Research on energetic and ecological indicators of a compression ignition engine fuelled by animal non-edible fats and biofuel blends

Abstract

The dissertation investigates the energy and environmental performance of a compression ignition engine operating on biodiesel blends derived from animal-based non-food fats and first- and second-generation biodiesel fuels. The research encompasses experimental and numerical analyses, evaluating how diverse biodiesel compositions influence engine operation. Nine fuel blends, including hydrotreated vegetable oils (HVO) and fatty acid methyl esters (FAME), were prepared and tested under controlled conditions. The research examined key parameters such as ignition delay, combustion pressure, temperature variations, CO₂, CO, NOₓ, HC emissions, and particulate matter (PM). A numerical model using AVL BOOST was developed to simulate in-cylinder combustion processes, providing insights into pressure rise rates, heat release dynamics, and fuel efficiency under various load conditions. The results highlighted the impact of biodiesel composition on combustion phases, revealing that HVO-based blends exhibit shorter ignition delays, improved combustion efficiency, and lower emissions compared to FAME-rich blends. The findings of this dissertation indicate that HVO-based biodiesel blends offer the most promising alternative to diesel, maintaining high energy efficiency while significantly reducing CO, HC, and particulate emissions. However, FAME-rich blends require further optimisation due to their higher viscosity, increased NOₓ emissions, and greater fuel consumption. The dissertation consists of an introduction, four chapters, a summary of findings, references, and a list of scientific publications by the author. The First Chapter provides an overview of biodiesel properties and their relevance in the transport sector. The Second Chapter details the experimental methodology, including biodiesel preparation, engine testing, and data acquisition techniques. The Third Chapter presents numerical and experimental results, evaluating combustion characteristics, energy indicators, and emission trends. The Fourth Chapter applies machine learning models to predict fuel performance and optimise biodiesel blends. The dissertation concludes with a discussion of the feasibility of biodiesel use in diesel engines and recommendations for future research. This research represents a significant step towards integrating alternative biofuels into the transportation sector, supporting global efforts to reduce greenhouse gas emissions and enhance energy sustainability. Five scientific articles have been published on the dissertation topic: two in the Web of Science database with a citation index, two in the Web of Science database, conference proceedings, one in other international databases and two in other peer-reviewed scientific journals. Two papers were presented at conferences in Lithuania and one in Poland.

Disertacija nagrinėja energinius ir ekologinius rodiklius suspaudimo uždegimo variklyje, veikiančiame su biodegalų mišiniais, pagamintais iš gyvulinės kilmės nemaistinių riebalų ir pirmosios bei antrosios kartos biodyzelino. Tyrime taikyti eksperimentiniai ir skaitiniai metodai, nagrinėjantys, kaip skirtingos biodegalų sudėtys veikia variklio darbą. Buvo paruošti ir išbandyti devyni degalų mišiniai, įskaitant hidroapdorotą augalinį aliejų (HVO) ir riebalų rūgščių metilo esterius (FAME). Eksperimentuose analizuoti pagrindiniai parametrai, tokie kaip uždegimo vėlavimas, degimo slėgis, temperatūros pokyčiai ir CO₂, CO, NOₓ, HC bei kietųjų dalelių emisijos. Norint detaliau įvertinti degimo procesus, buvo sukurtas skaitinis modelis naudojant AVL BOOST programinę įrangą. Rezultatai parodė, kad HVO pagrindu sudaryti biodegalų mišiniai pasižymi trumpesniu uždegimo vėlavimu, didesniu degimo efektyvumu ir mažesnėmis emisijomis nei FAME turintys mišiniai. Tyrimas parodė, kad HVO pagrindu pagaminti biodegalai yra perspektyviausias dyzelino pakaitalas, nes jie leidžia išlaikyti didelį energijos konversijos efektyvumą ir reikšmingai sumažinti CO, HC ir kietųjų dalelių emisijas. Tačiau FAME turintys degalai reikalauja papildomos optimizacijos, nes dėl jų didesnio klampumo stebimas didėjantis NOₓ emisijų lygis ir didesnės degalų sąnaudos. formavime, siekiant palaikyti perėjimą prie ekologiškesnių transporto sprendimų. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai, rezultatų santrauka, literatūros sąrašas ir autoriaus mokslinių publikacijų sąrašas. Pirmame skyriuje pateikiama biodegalų savybių apžvalga ir jų svarba transporto sektoriuje. Antrame skyriuje išsamiai aprašoma eksperimentinė metodika, įskaitant biodegalų gamybą, variklio bandymus ir duomenų rinkimo procesus. Trečias skyrius pateikia skaitinių ir eksperimentinių rezultatų analizę, įvertinant degimo procesų efektyvumą ir emisijų pokyčius. Ketvirtame skyriuje pristatomi mašininio mokymosi modeliai, skirti numatyti biodegalų poveikį variklio parametrams ir optimizuoti kuro mišinius. Disertacijos išvadose pateikiamos rekomendacijos dėl biodegalų pritaikymo ir tolimesnių tyrimų kryptys. Atliktas tyrimas yra svarbus žingsnis siekiant integruoti alternatyvius biodegalus į transporto sektorių, prisidedant prie pasaulinių pastangų mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas ir skatinti energetinį tvarumą. Disertacijos tema buvo publikuoti penki moksliniai straipsniai: du Web of Science duomenų bazėje su citavimo indeksu, du – Web of Science duomenų bazėje, konferencijų medžiagose, vienas – kitose tarptautinėse duomenų bazėse ir du – kitose recenzuojamuose mokslo žurnaluose. Du pranešimai buvo pristatyti konferencijose Lietuvoje, o vienas – Lenkijoje.