性、高反应性和低反应性)的效果是显著的。在研究中试验研究了大表面积对发动机性能和排放影响。测定了试验燃料混合物的燃料特性,并给出了它们对发动机性能参数和排放的影响。所得结果总结如下。在满负荷下,使用NPs添加剂,BTHE的增加率在6.92%和17.97%之间确定NPs添加剂增加测试燃料的CN和LHV。使用NP添加剂的较高缸内温度和较短ID在满负荷下提供高达16.28%的BSFC降低。随着NPs添加量的增加,HRR和最大CP值增加。燃料的CN随着NPs的添加而改善。随着载荷的增加,ID减小。在满负荷下,根据C 0燃料,CGt-75和CGn 75燃料的ID降低为2%和5.09%。NPs添加剂提供更好的氧化,完全燃烧和高缸内温度。因此,HC排放
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