Effect of Diesel-Biodiesel-Methanol Blends on Performance and Combustion Characteristics of Diesel Engine

Abstract

Due to the increase in fossil fuel prices, limited reserves and environmental damage, researchers turned to renewable energy sources. Studies have been conducted on the use of biodiesel to reduce the use of fossil fuels used in vehicles. In this study, biodiesel obtained from cottonseed oil by transesterification method was used as fuel. Cotton oil methyl ester and methanol, different proportions of fuels (diesel fuel (DF), 20% biodiesel (BD20) by volume, 20% methanol (AL20) and derivatives (BD20AL20) were obtained. The effects of DF and other fuels on the combustion and performance characteristics were discussed. The tests were conducted on a single-cylinder diesel engine at the varying engine speeds from 1750 to 3250 rpm with the intervals of 500 rpm. In comparison with that of conventional DF, the BSFC value of BD20, BD20AL20, and AL20 test fuels has exhibited a significant increment with 10.4%, 39%, and 24%, respectively. DF has the highest value with 28.93% BTE. The reason of the high BTE for DF is the heating value, and high-energy content thereof. In comparison with that of DF, the BTE value of BD20, BD20AL20, and AL20 test fuels has exhibited a significant decrease with 6.8%, 16.74% and 9.5%, respectively. Maximum in-cylinder pressure and maximum heat release rate values are observed for the test fuels containing biofuels due to their low cetane number as compared to that of DF.

Keywords

• Diesel engine
• Methanol
• Cottonseed oil methyl ester
• Performance
• Combustion
• Ternary blends

Dizel-Biyodizel-Metanol Karışımlarının Dizel Motorun Performans ve Yanma Özelliklerine Etkisi

Abstract

Fosil yakıt fiyatlarındaki artış, sınırlı rezervler ve çevresel hasar nedeniyle araştırmacılar yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneldiler. Taşıtlarda kullanılan fosil yakıtların kullanımını azaltmak için biyodizel kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada, transesterifikasyon yöntemi ile pamuk tohumu yağından elde edilen biyodizel yakıt olarak kullanılmıştır. Pamuk yağı metil ester ve metanol, farklı oranlarda yakıtlar (dizel yakıt (DF), hacimce %20 biyodizel (BD20), hacimce %20 metanol (AL20) ve türevlerinin üçlü tipi (BD20AL20) elde edildi. DF ve diğer yakıtların yanma ve performans özelliklerine etkileri tartışıldı. Testler, tek silindirli bir dizel motor üzerinde, 1750 ile 3250 rpm arasında değişen motor hızlarında, 500 rpm aralıklarla gerçekleştirildi. Geleneksel DF ile karşılaştırıldığında BD20, BD20AL20 ve AL20 test yakıtlarının BSFC değeri sırasıyla % 10,4,% 39 ve% 24 ile önemli bir artış göstermiştir. DF %28,93 BTE değeri ile en yüksek değere sahiptir. DF için yüksek BTE’nin nedeni, ısıtma değeri ve bunun yüksek enerji içeriğidir. DF ile karşılaştırıldığında BD20, BD20AL20 ve AL20 yakıtlarının BTE değeri sırasıyla %6,8, %16,74 ve %9,5 ile önemli bir düşüş göstermiştir. Biyoyakıt içeren test yakıtlarında, setan sayısının DF’ye göre düşük olması nedeniyle maksimum silindir içi basınç ve maksimum ısı salım hızı değerleri gözlenmektedir.

Keywords

• Dizel motor
• Metanol
• Pamuk yağı metil esteri
• Performans
• Yanma
• Üçlü karışımlar

References

1. [1] D. B. Hulwan and S. V. Joshi, “Performance, emission and combustion characteristic of a multicylinder DI diesel engine running on diesel-ethanol-biodiesel blends of high ethanol content,” Applied Energy, vol. 88, pp. 5042–5055, 2011.
2. [2] A. E. Gürel, G. Yıldız ve İ. Ceylan, “Havalı güneş kolektörlerinin hacim ısıtma uygulamalarında kullanımı,” 14. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi’nde sunuldu, İzmir, 2019.
3. [3] E. Buyukkaya, “Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics,” Fuel, vol. 89, pp. 3099–3105, 2010.
4. [4] N. Nabi, M. Rahman and S. Akhter, “Biodiesel from cotton seed oil and its effect on engine performance and exhaust emissions,” Applied Thermal Engineering, vol. 29, pp. 2265–2270, 2009.
5. [5] M. H. Mat Yasin, R. Mamat, A. F. Yusop, A. Aziz and G. Najafi, “Comparative study on biodiesel-methanol-diesel low proportion blends operating with a diesel engine,” Energy Procedia, vol. 75, pp. 10–16, 2015.
6. [6] Ü. Ağbulut, M. Karagöz, S. Sarıdemir and A. Öztürk, “Impact of various metal-oxide based nanoparticles and biodiesel blends on the combustion, performance, emission, vibration and noise characteristics of a CI engine,” Fuel, vol. 270, pp. 117521, 2020.
7. [7] Ü. Ağbulut, S. Sarıdemir and M. Karagöz, “Experimental investigation of fusel oil (isoamyl alcohol) and diesel blends in a CI engine,” Fuel, vol. 267, pp. 117042, 2020.
8. [8] E. Rajasekar and S. Selvi, “Review of combustion characteristics of CI engines fueled with biodiesel,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 35, pp. 390–399, 2014.

9. [9] N. Usta, E. Ozturk, O. Can, E. S. Conkur, S. Nas, A. H. Con, A. C. Can and M. Topcu, “Combustion of biodiesel fuel produced from hazelnut soapstock/waste sunflower oil mixture in a Diesel engine,” Energy Conversion and Management, vol. 46, pp. 741–755, 2005.
10. [10] N. Yilmaz, “Comparative analysis of biodiesel-ethanol-diesel and biodiesel-methanol-diesel blends in a diesel engine,” Energy, vol. 40, pp. 210–213, 2012.
11. [11] I. M. Rizwanul Fattah, H. H. Masjuki, M. A. Kalam, M. Mofijur and M. J. Abedin, “Effect of antioxidant on the performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with palm biodiesel blends,” Energy Conversion and Management, vol. 79, pp. 265–272, 2014.
12. [12] N. Yilmaz, F. M. Vigil, K. Benalil, S. M. Davis and A. Calva, “Effect of biodiesel–butanol fuel blends on emissions and performance characteristics of a diesel engine,” Fuel, vol. 135, pp. 46–50, 2014.
13. [13] H. Liu, C. F. Lee, M. Huo and M. Yao, “Comparison of ethanol and butanol as additives in soybean biodiesel using a constant volume combustion chamber,” Energy & Fuels, vol. 25, no. 4, pp. 1837–1846, 2011.
14. [14] Ö. Can, İ. Çelikten and N. Usta, “Effects of ethanol addition on performance and emissions of a turbocharged indirect injection Diesel engine running at different injection pressures,” Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 15–16, pp. 2429–2440, 2004.
15. [15] O. Özener, L. Yüksek, A. T. Ergenç and M. Özkan, “Effects of soybean biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics,” Fuel, vol. 115, pp. 875–883, 2014.
16. [16] I. M. Yusri, R. Mamat, M. K. Akasyah, M. F. Jamlos and A. F. Yusop, “Evaluation of engine combustion and exhaust emissions characteristics using diesel/butanol blended fuel,” Applied Thermal Engineering, vol. 156, pp. 209–219, 2019.
17. [17] A. Keskin, “Pamuk yağı biyodizeli-eurodizel karışımlarının tam yükte yanma, performans ve emisyonlara etkisinin deneysel olarak incelenmesi,” Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 17, ss. 797–809, 2017.
18. [18] M. G. Öztürk ve K. Bilen, “Kanola yağı metil esteri ve karışımlarının dizel motoru egzoz emisyonuna ve yakıt tüketimine etkisinin deneysel incelenmesi,” International Journal Engineering Research & Development, c. 1, s. 1, ss. 50–55, 2009.
19. [19] D. H. Qi, H. Chen, L. M. Geng and Y. Z. Bian, “Effect of diethyl ether and ethanol additives on the combustion and emission characteristics of biodiesel-diesel blended fuel engine,” Renewable Energy, vol. 36, pp. 1252–1258, 2011.
20. [20] H. Kim and B. Choi, “The effect of biodiesel and bioethanol blended diesel fuel on nanoparticles and exhaust emissions from CRDI diesel engine,” Renewable Energy, vol. 35, pp. 157–163, 2010.
21. [21] G. Labeckas, S. Slavinskas and M. Mazeika, “The effect of ethanol–diesel–biodiesel blends on combustion, performance and emissions of a direct injection diesel engine,” Energy Conversion and Management, vol. 79, pp. 698–720, 2014.
22. [22] D. Şimşek ve N. Y. Çolak, “Biyodizel/Propanol yakıt karışımlarının dizel motor emisyonlarına etkisinin incelenmesi,” El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, c. 6, s. 1, ss. 166–174, 2019.
23. [23] S. Sarıdemir, A. E. Gürel, Ü. Ağbulut and F. Bakan, “Investigating the role of fuel injection pressure change on performance characteristics of a DI-CI engine fuelled with methyl ester,” Fuel, vol. 271, pp. 117634, 2020.
24. [24] Ü. Ağbulut, S. Sarıdemir and S. Albayrak, “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, vol. 41, no. 9, pp. 389, 2019.
25. [25] Ü. Ağbulut, M. Ayyıldız and S. Sarıdemir, “Prediction of performance, combustion and emission characteristics for a CI engine at varying injection pressures,” Energy, vol. 197, pp. 117257, 2020.
26. [26] S. Sarıdemir and Ü. Ağbulut, “Combustion, performance, vibration and noise characteristics of cottonseed methyl ester–diesel blends fuelled engine,” Biofuels, pp. 1–10, 2019.
27. [27] Ü. Ağbulut, A. E. Gürel, and S. Sarıdemir, “Experimental investigation and prediction of performance and emission responses of a CI engine fueled with different metal-oxide based nanoparticles–diesel blends using different machine learning algorithms” Energy, vol. 215, pp. 119076, 2021.