ANALYSING THE PERFORMANCE OF A FOUR STROKE DIESEL ENGINE USING BIODIESEL AND DIFFERENT BIODIESEL-DIESEL MIXTURES

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1 ANALYSING THE PERFORMANCE OF A FOUR STROKE DIESEL ENGINE USING BIODIESEL AND DIFFERENT BIODIESEL-DIESEL MIXTURES Author: Torres Collado, Eduardo Director: Weerakoon, Avinda Collaborating Organization: Otago Polytechnic PROJECT SUMMARY This investigation examined and compared the performance of a four stroke diesel engine using a range of fuel mixture ratios of biodiesel and diesel. The biodiesel is derived from transesterification of used vegetable oil from chip fryers. The fuel mixtures examined were 10%, 30% and 50% biodiesel by volume, 100% biodiesel and 100% diesel. Fuel oil is the main source of energy for transportation. It is estimated that current daily world demand for fuel oil is approximately 90 million US barrels. This is a nonrenewable finite resource. Until recently, this resource has been extracted from easily accessible locations with relatively minimum damage to the environment. However, there is a growing demand to exploit this resource in inhospitable, ecologically sensitive terrain, due factors such as increasing demand due to improving our quality of lives, over exploitation of the resource and supply security. Therefore, there is a growing demand to look for alternative sources of energy to meet our transport need in order to reduce our dependence on finite fuel oil resources. One method to ease our dependence on fuel oil is to use biofuels for meeting portion of our transportation. Biofuel can be manufactured in many ways. Plants can be grown to produce biofuel in disuse farmland, animal fats can be used to produce biofuel and waste cooking oil can be converted to biofuel to drive internal combustion engines. Thus, reducing wastage it is possible to improve the efficiency using our resources. Nearly all internal combustion engines are designed to operate with conventional fuels such as gasoline, diesel, furnace oil and heavy fuels. Although, biofuel combustion properties are not dissimilar to conventional fuel oils, little studies have been conducted to examine the performance of these internal combustion engines on biofuels. There are also European requirements to adapt transport vehicles to use a certain portion of 9

2 our fuel usage with biofuels. Therefore, there is growing demand to investigate the performance of modern internal combustion engines with biofuels. Previous investigations have concluded that biodiesel is a viable alternative for diesel fuel. This investigation examined biodiesel manufactured from vegetable oil used in chip fryers have performance characteristics similar to diesel and obtained by using other ways of production including emissions. This study examined the strengths and the weaknesses of biodiesel derived from chip fryers. The main engine characteristics examined to analyse engine performance on the biodiesel are, fuel consumption, engine speed, engine torque, engine power, air/fuel ratio, cylinder pressure verses crank position, and engine efficiency. This study also established the calorific values of both diesel and biodiesel fuels using a Parr 1341 bomb calorimeter. The calorific values measurements were carried out for 100% Biodiesel, 50% Biodiesel Diesel mixture and diesel. The Table 1 shows a summary of the calorific value results obtained. Fuel B50 B100 Diesel Calorific Value kj/kg kj/kg kj/kg Table 1. Calorific Value for Biodiesel, diesel and 50% Biodiesel (B50) Those results in Table 1 were used to interpolate the calorific values of other biodieseldiesel mixtures. These values were used for the engine analysis. A single cylinder four-stroke diesel engine connected to an engine analyser provided by TecQuipment was used for the analysis. This system included temperature, torque, and crank angle and pressure sensors. In addition to this system, an exhaust analyser was used in order to obtain emissions results for the tests. Each of these mixes has been tested in two different ways: - High Torque: The engine was run with a high torque between 9 and 10 Nm. Maintaining a high torque, speed was changed in order to study the performance and operation of the engine. - Change Torque: The engine was run with a constant speed between rpm and the torque was changed from 1 Nm to 9 Nm 10

3 Once the data were obtained with the information provided by the engine analyser, the rest of necessary results were calculated mathematically using first principles. Comparison of Biodiesel Diesel shows similar performance The test results which included engine effective power, thermal efficiency and specific fuel consumption and other operation features, have shown that biodiesel, diesel and other mixtures examined have a similar performance characteristics when running on a diesel engine. This is shown in Figure 1. However, as discussed later, at low torque engine performance on 100% biodiesel showed relatively better characteristics POWER VS TORQUE 10% 30% 50% 100%D 100%B 2500 POWER (W) TORQUE (NM) Figure 1. Variation of effective engine power for diesel and biodiesel and their mixes when changing the torque Comparison of different biodiesel types shows similar engine performance The present study showed that the engine performance on biodiesel is similar to previous studies carried out using other types of biodiesel like vegetable oil, soybean oil, and animal fat [2]. In addition, previous projects, where biodiesel was obtained by using two different primary oils (yellow grease and soil bean oil) [13], reflects similar emissions for both 11

4 fuels. These conclusions reinforced not only similar performance to diesel, but also to other types of biodiesel. Comparison of Biodiesel Diesel shows smother combustion in biodiesel Based on the results obtained by the engine cycle analyser, it was observed that the biodiesel has smother combustion inside the cylinder. This can be explained by the following facts: - Diesel fuel ignite sooner than biodiesel due to relatively higher calorific value - The combustion of biodiesel is more homogeneous than diesel as shown by the peak cylinder pressures reached by the two fuels. Figures 2a and 2b show the relationship between crank-angle and cylinder pressure for both biodiesel and diesel combustion stroke. These figures show that biodiesel produce higher pressure inside the cylinder than diesel during combustion. The combustion process is delayed by the lower calorific value of biodiesel, providing a homogeneous air/fuel mixture. 2500rpm 1800rpm 2500rpm 1800rpm Figure2a. Biodiesel Engine cycle Figure 2b. Diesel Engine Cycle These results showed that biodiesel is a suitable alternative for diesel fuels: it has less detrimental effects on the environment, similar performance to diesel and it can be easily used with the existing diesel engines and it can help to recycle and reuse waste materials. The reason that inhibits the use of biodiesel extensively on diesel vehicles is the high production cost. Diesel production and delivery is wider spread and well developed. The companies that produce biodiesel are not large scale and the demand is lower so the 12

5 final price is higher. Also, many diesel vehicle owners are reluctant to use biodiesel on their cars. This investigation showed that the use of biodiesel fuel on standard diesel engine vehicles has promising potential to be an alternative fuel. It can be used directly on existing diesel engines without any major modifications. Use of biodiesel as an alternative to diesel will find a good market of waste products such as used cooking oil, animal fats, and so on, contributing to reused cycle. It has been demonstrated in this investigation that the performance characteristics of diesel engine is basically the same when using biodiesel. 13

6 ANALISIS DEL RENDIMIENTO DEL MOTOR DIESEL CUATRO TIEMPOS USANDO DIFERENTES MEZCLAS BIODIESEL-DIESEL Autor: Torres Collado, Eduardo Director: Weerakoon, Avinda Organización Colaboradora: Otago Polytechnic RESUMEN DEL PROYECTO Esta investigación examina y compara el rendimiento del motor diésel cuatro tiempos utilizando como combustible diferentes mezclas de biodiesel y diésel. El biodiesel es obtenido mediante la utilización de aceite vegetal utilizado para freír patatas. Las mezclas examinadas fueron: 10%, 30%, 50% biodiesel y 100% diésel. El petróleo es la principal fuente de energía para el transporte. Se estima que la actual demanda mundial diaria es de aproximadamente 90 millones de barriles. Es un recurso finito no renovable. Hasta hace poco, este recurso había sido extraído de lugares de fácil acceso con un nivel de daño mínimo al medio ambiente. Sin embargo, debido a la creciente demanda, se ha vuelto necesario explotar este recurso en terrenos inhóspitos y ecológicamente sensibles. Por lo tanto, existe una demanda creciente a buscar fuentes alternativas de energía para satisfacer nuestras necesidades de transporte con el fin de reducir nuestra dependencia de los recursos finitos de petróleo. Un método para reducir nuestra dependencia es el uso de biocombustibles. Los Biocombustibles pueden ser fabricados de muchas maneras. Las plantas pueden ser cultivadas para producir biocombustibles en tierras en desuso de cultivo, las grasas animales pueden usarse para producir biocombustibles y el aceite de cocina usado se puede convertir en biocombustible para alimentar los motores de combustión interna. Así, los residuos podrían ser reutilizados, dándoles un segundo uso y contribuyendo al reciclaje. Casi todos los motores de combustión interna están diseñados para funcionar con los combustibles convencionales tales como gasolina, diésel y combustibles pesados. Aunque, las propiedades de combustión de biocombustibles no son diferentes a los combustibles convencionales, se han realizado pocos estudios para examinar el rendimiento de estos motores de combustión interna de biocombustibles. Además, la Unión Europea está llevando a cabo esfuerzos para que los vehículos de transporte utilicen una porción de biocombustible a la hora de alimentar sus motores. Por lo tanto, hay una creciente demanda para investigar el rendimiento de los motores de combustión interna modernos con los biocombustibles. Investigaciones anteriores han llegado a la conclusión de que el biodiesel es una alternativa viable para el combustible diésel. Por su parte, esta investigación ha estudiado el biodiesel fabricado a partir de aceite vegetal usado en las freidoras de 14

7 restaurantes. Este estudio examinó los puntos fuertes y los puntos débiles de biodiesel derivados de este aceite vegetal. Las principales características examinadas para analizar el rendimiento del motor usando biodiesel son: consumo de combustible, velocidad del motor, par motor, potencia del motor, la relación aire / combustible, la relación de presión frente a la posición del pistón, y la eficiencia del motor. Este estudio también estableció los valores caloríficos de ambos combustibles, diésel y biodiesel, utilizando un calorímetro Parr Las mediciones de los valores caloríficos se llevaron a cabo para el 100 % de biodiesel, el 50 % de Biodiesel - mezcla de diésel y diésel. La Tabla 1 muestra un resumen de los resultados obtenidos en esta prueba. Fuel B50 B100 Diésel Calorific Value kj/kg kj/kg kj/kg Tabla 1. Valores calorífico de: 100% Biodiesel, diésel and 50% Biodiesel (B50) Los resultados de la Tabla 1 se utilizaron para interpolar los valores caloríficos del resto de mezclas de biodiesel -diésel. A su vez, estos valores se utilizaron para el análisis del motor. Para el análisis se utilizó un motor diésel de cuatro tiempos de un solo cilindro conectado a un analizador de motor proporcionado por TecQuipment. Este sistema incluye sensores de: temperatura, par, ángulo del cigüeñal y presión. Además de este sistema, un analizador de gases de escape se utilizó con el fin de obtener resultados de emisiones para las pruebas. Cada una de estas mezclas ha sido probada de dos maneras diferentes: - Alto par motor: El motor se llevó hasta un alto par motor entre 9 y 10 Nm. Mientras se mantenía un alto par, la velocidad fue cambiada con el fin de estudiar el comportamiento y el funcionamiento del motor. - Variación de par: El motor se mantuvo con una velocidad constante entre 2600 a 2900 rpm y el par fue variado de 1 a 9 Nm. Una vez que se obtuvieron los datos con la información proporcionada por el analizador del motor, el resto de los resultados se calcularon matemáticamente usando los primeros principios termodinámicos. 15

8 Similar rendimiento y características entre biodiesel y diésel Los resultados de las pruebas que incluían eficacia energética, eficacia térmica, consumo específico de combustible y otras características, han demostrado que el biodiesel, diésel y sus respectivas mezclas muestran características de rendimiento similares cuando alimentan un motor diésel. Esto se muestra en la Figura 1. Sin embargo, como se discute más adelante, con un funcionamiento bajo de par, el biodiesel muestra su mejor rendimiento POWER VS TORQUE 10% 30% 50% 100%D 100%B 2500 POWER (W) TORQUE (NM) Figura 1. Variación de la potencia del motor eficaz para diésel, biodiesel y sus mezclas cuando se varía el par La comparación de los diferentes tipos de biodiesel muestra un rendimiento similar El presente estudio demostró que el rendimiento del motor usando biodiesel es similar a los estudios previos llevados a cabo utilizando otros tipos de biodiesel como el aceite vegetal, aceite de soya y grasa animal [2]. Además, proyectos anteriores, en los que el biodiesel se obtuvo mediante el uso de dos aceites primarios diferentes (grasa y aceite amarillo) [13], refleja similares emisiones para ambos combustibles. Estas conclusiones refuerzan el hecho de que el biodiesel no sólo tiene un rendimiento similar al diésel, sino también a otros tipos de biodiesel. 16

9 La comparación de Biodiesel - Diésel muestra una combustión más "suave " en el biodiesel Basándose en los resultados obtenidos por el analizador de ciclo del motor, se observó que el biodiesel tiene un comportamiento más suave durante su combustión dentro del cilindro. Esto se puede explicar por los siguientes hechos: - Diésel combustiona antes que el biodiesel debido a su mayor valor calorífico - La combustión de biodiesel es más homogéneo que el diésel, como se muestra en las presiones máximas dentro del cilindro alcanzadas por los dos combustibles. Las figuras 2a y 2b muestran la relación entre la posición del pistón y la presión dentro del cilindro tanto para el biodiesel como para el diésel. Estas cifras muestran que para el biodiesel se produce una mayor presión dentro del cilindro comparada con el diésel. El proceso de combustión se retrasa por el valor calorífico inferior de biodiesel, que proporciona una mezcla de aire / combustible más homogénea. 2500rpm 1800rpm 2500rpm 1800rpm Figure 2a. Biodiesel Engine cycle Figure 2b. Diesel Engine Cycle Estos resultados mostraron que el biodiesel es una alternativa adecuada para el diésel ya que tiene menos efectos perjudiciales sobre el medio ambiente, un rendimiento similar y puede ser utilizado fácilmente con los motores diésel existentes ayudando a reciclar y reutilizar materiales de desecho. La razón por la cual el biodiesel no es utilizado en gran medida en los vehículos diésel es su alto coste de producción. La producción y suministro de diésel es más amplia y bien desarrollada. Las empresas que producen biodiesel no trabajan a gran escala y la demanda es menor por lo que el precio final es mayor. Además, muchos propietarios de vehículos diésel son reacios a utilizar biodiesel en sus coches. Esta investigación demostró que el uso de combustible biodiesel en vehículos con motor diésel tiene un potencial prometedor para ser un combustible alternativo. Puede ser 17

10 utilizado directamente en los motores diésel existentes sin grandes modificaciones. El uso de biodiesel como una alternativa al diésel encontrará un buen mercado de productos de desecho tales como el aceite usado de cocina, grasas animales, y más, lo que contribuye a ciclo de reciclaje. Por último, se ha demostrado en esta investigación que las características de rendimiento del motor diésel es básicamente el mismo cuando se utiliza biodiesel. 18