Determination of the Effects of Some Additives Added to the Mixture of Diesel and Safflower Biodiesel on Exhaust Emissions

Abstract

In this study, linas, a newly developed variety of the safflower plant, were used for biodiesel production. Fuel properties and exhaust emission values of biodiesel fuel (B100) and alternative blended fuels containing different volumetric amounts of diesel (M100), biodiesel (B100) and n-butanol (BU) or n-pentanol (P) (diesel / biodiesel / n-butanol and diesel / biodiesel / n-pentanol) were evaluated in comparison with the reference fuel diesel (M100). In addition, in the study, the effects of 2-ethylhexyl nitrate (EHN) on fuel properties and emission values have been examined by adding EHN cetane improver additive to mixture fuels at a concentration of 2000 ppm. Exhaust emission tests of all fuels and mixtures were carried out in a four-cylinder, four-stroke, and direct injection diesel engine at different speeds and full load conditions. According to the results of the research, the fuel properties of diesel, biodiesel, and blended fuels have been determined that comply with biodiesel and diesel fuel standards. Density values of these fuels were determined between 0.830 to 0.8885 kg m-3, kinematic viscosities 2.83 and 4.57 mm2s-1, calorific values 40.13 and 43.4 MJ kg-1, water content 48.015 and 499 ppm, cetane numbers 48.8 and 55.8, cloud point, cold filter plugging point, and pour point -13.9 and -1.4 ºC, -22 and -10 ºC, -15 and <-20 ºC, respectively. While CO, CO2, and NOx emissions of blended fuels show lower values compared to diesel fuel, it has been determined that there are certain rates of increases in HC and O2 emissions. It was determined that the high NOx emissions of biodiesel decreased with the addition of high alcohols to the blend fuels. In general, it has been determined that the fuel properties and emission results of blends containing pentanol show better results than fuels containing butanol. The 2-Ethylhexyl Nitrate additive used in the blend was effective in improving the emissions.

Keywords

• 2-ethylhexylnitrate
• biodiesel
• exhaust emission
• n-butanol
• n-pentanol

Determination of the Effects of Some Additives Added to the Mixture of Diesel and Safflower Biodiesel on Exhaust Emissions

Abstract

Bu çalışmada, biyodizel üretimi için aspir bitkisinin yeni geliştirilmiş bir çeşidi olan linas kullanılmıştır. Biyodizel (B100) yakıtı ve hacimsel olarak farklı oranlarda motorin (M100), biyodizel (B) ve n-bütanol (BÜ) veya n-pentanol (P) ihtiva eden alternatif karışım yakıtlarının (motorin/biyodizel/ n-bütanol ve motorin/biyodizel/ n-pentanol), yakıt özelikleri ve egzoz emisyon değerleri referans yakıt motorin (M100) ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Araştırmada ayrıca karışım yakıtlarına 2000 ppm konsantrasyonunda 2-etilhekzil nitrat (EHN) setan iyileştirici katkısı ilave edilerek EHN’nin yakıt özellikleri ve emisyon değerlerine etkileri incelemiştir. Tüm yakıt ve karışımlarına ait egzoz emisyon testleri, dört silindirli, dört zamanlı ve direkt enjeksiyonlu bir dizel motorda farklı hızlarda ve tam yük koşullarında gerçekleştirilmiştir. Araştırma sonuçlarına göre motorin, biyodizel ve karışım yakıtlarına ait yakıt özelliklerinin, biyodizel ve motorin yakıtı standartlarıyla uyum içerisinde olduğu tespit edilmiştir. Bu yakıtlara ait yoğunluk değerleri 0.830 ile 0.8885 kg m-3, kinematik viskoziteleri 2.83 ile 4.57 mm2s-1, ısıl değerleri 40.13 ile 43.4 MJ kg-1, su içerikleri 48.015 ile 499 ppm, setan sayıları 48.8 ile 55.8, bulutlanma, SFTN ve akma noktaları ise sırasıyla-13.9 ile -1.4 ºC, -22 ile -10 ºC, -15 ile <-20 ºC arasında belirlenmiştir. Karışım yakıtlarına ait CO, CO2 ve NOx emisyonları motorin yakıtına göre daha düşük değerler gösterirken, HC ve O2 emisyonlarında ise belli oranlarda artışlar olduğu tespit edilmiştir. Karışım yakıtlarına yüksek alkollerin eklenmesiyle biyodizelin yüksek olan nox emisyonlarının düştüğü belirlenmiştir. Genel olarak pentanol ihtiva eden karışımların yakıt özellikleri ve emisyon sonuçlarının bütanol ihtiva eden yakıtlara göre daha iyi sonuçlar gösteriği tespit edilmiştir. Karışımlarda kullanılan 2-Etilhekzil Nitrat katkı maddesi emisyonları iyileştirmede etkili olmuştur.

Keywords

• 2-etilhekzilnitrat
• biyodizel
• egzoz emisyonu
• n-bütanol
• n-pentanol

References

1. Acaroğlu, M., Köse, H. (2020). Cynara Cardunculus’ dan üretilen biyodizel ve karışımlarının İçten yanmalı motorların yanma karakteristikleri ve emisyonları üzerine etkilerinin incelenmesi. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 7(3): 1275-1292.
2. Ağbulut, Ü., Sarıdemir, S., Albayrak, S. (2019). Experimental investigation of combustion, performance and emission characteristics of a diesel engine fuelled with diesel–biodiesel–alcohol blends. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 41(9): 1-12.
3. Altun, Ş. (2010). Dizel motor performansı ve egzoz emisyonları üzerinde biyodizel yakıtların etkisi. Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2(1): 9-19.
4. Arslan, B., Çakir, H., Culpan, E. (2019). Yeni Geliştirilen Aspir (Carthamus Tinctorius L.) Çeşitlerinin Bazı Özellikleri Bakımından Karşılaştırılması. 2. Uluslararasi 19 Mayis Yenilikçi Bilimsel Yaklaşimlar Kongresi. 27 - 29 Aralık, P. 113-121. Samsun, Türkiye.
5. Arslan, Y., Bayraktar, N. (2016). Farklı Azot ve fosfor seviyelerinin Ankara ekolojik koşullarında aspir (Carthamus tinctorious L.) bitkisinin yağ oranı ve kompozisyonu üzerine etkisi. Journal of Tekirdag Agricultural Faculty, 13(3).
6. Atmanlı, A. (2016a). Comparative analyses of diesel–waste oil biodiesel and propanol, n-butanol or 1-pentanol blends in a diesel engine. Fuel, 176: 209-215.
7. Atmanlı, A. (2016b). Effects of a cetane improver on fuel properties and engine characteristics of a diesel engine fueled with the blends of diesel, hazelnut oil and higher carbon alcohol. Fuel, 172: 209-217.
8. Atmanlı, A., Yüksel, B., İleri, E., Karaoğlan, A.D. (2015). Response surface methodology based optimization of diesel–n-butanol–cotton oil ternary blend ratios to improve engine performance and exhaust emission characteristics. Energy Conversion and Management, 90: 383-394.

9. Aydın, S., Aydın, H., İlkılıç, C. (2012). Biyodizelin hava kirliliğine etkisi. Batman Üniversitesi Yaşam Bilimleri Dergisi, 1(2): 329-338.
10. Culpan, E., Arslan, B. (2022). F2 kademesindeki oleik ve yarı oleik aspir genotiplerinin (Carthamus tinctorius L.) bazı morfolojik ve teknolojik karakterlerinin belirlenmesi. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 19(1): 156-165.
11. Imdadul, H., Masjuki, H., Kalam, M., Zulkifli, N., Alabdulkarem, A., Rashed, M., Ashraful, A. (2016a). Influences of ignition improver additive on ternary (diesel-biodiesel-higher alcohol) blends thermal stability and diesel engine performance. Energy Conversion and Management, 123: 252-264.
12. Imdadul, H., Masjuki, H., Kalam, M., Zulkifli, N., Alabdulkarem, A., Rashed, M., . . . How, H. (2016b). Higher alcohol–biodiesel–diesel blends: an approach for improving the performance, emission, and combustion of a light-duty diesel engine. Energy Conversion and Management, 111: 174-185.
13. Imdadul, H., Rashed, M., Shahin, M., Masjuki, H., Kalam, M., Kamruzzaman, M., . . . Management. (2017). Quality improvement of biodiesel blends using different promising fuel additives to reduce fuel consumption and NO emission from CI engine. Energy Conversion and Management, 138: 327-337.
14. İleri, E. (2016). Experimental study of 2-ethylhexyl nitrate effects on engine performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with n-butanol or 1-pentanol diesel–sunflower oil blends. Energy conversion and management, 118: 320-330.
15. Jiaqiang, E., Zhao, X., Xie, L., Zhang, B., Chen, J., Zuo, Q., . . . Zhang, Z. (2019). Performance enhancement of microwave assisted regeneration in a wall-flow diesel particulate filter based on field synergy theory. Energy, 169: 719-729.
16. Kaplan, M., Aydin, S., Fidan, M.S. (2009). Geleceğin alternatif enerji kaynağı biyoetanolün önemi ve sorgum bitkisi. KSU Journal of Engineering Sciences, 12(1): 24-33.
17. Keskin, A., Yaşar, A., Reşitoğlu, İ., Akar, M. A., Sugözü, İ. (2013). The influence of diesel fuel-biodiesel-ethanol-butanol blends on the performance and emission characteristics of a diesel engine. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 35(19): 1873-1881.
18. Kumar, B.R., Saravanan, S. (2016). Use of higher alcohol biofuels in diesel engines: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60: 84-115.
19. Li, L., Wang, J., Wang, Z., Xiao, J. (2015). Combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with diesel/biodiesel/pentanol fuel blends. Fuel, 156: 211-218.
20. Lujaji, F., Kristóf, L., Bereczky, A., Mbarawa, M. (2011). Experimental investigation of fuel properties, engine performance, combustion and emissions of blends containing croton oil, butanol, and diesel on a CI engine. Fuel, 90(2): 505-510.
21. Manu, J. (2014). Experimental investigations on the utilization of waste cooking oil based biodiesel & n-butanol in CI Engine. PhD Thesis. Thapar University, Patiala, India.
22. Nanthagopal, K., Ashok, B., Saravanan, B., Patel, D., Sudarshan, B., Ramasamy, R.A. (2018). An assessment on the effects of 1-pentanol and 1-butanol as additives with Calophyllum Inophyllum biodiesel. Energy conversion and management, 158: 70-80.
23. Narin, M. (2008). Dünyada ve Türkiye’de Enerji Tarım. 2. Ulusal İktisat Kongresi. 20-22 Şubat. İzmir. Türkiye.
24. Öğüt, H., Akınerdem, F., Pehlivan, E., Aydın, M., Oğuz, H. (2004). Türkiye’de Bazı Yağ Bitkilerinden Biyodizel Üretim Prosesleri Ve Dizel Motorlarda Kullanımının Tarım. Çevre, Gıda, Kimya Ve Teknolojik Boyutlarıyla Araştırılması: DPT Proje (2004/7).
25. Öğüt, H., Oğuz, H., Aydın, F. (2022). Experimental analysis of energy, performance and noise emissions for biodiesel fuel obtained from animal waste fat. Environmental Progress & Sustainable Energy, 41(5): e13847.
26. Örs, A. (2016). Biyodizel bütanol karışımlarının motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkisi. (Yüksek Lisans Tezi), Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük.
27. Özer, S. (2014). Alkollerin içten yanmalı motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılması. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 19(1): 97-114.
28. Rajasekar, V. (2016). Experimental investigations to study the effect of butanol and pentanol addition in a jatropha oil methyl ester fuelled compression ignition engine. Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences, 9(1): 665-668.
29. Rashed, M., Masjuki, H., Kalam, M., Alabdulkarem, A., Imdadul, H., Rashedul, H., . . . Habibullah, M. (2016). A comprehensive study on the improvement of oxidation stability and NO x emission levels by antioxidant addition to biodiesel blends in a light-duty diesel engine. RSC advances, 6(27): 22436-22446.
30. Reşitoğlu, İ. (2010). Atık yağlardan üretilmiş biyodizelin dizel motor performans ve emisyonuna etkisinin deneysel olarak araştırılması. (Yüksek Lisans Tezi) Mersin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin.
31. Şahin, S., Öğüt, H. (2018). Investigation of the effects of linseed oil biodiesel and diesel fuel blends on engine performance and exhaust emissions. International Journal of Automotive Engineering and Technologies, 7(4): 149-157.
32. Şahin, Z., Durgun, O., Aksu, O.N. (2015). Experimental investigation of n-butanol/diesel fuel blends and n-butanol fumigation–evaluation of engine performance, exhaust emissions, heat release and flammability analysis. Energy conversion and management, 103: 778-789.
33. Tillem, İ. (2005). Dizel motorları için alternatif yakıt olarak biyodizel üretimi ve kullanımı. (Yüksek Lisans Tezi), Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli.
34. Tüccar, G., Özgür, T., Aydın, K. (2014). Effect of diesel–microalgae biodiesel–butanol blends on performance and emissions of diesel engine. Fuel, 132: 47-52.
35. Yapmaz, A., Vargün, M., Yılmaz, İ.T. (2021). Effect of Alcohol Blends on Emissions in Common Rail Diesel Engine. International Symposium on Automotive Science and Technology. 8-10 September, Ankara, Turkey.
36. Yeşilyurt, M.K. (2020). Dizel yakıtına farklı ağır alkoller (1-Bütanol, 1-Pentanol ve 1-Hekzanol) ilave edilmesinin tek silindirli bir dizel motorunun performans, yanma ve egzoz emisyon karakteristiklerine etkileri. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, 12(2): 397-426.
37. Yeşilyurt, M.K., Eryilmaz, T., Arslan, M. (2018). A comparative analysis of the engine performance, exhaust emissions and combustion behaviors of a compression ignition engine fuelled with biodiesel/diesel/1-butanol (C4 alcohol) and biodiesel/diesel/n-pentanol (C5 alcohol) fuel blends. Energy, 165: 1332-1351.
38. Yılmaz, N., Atmanlı, A. (2016). Havacılıkta alternatif yakıt kullanılmasının incelenmesi. Sürdürülebilir Havacılık Araştırmaları Dergisi, 1(1): 3-10.
39. Yilmaz, N., Vigil, F.M., Benalil, K., Davis, S.M., Calva, A. (2014). Effect of biodiesel–butanol fuel blends on emissions and performance characteristics of a diesel engine. Fuel, 135: 46-50.
40. Yüksel, T., Temizer, İ., İbrahim, C., Ferhat, K. (2019). Benzinli bir motorda isıtılmış biyoetanolün ikincil yakıt olarak kullanımının incelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 31(1): 67-77.
41. Zhu, L., Xiao, Y., Cheung, C., Guan, C., Huang, Z. (2016). Combustion, gaseous and particulate emission of a diesel engine fueled with n-pentanol (C5 alcohol) blended with waste cooking oil biodiesel. Applied Thermal Engineering, 102: 73-79.