The Effect of Acetone-Butanol-Ethanol Blended Diesel Fuel on the Engine Stability of a Single Cylinder Diesel Engine
DOI: 10.14416/j.ind.tech.2020.08.003
Keywords:
Diesel Engines; Acetone-Butanol-Ethanol; Engine Stability; Cyclic VariationAbstract
อะซิโตน-บิวทานอล-เอทานอล หรือ ABE เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจในการพิจารณาเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับบิวทานอล อีกทั้งเมื่อผสม ABE กับน้ำมันดีเซลในสัดส่วนร้อยละ 20 โดยปริมาตร (ABE20) พบว่ามีคุณลักษณะของสเปรย์ทั้งในสถานะของเหลวและก๊าซที่ใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซล แต่เมื่อพิจารณาตัวแปรด้านการเผาไหม้พบว่าค่าความล่าช้าในการจุดระเบิดของ ABE20 มีค่าสูงกว่าดีเซลอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปแล้วการเพิ่มขึ้นของค่าความล่าช้าในการจุดระเบิดจะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้จากความแปรผันของวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลกระทบการใช้ ABE20 เป็นเชื้อเพลิงต่อเสถียรภาพการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล โดยนำเครื่องยนต์ดีเซลสูบเดียวที่ไม่มีการดัดแปลงทดสอบบนไดนาโมมิเตอร์เพื่อควบคุมภาระการทำงานของเครื่องยนต์ที่มีค่าความดันยังผลเฉลี่ยบ่งชี้เท่ากับ 4 และ 8 บาร์ ที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ 1,400 รอบต่อนาที โดยวัดค่าความดันในกระบอกสูบเพื่อเปรียบเทียบความแปรผันของวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์กับน้ำมันดีเซลล้วน รวมทั้งพิจารณาตัวแปรด้านสมรรถนะและการเผาไหม้เพื่อประกอบการวิเคราะห์ความมีเสถียรภาพของเครื่องยนต์ จากการวิเคราะห์คุณลักษณะการเผาไหม้และเสถียรภาพการทำงานของเครื่องยนต์พบว่า การมีค่าความล่าช้าในการจุดระเบิดและค่าความดันในกระบอกสูบสูงสุดของ ABE20 ที่มากกว่าดีเซลไม่ส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพการทำงานของเครื่องยนต์ ซึ่งเห็นจากค่าสัมประสิทธิ์ความความแปรผันของวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ที่ไม่แตกต่างจากดีเซลอย่างมีนัยสำคัญและมีค่าที่น้อยกว่าค่าความแปรผันสูงสุดที่ยอมรับได้สำหรับเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน
References
[1] J.B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals. NY, USA: McGraw-Hill Inc, 1988.
[2] J. Shi, T. Wang, Z. Zhao, Z. Wu, and Z. Zhang, Cycle-to-cycle Variation of a Diesel Engine Fueled with Fischer-Tropsch Fuel Synthesized from Coal, Applied Sciences, 2019, 9(10), 2032.
[3] P. Kyrtatos, C. Brückner, and K. Boulouchos, Cycle-to-cycle variations in diesel engines, Applied Energy, 2016, 171, 120–132.
[4] C.D. Rakopoulos, E.G. Giakoumis, and D.C. Rakopoulos, Study of the Short-Term Cylinder Wall Temperature Oscillations During Transient Operation of a Turbocharged Diesel Engine with Various Insulation Schemes, The International Journal of Engine Research, 2008, 9(3), 177–193.
[5] D. P. Sczomak and N. A. Henein Cycle-to-Cycle Variation with Low Ignition Quality Fuels in a CFR Diesel Engine, SAE Technical Paper, 1979, No. 790924.
[6] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2014/IRENA_REmap_summary_findings_2014.pdf (Accessed on 21 August 2020)
[7] S. Kumar, J.H. Cho, J. Park, and I. Moon, Advances in Diesel-Alcohol Blends and Their Effects on the Performance and Emissions of Diesel Engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 22, 46-72.
[8] C. Jin, M. Yao, H. Liu, C.F.F. Lee, and J. Ji, Progress in the Production and Application of n-Butanol as a Biofuel, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(8), 4080–4106.
[9] B.R. Kumar, S. Saravanan, D. Rana, and A. Nagendran A Comparative Analysis on Combustion and Emissions of Some Next Generation Higher-Alcohol / Diesel Blends in a Direct-Injection Diesel Engine, Energy Conversion and Management, 2016, 119, 246-256.
[10] H. Wu, K. Nithyanandan, T.H. Lee, C.F. Lee, and C. Zhang Spray and Combustion Characteristics of Neat Acetone-Butanol-Ethanol, n -Butanol, and Diesel in a Constant Volume Chamber, Energy & Fuels, 2014, 28(10), 6380–6391.
[11] M. Lapuerta, R. García-Contreras, J. Campos-Fernández, and M.P. Dorado, Stability, Lubricity, Viscosity, and Cold-Flow Properties of Alcohol-Diesel Blends, Energy and Fuels, 2010, 24(8), 4497–4502.
[12] Z. Chen, Z. Wu, J. Liu, and C. Lee, Combustion and Emissions Characteristics of High n-Butanol/Diesel Ratio Blend in a Heavy-Duty Diesel Engine and EGR Impact, Energy Conversion and Management, 2014, 78, 787-795.
[13] H. Liu, X. Bi, M. Huo, C.F.F. Lee, and M. Yao, Soot Emissions of Various Oxygenated Biofuels in Conventional Diesel Combustion and Low-Temperature Combustion Conditions, Energy and Fuels, 2012, 6(3), 1900–1911.
[14] A. Irimescu, L. Marchitto, S.S. Merola, C. Tornatore, and G. Valentino Combustion Process Investigations in an Optically Accessible DISI Engine Fuelled with n-Butanol During Part Load Operation, Renewable Energy, 2015, 77, 363–376.
[15] G. Valentino, S. Merola, L. Marchitto, and C. Tornatore, Butanol-Diesel Blend Spray Combustion Investigation by UV-Visible Flame Emission in a Prototype Single Cylinder Compression Ignition Engine, SAE International Journal of Engines, 2015, 8(5), 2015-24–2435.
[16] K. Karimi, M. Tabatabaei, I. S. Horváth, and R. Kumar, Recent Trends in Acetone, Butanol, and Ethanol (ABE) Production, Biofuel Research Journal, 2015, 8, 301–308.
[17] C. Xue, X.Q. Zhao, C.G. Liu, L.J. Chen, and F.W. Bai, Prospective and Development of Butanol as an Advanced Biofuel, Biotechnology Advances, 2013, 31(8), 1575-1584.
[18] T. Sarchami, G. Munch, E. Johnson, S. Kießlich, and L. Rehmann, A Review of Process-Design Challenges for Industrial Fermentation of Butanol from Crude Glycerol by Non-Biphasic Clostridium pasteurianum, Fermentation, 2016, 2(4), 13.
[19] H. Wu, K. Nithyanandan, N. Zhou, T.H. Lee, C.F.F. Lee, and C. Zhang, Impacts of Acetone on the Spray Combustion of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE)-Diesel Blends Under Low Ambient Temperature, Fuel, 2015, 142, 109–116.
[20] H. Wu, K. Nithyanandan, J. Zhang, Y. Lin, T.H. Lee, C.F. Lee and C. Zhang, Impacts of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) Ratio on Spray and Combustion Characteristics of ABE-Diesel Blends, Applied Energy, 2015, 149, 367–378.
[21] O. Nilaphai, C. Hespel, S. Chanchaona, and C. Mounaïm-Rousselle, Spray and Combustion Characterizations of ABE/Dodecane Blend in Comparison to Alcohol/Dodecane Blends at High-Pressure and High-Temperature Conditions, Fuel, 2018, 225, 542–553.
[22] Y.C. Chang, W.J. Lee, S.L. Lin, and L.C. Wang, Green energy: Water-Containing Acetone-Butanol-Ethanol Diesel Blends Fueled in Diesel Engines, Applied Energy, 2013, 109, 182–191.
[23] T.H. Lee, Y. Lin, X. Meng, Y. Li, and K. Nithyanandan, Combustion Characteristics of Acetone, Butanol, and Ethanol (ABE) Blended with Diesel in a Compression-Ignition Engine, SAE Technical Papers, 2016, No. 2016-01-0884.
[24] I. Veza, M.F.M. Said, and Z.A. Latiff, Progress of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) as Biofuel in Gasoline and Diesel Engine: A Review, Fuel Processing Technology, 2019, 196, 106179.
[25] Y. Lin, T. Lee, K. Nithyanandan, J. Zhang, Y. Li, and C.F. Lee, Experimental Investigation and Analysis of Combustion Process in a Diesel Engine Fueled with Acetone-Butanol-Ethanol/ Diesel Blends, in SAE Technical Papers, 2016, No. 2016-01-0737.
[26] T. Lee, Y. Lin, H. Wu, L. Meng, A. Hansen, and C.F. Lee, Characterization Spray and Combustion Processes of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) in a Constant Volume Chamber, SAE Technical Papers, 2015, No. 2015-04-14.
[27] KUBOTA Technical Education Center, Maintenance Manual for KUBOTA RTseries. Thailand: Siam Kubota Industry Co., LTD., 2009.
[28] A.K. Agarwal, D.K. Srivastava, A. Dhar, R.K. Maurya, P.C. Shukla, and A.P. Singh, Effect of Fuel Injection Timing and Pressure on Combustion, Emissions and Performance Characteristics of a Single Cylinder Diesel Engine, Fuel, 2013, 111, 374–383.
[29] A. Jamrozik, W. Tutak, R. Gnatowska, and Ł. Nowak, Comparative Analysis of the Combustion Stability of Diesel-Methanol and Diesel-Ethanol in a Dual Fuel Engine, Energies, 2019, 12(6), 971.
[2] J. Shi, T. Wang, Z. Zhao, Z. Wu, and Z. Zhang, Cycle-to-cycle Variation of a Diesel Engine Fueled with Fischer-Tropsch Fuel Synthesized from Coal, Applied Sciences, 2019, 9(10), 2032.
[3] P. Kyrtatos, C. Brückner, and K. Boulouchos, Cycle-to-cycle variations in diesel engines, Applied Energy, 2016, 171, 120–132.
[4] C.D. Rakopoulos, E.G. Giakoumis, and D.C. Rakopoulos, Study of the Short-Term Cylinder Wall Temperature Oscillations During Transient Operation of a Turbocharged Diesel Engine with Various Insulation Schemes, The International Journal of Engine Research, 2008, 9(3), 177–193.
[5] D. P. Sczomak and N. A. Henein Cycle-to-Cycle Variation with Low Ignition Quality Fuels in a CFR Diesel Engine, SAE Technical Paper, 1979, No. 790924.
[6] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2014/IRENA_REmap_summary_findings_2014.pdf (Accessed on 21 August 2020)
[7] S. Kumar, J.H. Cho, J. Park, and I. Moon, Advances in Diesel-Alcohol Blends and Their Effects on the Performance and Emissions of Diesel Engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 22, 46-72.
[8] C. Jin, M. Yao, H. Liu, C.F.F. Lee, and J. Ji, Progress in the Production and Application of n-Butanol as a Biofuel, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(8), 4080–4106.
[9] B.R. Kumar, S. Saravanan, D. Rana, and A. Nagendran A Comparative Analysis on Combustion and Emissions of Some Next Generation Higher-Alcohol / Diesel Blends in a Direct-Injection Diesel Engine, Energy Conversion and Management, 2016, 119, 246-256.
[10] H. Wu, K. Nithyanandan, T.H. Lee, C.F. Lee, and C. Zhang Spray and Combustion Characteristics of Neat Acetone-Butanol-Ethanol, n -Butanol, and Diesel in a Constant Volume Chamber, Energy & Fuels, 2014, 28(10), 6380–6391.
[11] M. Lapuerta, R. García-Contreras, J. Campos-Fernández, and M.P. Dorado, Stability, Lubricity, Viscosity, and Cold-Flow Properties of Alcohol-Diesel Blends, Energy and Fuels, 2010, 24(8), 4497–4502.
[12] Z. Chen, Z. Wu, J. Liu, and C. Lee, Combustion and Emissions Characteristics of High n-Butanol/Diesel Ratio Blend in a Heavy-Duty Diesel Engine and EGR Impact, Energy Conversion and Management, 2014, 78, 787-795.
[13] H. Liu, X. Bi, M. Huo, C.F.F. Lee, and M. Yao, Soot Emissions of Various Oxygenated Biofuels in Conventional Diesel Combustion and Low-Temperature Combustion Conditions, Energy and Fuels, 2012, 6(3), 1900–1911.
[14] A. Irimescu, L. Marchitto, S.S. Merola, C. Tornatore, and G. Valentino Combustion Process Investigations in an Optically Accessible DISI Engine Fuelled with n-Butanol During Part Load Operation, Renewable Energy, 2015, 77, 363–376.
[15] G. Valentino, S. Merola, L. Marchitto, and C. Tornatore, Butanol-Diesel Blend Spray Combustion Investigation by UV-Visible Flame Emission in a Prototype Single Cylinder Compression Ignition Engine, SAE International Journal of Engines, 2015, 8(5), 2015-24–2435.
[16] K. Karimi, M. Tabatabaei, I. S. Horváth, and R. Kumar, Recent Trends in Acetone, Butanol, and Ethanol (ABE) Production, Biofuel Research Journal, 2015, 8, 301–308.
[17] C. Xue, X.Q. Zhao, C.G. Liu, L.J. Chen, and F.W. Bai, Prospective and Development of Butanol as an Advanced Biofuel, Biotechnology Advances, 2013, 31(8), 1575-1584.
[18] T. Sarchami, G. Munch, E. Johnson, S. Kießlich, and L. Rehmann, A Review of Process-Design Challenges for Industrial Fermentation of Butanol from Crude Glycerol by Non-Biphasic Clostridium pasteurianum, Fermentation, 2016, 2(4), 13.
[19] H. Wu, K. Nithyanandan, N. Zhou, T.H. Lee, C.F.F. Lee, and C. Zhang, Impacts of Acetone on the Spray Combustion of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE)-Diesel Blends Under Low Ambient Temperature, Fuel, 2015, 142, 109–116.
[20] H. Wu, K. Nithyanandan, J. Zhang, Y. Lin, T.H. Lee, C.F. Lee and C. Zhang, Impacts of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) Ratio on Spray and Combustion Characteristics of ABE-Diesel Blends, Applied Energy, 2015, 149, 367–378.
[21] O. Nilaphai, C. Hespel, S. Chanchaona, and C. Mounaïm-Rousselle, Spray and Combustion Characterizations of ABE/Dodecane Blend in Comparison to Alcohol/Dodecane Blends at High-Pressure and High-Temperature Conditions, Fuel, 2018, 225, 542–553.
[22] Y.C. Chang, W.J. Lee, S.L. Lin, and L.C. Wang, Green energy: Water-Containing Acetone-Butanol-Ethanol Diesel Blends Fueled in Diesel Engines, Applied Energy, 2013, 109, 182–191.
[23] T.H. Lee, Y. Lin, X. Meng, Y. Li, and K. Nithyanandan, Combustion Characteristics of Acetone, Butanol, and Ethanol (ABE) Blended with Diesel in a Compression-Ignition Engine, SAE Technical Papers, 2016, No. 2016-01-0884.
[24] I. Veza, M.F.M. Said, and Z.A. Latiff, Progress of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) as Biofuel in Gasoline and Diesel Engine: A Review, Fuel Processing Technology, 2019, 196, 106179.
[25] Y. Lin, T. Lee, K. Nithyanandan, J. Zhang, Y. Li, and C.F. Lee, Experimental Investigation and Analysis of Combustion Process in a Diesel Engine Fueled with Acetone-Butanol-Ethanol/ Diesel Blends, in SAE Technical Papers, 2016, No. 2016-01-0737.
[26] T. Lee, Y. Lin, H. Wu, L. Meng, A. Hansen, and C.F. Lee, Characterization Spray and Combustion Processes of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) in a Constant Volume Chamber, SAE Technical Papers, 2015, No. 2015-04-14.
[27] KUBOTA Technical Education Center, Maintenance Manual for KUBOTA RTseries. Thailand: Siam Kubota Industry Co., LTD., 2009.
[28] A.K. Agarwal, D.K. Srivastava, A. Dhar, R.K. Maurya, P.C. Shukla, and A.P. Singh, Effect of Fuel Injection Timing and Pressure on Combustion, Emissions and Performance Characteristics of a Single Cylinder Diesel Engine, Fuel, 2013, 111, 374–383.
[29] A. Jamrozik, W. Tutak, R. Gnatowska, and Ł. Nowak, Comparative Analysis of the Combustion Stability of Diesel-Methanol and Diesel-Ethanol in a Dual Fuel Engine, Energies, 2019, 12(6), 971.
Downloads
Published
2020-08-25
Issue
Section
บทความวิจัย (Research article)
