analysing the performance of a four stroke diesel engine using

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
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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
Calorific Value
B50
41020.96 kJ/kg
Diesel
43051.93 kJ/kg
B100
35912.07 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 2600-2900
rpm and the torque was changed from 1 Nm to 9 Nm
10
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.
10%
3000
POWER VS TORQUE
30%
50%
100%D
100%B
POWER (W)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
2
4
6
TORQUE (NM)
8
10
12
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
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
2500rpm
1800rpm
75
75
70
70
65
65
60
60
55
-30
-10
50
1800rpm
55
10
Figure2a. Biodiesel Engine cycle
30
-30
-20
-10
50
0
10
20
30
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
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.
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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
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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
1341. 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
Calorific Value
B50
41020.96 kJ/kg
Diésel
43051.93 kJ/kg
B100
35912.07 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.
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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.
10%
3000
POWER VS TORQUE
30%
50%
100%D
100%B
POWER (W)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
2
4
6
TORQUE (NM)
8
10
12
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.
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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
2500rpm
1800rpm
75
75
70
70
65
65
60
60
55
-30
-10
50
1800rpm
55
10
Figure 2a. Biodiesel Engine cycle
30
-30
-20
-10
50
0
10
20
30
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
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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.
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