Improvement of diesel engine ecological parameters by using biobuthanol and biodiesel mixtures

Abstract

In this doctoral thesis the problems related to application of renewable energy sources in internal combustion engines of motor vehicles are analyzed. The main objects of the research are the performance efficiency and oxide emission tests of a diesel engine running on biobuthanol and biodiesel mixtures. This object should be analyzed in order to save the country’s energy resources and to improve the state of the environment by means of decreasing the emissions of harmful substances produced by internal combustion engines. The primary purpose of the thesis is to theoretically and experimentally investigate and substantiate the possibilities of using biofuel mixtures, composed of biobuthanol and biodiesel, in a diesel engine, evaluating the engine performance efficiency, economical efficiency and ecological indicators. The application field of these mixtures are the motor vehicles running on a biodiesel and biobuthanol mixture. Several major objectives are accomplished in the thesis: to examine physical and chemical characteristics of biodiesel and biobuthanol mixtures, to create a model of application of biobuthanol and biodiesel in diesel engines, to conduct an experimental study of power, fuel-efficiency and ecological parameters of a diesel engine using biobuthanol and biodiesel mixtures. To explore the properties of carbonate aerosols, produced by burning of biobuthanol and biodiesel mixtures, by applying stable isotope mass spectrometry and aerosol condensation methods. The first objective was formulated in order to establish the optimum composi-tion of these mixtures, meeting the quality requirements applicable to the abovementioned fuel mixtures and to substantiate the improvement of fuel-efficiency and ecological parameters of a diesel engine. The second objective was formulated seeking to analyse the peculiarities of formation of carbonate aerosols during the biobuthanol and biodiesel mixtures’ combustion process in a diesel engine. The doctoral thesis consists of an introduction, three sections, summary of the results, the list of references, as well as the author’s publications on the topic of the thesis and five annexes. The introductory part contains a discussion of the research problem and relevance of the thesis, a description of the object of research, formulation of the purpose and objectives of the thesis, a brief description of the research methodology, indication of scientific novelty, practical significance of the research results and the hypotheses defended. At the end of the introduction the author’s conference reports and publications on the topic of the thesis, as well as the structure of the doctoral thesis are presented. The first section is dedicated to the literature review, which contains an overview of the factors promoting the use of biofuels, test results of using buthanol and biodiesel in internal combustion engines, the impact of particulate matter produced by a diesel engine on the environment and human health, application of isotope mass spectrometry and other methods for study of engine exhaust gases. At the end of the section the conclusions are drawn and the objectives of the doctoral thesis are revised. The research methodology used for study of biodiesel and biobuthanol mixtures is presented in the second section. The composition of biobuthanol and biodiesel mixtures meeting the requirements applicable to fuels, the analysis of theoretical aspects of using biobuthanol and biodiesel mixtures in diesel engines, the results of an experimental study on biobuthanol and biodiesel mixtures are determined in the third section. 12 scientific articles on the topic of the thesis have been published: one article in a scientific magazine included into Thomson ISI Web of Science list; four articles in DB scientific magazines approved by the Research Council of Lithuania, one article in a collection of conference articles ISI Proceedings, one article in a reviewed collection of Lithuanian international conference articles, two – in reviewed collections of Lithuanian conferences’ articles, one – in other reviewed publications, two – in the theses of other reviewed publications. The results of the research performed within the framework of this doctoral thesis have been announced at nine scientific conferences in Lithuania and abroad.

Disertacijoje nagrinėjamos atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimo motorinių transporto priemonių vidaus degimo varikliuose problemos. Pagrindinis tyrimo objektas – biobutanolio ir biodyzelino mišiniais veikiančio dyzelinio variklio ekologiniai tyrimai. Šis objektas nagrinėtinas tausojant šalies energetinius išteklius ir gerinant aplinkos būklę – mažinant kenksmingų išmetalų iš vidaus degimo variklių emisijas. Pagrindinis disertacijos tikslas – teoriškai ir eksperimentiškai ištirti bei pagrįsti biodegalų mišinių, susidedančių iš biobutanolio ir biodyzelino, dyzeliniame variklyje naudojimo galimybes, įvertinant variklio ekologinius, energinius ir darbo efektyvumo rodiklius. Šių mišinių taikymo sritis – motorinės transporto priemonės, kurios naudotų atsinaujinančius, alternatyvius šiuos degalus ar jų mišinius. Darbe sprendžiami keli pagrindiniai uždaviniai: ištirti biodyzelino ir biobutanolio mišinių fizinius ir cheminius rodiklius, sudaryti biobutanolio ir biodyzelino naudojimo dyzeliniuose varikliuose modelį, eksperimentiškai ištirti dyzelinio variklio galios, ekonominius ir ekologinius rodiklius naudojant biobutanolio ir biodyzelino mišinius. Stabiliųjų izotopų masės spektrometrijos ir aerozolių koncentracijos metodais ištirti anglinių aerozolių, susidarančių degant biobutanolio ir biodyzelio mišiniams, savybes. Pirmasis uždavinys suformuluotas siekiant nustatyti optimalią šių mišinių sudėtį, atitinkančią minėtiems degalų mišiniams keliamus kokybės reikalavimus ir pagrįsti dyzelinio variklio ekonominių ir ekologinių rodiklių gerinimą. Antrasis uždavinys suformuluotas norint išnagrinėti anglinių aerozolių susidarymo ypatybes degant biobutanolio ir biodyzelino mišiniams dyzeliniame variklyje. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, rezultatų apibendrinimas, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašas ir penki priedai. Įvadiniame skyriuje aptariama tyrimo problema, darbo aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, glaustai aprašoma tyrimų metodika, nurodomas mokslinis naujumas, tyrimo rezultatų praktinė reikšmė ir ginamieji teiginiai. Įvado pabaigoje pristatomi autoriaus paskelbti pranešimai konferencijose ir publikacijos disertacijos tema bei disertacijos struktūra. Pirmasis skyrius skirtas literatūros apžvalgai, jame apžvelgti biodegalų vartojimą skatinantys veiksniai, butanolio ir biodyzelino naudojimo vidaus degimo varikliuose tyrimų rezultatai, dyzelinio variklio kietųjų dalelių poveikis aplinkai ir žmonių sveikatai, izotopų masės spektrometrijos ir kitų metodų taikymas variklio išmetamosioms dujoms tirti. Skyriaus pabaigoje formuluojamos išvados ir tikslinami disertacijos uždaviniai. Antrajame skyriuje pateikiama biodyzelino ir biobutanolio mišinių tyrimo metodika. Trečiajame skyriuje nustatoma biobutanolio ir biodyzelino mišinių sudėtis, atitinkanti degalams keliamus reikalavimams, nagrinėjami teoriniai biobutanolio ir biodyzelino mišinių naudojimo dyzeliniuose varikliuose aspektai, aprašomi biobutanolio ir biodyzelino mišinių eksperimentinių tyrimų rezultatai. Disertacijos tema išspausdinta 12 mokslinių straipsnių: vienas – mokslo žurnale, referuojamose Thomson ISI Web of Science duomenų bazėse; keturi – LMT patvirtintose DB mokslo žurnaluose, vienas – konferencijos straipsnių rinkinyje ISI Proceedings, vienas – recenzuojamame Lietuvos tarptautinės konferencijos straipsnių rinkinyje, du – recenzuojamuose Lietuvos konferencijos straipsnių rinkiniuose, vienas – kituose recenzuojamuose leidiniuose, du – kitų recenzuojamų leidinių tezėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti devyniose mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje.