Research on energy and emission performance of a diesel engine fuelled with hydrotreated vegetable oil and biobutanol mixtures

Abstract

The transportation industry is transforming the “Resource-efficient Europe” initiative to promote economic progress, increase competitiveness, and deliver high-quality mobility promotion services. This initiative encourages using locally sourced renewable biofuels, such as biobutanol-based fuel, to reduce ecological impact and increase renewable energy sources in overall energy consumption. Researchers in Lithuania explore second-generation biodiesel mixtures and biobutanol for further integration in the Lithuanian transport sector. The quest for sustainable and environmentally friendly fuel alternatives for internal combustion engines has led to exploring second-generation biofuels, such as Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) and biobutanol mixtures. This research evaluates the energy and ecological impacts of substituting conventional diesel with these biofuels in a compression ignition engine. The experimental setup involved a 1.9 TDI engine type 1Z, operating at a constant speed of 2000 rpm under varying loads and exhaust gas recirculation (EGR) rates. Fuels tested included conventional diesel (D100), HVO100, and mixtures of HVO with 5%, 10%, and 20% biobutanol in percentage proportions by volume (HVOB5, HVOB10, and HVOB20). Key parameters studied are brake thermal efficiency (BTE), smoke emissions, NOX, CO2 emissions, and particulate number (PN). Theoretical investigations further analysed the correlation between energy and ecological indicators across different fuel compositions. The research showed that using HVO100 and its mixtures with biobutanol greatly reduced the amount of smoke and CO2 emissions compared to D100. The emissions went down even more as the biobutanol concentration increased in HVO. However, BTE showed a decrease with higher biobutanol concentration under constant load conditions. Specifically, HVOB20 demonstrated a reduction in BTE by approximately 1.4% compared to D100. NOX emissions were lowest with HVO100, indicating a reduction in NOX generation through increased EGR rates. Theoretical investigations underscored a strong correlation between ecological and energy parameters, highlighting the potential of biofuel mixtures to meet specified emission standards (Eur – Lex, 2019). The usage of HVO and biobutanol in compression ignition engines presents a promising avenue for improving ecological indicators without significantly compromising energy efficiency. Nevertheless, the research identifies a need for further research into the long-term effects of these biofuels on engine reliability and performance. This research supports the transition towards alternative renewable fuels, reducing smoke emissions and CO2 levels, thereby contributing to the global effort to combat climate change.

Transporto sektorius pertvarkomas pagal iniciatyvą „Tausiai išteklius naudojanti Europa“, kuria skatinama ekonominė pažanga, didinamas konkurencingumas ir plečiamos mobilumo paslaugos. Šia iniciatyva skatinama naudoti vietinės kilmės atsinaujinančius biodegalus, tokius kaip biobutanolio pagrindu pagamintus degalus, sumažinant transport priemonų poveikį aplinkai ir siekiant, kad kuo didesnę suvartojamos energijos dalį sudarytų iš atsinaujinančių šaltinių gaunama energija. Mokslininkai Lietuvoje tiria antros kartos biodyzelino mišinius ir biobutanolį, kad juos integruoti Lietuvos transporto sektoriuje. Tvarių ir aplinką tausojančių vidaus degimo variklių alternatyviųjų degalų paieškos paskatino tyrinėti antros kartos biodegalus, tokius kaip hidrinti augaliniai aliejai (HVO) ir biobutanolio mišiniai. Šiame tyrime vertinamas įprasto dyzelino pakeitimo šiais biodegalais slėginio uždegimo variklyje energinis ir ekologinis poveikis. Eksperimentuose naudotas 1,9 TDI 1Z tipo variklis, veikiantis pastoviu 2000 aps/min greičiu, esant įvairioms apkrovoms ir skirtingam išmetamųjų dujų recirkuliacijos (EGR) režimui. Tirti degalai buvo įprastinis dyzelinas (D100), HVO100 ir HVO mišiniai su 5 %, 10 % ir 20 % biobutanolio tūrio (HVOB5, HVOB10 ir HVOB20). Pagrindiniai ištirti parametrai yra: efektyvusis naudingumo koeficientas (BTE), dūmingumas, NOX, CO2 emisija ir kietųjų dalelių skaičius (PN). Atliekant teorinius tyrimus analizuotas ryšys tarp VDV ekologinių ir energinių rodiklių esant skirtingiems degalų mišiniams. Tyrimas parodė, kad naudojant HVO100 ir jo mišinius su biobutanoliu dūmingumas ir CO2 emisija mažesni, nei naudojant D100. Išmetamųjų teršalų kiekis mažėja, didinant biobutanolio koncentraciją HVO degaluose. BTE sumažėja esant didesnei biobutanolio koncentracijai ir pastovioms variklio apkrovos sąlygoms. HVOB20 parodė, kad BTE sumažėjo maždaug 1,4 %, palyginti su D100. NOX emisija buvo mažiausia naudojant HVO100, tai rodo, kad padidinus EGR režimą susidaro mažiau azoto oksidų. Teorinių tyrimų rezultatai atskleidė stiprią ekologinių ir energinių parametrų koreliaciją ir parodė, kad biodegalų mišiniai turi didelį potencialą ir gali atitikti keliamus emisijos standartus (Eur – Lex, 2019). HVO ir biobutanolio mišinių panaudojimas slėginio uždegimo vidaus degimo variklyje yra perspektyvus būdas pagerinti ekologinius rodiklius nesumažinant energinio efektyvumo. Tyrimo metu nustatyta, kad būtina toliau tirti ilgalaikį šių biodegalų poveikį variklio veikimo patikimumui. Šiuo tyrimu pagrindžiamas perėjimas prie atsinaujinančių alternatyviųjų degalų naudojimo, mažinant dūmingumą ir CO2 išmetimą, taip prisidedant prie pasaulinių pastangų kovoti su klimato kaita.