Анотація
Розглянуто проблему підвищення енергетичної ефективності рідких моторних палив за рахунок надмалих кількостей наночастинок. Обговорюється взаємозв’язок між повнотою згоряння палив у двигунах і попереднім рідкофазним окисненням вуглеводнів у розпилених краплях. Проведено високотемпературне окиснення при 150 °С киснем повітря модельних компонентів дизельних палив в реакторі барботажного типу. Методом газорідинної хроматографії вивчено вплив вуглецевих сфероїдальних нанокластерів на динаміку зміни складу рідкої фази під час окиснення за однакових умов н-декану та н-додекану. Показано, що вплив наночастинок на перетворення вуглеводнів у рідкому оксидаті може бути різним залежно від близькості температури процесу окиснення та температури кипіння рідини. Для висококиплячого н-додекану (216 °С) в умовах окиснення при 150 °С наявність наночастинок в розчині уповільнює зміну складу рідкого оксидату. При окисненні більш легкокиплячого н-декану (174 °С) добавки нанокластерів прискорюють зменшення вмісту вихідного вуглеводню в рідкій масі. Отримані результати пояснюються одночасною взаємодією молекул вуглеводнів з киснем в рідкофазній і газофазній реакційних областях. Вуглецеві нанокластери гальмують ланцюгові реакції рідкофазного окиснення в кінетичному режимі, але активують газофазне окиснення за рахунок прискорення стадії дифузії. Прискорення дифузії і випаровування вуглеводнів з рідкої фази пояснюється зміною супрамолекулярної структури розчину під впливом наночастинок зі зменшенням в’язкості. Показано, що немонотонний характер зміни в’язкості н-декану від вмісту нанокластерів у розчині корелює з екстремальною немонотонною залежністю енергетичної ефективності дизельного палива від концентрації таких добавок. Розглянуто можливу залежність між тривалістю стадій випаровування легкокиплячих компонентів з розпилених крапель і повнотою згоряння сумішевих моторних палив.
Посилання
Wallington T.J., Anderson J.E., Dolan R.H., Winkler S.L. Vehicle Emissions and Urban Air Quality: 60 Years of Progress. Atmosphere, 2022, 13(650), 1–19.
Choudhary R.B., Jha M.K. Action mechanisms of boundary lubrication additives - a review, part I. Lubrication Science, 2004, 16, 405–19.
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.
Gad M.S., Yehia K., Abdelhakeem A.A. Effect of multi carbon nanosheet on diesel engine performance. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 2018, 26, 722–728.
Levterov A.M., Levterov A.A. Vliyanie na pokazateli porshnevyh dvigatelej biokomponentov i nanomaterialov. Dviguni vnutrishnogo zgoryannya, 2021, 2, 12–23. [In Russian].
Valihesari M., Pirouzfar V., Ommi F., Zamankhan F. Investigating the effect of Fe2O3 and TiO2 nanoparticle and engine variables on the gasoline engine performance through statistical analysis. Fuel, 2019, 254, 115618.
Meda L., Marra G., Galfetti L., Severini F., DeLuca L.T. Nanocomposites for rocket solid propellants. Composites Sci. and Technol., 2005, 27(5), 769–773.
Rossi C., Est`eve A., Vashishta P. Nanoscale energetic materials. J. Phys. Chem. Solids, 2010, 71(2), 57–58.
Jayaraman K., Anand K.V., Chakravarthy S.R., Sarathi R. Effect of nano-aluminium in plateau-burning and catalyzed composite solid propellant combustion. Combust. Flame, 2009, 156(8), 1662–1673.
Eastman J., Choi S. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. Applied Physics Letters, 2001, 78(6), 718–720.
Gajdaj O.O, Pilyavskij V.S., Polunkin Ye.V. Polipshennya ekspluatacijnih vlastivostej etanolnih motornih paliv mikrodozami karbonovih sferoyidalnih nanoklasteriv. Naukoyemni tehnologii (Science-based technologies), 2016, 1(29), 3–8. [In Ukrainian].
Polunkin Ye.V., Pilyavskij V.S., Bereznickij Ya.O., Kamenyeva T.M., Lyevtyerov A.M., Avramenko A.M. Pokrashennya himmotologichnih vlastivostej dizelnogo paliva mikrodobavkoyu vuglecevih sferoyidalnih nanochastok. Catalysis & Petrochemistry, 2020, 29, 59–66.
Pilyavskij V.S., Polunkin Ye.V., Kamenyeva T.M., Melnikova S.L., Gajdaj O.O., Bogomolov Yu.I. Temperaturna inversiya diyi bagatosharovih fulerenopodibnih struktur v okisnenni n-dekanu molekulyarnim kisnem. Catalysis & Petrochemistry, 2021, 31, 99–105.
Gardiner W.C.Jr. Gas-Phase Combustion Chemistry. Springer. 2012, 556.
Stark M.S., Wilkinson J.J., Smith J.R.L., Alfadhl A., Pochopien B.A. Autoxidation of Branched Alkanes in the Liquid Phase. Ind. Eng. Chem. Res., 2011, 50(2), 817–823.
Mittal K.L. Micellization, Solubilization and Microemulsions. V. 2. Springer, 2012, 460.
Liu W., Zhang Z., Chen S., Xue Q. The research and application of colloids as lubricants. J. Disp. Sci. Technol., 2000, 21(4), 469–490.
Gajdaj O.O. Ekspluatacijni vlastivosti etanolnih benziniv z nanorozmirnimi sferoyidalnimi karbonovimi klasterami: avtoref. dis. kand. tehn. nauk: 05.17.07. Nacionalnij aviacijnij universitet. K., 2019. 26. [In Ukrainian].
Polunkin E.V., Pyliavskyi V.S., Gaidai O.O., Melnykova S.L., Spaska O.A., Matveeva I.V. Influence of addition of exomodified carbon nanospheres on the structuration in ethanol motor fuels. Kataliz ta naftohimiya, 2021, 31, 99–105.
Schwenke A.M., Hoeppener S., Schubert U.S. Synthesis and modification of carbon nanomaterials utilizing microwave heating. Advanced Materials, 2015, 27(28), 4113–4141.
Chebbi R., Selim M.S. The Stefan problem of evaporation of a volatile component from a binary liquid mixtures. Heat and Mass Transfer, 2006, 42, 238–247.
Lage P.L.C., Rangel R.H., Hackenberg C.M. Multicomponent heat and mass transfer for flow over a droplet. Int. J. Heat and Mass Transfer, 1993, 34(14), 3573–3581.
Sirignano W.A. Fuel dropler vaporization and spray combustion theory. Prog. Energy Comb. Sci., 1983, 9, 291–322.
Sazhin S.S., Advanced models of fuel droplet heating and evaporation. Prog. Energy Comb. Sci., 2006, 32, 162–214.
Sazhin S. Droplets and Sprays. Springer-Verlag, London, 2014, 345.
Olifirenko Yu.A., Kopejka A.K., Kalinchak V.V., Darakov D.S., Golovko V.V. Modelirovanie ispareniya kapel binarnyh smesej nizshih spirtov. Fizika aerodispersnih sistem, 2016, 53, 96–104. [In Russian].
Bochkareva E.M., Miskiv N.B., Nazarov A.D., Terekhov V.V., Terekhov V.I. Experimental study of evaporating droplets suspended ethanol-water solution under conditions of forced convection. Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2018, 6(2), 115–127.
Gan Y., Qiao L. Evaporation characteristics of fuel droplets with the addition of nanoparticles under natural and forced convections. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54, 4913–4922.
Gan Y., Qiao L. Radiation-Enhanced Evaporation of Ethanol Fuel Containing Suspended Metal Nanoparticles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55, 5777–5782.
Liu Y., Block D. Stokes-Einstein relation for binary mixtures. Computer Physics Communications, 2024, 300, 1–5.