INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF NANOPARTICLE ADDITION IN DIESEL ENGINE RUNNING WITH BIODIESEL/DIESEL FUEL BLENDS

Abstract

ABSTRACT

Biodiesel has been recognized as a potential alternative fuel for the coming years. However, fossil fuels can be substituted by algae biodiesel to reduce emissions and solve its depletion. Hence, biodiesel and diesel are mixed to improve its properties. Critical literature shows that the nano iron oxides improved the biodiesel and diesel blends. This study aims to study experimentally the effect of algae biodiesel adding to pure diesel on emissions and performance. As well as mixing the produced biodiesel fuel with (Fe3O4) nano particles and their effect on the emission and performance properties of diesel engines with different loads and variable compression ratios. This investigation was achieved by a single cylinder, water-cooled, four-stroke, variable compression ratio, 3.7 kW at 1500 rpm direct-injection. To be used in diesel engine experiments, test fuels obtained by mixing algae methyl ester (AME) biodiesel produced from microalgae called spirulina and conventional diesel in various combinations were prepared. These fuels are called B0, B10, B20 and B30, where B10 stands for 90% diesel and 10% biodiesel. In all experiments in this study, the emission and performance characteristics of B10, B20 and B30 mixtures were compared with pure diesel at different loads (0%, 25%, 50%, 75 and full load) and compression ratios (145:1, 15.5:1, 16.5:1). The experimental results showed a reduction in the (BTE) of the with a marginal increase at B10 at (0.25 and 0.50) loads, increase in (BSFC), the greater the proportion of biodiesel from algae increase BSFC, the volumetric efficiency decreases in all biodiesel ratios. But it was noted that B10 is better than the rest of the other mixing ratios. By adding biofuels and compared with pure diesel noticed marginal decrease in carbon monoxide and carbon dioxide by (2.5% to 4%) at a compression ratio of (14.5:1 and 15.5:1) and CO2 decreased 10% at a compression ratio of 16.5:1. As well as a marginal increase in unburned hydrocarbons, and a reasonable reduction in nitrogen oxides. The second type of fuel used in the experiments is prepared from pure diesel, 20% biodiesel and iron oxide (Fe3O4) nanoparticles (diesel + best algae biodiesel blend + nanoparticles). The mixing ratios are (80%) neat diesel and (20%) biodiesel mixed with three doses of nanoparticles (25, 50 and 75 ppm) by an electric mixer and an ultra-sonic device. The resulting blending fuel is (DB20N25, DB20N50, DB20N75). Again, the results compared with diesel and B20 for engine performance and emissions.

The results gave an increase in BTE and reduced BSFC. The DB20N75 fuel showed the best BSFC reduction ratio at full load. The volumetric efficiency is marginally improved, the exhaust temperature increases. CO decreases significantly with the increase of nano dose, reducing (CO2) due to the availability of oxygen that is liberated from nanoparticles, decreasing HC.

ÖZET

Biyodizel, önümüzdeki yıllarda potansiyel ve alternatif bir yakıt olarak kabul edilmiştir. Bununla birlikte, emisyonları azaltmak ve tükenmesini çözmek için fosil yakıtlar alg biyodizel ile ikame edilebilir. Bu nedenle, özelliklerini geliştirmek için biyodizel ve dizel karıştırılır. Kritik literatürler, nano demir oksitlerin biyodizel ve dizel karışımlarını iyileştirdiğini göstermektedir. Bu çalışma, zarif dizele eklenen alg biyodizelinin performans ve emisyonlar üzerindeki etkisini deneysel olarak incelemeyi amaçlamaktadır. Üretilen biyodizel yakıtın demir oksit nanopartiküller ile karıştırılmasının yanı sıra farklı yük ve değişken basınç oranlarına sahip dizel motorların performans ve emisyon özelliklerine etkisi. Bu araştırma, tek silindirli, değişken sıkıştırma oranlı, su soğutmalı, dört zamanlı, 3,7 kW'lık 1500 rpm direkt enjeksiyonlu dizel motor ile gerçekleştirilmiştir. Dizel motor deneylerinde kullanılmak üzere spirulina adı verilen mikroalglerden üretilen alg metil ester (AME) biyodizel ile konvansiyonel dizelin çeşitli kombinasyonlarda karıştırılmasıyla elde edilen test yakıtları hazırlandı. Bu yakıtlar B0, B10, B20 ve B30 olarak adlandırılır ve B10, %90 dizel ve %10 biyodizel anlamına gelir. Bu çalışmadaki tüm deneylerde, farklı yük (%0, %25, %50, 75 ve tam yük) ve sıkıştırma oranlarında (14,5:1, 15,5:1, 16,5:1) B10, B20 ve B30 karışımlarının emisyon ve performans özellikleri saf dizel ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, (0.25 ve 0.50) yüklerde B10'da marjinal bir artışla birlikte (BTE)'de bir azalma olduğunu, (BSFC'de artış) ve biyodizel oranı arttıkça BSFC’nin arttığını, hacimsel verimin tüm biyodizel oranlarında azaldığını göstermiştir. Ancak B10'un diğer karışım oranlarının geri kalanından daha iyi olduğu da not edilmiştir. Biyoyakıt eklenmesiyle ve saf dizel ile karşılaştırıldığında, (14,5:1 ve 15,5:1) sıkıştırma oranında karbon monoksit ve karbon dioksitte (%2,5 ila %4) marjinal azalma ve 16,5:1 sıkıştırma oranında CO2'de %10 azalma gözlemlenmiştir. Yanmamış hidrokarbonlarda marjinal bir artışın yanı sıra nitrojen oksitlerde makul bir azalma ortaya çıkmıştır. Deneylerde kullanılan ikinci tip yakıt ise saf dizel, %20 biyodizel ve demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıklarından (dizel + en iyi alg biyodizel karışımı + nanoparçacıklar) hazırlanmıştır. Karıştırma oranları (%80) saf dizel ve (%20) biyodizel olup üç doz nanopartikül (25, 50 ve 75 ppm) ile bir elektrikli karıştırıcı ve bir ultrasonik cihaz tarafından karıştırılmıştır. Ortaya çıkan harmanlama yakıtı (DB20N25, DB20N50, DB20N75)'dir. Yine sonuçlar motor performansı ve emisyonlar açısından dizel ve B20 ile karşılaştırılmıştır.

Sonuçlar, BTE'de bir artış ve BSFC'de bir azalma ortaya koydu. DB20N75 yakıtı, tam yükte en iyi BSFC azaltma oranını gösterdi. Hacimsel verim marjinal olarak iyileştirildi, egzoz sıcaklığı arttı. CO, nanoparçacık artmasıyla önemli ölçüde azalır, nanoparçacıklardan serbest kalan oksijenin mevcudiyeti nedeniyle (CO2) azalır, HC azalır.