Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток
боту присвячено виявленню впливу мікрокількісних добавок вуглецевих cфероїдальних нанорозмірних частинок на експлуатаційні властивості дизельного палива при згорянні в двигунах. Наноматеріали отримували методом високочастотного розрядноімпульсного синтезу на вольфрамових електродах з використанням у...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/37 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Catalysis and petrochemistry |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Catalysis and petrochemistry| _version_ | 1872008986262241280 |
|---|---|
| author | Polunkin, Ie.V. Pilyavsky, V.S. Bereznitsky, Ya.O. Kamenieva, T.M. Levterov, А.М. A.M. Avramenko, A.M. |
| author_facet | Polunkin, Ie.V. Pilyavsky, V.S. Bereznitsky, Ya.O. Kamenieva, T.M. Levterov, А.М. A.M. Avramenko, A.M. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Ie.V. Polunkin",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім .В.П. Кухаря НАН України Україна, 02160, Київ, Харківське шосе, 50"
},
{
"author": "V.S. Pilyavsky",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім .В.П. Кухаря НАН України Україна, 02160, Київ, Харківське шосе, 50"
},
{
"author": "Ya.O. Bereznitsky",
"institution": " Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім .В.П. Кухаря НАН України Україна, 02160, Київ, Харківське шосе, 50"
},
{
"author": "T.M. Kamenieva",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім .В.П. Кухаря НАН України Україна, 02160, Київ, Харківське шосе, 50"
},
{
"author": "А.М. Levterov",
"institution": "Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Україна, 610000, Харків, вул. Пожарського, 2\/10"
},
{
"author": "A.M. A.M. Avramenko",
"institution": "Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Україна, 610000, Харків, вул. Пожарського, 2\/10"
}
] |
| author_sort | Polunkin, Ie.V. |
| baseUrl_str | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2021-12-10T12:30:12Z |
| description | боту присвячено виявленню впливу мікрокількісних добавок вуглецевих cфероїдальних нанорозмірних частинок на експлуатаційні властивості дизельного палива при згорянні в двигунах. Наноматеріали отримували методом високочастотного розрядноімпульсного синтезу на вольфрамових електродах з використанням у якості вихідної сировини вуглеводневих газів. Продукт синтезу модифікували бромом, потім проводили екстракцію в різних розчинниках та відфільтровували. Середній розмір бромованих сфероїдальних наноматеріалів після екстракції в етанолі складав 5–15 нм. Дослідження дії добавки синтезованих наночастинок до палива на експлуатаційні показники роботи двигунів проводили на моторному стенді з дизельним двигуном 1Ч 8.5/11 при роботі на стандартному дизельному паливі та паливі з добавкою присадки різної концентрації при наступних режимах: навантаження Ne = 3 кВт, частота обертання колінчастого валу двигуна n = 1300 хв-1 . Основними експериментальними характеристиками оцінки впливу добавок до палива на досконалість робочого процесу в циліндрах дизельного двигуна було обрано витрати палива (питомі та годинні) та ефективний коефіцієнт корисної дії (ККД). Згідно отриманих результатів при додаванні в паливо мікрокількісних доз синтезованих наноматеріалів витрати паливазменшились на 6–10 % і, відповідно, збільшився ефективний ККД у порівнянні з аналогічними показниками при роботі двигуна в такому ж режимі на паливі без добавки. Проведено аналіз процесу згоряння палива в двигуні за методом розгорнутих індикаторних діаграм та показано, що дія добавки синтезованих наночастинок на економічність використання палива в двигуні обумовлена зміною ступеня перетворення енергії згоряння компонентів палива в теплову енергію. |
| doi_str_mv | 10.15407/kataliz2020.29.059 |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
59
УДК 621.43: 665.753.4 2020
https://doi.org/10.15407/kataliz2020.29.059
Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива
мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток
Є.В. Полункін1, В.С. Пилявський1, Я.О. Березницький1,
Т.М. Каменєва1, А.М. Лєвтєров2, А.М. Авраменко2
1Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім .В.П. Кухаря НАН України
Україна, 02160, Київ, Харківське шосе, 50, тел./факc: (044) 292-30-88, E-mail: polunkin@i.ua
2Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
Україна, 610000, Харків, вул. Пожарського, 2/10, тел.: (057) 349-47-02, E-mail: levterov@nas.gov.ua
Роботу присвячено виявленню впливу мікрокількісних добавок вуглецевих cфероїдаль-
них нанорозмірних частинок на експлуатаційні властивості дизельного палива при зго-
рянні в двигунах. Наноматеріали отримували методом високочастотного розрядно-
імпульсного синтезу на вольфрамових електродах з використанням у якості вихідної си-
ровини вуглеводневих газів. Продукт синтезу модифікували бромом, потім проводили
екстракцію в різних розчинниках та відфільтровували. Середній розмір бромованих сфе-
роїдальних наноматеріалів після екстракції в етанолі складав 5–15 нм. Дослідження дії
добавки синтезованих наночастинок до палива на експлуатаційні показники роботи дви-
гунів проводили на моторному стенді з дизельним двигуном 1Ч 8.5/11 при роботі на стан-
дартному дизельному паливі та паливі з добавкою присадки різної концентрації при нас-
тупних режимах: навантаження Ne = 3 кВт, частота обертання колінчастого валу
двигуна n = 1300 хв-1. Основними експериментальними характеристиками оцінки впливу
добавок до палива на досконалість робочого процесу в циліндрах дизельного двигуна бу-
ло обрано витрати палива (питомі та годинні) та ефективний коефіцієнт корисної дії
(ККД). Згідно отриманих результатів при додаванні в паливо мікрокількісних доз синте-
зованих наноматеріалів витрати палива зменшились на 6–10 % і, відповідно, збільшився
ефективний ККД у порівнянні з аналогічними показниками при роботі двигуна в такому
ж режимі на паливі без добавки. Проведено аналіз процесу згоряння палива в двигуні за
методом розгорнутих індикаторних діаграм та показано, що дія добавки синтезованих
наночастинок на економічність використання палива в двигуні обумовлена зміною сту-
пеня перетворення енергії згоряння компонентів палива в теплову енергію.
Ключові слова: двигуни внутрішнього згоряння, дизельне паливо, добавки до палив, вуглецеві наночастинки
Вступ
Більше половини нафти, яка видобувається в світі,
йде на виробництво моторних палив. В Україні за рік
споживається до 10 млн тонн автомобільних та авіа-
ційних моторних палив, основна частка їх імпортуєть-
ся, що коштує понад 10 млрд доларів США. Зменшен-
ня витрат моторних палив хоча б на 10 відсотків збе-
реже для України більше 1 млрд доларів США в рік.
В двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ)
ефективний коефіцієнт корисної дії не перевищує 25 %
у бензинових і 40 % у дизельних двигунів, в сучасних
турбодизельних двигунах цей показник може досягати
50-55 % [1, 2]. Таким чином, понад 50 % енергії палив
в більшості двигунів витрачається даремно.
Одним з важливих факторів, які впливають на
ефективність використання енергії в двигунах, є
повнота згоряння палива. Під неповним згорянням
інколи розуміють, що деяка частина палива в камері
згоряння двигуна зовсім не реагує з киснем та
викидається назовні без будь-яких хімічних
перетворень.
Але для оцінки повноти трансформації енергії
згоряння палива (ЕЗП) в механічну роботу двигунів
внутрішнього згоряння треба враховувати не тільки
відсоткову долю палива, яке взагалі було задіяно в
реакції з киснем, а і глибину хімічних перетворень при
таких процесах.
Відомо [3, 4], що виділення енергії в двигунах
складається з ряду послідовних хімічних реакцій
взаємодії компонентів палива з киснем. Тому повне
протікання процесу окиснення в хімічному плані являє
собою глибоке перетворення реагентів до кінцевих
нетоксичних продуктів – діоксиду вуглецю СО2 та
води.
Під час процесу горіння в режимі неповного
окиснення (зокрема, при недостатній кількості кисню
https://teacode.com/online/udc/62/621.43.html
mailto:levterov@nas.gov.ua
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
60
або при нестачі часу для завершення хімічних реакцій)
утворюються оксид вуглецю СО та проміжні продукти
перетворень палива (спирти, альдегіди, кислоти,
поліконденсовані сполуки і сажа) [5, 6]. Внаслідок
неповного (часткового) окиснення палива при роботі
двигунів внутрішнього згоряння поряд зі зменшенням
ЕЗП збільшується кількість токсичних продуктів у
відпрацьованих газах. Ці викиди є головною причиною
забруднення атмосферного повітря в багатонаселених
містах. При спалюванні однієї тони моторних палив в
автомобільних двигунах в атмосферу потрапляє до 100
кг шкідливих продуктів неповного окиснення [7].
В сучасних умовах для України найбільш прийнят-
ним шляхом зменшення споживання автомобільних та
авіаційних моторних палив є підвищення їх енергое-
фективностіі за рахунок нових присадок, які сприяють
оптимізації процесу горіння та поглибленню окиснен-
ня компонентів палив в двигунах.
Унікальні фізико-хімічні властивості вуглецевих
наночастинок різної будови дали змогу створити ряд
нових матеріалів, в тому числі й присадок до паливно-
мастильних матеріалів (ПММ), антифрикційних та
антизадирних присадок до мастил та олив. Існує ряд
патентів по використанню фулеренів та їх похідних в
якості присадок до ПММ.
В роботах [10-12] наведено спроби використання де-
яких алотропних модифікацій вуглецю (фулерен, нанот-
рубки та нанолисти) як присадок до дизельних палив.
Раніше в роботах [8, 9] нами було показано, що мік-
родобавками (близько 10-2 % мас.) вуглецевих сферої-
дальних нанорозмірних частинок (ВСНЧ) можна під-
вищити потужність, зменшити витрати палива та пок-
ращити екологічні характеристики при роботі бензино-
вих двигунів на етанолвмісних бензинах.
Метою цієї роботи є встановлення можливості під-
вищення енергії згоряння вуглеводневого дизельного
палива шляхом його модифікації карбоновими сферо-
їдальними наночастинками.
Матеріали та методи дослідження
Для синтезу цільових нанорозмірних добавок до мо-
торного палива як базовий прекурсор було обрано алот-
ропну форму вуглецевих матеріалів з особливими стру-
ктурними та електронними властивостями – карбонові
сфероїдальні наночастинки [10]. Ці частинки являють
собою полішаруваті концентричні графеноподібні пе-
люстки, які крім шестичленних вміщують також
п’ятичленні цикли вуглецю в стані sp2- sp3- гібридизації.
Вихідний наноматеріал отримували методом високо-
частотного розрядно-імпульсного синтезу на вольфрамо-
вих електродах з використанням у якості вихідної сирови-
ни вуглеводневих газів (пропан-бутанова суміш) [15, 16].
Згідно електронної мікроскопії (методи СЕМ і
ТЕМ), синтезовані таким чином вихідні карбонові
наночастинки мали сферичну будову, діаметри окре-
мих частинок знаходились в інтервалі 5–40 нм (рис. 1).
Рис. 1. Електронномікроскопічне зображення вихідних
синтезованих зразків багатошарових карбонових наносфер
(електронний мікроскоп JEM-2100F при напрузі 20 kV)
Після виділення з продукту синтезу карбонових
сфероїдальних наночастинок для покращення їх роз-
чинності та підвищення здатності до поляризації про-
водили поверхневе модифікування наноматеріалу
бромом за методикою [8].
Отриманий нанопорошок фракціонували екстракці-
єю в різних розчинниках (гексан, бензол, толуол, ета-
нол, N-метил-2-піролідон). Процес екстрагування про-
водили витримуванням при різних температурних умо-
вах протягом встановленого експериментально часу.
Фільтрацію отриманих екстрактів проводили крізь
фільтри з різним діаметром пор (до 400 нм). Топогра-
фію поверхні порошків отриманих наноматеріалів,
особливості асоціації окремих наночастинок в агрегати
різних розмірів було досліджено методами електронної
та атомно-силової мікроскопій.
Середній розмір сфероїдальних наноматеріалів піс-
ля екстракції за результатами атомно-силової мікрос-
копії складав 10–15 нм (рис. 2).
В роботі [17] детально досліджено особливості будо-
ви таких наноматеріалів, наведено іх рентгенівські
дифрактограми і спектри комбінаційного розсіювання
(КР). Проведено чисельний аналіз структурних і спект-
ральних даних в інтервалах фундаментальних D і G
смуг і смуг 2-го порядку з їх розкладанням на спект-
ральні компоненти. Встановлено наявність в ВСНЧ
графіто- і алмазоподібних станів вуглецю, а також існу-
вання делокалізованої електронної щільності (ЕЩ) і
розподілення її близько атомів С.
Вплив добавки синтезованих бромованих наночас-
тинок до палива на експлуатаційні показники роботи
двигунів вивчали на моторному стенді зі стаціонарним
дизельним двигуном широкого призначення (1Ч 8.5/11)
при роботі на стандартному дизельному паливі та паливі
модифікованому добавками різної концентрації на на-
ступних режимах: навантаження Ne = 3 кВт, частота
обертання колінчастого валу двигуна n = 1300 хв-1.
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
61
Методика порівняльних експериментальних дослі-
джень передбачала роботу двигуна при фіксованій
потужності та частоті обертання колінчастого валу, а
критерієм ефективності модифікації палива наночас-
тинками була питома витрата палива (г/кВт·год), яка
визначає рівень ефективного ККД двигуна.
Дизельне паливо при всьому циклі випробувань ви-
користовували з однієї партії, характеристики палива
було підтверджено сертифікатом відповідності (ДСТУ
4840:2007. Паливо дизельне підвищеної якості).
Програма випробувань виконувалась таким чином.
При штатному налаштуванні системи керування дви-
гуном та роботі на стандартному дизельному паливі
без добавки присадки реєстрували такі показники:
– ефективна потужність, Nе;
– крутний момент, Mк;
– годинні GТ та питомі gе витрати палива на
вибраному режимі навантаження.
Ефективний ККД, ηе розраховували за наступною
формулою:
ηе= 3600.Nе/GТ
.Qн,
де Qн – нижча теплота згоряння палива, для
дизельного палива Qн дорівнює 43500 кДж/кг.
Вибрані умови налаштування дозволяють отриму-
вати оптимальні показники робочого двигуна по поту-
жності, крутному моменту та економічності.
Після першого етапу досліджень без змін налашту-
вання системи керування двигуном проводили випро-
бування роботи двигуна з реєстрацією відповідних
показників при використанні палива з різним вмістом
ВСНЧ.
Результати та їх обговорення
Для дослідження зміни енергоефективності дизель-
ного палива при додаванні ВСНЧ використовували
метод індикаторних діаграм. Вимірювання зміни робо-
чого тиску відбувалось наступним чином.
Сигнал від датчика тиску після підсилення та філь-
трації передавався на дослідницький аналогово-
цифровий перетворювач (АЦП) марки Е14-140 та далі
на персональний комп’ютер.
У роботі для індиціювання використовувався дат-
чик тиску тензометричного типу. Для реєстрації сигна-
лів з високою точністю датчик повинен мати високу
частоту власних коливань. Робочу частоту власних
коливань чутливого елемента датчика обирають так,
щоб вона перевищувала частоту гармонік найвищого
порядку при індиціюванні.
Верхня межа полоси частот, яку повинен пропуска-
ти датчик для чотиритактного двигуна [14]:
,
де n – частота обертання колінчастого валу (хв-1).
Таким чином, для досліджуваного дизельного дви-
гуна, при n = 1300 хв-1 маємо:
1625
120
1300150
f Гц
Частота власних коливань датчика повинна бути не
нижче 10 – 20 кГц. У проведеному дослідженні для
каналів АЦП частота дискретизації обиралася рівною
20 кГц.
Оскільки є гідравлічний опір у індикаторному ка-
налі, то утворюється різниця тисків у циліндрі двигуна
та біля чутливого елемента датчика. Це вносить похиб-
ку у вимірювання тиску.
Величина різниці тисків залежить від довжини ін-
дикаторного каналу, площі, частоти обертання колін-
частого валу та від величини тиску у циліндрі [14].
Величина похибки від гідравлічного опору індикато-
рного каналу розраховується за такою формулою [14]:
,
де lk – довжина індикаторного каналу, мм, d – його
діаметр, мм, pz – максимальний тиск згоряння, атм.
Таким чином, маємо:
097,056
6
10
)
1025,1
1300
(
6
ikp атм,
тобто 0,0097 МПа, що становить 0,17% від вимірюваної
величини і знаходиться в допустимих межах згідно
рекомендацій [14].
Відносне середньоквадратичне відхилення похибки
в такого виміру для максимальної витрати дизельного
Рис. 2. АСМ-зображення поверхні скла з нанесеними зразка-
ми бромованих наночастинок (екстрагованих етанолом) і
переріз, проведений через вершини частинок
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
62
палива В = 0,95 кг/год складає:
%29,0%100
B
σ2
δ В
В
Згідно отриманих результатів, при додаванні в
паливо мікрокількісних доз синтезованих наночас-
тинок витрати палива на стабільному вибраному
режимі зменшились на 6–10 % (в залежності від
концентрації добавки) у порівнянні з аналогічними
витратами при роботі двигуна в такому ж режимі на
паливі без добавки.
При цьому важливо відзначити, що величина змен-
шення витрат палива від вмісту добавки має екстре-
мальний характер (рис. 3). Найбільш оптимальним за
впливом на показники роботи двигуна виявилось до-
давання до дизельного палива модифікованих карбо-
нових наночастинок у кількості приблизно 3 ppm на
масу палива (масова доля 3·10-4 %). При подальшому
збільшенні концентрації добавки в паливо, витрати
самого палива починають дещо зростати.
При роботі двигуна на паливі з добавкою ВСНЧ
зменшуються годинні і питомі витрати палива, а також
зростає величина ефективного ККД (рис. 3, 4). Тобто
для одержання однакової кількості корисної механіч-
ної потужності двигуна при роботі на паливі з добав-
кою потрібна менша кількість палива.
Розглянемо за рахунок яких факторів вплив незна-
чної кількості нанорозмірних добавок (мільйонні долі
на масу палива) позначається на енергоефективності
двигуна.
Рис. 3. Залежність питомих витрат дизельного палива
від вмісту в паливі бромованих наночастинок
Рис. 4. Залежність ефективного ККД двигуна від вмісту в
паливі бромованих наночастинок
Зміни в енергетичному балансі двигуна внутріш-
нього згоряння можуть бути обумовлені дією таких
головних чинників [12]:
– змінами ступеня перетворення енергії згоряння
компонентів палива в теплову енергію;
– змінами у витратах теплової енергії паливної суміші
крізь металеві деталі камери згоряння та з відпрацьова-
ними газами;
– змінами в структурі витрат механічної потужності.
Основні закономірності перетворення енергії зго-
ряння компонентів палив в двигунах в теплову енергію,
а також наступної трансформації її в корисну механіч-
ну роботу детально вивчено і описано в науково-
технічній літературі [12, 13].
Вважається, що низьке значення коефіцієнтів ко-
рисної дії ДВЗ обумовлено, в основному, нецільовою
витратою теплової енергії, отриманої при окисненні
палива. Дійсно, особливості процесу перетворень енер-
гії згоряння компонентів палив в реальному циклі дви-
гуна роблять неминучими витрати теплової енергії при
її виділенні та перетворенні в механічну роботу.
Витрати теплової енергії залежать від конструкції
двигуна, матеріалів та умов процесу. В принципі, ця
складова енергетичного балансу може змінюватись під
дією палива при зміні теплопровідності металевих
поверхонь внаслідок відкладень продуктів згоряння
при довготривалій роботі двигуна. Оскільки ж ці чин-
ники при наших випробуваннях були сталими, то на
величину таких витрат синтезовані нами добавки до
палива не впливають.
В двигунах внутрішнього згоряння корисно вико-
ристовується тільки частина механічної енергії стислих
газів, які утворюються при згорянні паливної суміші.
Ця енергія виділяється в інтервалі часу, який відповідає
переміщенню поршня від верхньої до нижньої мертвої
точки (ділянка d-z-e, рис. 5). Деяка ж частина механіч-
ної енергії неминуче витрачається на протидію підви-
щеному тиску паливної суміші при її стискуванні в
камері до моменту запалювання (ділянка а-y, рис. 5), а
також на початку запалювання (ділянка у-с, рис. 5) при
переміщенні поршня вгору до верхньої мертвої точки.
Рис. 5. Узагальнений хід залежності тиску в камері згоряння
ДВЗ від кута повороту колінчастого валу (розгорнута інди-
каторна діаграма) [12]
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
63
Присадки до палива здатні впливати на співвідно-
шення корисної механічної енергії (яка витрачається на
прискорення руху поршня при переміщенні вниз від
верхньої мертвої точки) та енергії, яка витрачається на
подолання опору стискуваної суміші (при переміщенні
поршня вгору до верхньої мертвої точки). Цей ефект
обумовлено, з одного боку, можливим впливом добав-
ки на інтервал часу до спалахування суміші (який
характеризує цетанове число дизельного палива). З
іншого боку, добавка може впливати також на швид-
кість згоряння палива на різних стадіях.
Відмінності цих факторів при згорянні палива без
добавки та з добавкою наночастинок можна зафіксува-
ти порівнянням розгорнутих індикаторних діаграм
(рис. 5). При зміні таких чинників на індикаторній
діаграмі повинні спостерігатися зсуви як ліній стис-
нення та розширення, так і ділянки максимального
тиску згоряння.
Якщо під дією добавки цетанове число палива зрос-
тає і, відповідно, проміжок часу до спалаху змен-
шується, тоді лінія стиснення зсувається вліво, а площа
під цією кривою повинна зростати. А це, в свою чергу,
веде до збільшення витрат механічної енергії при пере-
міщенні поршня до верхньої мертвої точки на подолан-
ня протидії стискуваної паливо-повітряної суміші. Якщо
ж цетанове число палива під дією добавки зменшується
(тобто проміжок часу до спалаху паливо-повітряної
суміші збільшується), тоді, навпаки, лінія стиснення
повинна зсувається вправо. Такий зсув може призводи-
ти також до негативних наслідків – зниження енергое-
фективності палива через нестачу часу для завершення
процесів хімічних перетворень на початкових етапах
переміщення поршня від верхньої мертвої точки.
Використання існуючих товарних антидимних та
антисажових добавок до дизельних палив (таких як
алкілфеноляти барію) впливає на процеси горіння па-
лива та описано в роботі [7]. На фазі холодно-
полум’яного горіння (зародження та розгалуження
ланцюгів окиснення) ці добавки захоплюють кисень та
утворюють пероксиди барію. В подальшому, у фазі
гарячо-полум’яного горіння (рекомбінація радикалів з
виділенням енергії) пероксиди барію розпадаються з
виділенням кисню, необхідного для остаточного зго-
ряння пального, що, в свою чергу, зменшує кількість
сажі у відпрацьованих газах.
Якби цей механізм мав місце і в нашому випадку,
то на розгорнутій індикаторній діаграмі при роботі
двигуна на паливі з добавкою ВСНЧ слід було б чекати
зсуву максимуму підвищення тиску вправо, тобто ін-
тенсивне згоряння палива повинно було б відбуватися
більш тривалий час після займання суміші ніж при
роботі на паливі без добавки.
На рис. 6 показано результати дослідження впливу
синтезованих наночастинок на динаміку процесу зго-
ряння дизельного палива в двигуні за методом розгор-
нутих індикаторних діаграм.
Рис. 6. Вплив добавки вуглецевих сфероїдальних наночас-
тинок до палива на динаміку підвищення тиску в камері
згоряння дизельного двигуна 1Ч8,5/11: 1 – дизельне паливо
без добавки; 2 – дизельне паливо при вмісті наночастинок
10 ppm; 3 – дизельне паливо при вмісті наночастинок 1 ppm;
4 – дизельне паливо з добавкою етанолу без наночастинок
В роботі для обробки індикаторних діаграм вико-
ристовувалася осереднена індикаторна діаграма, яку
було отримано на основі вибірки зі 100 експеримен-
тальних діаграм на досліджуваному режимі при роботі
двигуна на дизельному паливі та дизельному паливі з
добавкою.
Аналіз процесу згоряння палива в двигуні за мето-
дом розгорнутих індикаторних діаграм показав, що
зсуву кривої індикаторної діаграми вліво на ділянці
руху поршня до верхньої мертвої точки, або вправо
після проходу поршнем верхньої мертвої точки не
спостерігалось (рис. 6). Не спостерігалось також зсуву
піку діаграми тиску.
У випадку застосування палива з добавкою мак-
симум тиску мав місце при тому ж куті повороту
колінчастого валу (близько 10 градусів після верх-
ньої мертвої точки) при переміщенні поршня від
верхньої мертвої точки, що і у випадку застосування
палива без добавки. При цьому максимальне зна-
чення тиску у випадку застосування палива з добав-
кою збільшувалось на 6–10 % у порівнянні з відпо-
відним значенням, при випробувані палива без до-
давання наночастинок.
Для порівняння відзначимо, що в контрольному
випробуванні при додаванні в паливо масової долі
етанолу 0,2 % максимальне значення тиску в камері
згоряння зменшилось на 3 % також без зсуву ліній
стиснення та розширення на досліджуваній індикатор-
ній діаграмі (рис. 6). Тобто додавання етанолу до наф-
тового дизельного палива в цілому зменшує його енер-
гоефективність.
Таким чином, отримані результати досліджень свід-
чать, що дія добавки синтезованих наночастинок на
економічність використання палива в двигуні обумов-
лена зміною ступеня перетворення енергії згоряння-
компонентів палива в теплову енергію. Конкретні ме-
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
64
ханізми впливу синтезованих наночастинок на кінети-
ку та механізми різних стадій хімічних перетворень
палива при згорянні потребують подальших більш
детальних досліджень.
Авторський колектив висловлює вдячність пер-
шому віце-президенту НАН України академіку НАН
України А.Г. Наумовцю за постійний інтерес та
підтримку наших досліджень у цьому напрямку.
Література
1. Heywood J.B. Internal Combustion Engines Funda-
mentals. NY: McGraw-Hill. 1988. 930.
2. Абрамчук Ф.І., Гутаревич Ю.Ф., Долганов К.Є.,
Тимченко І.І. Автомобільні двигуни. Підручник. К.:
Арістей, 2006. 476.
3. Caton J.A. An Introduction to Thermodynamic Cycle
Si-mulations for Internal Combustion Engines. NY: John
Wiley & Sons, 2016. 367.
4. Gupta H.N. Fundamentals of Internal Combustion
Engines. New Delhi: 2006. 597.
5. Сафонов А.С., Ушаков А.И., Гришин В.В. Хим-
мотология горюче-смазочных материалов. СПб.:
НПИКЦ, 2007. 488.
6. Капустин В.М. Нефтяные и альтернативные топ-
лива с присадками и добавками. М.: КолосС, 2008. 232.
7. Данилов А.М. Применение присадок в топливах.
М.: Химиздат, 2010. 368.
8. Гайдай О.О., Пилявський В.С., Полункін Є.В.
Поліпшення експлуатаційних властивостей етаноль-
них моторних палив мікродозами карбонових сферої-
дальних наночастинок. Наукоємні технології (Science-
based technologies). 2016. 1 (29). 3-8.
9. Haidai О., Pilyavski V., Shelud’ko Y., Polunkin Y.
Improvement of Performance Characteristics of Ethanol
Motor Fuels Through Use of Additives Based on Na-
noscale Carbon Clusters. EUREKA. Physical Sciences and
Engineering. 2016. 6. 3-10.
10. Ugarte D. Curling and Closure of Graphitic Net-
works Under Electron-beam Irradiation. Nature. 1992. 359.
707-709.
11. Рудь А.Д., Кускова Н.И., Богуславский Л.З., Ки-
рьян И.М., Зелинская Г.М., Белый Н.М. Структурно-
энерге-тические аспекты синтеза углеродных наномате-
риалов высоковольтными электроразрядными метода-
ми. Химия и химическая технология. 2013. 56 (7). 99-104.
12. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобиль-
ных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа.
2008. 496.
13. Двигатели внутреннего сгорания. Теория порш-
невых и комбинированных двигателей. под ред. А.С.
Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983.
376.
14. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего
сгорания. - М.: Высш. школа, 1975. 180.
15. Gad M. S., Ali Yehia Khaled Ahmed, Abdelhakeem
Amer A. Effect of multi carbon nanosheet on diesel engine
performance. Fullerenes, Nanotubes and Carbon
Nanostructures. 2018. 26. 722-728.
16. Ghafoori M., Ghobadian B., Najafi G., Layeghi M.,
Rashidi A., Rashidi A. Effect of nano-particles on the
performance and emission of a diesel engine using
biodiesel-diesel blend. International Journal of Automotive
and Mechanical Engine-ering. 2015. 12. 3097-3108
17. Корниенко Н. Е., Рудь А. Д., Кирпач К. А., По-
лункин Е. В., Кирьян И. М., Богуславский Л. З. Функ-
ционализация углеродных наносфер кислородом и
галогенами и изучение их свойств методами рентгено-
вской дифракции и колеба-тельной спектрокопии.
Міжнародна наукова конференція “Матеріали для
роботи в екстремальних умовах - 6”. 2016. 391-394
References
1. Heywood J.B. Internal Combustion Engines Funda-
mentals. NY: McGraw-Hill. 1988. 930.
2. Abramchuk F.I., Hutarevych Yu.F., Dolhanov K.Ye.,
Tymchenko I.I. Avtomobilni dvyhuny. Pidruchnyk. K.:
Aristei, 2006. 476. [In Ukrainian].
3. Caton J.A. An Introduction to Thermodynamic Cycle
Si-mulations for Internal Combustion Engines. NY: John
Wiley & Sons, 2016. 367.
4. Gupta H.N. Fundamentals of Internal Combustion
Engines. New Delhi: 2006. 597.
5. Safonov A.S., Ushakov A.I., Grishin V.V.
Himmotologiya goryuche-smazochnyh materialov. SPb.:
NPIKC, 2007. 488. [In Russian].
6. Kapustin V.M. Neftyanye i alternativnye topliva s
prisadkami i dobavkami. M.: KolosS, 2008. 232. [In Rus-
sian].
7. Danilov A.M. Primenenie prisadok v toplivah. M.:
Himizdat, 2010. 368. [In Russian].
8. Haidai O.O., Pyliavskyi V.S., Polunkin Ye.V. Polip-
shennia ekspluatatsiinykh vlastyvostei etanolnykh mo-
tornykh palyv mikrodozamy karbonovykh sferoidalnykh
nanoklasteriv. Naukoiemni tekhnolohii (Science-based
technologies). 2016. 1 (29). 3-8. [In Ukrainian].
9. Haidai О., Pilyavski V., Shelud’ko Y., Polunkin Y.
Improvement of Performance Characteristics of Ethanol
Motor Fuels Through Use of Additives Based on Na-
noscale Carbon Clusters. EUREKA. Physical Sciences and
Engineering. 2016. 6-10.
10. Ugarte D.Curling and Closure of Graphitic Net-
works Under Electron-beam Irradiation. Nature. 1992. 359.
707-709.
11. Rud A.D., Kuskova N.I., Boguslavskij L.Z., Kiryan
I.M., Zelinskaya G.M., Belyj N.M. Strukturno-
energeticheskie aspekty sinteza uglerodnyh nanomateri-
alov vysokovoltnymi elektroraz-ryadnymi metodami.
Himiya i himicheskaya tehnologiya. 2013. 56 (7). 99-104.
[In Russian].
12. Kolchin A.I., Demidov V.P. Raschet avtomobilnyh i
traktornyh dvigatelej. M.: Vysshaya shkola. 2008. 496. [In
Russian].
http://ctj.isuct.ru/?q=ejournal/term/2/_/taxonomy%3Aterm%3A1
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
65
13. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. Teoriya
porshnevyh i kombinirovannyh dvigatelej, pod red. A.S.
Orlina, M.G. Kruglova. M.: Mashinostroenie, 1983. 376.
[In Russian].
14. Raykov I.YA. Ispytaniya dvigateley vnutrennego
sgoraniya. - M.: Vyssh. shkola, 1975. 180. 15. Gad M. S.,
Ali Yehia Khaled Ahmed, Abdelhakeem Amer A. Effect of
multi carbon nanosheet on diesel engine performance.
Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2018.
26. 722-728.
16. Ghafoori M., Ghobadian B., Najafi G., Layeghi M.,
Rashidi A., Rashidi A. Effect of nano-particles on the
performance and emission of a diesel engine using
biodiesel-diesel blend. International Journal of Automotive
and Mechanical Engineering. 2015. 12. 3097-3108
17. Korniyenko N. Ye., Rud A. D., Kirpach K. A.,
Polunkin Ye. V., Kiryan I. M., Boguslavskiy L. Z.
Funktsionalizatsiya uglerodnykh nanosfer kislorodom i
galogenami i izucheniye ikh svoystv metodami rent-
genovskoy difraktsii i kolebatelnoy spektrokopii.
Mizhnarodna naukova konferentsíya “Materiali dlya roboti
v ekstremalnikh umovakh-6”. 2016. 391-394. [In Russian].
Надійшла до редакції 04.02.2020 р.
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 29
66
Improvement of chemmotological properties of diesel fuel by
micro-addition of carbon spheroidal nanoparticles
Ie.V. Polunkin1, V.S. Pilyavsky1, Ya.O. Bereznitsky1, T.M. Kamenieva1, А.М. Levterov2, A.M. Avramenko2
1 V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry NAS of Ukraine,
Ukraine, 02160, Kyiv, Kharkivske shausse, 50, tel./fax: 044 292-30-88, e-mail: polunkin@i.ua
2 A.M. Pidgorny Institute of Mechanical Engineering NAS of Ukraine,
Ukraine, 610000, Kharkiv, Pozharsky, 2/10, tel.: (057) 349-47-02, e-mail: levterov@nas.gov.ua
The work is devoted to the detection of the influence of micro-quantitative additives of carbon
nanosized particles of a spheroidal structure on the performance properties of diesel fuel during
combustion in engines. Nanomaterials were obtained by the high-frequency discharge-pulse
synthesis method on tungsten electrodes using hydrocarbon gases as feedstock. The synthesis
product was modified with bromine, then extracted in different solvents and filtered. The average
size of brominated spheroidal nanomaterials after extraction in ethanol was 5–10 nm. The study of
the effect of the addition of synthesized nanoparticles on the fuel on the performance of engines was
carried out on a motor stand with a diesel engine 1H 8.5/11 when working on standard diesel fuel
and fuel with additives of different concentrations under the following modes: load Ne = 3 kW,
rotational speed engine n = 1300 min-1. The main experimental characteristics of the evaluation of
the impact of additives on fuel on the perfection of the workflow in the diesel engine cylinders were
selected fuel consumption (specific and hourly) and effective efficiency (efficiency). According to
the results, when adding microfuel doses of synthesized nanomaterials (approximately 3 ppm by
weight of fuel), the fuel consumption decreased by 6–10 % and, accordingly, the effective
efficiency increased compared to the same performance when operating the engine in the same
mode without additive fuel. The analysis of the process of combustion of fuel in the engine by the
method of detailed indicator diagrams was done and it is shown that the effect of the addition of
synthesized nanoparticles on the fuel efficiency in the engine is caused by a change in the degree of
chemical energy conversion of fuel components into thermal energy.
Keywords: internal combustion engines, diesel fuel, fuel additives, carbon nanoparticles
mailto:polunkin@i.ua
|
| id | oai:katalizorgua:article-37 |
| institution | Catalysis and petrochemistry |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T15:49:58Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | katalizorgua/3d/4d02351de0f44a206979f0d11349323d.pdf |
| spelling | oai:katalizorgua:article-372021-12-10T12:30:12Z Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток Improvement of chemmotological properties of diesel fuel by micro-addition of carbon spheroidal nanoparticles Polunkin, Ie.V. Pilyavsky, V.S. Bereznitsky, Ya.O. Kamenieva, T.M. Levterov, А.М. A.M. Avramenko, A.M. internal combustion engines, diesel, fuel additives, carbon nanoclusters, fulleroids двигуни внутрішнього згоряння, дизельне паливо, добавки до палив, вуглецеві наночастинки боту присвячено виявленню впливу мікрокількісних добавок вуглецевих cфероїдальних нанорозмірних частинок на експлуатаційні властивості дизельного палива при згорянні в двигунах. Наноматеріали отримували методом високочастотного розрядноімпульсного синтезу на вольфрамових електродах з використанням у якості вихідної сировини вуглеводневих газів. Продукт синтезу модифікували бромом, потім проводили екстракцію в різних розчинниках та відфільтровували. Середній розмір бромованих сфероїдальних наноматеріалів після екстракції в етанолі складав 5–15 нм. Дослідження дії добавки синтезованих наночастинок до палива на експлуатаційні показники роботи двигунів проводили на моторному стенді з дизельним двигуном 1Ч 8.5/11 при роботі на стандартному дизельному паливі та паливі з добавкою присадки різної концентрації при наступних режимах: навантаження Ne = 3 кВт, частота обертання колінчастого валу двигуна n = 1300 хв-1 . Основними експериментальними характеристиками оцінки впливу добавок до палива на досконалість робочого процесу в циліндрах дизельного двигуна було обрано витрати палива (питомі та годинні) та ефективний коефіцієнт корисної дії (ККД). Згідно отриманих результатів при додаванні в паливо мікрокількісних доз синтезованих наноматеріалів витрати паливазменшились на 6–10 % і, відповідно, збільшився ефективний ККД у порівнянні з аналогічними показниками при роботі двигуна в такому ж режимі на паливі без добавки. Проведено аналіз процесу згоряння палива в двигуні за методом розгорнутих індикаторних діаграм та показано, що дія добавки синтезованих наночастинок на економічність використання палива в двигуні обумовлена зміною ступеня перетворення енергії згоряння компонентів палива в теплову енергію. The work is devoted to the detection of the influence of micro-quantitative additives of carbon nanosized particles of a spheroidal structure – fulleroids on the performance properties of diesel fuel during combustion in engines. The fulleroids were obtained by the high-frequency discharge-pulse synthesis method on tungsten electrodes using hydrocarbon gases as feedstock. The synthesis product was modified with bromine, then extracted in different solvents and filtered. The average size of brominated spheroidal nanomaterials after extraction in ethanol was 5–10 nm. The study of the effect of the addition of synthesized nanoclusters on the fuel on the performance of engines was carried out on a motor stand with a diesel engine 1H 8.5/11 when working on standard diesel fuel and fuel with the addition of additives of different concentrations under the following modes: load Ne = 3 kW, rotational speed engine n = 1300 min-1. The main experimental characteristics of the evaluation of the impact of additives on fuel on the perfection of the workflow in the diesel engine cylinders were selected fuel consumption (specific and hourly) and effective efficiency (efficiency). According to the results, when adding microfuel doses of synthesized fulleroids (approximately 3 ppm by weight of fuel), the fuel consumption decreased by 6–10 % and, accordingly, the effective efficiency increased compared to the same performance when operating the engine in the same mode without additive fuel. An analysis of the process of combustion of fuel in the engine by the method of detailed indicator diagrams is shown and it is shown that the effect of the addition of synthesized nanoclusters on the fuel efficiency in the engine is caused by a change in the degree of chemical energy conversion of fuel components into thermal energy. V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2020-02-24 Article Article application/pdf https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/37 10.15407/kataliz2020.29.059 Catalysis and petrochemistry; No. 29 (2020): Catalysis and petrochemistry; 59-66 Каталіз та нафтохімія; № 29 (2020): Каталіз та нафтохімія; 59-66 2707-5796 2412-4176 10.15407/kataliz2020.29 uk https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/37/27 |
| spellingShingle | двигуни внутрішнього згоряння дизельне паливо добавки до палив вуглецеві наночастинки Polunkin, Ie.V. Pilyavsky, V.S. Bereznitsky, Ya.O. Kamenieva, T.M. Levterov, А.М. A.M. Avramenko, A.M. Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title | Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title_alt | Improvement of chemmotological properties of diesel fuel by micro-addition of carbon spheroidal nanoparticles |
| title_full | Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title_fullStr | Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title_full_unstemmed | Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title_short | Покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| title_sort | покращення хіммотологічних властивостей дизельного палива мікродобавкою вуглецевих сфероїдальних наночасток |
| topic | двигуни внутрішнього згоряння дизельне паливо добавки до палив вуглецеві наночастинки |
| topic_facet | internal combustion engines diesel fuel additives carbon nanoclusters fulleroids двигуни внутрішнього згоряння дизельне паливо добавки до палив вуглецеві наночастинки |
| url | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/37 |
| work_keys_str_mv | AT polunkiniev pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT pilyavskyvs pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT bereznitskyyao pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT kamenievatm pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT levterovam pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT amavramenkoam pokraŝennâhímmotologíčnihvlastivostejdizelʹnogopalivamíkrodobavkoûvuglecevihsferoídalʹnihnanočastok AT polunkiniev improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles AT pilyavskyvs improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles AT bereznitskyyao improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles AT kamenievatm improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles AT levterovam improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles AT amavramenkoam improvementofchemmotologicalpropertiesofdieselfuelbymicroadditionofcarbonspheroidalnanoparticles |