轮胎热解油在使用三元混合物后，对发动机性能燃烧，存在影响吗？

文丨猿十叁

编辑丨猿十叁

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全球石油供应下降、原油价格不稳定、大气污染引发的全球变暖以及国家能源安全等问题，成为投资与替代可再生交通燃料的关键动因。因此，探索和利用可持续、可靠且不污染环境的能源来源，以实现经济和社会发展与环境保护的结合，变得至关重要。

生物质源生的生物燃料是柴油的可行替代品。尽管生物质热解反应极其复杂，但由于其自包含的特性和多种优点，因此热解仍受到人们追捧。

热解是在无氧环境中产生气体、液体和炭的吸热过程。热解可以分为快速热解和慢速热解两类。与产生更高价值能源产品的快速热解相比，慢速热解产生的是低价值能源产品。

在一份报告中，作者根据原料成本和预期收入计算了热解的内部收益率，结果表明在相同原料量下，快速热解产生了15%的内部收益率，而慢速热解则不具有盈利能力。

在可持续燃料领域，生物柴油和生物燃料、加氢燃料、含氧燃料及其与石油基燃料的混合物是近年来备受关注的替代可再生燃料。然而，出于环境和经济原因，废弃物转燃料或能源技术近年来在全球范围内引起了更多科学家的关注。

轮胎热解油（TPO）是轮胎热解过程中所产生的有价值产品，可用于制造炭和热解气等其他有用产品。研究表明，TPO适用于压缩点火发动机燃料。

然而，作者指出原始热解油含有硫，催化过程和氧化脱硫，适用于去除原始热解油中的硫。关于发动机性能，报告显示TPO提高了功率和热效率，但对排放物的观察结果各异。

将废旧轮胎转化为燃料，有助于解决垃圾处理问题，减少对化石燃料的需求，使其成为理想的可再生能源来源。作者总结认为，TPO是可行的替代燃料。

我们在不同温度下对汽车轮胎进行了热解实验，在500°C时我们观察到了最大的液体产量。结果表明，热解液体包含有机物、芳香烃和含氧化合物的混合物。我们还发现，热解液体与某些油具有相似或更好的热值。然而，报告的硫含量为1-1.4%，约为限值。

另一项研究指出，尽管TPO具有较高的热值，但其较低的闪点、较高的密度、粘度以及硫和氮化合物的存在，使其不能直接用作汽车的替代燃料。

因此，应通过分馏精炼、将TPO与化石燃料、生物燃料、生物柴油和纳米添加剂进行双重和三重混合，提高TPO的质量。

此外，基于燃烧、排放和发动机性能，10% TPO、20% karanja生物柴油、70% 柴油的性能最佳。然而，与不同混合物相比，为什么会出现更高或更低的NOx排放的因素，在此前的文章中并未提及。

根据以上综合文献回顾，可以看出热解轮胎油在排放废气的观察中具有几乎相似的特性。

本研究重点研究了物化特性（热值、密度、粘度和十六烷值）、发动机性能（制动功率、制动扭矩、制动平均有效压力、制动热效率和制动比燃料消耗）、排放废气（氮氧化物、二氧化碳、噪声排放和排气温度）以及基本能量和外能参数（外能和能量速率、燃烧效率和可持续性）。

通过柴油-废轮胎油-生物柴油混合物和柴油-废轮胎-生物柴油混合物，我们全面地对燃料进行了测试，并在引擎噪声排放不变的情况下显著减少温室气体排放，是本研究的独特和原创特点之一。该研究的独特之处，还在于它使用了相同的燃料，对基本能量和外能指标进行分析。

对于二元和三元混合物添加可持续性和单位成本指数，是本研究的额外创新点。这项研究最激动人心的部分，是将实验数据与一维模型数据进行比较，两者之间的最大差异观察到为10%。

在实验中，通过一系列测试的生物燃料，我们研究了性能参数，包括制动比燃料消耗、制动特性燃料消耗、制动平均有效压力、制动功率、制动热效率、排放废气参数。

其中包括一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和噪声排放，以及燃烧参数，包括气缸内压力、热释放速率、总热释放、排气温度和燃烧效率。

这项全面的研究为使用测试生物燃料替代柴油发动机提供了原因。

而本实验计划从废轮胎油中提取热解油，从大豆（Glycin max）中制备生物柴油，图示1是有关本研究方法的简要介绍。

我们利用固定热解装置生成热解油。然后，将热解轮胎油和Glycin max生物柴油与商业可获得的柴油混合，产生三元混合物。

我们总共使用了七种燃料混合物，包括100%柴油、10-30%废轮胎油 + 90-70%柴油、10%轮胎油 + 10%生物柴油 + 80%柴油、30%轮胎油 + 10%生物柴油 + 60%柴油和10%生物柴油 + 90%柴油。

将最多30%（体积）的废轮胎热解油与柴油混合。此调查局限于30%的废轮胎热解油，因为超过这个比例的废轮胎热解油，会导致发动机性能和排放效果下降。为了数据验证，我们通过GT-Suite软件制定了一维模型。

为了去除水分，我们使用热板磁力搅拌器，将500毫升的大豆油加热至100摄氏度。之后，把加热的油冷却至60摄氏度。随后，把甲氧基（甲醇和催化剂的混合物）倒入加热的油中，并添加氢氧化钾（KOH）。

甲醇与油的摩尔比保持在6:1，催化剂的用量通过滴定法确定。在磁力搅拌器中，生物柴油和甲氧基混合物以600转/分钟的速度搅拌，同时保持60摄氏度的温度。在搅拌一小时后，将混合物放入分离漏斗中进行重力分离。

使用热板磁力搅拌器将600毫升的大豆油加热。因此，24小时后在容器中出现了甘油和生物柴油两相。由于生物柴油的密度较低，它漂浮在甘油上方的底层。我们可以使用分离漏斗将生物柴油和甘油分离。

然后，用水洗掉生物柴油，并在100摄氏度下加热以去除水分。图1(a)展示了制备生物柴油的不同步骤，而图1(b)说明了轮胎油制备的各个阶段。在450摄氏度下，从废弃轮胎中提取了热解油。为了改善原始废轮胎油燃料质量，通过分馏工艺对油进行升级。

所有的实验都在一台单缸直喷柴油发动机上进行，该发动机具有自然吸气。表1列出了被测试发动机的主要特性。图2描述了实验设置。实验在1600-3200转/分钟范围内进行。

为了将水测功机与发动机连接。我们使用ENERAC排放测量分析仪（型号：ENERAC 700）对CO、CO2和NOx进行采样。采用电化学传感器和复杂的非色散红外（NDIR）技术测量不同的排放成分。

发动机的噪音使用数字声级仪（型号：CEL-240）进行记录。声级仪能够检测30到130分贝之间的声音水平。发动机运行约30分钟需要进行预热，当油温达到约70摄氏度时开始收集数据。精度和不确定性如表2所示。

结果

图3显示了纯柴油、纯轮胎油、10%轮胎油+90%柴油、20%轮胎油+80%柴油、10%轮胎油+10%生物柴油+80%柴油和10%生物柴油+90%柴油的氢核磁共振（1 HNMR）测试结果。

所有九种测试燃料的1 H NMR测量均针对研究物质分子中的1 H核进行，使用Bruker 400TM ASCEND光谱仪。

氘代氯仿作为测试溶剂，使用了400 MHz的频率。测试温度为296 K。如图3所示，研究中的所有燃料都具有芳香、脂肪和酚类成分。然而，轮胎油及其混合物具有强烈的芳香成分。

从图3可以看出，脂肪化合物的化学位移范围为0.45-1.8 ppm，脂肪基在芳烃/烯烃基团旁边的范围为1.85-3.5 ppm，脂肪化合物在氧/羟基基团旁边的范围为3.5-4.55 ppm，酚类（OH）或烯烃基团的范围为4.55-6.85 ppm。在6.85至> 7.00 ppm之间存在芳香化学物质。

图4(a-f)显示了速度对制动扭矩、制动功率、制动平均有效压力（BMEP）、制动热效率和制动比燃料消耗（BSFC）等各种性能参数的影响。废轮胎油混合物在除30T10B混合物外，所有性能参数均未显示出明显的恶化。

30T10B混合物包含30%体积的轮胎油、10%体积的生物柴油和60%体积的柴油。仔细查看燃料性质表（表3）可以发现，在所有七种混合物中，该混合物的热值最低。

热值是燃烧单位燃料数量时产生的热能量量。这意味着燃料的能量含量越高，发动机的制动扭矩、制动功率和BMEP越大。

如图所示，制动扭矩（图4(a)）以及较低的发动机速度下的过量空气系数，是燃料贫燃条件的指标，这也有利于NOx的生成。相反，在较高的速度下，较低的过剩空气系数表明燃料丰富条件。

随着在较高的发动机速度下燃油喷射的增加，所有燃料都会增加制动扭矩、制动功率和BMEP。

与参考柴油相比，混合物10T、20T、30T、10TB和10B的五种混合物在制动扭矩方面与柴油相似或略低，但混合物30T10B由于其热值最低，制动扭矩最小。在3200转/分钟的发动机转速下，与柴油相比，混合物30T10B的制动扭矩最多降低了32%。

对于图4(a)、(c)、(d)、(e)和(f)中的其他图例，读者可以参考图4(b)的图例。与图4(a)类似，图4(b)和(c)中的五种燃料混合物的制动功率和BMEP，在所有发动机速度下显示出相似的趋势。

然而，与参考柴油相比，在3200转/分钟的速度下，混合物30T10B的制动功率和BMEP最多分别降低了34%和33%。

制动热效率和制动比燃料消耗（BSFC）是通过方程（ix）和（x）计算的。制动热效率是轴上可用输出功率与燃料功率之比。换句话说，它显示了给定燃料输入能量中有多少能够转化为有意义的工作。

如图4(d)所示，制动热效率随着发动机转速的增加而降低，而BSFC在图4(e)中随着速度的增加而增加，对所有燃料都适用。制动比能量消耗（BSEC）是通过方程（xi）计算的，它与BSFC和热值成正比。所有燃料的BSEC都显示出与BSFC类似的趋势。

此外，与参考柴油相比，所有燃料混合物的制动热效率都略有下降，并且BSFC较高。然而，混合物30T10B显示出最高的BSFC和BSEC（图4(f)），以及由于其较低的功率输出而显示出最低的制动热效率。

所有其他混合物，包括10%生物柴油，由于其与柴油燃料的相似性，其制动热效率、BSFC和BSEC几乎相同。在1600和3200转/分钟的发动机转速下，混合物30T10B的热效率分别比柴油燃料降低了19.9%和17%。

我们还报告了生物柴油的较低热效率。废轮胎油-柴油和废轮胎油-柴油-生物柴油混合物除30T10B外，基本性能参数都表明适用于压缩点火发动机燃料。图5对实验结果与模拟结果进行了比较。

制动热效率、BSFC、制动扭矩、制动功率和BMEP的实验结果，与相同五个性能参数的模拟结果一致。五种不同性能参数，在实验和模拟结果之间的变化范围在10%之内。

如图5所示，制动扭矩的实验和模拟结果之间的最大变化为8%。其他四个参数，包括制动功率、制动平均有效压力、制动热效率和制动比燃料消耗，最大差异分别为9.1%、8.77%、9.8%和9.5%。

发动机噪声被我们视为排放物，并我们在当前研究中对七种测试燃料进行了测量。CEL-240 m用于在五个不同的转速下测定发动机噪声。为了确认所有七种燃料的数据准确性，我们将声级计分别放置在距离发动机1.5米和6米处。所有测量均在室温下进行，空气压力相同。

如图6所示，对于两种情况，随着发动机转速的增加，发动机噪声增加。此外，仔细观察图6(a)和6(b)发现，将声级计放置在距离发动机1.5米的位置比距离发动机6米的位置噪声更大。尽管柴油的发动机噪声略低，但两个图中均没有显示出不同燃料之间的噪声排放显著差异。

图7(a)说明了七种测试燃料，在广泛范围的发动机转速下的氮氧化物（NOx）排放。NOx排放的形成取决于多种因素。

NOx排放的主要影响因素包括气体火焰温度、燃油喷射时间、停留时间、燃料性质和燃料含氧量。图7(a)显示，不论所使用的燃料如何，NOx排放量都会随着发动机转速的增加而减少。

在所有发动机转速下，参考柴油的排放量低于所有其他燃料。六种燃料混合物的较大NOx排放量可能是由于二元三元混合物的较高火焰温度所致。

图8(a-c)显示了发动机转速对柴油燃料的缸内压力、热释放率和累积热释放的影响。针对压缩比为22的1维（1D）模型是使用GT-Suite开发的。建模时使用了测试发动机的规格数据。发动机的缸径和冲程分别取为69毫米和62毫米。

如图8(a)所示，随着发动机转速的增加，缸压更高，因为更多的燃油被喷入燃烧室。图中显示，3200转/分钟显示出最高的缸压，而1600转/分钟显示出最低。与缸压相似，热释放和累积热释放速率在更高的发动机转速下也更高。

在3200转/分钟的发动机转速下观察到最大的缸压为14.56兆帕，在1◦CA ATDC（上止点之后）发动机转速为3200转/分钟时观察到。对于发动机转速分别为2800、2400和2000转每分钟的情况，相同曲轴角度下的最大缸压分别为14.30兆帕、14.15兆帕和13.85兆帕。

热释放速率在图8(b)中，预混合峰（第一个峰）为2.979 J/degree，扩散峰（第二个峰）为8.08 J/degree。其他转速的预混合峰分别为2.82 J/degree、2.91 J/degree、3.03 J/degree、3.33 J/degree。

五个转速的扩散峰分别为9.58 J/degree、9.21 J/degree、8.83 J/degree、8.46 J/degree和8.08 J/degree。在图8(c)的总热释放方面，所有发动机转速，都遵循与缸压和热释放模式相同的趋势，即3200转/分钟显示出最高值，而1600转/分钟显示出最低值。

图8(d)中，排气温度随速度增加而增加，在测试的所有燃料之间没有明显的差异。随着发动机转速升高，缸内压力、热释放率和总热释放都会升高，这意味着需要在燃烧室内喷入和燃烧更多的燃料。

结论

目前，对于发动机的替代燃料的研究日益增多，鉴于能源、环境和经济问题，我们有必要鼓励研究替代燃料，以减少主要燃料的消耗量。为了使来自裂解过程的轮胎油（TPO）能够在压燃发动机中得到应用，必须要研究各种因素的影响。

因此，本研究旨在调查三元混合物（TPO/柴油/生物柴油）对燃烧特性、排放物排放和发动机性能的影响。

这项研究的结果可以促进三元混合物（TPO/柴油/生物柴油）作为柴油发动机的替代燃料，并符合替代能源发展计划。本研究的发现总结如下：

与参考柴油相比，二元和三元混合物的制动热效率几乎相同，而由于其较低的热值，相同混合物的制动比燃料消耗更高。

制动热效率、比燃料消耗、制动扭矩、制动功率和制动平均有效压力的实验数据与模拟数据进行了比较。这些数据在模拟和实验数据之间的最大差异在可接受的范围内（在10%以内）。

在发动机广泛运行的转速下，所有混合物的发动机噪声与柴油燃料类似，尤其是当噪声测量距离发动机1.5米和6米远时。

混合物的NOx排放量高于参考柴油。这可能是由于不同混合物的火焰温度较高。在发动机转速增加时，较高的NOx排放与更高的总热释放有关。

两种三元混合物CO2排量放在所有发动机转速下，均低于柴油燃料。

除了上述的发动机性能参数外，所有燃料的特性参数、能量、特性能和能量效率均相同。它们之间的关系呈直线，意味着特性和能量之间有很强的相关性。同样，特性能和能量效率之间也有良好的相关性。

相对于参考柴油，所有测试混合物的单位成本和可持续性指数与柴油相似。这些指标表明这些混合物是可持续的。

本研究在压燃发动机中对不同废轮胎裂解油混合物（二元和三元）的性能和排放进行了全面的调查。

除了发动机性能和排放结果外，还确定了混合物的基本特性参数，与参考柴油燃料的参数进行了比较。

尽管一些混合物在发动机性能、排放、能量和特性参数方面表现出有希望的结果，但在燃料混合物和性能、排放、特性和能量参数之间没有明确的趋势，因此需要进一步的调查。