Thermodynamic analysis and emission assessment of a diesel engine fueled with various fuels

Abstract

Bu çalışmada BDF100 biyodizel ve JIS#2 dizel yakıtları dizel motorunu egzoz arıtmalı ve arıtmasız sistemler için 1800 dev/dak'da çalıştırmak için kullanılmıştır. Egzoz arıtma sistemi olarak Dizel Oksidasyon Katalizörü (DOC) ve Dizel Partikül Filtresi (DPF) ele alınmıştır. DPF malzemeleri olarak silikon karbür (SiC) ve kordierit kullanılmıştır. Yakıtlar egzoz arıtmalı sistem için 100 Nm ve 200 Nm motor yüklerinde test edilirken, egzoz arıtmasız sistem için 100 Nm, 200 Nm ve tam yükte (294 Nm) kullanılmıştır. Sisteme enerji, ekserji, çevresel, çevre-ekonomik, sürdürülebilirlik, termo-ekonomik ve eksergo-ekonomik analizler uygulanmıştır ve motorun egzoz emisyonları, partikül konsantrasyonu, kurum konsantrasyonu ve özgül yakıt tüketimi deneysel olarak değerlendirilmiştir. Biyodizel yakıtı temel olarak kızartma yağından elde edilen %100 biyodizeldir (BDF100). Yakıtlar, 4 silindirli, 3L, turboşarjlı ve ara soğutuculu dizel motorunu çalıştırmak için kullanılmıştır.Tarama Hareketi Parçacık Boyutlayıcı (SMPS), motor egzoz emisyon partiküllerinin boyut dağılımını ölçmek için kullanılmıştır. THC (Toplam Hidro Karbon), NOx, CO ve CO2 egzoz emisyonları, parçacık sayıları (PN), kurum ve özgül yakıt tüketiminin ölçümü deney sırasında gerçekleştirilmiştir.Bu tezden bulunanlar: (i) Egzoz emisyon değerlerinin çoğu (NOx hariç) motor yükü ile ters orantılıdır. Bununla birlikte, motor yükü artarsa, NOx emisyon değerleri de artmaktadır. (ii) Dizel yakıtının CO ve HC emisyon değerleri biyodizel yakıtından daha fazlayken, biyodizel yakıtının CO2 ve NOx emisyon değerleri genellikle dizel yakıtından daha yüksektir. (iii) Dizel yakıtının alt ısıl değeri (LHV), biyodizel yakıtının alt ısıl değerinden daha fazladır. (iv) Biyodizel yakıtının özgül yakıt tüketimi dizel yakıtına göre daha fazladır. (v) Dizel yakıtının partikül konsantrasyonu biyodizel yakıtından daha yüksektir. Ayrıca, maksimum toplam partikül konsantrasyonları her iki yakıt türü için de 100 Nm torkta hesaplanmıştır ve yakıtların partikül konsantrasyonları motor yükü ile ters orantılıdır. (vi) Kurum konsantrasyonu, motor yükü ile ters orantılıdır. Ayrıca, biyodizel yakıtının kurum konsantrasyonu, dizel yakıtından daha azdır. (vii) Biyodizel yakıtı minimum enerji verimine sahipken, maksimum enerji verimi dizel yakıtı için hesaplanmıştır. (viii) Enerji verimi motor yükü ile doğru orantılıdır. (ix) Tüm motor yüklerinde biyodizel yakıtı, dizel yakıtından daha yüksek ekserji verimine sahiptir. (x) Çevresel ve çevresel-ekonomik parametreler motor yükleri ile doğru orantılıdır. (xi) DOC, kordierit dizel partikül filtresi ile birlikte kullanıldığında, egzoz emisyonu partikülü azalma değeri %98.57 olarak bulunmuştur. Eğer DOC, SiC dizel partikül filtresi ile kullanılırsa, egzoz emisyon partikülünün %99.97'si önlenebilmektedir. Küçük bir fark olmasına rağmen, SiC dizel partikül filtresi kordieritten daha fazla egzoz emisyon partikülü önlemektedir. (xii) Biyodizel yakıtı, her motor yükü ve tüm arıtma sistemleri için (egzoz artıma sistemi dahil veya hariç) dizel yakıtından daha az entropi üretimine sebep olmaktadır. Biyodizel yakıt verim çevre ve ekonomik açılardan dizel yakıttan daha etkilidir. Ayrıca, biyodizel yakıt dizel yakıta göre her motor yükü ve egzoz arıtma seçeneğinde (Egzoz arıtma dahil ve hariç) daha düşük toplam partikül sayısına ve entropy üretimine sahiptir.

In this study, JIS#2 diesel and BDF100 biodiesel fuels are used to operate the diesel engine at 1800 rpm for with and without after treatment systems. After treatment systems are considered as Diesel Oxidation Catalyst (DOC) and Diesel Particulate Filter (DPF). The silicon carbide (SiC) and cordierite are used as DPF materials. The fuels are used in the diesel engine at 100 Nm, 200 Nm and full load (294 Nm) for without after treatment system test, while they are tested at 100 Nm and 200 Nm engine loads for after treatment systems. The exhaust emissions, particle concentration, soot concentration and specific fuel consumptions of the engine are experimentally evaluated, and the energy, exergy, environmental, enviroeconomic, sustainability, thermoeconomic and exergoeconomic analyses are performed. The biodiesel fuel is 100% biodiesel (BDF100) which is basically obtained from the cooking oil. The fuels are used to operate 4-cylinder, 3L, turbocharged and intercooled diesel engine. Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) is used to measure the size distribution of the engine exhaust emission particles. The measurement of the THC (Total Hydro Carbon), NOx, CO and CO2 exhaust emissions, particle numbers (PN), soot, specific fuel consumptions are conducted during the experiment. It is found from this thesis that (i) Most of the exhaust emissions rates (except NOx) are inversely proportional to engine load. If the engine load increases, the NOx emissions increase too. (ii) The CO2 and NOx emission rates of the biodiesel fuel are generally more than the diesel fuel, while the CO and HC emission rates of the diesel fuel are more than the biodiesel fuel. (iii) The lower heating value (LHV) of the diesel fuel is more than the LHV of the biodiesel fuel. (iv) The specific fuel consumption of the biodiesel fuel is higher than the diesel fuel. (v) The particle concentration of the diesel fuel is higher than the biodiesel fuel. Moreover, the maximum total particle concentrations are calculated at 100 Nm torque for both of the fuel types and the particle concentrations of the fuels are inversely proportional to the engine load. (vi) The soot concentration is inversely proportional to the engine load. Also, the soot concentration of the biodiesel fuel is less than diesel fuel. (vii) The maximum energy efficiency is found for the diesel fuel, while the biodiesel fuel has the minimum rate. (viii) The energy efficiency is directly proportional to the engine load. (ix) The biodiesel fuel has higher exergy efficiency than the diesel fuel at every engine load. (x) The environmental and enviroeconomic parameters are directly proportional to the engine load. (xi) When the DOC is used with cordierite diesel particulate filter, the exhaust emission particle reduction rate is found as 98.57%. If the DOC is used with SiC diesel particulate filter, 99.97% of the exhaust emission particle can be prevented. Despite the fact that there is a little difference, the SiC diesel particulate filter prevents more exhaust emission particle than cordierite. (xii) The biodiesel fuel causes less entropy generation than the diesel fuel for every engine loads and after treatment option (with and without after treatment). The biodiesel fuel is more effective than the diesel fuel in terms of efficiency, environmental and economic aspects. The biodiesel fuel has also less total nanoparticle concentration and entropy generation than the diesel fuel for every engine load and after treatment option (with and without after treatment).