The Effect of Using Ethanol as Fuel on Performance and Emissions in Spark Ignition Engines

Öz

Research on alternative fuels has been the subject of constant study to ensure that energy consumption increases day by day and harmful exhaust gas emissions are reduced. According to TÜİK data, the number of motor vehicles in our country reached 29791066 as of the end of May 2024. Again, the energy sector ranked first with the largest share in greenhouse gas emissions, with 71.8% according to 2022 data (TUIK 2024). Therefore, it has become inevitable to work on alternative fuels in internal combustion engines. It has been observed that ethanol is a suitable alternative fuel for internal combustion engines and that it is more suitable for use in spark ignition engines due to its physical and chemical properties. In internal combustion engines, combustion is an important factor in terms of performance and emissions. It has been observed that when ethanol is mixed with gasoline, combustion improves and clean combustion occurs, thus creating positive effects on engine performance and emissions. In this research, the use of ethanol (C2H5OH) as an alternative fuel in spark ignition (Otto cycle) engines was investigated. Its effect on engine performance and emissions has been studied. The results of using ethanol in spark ignition engines were examined according to fuel properties. It has been observed that the use of ethanol in spark ignition engines reduces emission values and increases engine performance. The development of production technologies continues in geographical regions where the plant raw materials used for ethanol production are suitable for cultivation. Since its use is possible in most parts of the world, countries are still continuing their research on this alternative fuel.

Anahtar Kelimeler

• Ethanol
• emission
• spark ignition engine

Buji Ateşlemeli Motorlarda Yakıt Olarak Etanol Kullanımının Performans ve Emisyonlar Üzerindeki Etkisi

Öz

Alternatif yakıtlar üzerine yapılan araştırmalar, enerji tüketiminin her geçen gün artması ve zararlı egzoz gazı emisyonlarının azaltılmasını sağlamak için sürekli çalışma konusu olmuştur. Ülkemizde motorlu kara taşıt sayısı TÜİK verilerine göre 2024 yılı mayıs ayı sonu itibariyle 29791066’ya ulaşmıştır. Yine sera gazı emisyonlarında en büyük payı 2022 yılı verilerine göre %71,8 ile enerji sektörü ilk sırada yer almıştır (TÜİK 2024). Bu yüzden içten yanmalı motorlarda alternatif yakıtlar üzerine çalışmak kaçınılmaz olmuştur. Etanolün içten yanmalı motorlar için uygun bir alternatif yakıt olduğu ve fiziksel ile kimyasal özelliklerinden dolayı buji ile ateşlemeli motorlarda kullanımının daha uygun olduğu görülmüştür. İçten yanmalı motorlarda yanma olayı performans ve emisyon açısından önemli bir faktördür. Etanolün benzinle karıştırıldığında yanmanın iyileştiği ve temiz yanma oluştuğundan dolayı motor performansı ve emisyonlar üzerinde olumlu etkiler yarattığı görülmüştür. Bu araştırmada etanolün (C2H5OH) buji ile ateşlemeli (Otto çevrimli) motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılması araştırılmıştır. Motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Etanolün buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılmasının yakıt özelliklerine göre sonuçları irdelenmiştir. Buji ile ateşlemeli motorlarda etanol kullanımının emisyon değerlerinde azalma ve motor performansında ise artış sağladığı görülmüştür. Etanol üretimi için kullanılan bitkisel ham maddelerin yetişme alanı uygun olan coğrafi bölgelerde üretim teknolojilerinin gelişmesi devam etmektedir. Dünyanın çoğu yerinde kullanımı mümkün olduğundan, ülkeler bu alternatif yakıt üzerinde araştırmalarına halen devam etmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Etanol
• emisyon
• buji ateşlemeli motor

Kaynakça

1. Altun Ş, Adin MŞ, İlçin K (2023). Monohydric aliphatic alcohols as liquid fuels for using in internal combustion engines: A review. Journal of Process Mechanical Engineering, 238(4): 1941-1975.
2. Balat M, Balat H, Öz C (2008). Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34(5):551–573.
3. Baliç F (2007). Dizel motorunda etil alkol fumigasyonunun motor performansına etkisinin deneysel olarak incelenmesi. Yüksek lisans, Sakarya üniversitesi.
4. Bayraktar H (2005). Experimental and theoretical investigation of using gasoline ethanol blends in spark ignition engines. Renewable Energy, 30(11):1733–1747.
5. Cavalcanti EJC, Da Silva DRS, Carvalho M (2022). Life cycle and exergoenvironmental analyses of ethanol: performance of a flex-fuel spark-ignition engine at wide-open throttle conditions, 2022(15):1422.
6. Çelik MB, Çolak A (2008). Buji ateşlemeli bir motorda alternatif yakıt olarak saf etanolun kullanılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(3): 619–626.
7. Chansauria P, Mandloi RK (2018). Effects of ethanol blends on performance of spark ignition engine a review. Materials Today: Proceedings, 5(2):4066–4077.
8. Cooney CP, Yeliana, Worm JJ, Naber JD (2009). Combustion characterization in an internal combustion engine with ethanol gasoline blended fuels varying compression ratios and ignition timing. Energy&Fuels, 23(5):2319-2324.

9. Çöpür Y, Tozluoğlu A, Özyürek Ö (2006). Selülozik biyoetanol üretim teknolojisi. Ormancılık Dergisi, 10-37.
10. Dhande DY, Choudhari CS, Gaikwad DP, Dahe KB (2023). Development of artificial neural network to predict the performance of spark ignition engine fuelled with waste pomegranate ethanol blends. Informatıon Processıng In Agrıculture, 2023(10):459-474.
11. Dehande DY, Sinaga N, Dahe KB (2021). Study on combustion, performance and exhaust emissions ofbioethanol-gasoline blended spark ignition engine. Heliyon, 2021 (7).
12. Demirci A, Doğan H E, Cihan Ö, Kutlar OA, Mediyev R, Arslan H (2017). Yeni bir yanma odasına sahip benzin motorunda farklı sıkıştırma oranlarının ve ateşleme avanslarının performans ve emisyonlara etkisi. SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 21(5):1-1.
13. Doğan B, Erol D, Yaman H, Kodanli E (2017). The effect of ethanol-gasoline blends on performance and exhaust emissions of a spark ignition engine through exergy analysis. Applied Thermal Engineering, 120: 433-443.
14. Duzcan B (2017). Etanol dizel yakıt karışımlarının kısmi homojen dolgulu bir dizel motorun performansına etkisi. Yüksek lisans, Sakarya üniversitesi.
15. Estrada WG, Cambronel DM, Silvera AB, Quiroga AG, Forero JD (2021). Combustion and performance evaluation of a spark ignition engine operating with acetone–butanol–ethanol and hydroxy. Applied Sciences, 11.
16. Greenwood JB, Erickson PA, Hwang J, Jordan EA (2014). Experimental results of hydrogen enrichment of ethanol in an ultra lean internal combustion engine. International Journal of Hydrogen Energy, 39(24):12980-12990.
17. Gürsel O (2017). Metanol benzin, etanol benzin ve metanol etanol benzin karışımlarının buji ile ateşlemeli bir motorun performans ve egzoz emisyonlarına etkilerinin incelenmesi. Yüksek lisans, Ondokuz Mayıs Üniversitesi.
18. Hoang TD, Nghiem N (2021). Recent developments and current status of commercial production of fuel ethanol. Fermentation, 7(4).
19. İlçin K (2020). İzopropanol bütanol etanol (Ibe)’ün dizel ve biyodizel yakıtları ile karışımlarının bir dizel motorunda yanma ve emisyon karakteristiklerine etkisi. Yüksek lisans, Batman üniversitesi.
20. İmrağ H (2006). Benzinli motorlarda biyoetanol kullanımının motor karakteristik değerlerine ve egzoz emisyonlarına etkilerinin araştırılması. Yüksek lisans, Balıkesir üniversitesi.
21. Iodice P, Cardone M (2021). Ethanol gasoline blends as alternative fuel in last generation spark ignition engines a review on co and hc engine out emissions. Energies, 14(13).
22. Iodice P, Amoresano A, Langella G (2021). A review on the effects of ethanol/gasoline fuel blends on NOx emissions in spark-ignition engines. Biofuel Research Journal, 32(2021): 1465-1480.
23. Kantaroğlu E (2024). Influence of different reynolds numbers and new geometries on water jacket cooling performance in a CI engine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2024.
24. Kantaroğlu E, Doğan A (2024). Ticari buji ateşlemeli bir motorda JP8 askeri jet yakıtı ve amorf elementel bor yakıtlarının kullanımının NOx emisyonlarına etkisinin deneysel incelenmesi, 7(1): 45-57.
25. Keskin A, Reşitoğlu Aİ (2009). Butanol, etanol ve benzin karışımlarının buji ile ateşlemeli motorlarda özgül yakıt tüketimi ve emisyona olan etkisi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24(1).
26. Khoa NX, Lim O (2022). Influence of combustion duration on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine fueled with pure methanol and ethanol. ACS Omega, 7(17): 14505-14515.
27. Kumbhar SV, Khot SA (2023). Experimental investigations of ethanol-gasoline blends on the performance, combustion, and emission characteristics of spark ignition engine spark ignition (SI) engine with partial addition of n-pentane. Materials Today: Proceedings, 77: 647-653.
28. Kunwer R, Pasupuleti SR, Bhurat SS, Gugulothu SK, Singh D (2022). Effect of ethanol gasoline blend on spark ignition engine: a mini review. Materials Today: Proceedings, 69: 564-568.
29. Lee CS, Huu TP, Anh TL, Minh TP, The LN, Duy TN, Duc KN (2022). Experimental study on the effects of ethanol blends on the combustion process, power performance and emission reduction of a motorcycle spark-ignition engine. International Journal of Ambient Energy, 43(1): 7150-7160.
30. Meral R, Saydan Kanberoğlu G (2012). Tahıllardan etanol üretimi. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2(3): 61-68.
31. Mofijur M, Rasul MG, Hyde J (2015). Recent developments on internal combustion engine performance and emissions fuelled with biodiesel diesel ethanol blends. Procedia Engineering, 105(Icte 2014):658-664.
32. Morsy MH (2015). Assessment of a direct injection diesel engine fumigated with ethanol water mixtures. Energy Conversion and Management, 94:406-414.
33. Öğüt H, Kuş R (1999). Motorlut taşıtlarda alternatif yakıt kullanımı. II. Ulaşım ve Trafik Kongresi. Konya,Türkiye.
34. Örs İ, Tarakçioğlu N, Ciniviz M (2009). Yakıt olarak benzin etanol karışımlarının taşıt performansı ve egzoz emisyonlarına etkisi. Politeknik Dergisi, 12(1):13-19.
35. Özer S (2014). Alkollerin içten yanmalı motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılması. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 19(1):97-114.
36. Pang X, Mu Y, Yuan J, He H (2008). Carbonyls emission from ethanol blended gasoline and biodiesel ethanol diesel used in engines. Atmospheric Environment, 42(6):1349-1358.
37. Poulopoulo SG, Samaras DP, Philippopoulos CJ (2001). Regulated and unregulated emissions from an internal combustion engine operating on ethanol containing fuels. Atmospheric Environment, 35(26):4399-4406.
38. Sari RL, Golke D, Enzweiler HJ, Salau NPG, Pereira FM, Martins MES (2018). Exploring optimal operating conditions for wet ethanol use in spark ignition engines. Applied Thermal Engineering, 138(April):523-533.
39. Sarıdemir S, Erkayalı B (2016). Etanol benzin karışımlarının motor performansı ve egzoz emisyonlarına olan etkisinin incelenmesi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 5(1):71-79.
40. Sayın C, Şenbahçe A, Temür M (2014). Alkol yakıtların buji ateşlemeli motorlarda kullanımının performans ve emisyonlara etkisinin İncelenmesi. Marmara University Journal of Science, 26(1):21.
41. Sikora M, Orliński P (2024). Hydrotreated vegetable oil fuel within the fit for 55 package. Combustion Engines, 197(2): 3-8.
42. Su Y, Zhang Y, Xie F, Duan J, Li X, Liu Y (2022). Influence of ethanol blending ratios on in-cylinder soot processes and particulate matter emissions in an optical direct injection spark ignition engine. Fuel, 2022(308).
43. Suresh D, Porpatham E (2023). Influence of high compression ratio and hydrogen addition on the performance and emissions of a lean burn spark ignition engine fueled by ethanol-gasoline. International Journal Of Hydrogen Energy, 2023(48): 14433-14448.
44. Suresh D, Porpatham E (2024). Influence of high compression ratio on the performance of ethanol-gasoline fuelled lean burn spark ignition engine at part throttle condition. Case Studies in Thermal Engineering, 2024(53).
45. Şimşek S, Özdalyan B, Öztürk E, Şimşek H (2018). Alternatif yakıt olarak araçlarda biyoetanolün kullanılması. 14th International Combustion Sysmposium (INCOS2018). Karabük,Türkiye.
46. Stępień Z (2024). Analysis of the prospects for hydrogen-fuelled internal combustion engines. Combustion Engines, 197(2): 32-41.
47. Tang Q, Ren K, Xie X, Chen T, Jiang P, Zhang D (2023). The effect of acetone-butanol-ethanol and gasoline blends on the knocking performance of spark-ignition engine. Thermal Science and Engineering Progress, 2023(46).
48. Temizer İ (2020). The combustion analysıs and wear effect of biodiesel fuel used in a diesel engine. Fuel, 270.
49. Tüik İstatistik Kurumu (2024). https://data.tuik.gov.tr.
50. Türköz N (2012). Etanol-Benzin karışımlarının motor performansı ve emisyonlarına etkisi. Yüksek lisans, Uludağ üniversitesi.
51. Uddeen K, Tang Q, Shi H, Turner J (2024). Performance and emission analysis of ammonia-ethanol and ammonia-methane dual-fuel combustion in a spark-ignition engine: an optical study. Fuel, 2024(358).
52. Vargün M, Hürpekli M, Özzsezen AN (2020). Etanol dizel yakıt karışımları kullanılan bir motorda yakıt püskürtme zamanının yanma üzerine etkisi. Mühendislikte Yakıtlar, Yangın ve Yanma Dergisi, 8(8): 47-55.
53. Wang X, Gao J, Chen Z, Chen H, Zhao Y, Huang Y, Chen Z (2022). Evaluation of hydrous ethanol as a fuel for internal combustion engines a review. Renewable Energy, 194: 504-525.
54. Wu B, Wang YW, Dai YH, Song C, Zhu QL, Qin H, Tan FR, Chen HC, Dai LC, Hu GQ, He MX (2021). Current status and future prospective of bio ethanol industry in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 145.
55. Yüksel T, Temizer İ, Can İ, Koca F (2019). Benzinli bir motorda ısıtılmış biyoetanolün ikincil yakıt olarak kullanımının incelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 31(1): 67-77.
56. Zapata MJ, Restrepo A, Romero C, Quintero H (2020). Exergy analysis of a diesel engine converted to spark ignition operating with diesel, ethanol and gasoline ethanol blends. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 42.
57. Zhang J, Sun P, Yu X, Li D (2024). The effects of hydrogen peroxide-ethanol blend/gasoline on the combustion and emission performance of a combined injection spark ignition engine. Journal of Cleaner Production, 2024(450).