پیش‌ بینی و مقایسه تأثیر افزودن نرمال ‌بوتانول و اتانول به مخلوط سوخت زیست‌ دیزل- دیزل بر ویژگی‌‌ های عملکردی و آلایندگی موتوری دیزلی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

چکیده

هدف از این پژوهش پیش‏بینی و مقایسه تأثیر افزودن نرمال‏بوتانول (ن.ب) و اتانول به مخلوط زیست‏دیزل-دیزل بر ویژگی‏‏های عملکردی و آلایندگی یک موتور دیزل است. آزمایش­های تجربی بر روی موتوری تک استوانه‏ انجام شد. سپس روش سطح پاسخ برای توسعه الگو­های ریاضی بر مبنای داده‏های تجربی به کار برده شد. مطابق با نتایج، با افزودن بوتانول و اتانول به مخلوط سوخت، مقادیر توان و گشتاور ترمزی تا 16% کاهش می‏یابد، هر چند با افزایش بیشتر سهم زیست‏دیزل همراه با افزودن اتانول و بوتانول به مخلوط سوخت، توان و گشتاور ترمزی موتور کمی بهتر می‏شود. همچنین نتایج نشان داد که با افزودن الکل به مخلوط سوخت مقدار مصرف سوخت ویژه ترمزی (BSFC)، 5 تا 9 درصد افزایش می‏یابد. از طرف دیگر افزودن اتانول و بوتانول در نسبت­های بزرگتر زیست‏دیزل در مخلوط سوخت سبب بهبود اندک BFSC بویژه در دورهای تندتر می‏شود. با مقایسه نتایج مشاهده شد که مقادیر BSFC در حالت استفاده از ن.ب. کمتر از اتانول است. با توجه به نتایج به طور کلی با افزودن اتانول و ن.ب. مقادیر مونوکسیدکربن به مقدار 7 تا 12 افزایش می‏یابد؛ هر چند در سرعت‏های تندتر موتور انتشار آلاینده مونوکسید کربن اندکی بهبود می‏یابد. همچنین نتایج نشان داد که مخلوط­های حاوی اتانول در قیاس با مخلوط­های حاوی ن.ب. سبب انتشار بیشتر منوکسیدکربن می‏شود. مطابق با نتایج بدست آمده با افزودن اتانول و ن.ب. به مخلوط سوخت دیزل-زیست‏دیزل انتشار آلاینده اکسیدهای ازت نسبت به مخلوط دیزل-زیست‏دیزل بطور متوسط 11 درصد کاهش می‏یابد؛ هر چند افزودن اتانول به مخلوط سوخت نسبت به ن.ب.، سبب انتشار بیشتر اکسیدهای ازت به خصوص در دورهای تُند موتور می‏شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Prediction and Comparison of the Effect of N-butanol and Ethanol Addition to the Biodiesel-diesel Fuel Mixture on the Performance and Emissions Characteristics of a Diesel Engine

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Ataripour
  • Alireza Shirneshan
چکیده [English]

The main objective of this research is to study the effects of n-butanol and ethanol addition to the biodiesel-diesel fuel mixture on the performance and emission characteristics of a CI engine. The experimental tests were performed on a diesel engine. The RSM (Response Surface Methodology) method was used to develop mathematical models based on experimental data. According to the results, the addition of butanol and ethanol to the fuel mixture generally reduces the brake power and torque up to 16%. However, with a further increase in biodiesel percentage with the addition of ethanol and butanol to the fuel mixture, the power and torque were improved slightly. Also, the addition of alcohols to the fuel mixture increases the BSFC by 5 to 9%. On the other hand, the addition of ethanol and n-butanol along with increasing the percentage of biodiesel in the fuel mixture could improve the BSFC, especially at higher RPMs. Comparing fuel mixtures containing ethanol and n-butanol, it was observed that the BSFC values in the case of using normal butanol are less than ethanol. According to the results, with the addition of ethanol and n-butanol, the carbon monoxide emission increases by 7 to 12%. However, it was improved in higher RPMs. The results also showed that ethanol-containing mixtures emitted more CO than that n-butanol-containing mixtures. According to the results by the addition of ethanol and n-butanol to the diesel-biodiesel fuel blends, the emission of nitrogen oxides is reduced by an average of 11% compared to the diesel-biodiesel mixture. However, the addition of ethanol to the fuel blends produces more NOx than that of n-butanol, especially at high engine speeds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ethanol
  • N-butanol
  • Performance
  • Emission
  • RSM
[1]  K.  Muralidharan,  D.  Vasudevan,  K.  N.  Sheeba, Performance,  emission  and  combustioncharacteristics  of  biodiesel  fueled  variable compression ratio engine, Energy, Vol. 36, No. 8, pp. 5385-5393.
[2]  X.J.  Man, C.S. Cheung, Z. Ning, Influence of engine load  and  speed  on  regulated  and  unregulated emissions  of  a  diesel  engine  fueled  with  diesel  fuel blended  with  waste  cooking  oil  biodiesel.  Fuel,  Vol. 180, pp. 41-49, 2016
[3]  H.   Kuszewski,  Experimental  investigation  of  the effect of ambient gas temperature on the autoignition properties  of  ethanol–diesel  fuel  blends,  Fuel,  Vol. 214, pp. 26–38, 2018
[4]  P. Patakova, B.  Branska,  Z.  Lin,  P.  Wu,  H.  Liu,  M. Drahokoupil, Y. Zhou, L. Paulova, J. Zhang, K. Melzoch, Microbial  production  of  butanol  from  food  industry waste,  Food  Industry  Wastes  (Second  Edition), Chapter 8, pp.163-180, 2020
[5] Z. Chen, J. Liu, Z. Han, B. Du, Y. Liu, C. Lee, Study on performance and emissions of a passenger-car diesel engine  fueled  with  butanol-diesel  blends,  Energy, Vol.55, pp. 638-646, 2013
[6]  G. Labeckas, S. Slavinskas, 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. 87, pp. 698–720, 2014
[7]  N.  Yilmaz,  F.  M.  Vigil,  K.  Benalil,  S.  M.  Davis,  A. Calva,  Effect  of  biodiesel–butanol  fuel  blends  on emissions and performance characteristics of a diesel engine, Fuel, Vol.135, pp. 46–50, 2014
[8]  Z.  Zheng, L. Yue,  H. Liu,  Y. Zhu,  X.Zhong,  M.  Yao. Effect  of  two-stage  injection  on  combustion  and emissions under high EGR rate on a diesel engine by fueling  blends  of  diesel/gasoline,  diesel/n-butanol, diesel/gasoline/n-butanol  and  pure  diesel,  Energy Conversion and Management, Vol.90, pp.1-11, 2015
[9]  A.  Murcak,  C.  Hasimoglu,  I.  Cevik,  H.  Kahraman, Effect  of  injection  timing  to  performance  of a  diesel engine fuelled with different diesel–ethanol mixtures, Fuel, Vol.153, pp. 569–577, 2015
[10]  M. Zerrakki Isik, H. Bayındır, B. Iscan, H. Aydın, The  effect  of  n-butanol  additive  on  low  load combustion, performance and emissions of biodieseldiesel blend in a heavy duty diesel power generator Journal of the Energy Institute, Vol.90, No. 2, pp. 174-184, 2017
[11] Z. Zheng, X. Wang, X. Zhong, B. Hu, H. Liu, M.Yao, Experimental study on the combustion and emissions fueling  biodiesel/n-butanol,  biodiesel/ethanol  and biodiesel/2,5-dimethylfuran  on  a  diesel  engine, Energy, Vol. 115, pp. 539-549, 2016
[12] A. Atmanlı, B. Yüksel, E. İleri, A. Deniz Karaoglan, 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, Vol. 90, pp. 383-394, 2015
[13] W .   Tutak, A. Jamrozik, M. Pyrc, M. Sobiepański, A comparative  study  of  co-combustion  process  of diesel-ethanol  and  biodiesel-ethanol  blends  in  the direct  injection  diesel  engine,  Applied  Thermal Engineering, Vol. 117, pp. 155-163, 2017
[14]  A.Ibrahim,  Performance  and  combustion characteristics of a diesel engine fuelled by butanol–biodiesel–diesel  blends,  Applied  Thermal Engineering, Vol. 103, pp. 651-659, 2016
[15]  A.Jamrozik,  The effect of the alcohol content in the fuel mixture on the performance and emissions of a  direct  injection  diesel  engine  fueled  with  dieselmethanol  and  diesel-ethanol  blends,  Energy Conversion and Management, Vol. 148, pp. 461-476, 2017 
[16]  A.  Nayyar,  D.  Sharma,  S.  Lal  Soni,  A.  Mathura, Characterization of n-butanol diesel blends  on a small size  variable  compression  ratio  diesel  engine: Modeling  and  experimental  investigation,  Energy Conversion and Management, Vol. 150, pp. 242-258, 2017
[17]  A. R. Shirneshan, M. Almassi, B. Ghobadian, G. H Najafi,  Investigating  the  effects  of  biodiesel  from waste cooking oil and engine operating conditions on the  diesel  engine  performance  by  response  surface methodology,  Iranian  Journal  of  Science  and Technology  -  Transactions  of  Mechanical Engineering, Vol. 38, pp. 289-301, 2014
[18]  A.  Shirneshan,  B.  Hosseinzadeh  Smani,  B. Ghobadian,  Optimization  of  biodiesel  percentage  in fuel  mixture  and  engine  operating  conditions  for diesel  engine  performance  and  emission characteristics  by  Artificial  Bees  Colony  Algorithm, Vol. 184, pp. 518-526, 2016
[19]  E.  G.  Giakoumis,  C.  D.  Rakopoulos,  A.  M. Dimaratos, D. C. Rakopoulos, Exhaust emissions withethanol  or  n-butanol  diesel  fuel  blends  during transient  operation:  A  review,  Renewable  and Sustainable  Energy  Reviews,  Vol.  17,  pp.  170–190, 2013
[20]  O.  Armas,  R.  García-Contreras,  Á.  Ramos, Pollutant emissions from engine starting with ethanol and  butanol  diesel  blends,  Fuel  Processing Technology, Vol. 100, pp. 63-72, 2012 
[21]  L. Wei, C.S. Cheung, Z. Ning, Effects of biodieselethanol  and  biodiesel-butanol  blends  on  the combustion,  performance  and  emissions  of  a  diesel engine, Energy, Vol.155, pp. 957-970, 2018
[22]  Effects  of  ethanol–diesel  fuel  blends  on  the performance and exhaust emissions of heavy duty DI diesel engine, Vol. 49, pp. 3155–3162, 2008
[23]  D.  C.  Rakopoulos,  C.  D.  Rakopoulos,  E.  G. Giakoumis,  R.  G.  Papagiannakis,  D.  C.  Kyritsis, Influence of properties of various common bio-fuels on  the  combustion  and  emission  characteristics  of high-speed  DI  (direct  injection)  diesel  engine: Vegetable  oil,  bio-diesel,  ethanol,  n-butanol,  diethyl ether, Energy, Vol. 73, pp. 354-366, 2014
[24] P. Yang, Y. Lin, K. C. Lin, S. Jhang, S. Chen, C. Wang, Y. Lin, Comparison of carbonyl compound emissions from a diesel engine generator fueled with blends of n-butanol,  biodiesel  and  diesel,  Energy,  Vol.  90,  pp. 266-273, 2015
[25]  S.  Dong,  X.  Cheng,  B.  Ou,  T.  Liu,  Z.  Wang, Experimental  and  numerical  investigations  on  the cyclic  variability  of  an  ethanol/diesel  dual-fuel engine, Fuel, Vol.186, pp. 665-673, 2016
[26]  W.W.,  Pulkrabek,  Engineering  fundamentals  of the  internal  combustion  engine,  Prentice  Hall,  New Jersey, United States, 1997
[27]  R.Mohsin,  Z.A.Majid,  A.H.Shihnan,  N.S.Nasri, Z.Sharer,  Effect  of  biodiesel  blends  on  engine performance and exhaust emission for diesel dual fuel engine, Energy Conversion and Management, Vol. 88, pp. 821-828, 2014
[28]  Z. Utlu, M. S. Kocak, The effect of biodiesel fuel obtained  from  waste  frying  oil  on  direct  injection diesel  engine  performance  and  exhaust  emissions. Renewable Energy, Vol. 33, pp.1936–1941, 2008
[29] J. Xiao, M. Jia, Y. Chang, Y. Li, Z. Xu, G. Xu, H. Liu, T. Wang,  Numerical  optimization  and  comparative study  of  n-butanol  concentration  stratification combustion  and  n-butanol/diesel  reactivity stratification combustion  for  advanced compression ignition (CI) engine, Fuel, Vol. 103, pp. 83-97, 2018