Journal of Power and Energy Engineering, 2013, 1, 9-14
Published Online November 2013 (http://www.scirp.org/journal/jpee) http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2013.16002
Diesel Engine Emissions and Performance Characteristics under Cape Chestnut Biofuel
Jedidah W. Maina1[1], Ayub N. Gitau1, James A. Nyangrsquo;aya2
1Department of Environmental and Biosystems Engineering, University of Nairobi, Nairobi, Kenya; 2Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of Nairobi, Nairobi, Kenya.
Email: *jedidahwm@gmail.com
Received October 9th, 2013; revised November 11th, 2013; accepted November 19th, 2013
Copyright copy; 2013 Jedidah W. Maina et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
ABSTRACT
Cape Chestnut oil was processed to biodiesel through transesterification. Cape Chestnut kennels are reported to have oil content of 60% - 63% [1]. Properties of biodiesel were determined and compared with those of diesel and engine tests done at a constant speed of 1500 RPM on the biodiesel blends to evaluate their performance and emissions characteristics. Performance evaluation was in terms of Brake Specific Fuel Consumption (BSFC), Brake Horse Power (BHP) and Brake Thermal Efficiency (ETE). The engine was initially run on diesel to establish the reference characteristics before running on biodiesel blends. The biodiesel was blended with diesel volumetrically to 80% (B80), 50% (B50), 20% (B20) and 5% (B5) the percentage being the volume of biodiesel in the blended fuel. Diesel fuel had the lowest BSFC followed by B5 whose BSFC was 7.3% higher than that of diesel. BTE for B100 was lower than that of diesel by 20.3% while that of B5 was 7.6% lower. Concentration of SO2 in B100 was 92.7% lower than that of diesel fuel while that of B20 was 24.7% lower. NO and NO2 concentrations for B100 were around 15% higher than that of diesel. Particulate matter of less than 10 micro;m diameter (PM10) for diesel was found to be 72% of the total collected from all the test fuels as compared to that of biodiesel blends at 28%. The study concluded that Cape Chestnut biodiesel blends containing up to 20% biodiesel can be used in an unmodified diesel engine since their performance and emission characteristics were very similar to that of diesel but with reduced toxic gas emissions therefore friendly to the environment.
Keywords: Biodiesel; Transesterification; Performance; Emissions; Brake Specific Fuel Consumption; Brake Horse Power; Engine Thermal Efficiency
1. Introduction world have led to a steep rise in demand of petroleum
based fuels. Fossils fuels which constitute 80% of primary
Biofuels are broadly defined as liquids, solids or gaseous energy consumed in the world are the primary contribufuels that are predominantly or exclusively produced from tors to Greenhouse Gas Emissions (GHG). Biofuels are biomass. The main types of biofuels include ethanol, considered environmentally friendly in that they are rebiodiesel and biogas derived from crops residues or newable, biodegradable, natural lubricants and generate wastes. All of these can be used as substitutes or suppleacceptable quality of exhaust gases. Recently because of ments for the traditional fossil fuels used for transportathe increase in crude oil prices, limited resources of fossil tion, domestic and industrial uses [2]. It has been the focus oil and environmental concerns, there has been a renewed of considerable amount of recent research because it is focus in vegetable oils and animal fats to make biodiesel renewable and reduces the emissions of some pollutants
[4].
[3]. Before recommending any alternative biofuel to be
Kenya spent more than Kshs 230 million to import fuel used in existing technologies on a large scale, the enviand other lubricants in 2010 [5]. The annual average price ronmental compatibility factor has to be considered as of oil increased from US $79.16 per barrel in 2010 to US compared to conventional fuel [4].
$110.6 per barrel in 2011 and the demand of petroleum
Increased industrialization and urbanization of the
products grew by 1.9 per cent from 3867.1 thousand tones
cooking is another important application where biofuels can replace charcoal and firewood. Indoor air pollution is reduced as clean burning fuels and vegetable oils replace traditional biomass which contributes to respiratory illness [7].
Since 1990, research into the manufacture and use of biofuels has grown. It has been reported that carbonyl compound emissions for diesel powered vehicles have exceeded those from conventional gasoline vehicles [8]. The depletion of easily accessible supplies of oil and the high cost of extracting oils from deep seas, remote areas and politically unstable regions have contributed to renewed interest in biofuels as an alternative and renewable supply of transport fuels and to policies in many countries that encourage production and mandate consumption of biofuels. Concerns over global climate change have also contributed to the renewed interest in biofuels such as the desire for increased energy security and to support the rural sector. The rapid increase in global demand for biofuels over the next decade or more will provide opportunities for Africa exporters because neither EU nor US is expected to meet its consumption mandates completely from domestic production [7].
In Kenya today, the commercial energy sector i
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能源与能源工程学报，2013,1,9-14
2013年11月在线发布（http://www.scirp.org/journal/jpee)http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2013.16002
板栗角生物燃料下的柴油机排放及其性能特征
1肯尼亚内罗毕内罗毕大学环境与生物系统工程系; 2肯尼亚内罗毕内罗毕大学机械与制造工程系。
电子邮件： *jedidahwm@gmail.com
收到2013年10月9日;2013年11月11日修订;2013年11月19日接受
版权所有copy;2013 Jedidah W. Maina等。这是一份根据知识共享署名许可分发的开放获取文章，允许在任何媒体中不受限制地使用，分发和复制，前提是原始作品被正确引用。
摘要
板栗角油通过酯交换加工成生物柴油。据报道，板栗角狗舍的含油量为60％-63％[1]。测定生物柴油的性质，并与生物柴油混合物以1500RPM的恒定速度进行的柴油和发动机测试进行比较，以评估其性能和排放特性。性能评估依据制动比燃料消耗（BSFC），制动马力（BHP）和制动热效率（ETE）。在使用生物柴油混合物之前，发动机最初使用柴油来确定参考特性。将生物柴油与柴油进行体积混合至80％（B80），50％（B50），20％（B20）和5％（B5），该百分比是混合燃料中生物柴油的体积。柴油燃料的BSFC最低，其次是B5，其BSFC比柴油高出7.3％。B100的BTE低于柴油的20.3％，而B5的BTE低7.6％。B100中SO2 的浓度比柴油低92.7％，而B20浓度低24.7％。B100的NO和NO2 浓度比柴油高约15％。发现柴油直径小于10微米（PM10）的颗粒物质占所有试验燃料总量的72％，而生物柴油混合物的颗粒物含量为28％。该研究得出结论，含有高达20％生物柴油的Cape Chestnut生物柴油混合物可用于未改性柴油发动机，因为它们的性能和排放特性与柴油非常相似，但有毒气体排放减少，因此对环境友好。
关键词：生物柴油;酯交换;性能;排放;制动比燃油消耗;制动马力;发动机热效率
1.简介
生物燃料被广义地定义为世界上消耗的液体，固体或气体能量是主要或主要由温室气体排放（GHG）生产的主要燃料。生物燃料是生物质。生物燃料的主要类型包括乙醇，被认为是环保的，因为它们是生物柴油和来自作物残余物的沼气或可生物降解的天然润滑剂和生成废物。所有这些都可以用作替代品或可接受的废气质量。最近因为用于运输的传统化石燃料的原油价格上涨，化石资源有限，家庭和工业用途。它一直是人们关注的石油和环境问题，最近有相当多的研究重新开展，因为它专注于植物油和动物脂肪，使生物柴油可再生，并减少一些污染物的排放.在推荐任何替代生物燃料之前，肯尼亚在2010年花费了2.3亿多克朗用于大规模进口现有技术中使用的燃料和其他润滑油。与传统燃料相比，年均价格兼容性因素必须考虑到石油从2010年的每桶79.16美元增加到2011年每桶110.6美元和石油需求，工业化和城市化进程加快，产品从3867.1千吨增长1.9％
烹饪是另一个重要的应用，生物燃料可以取代木炭和木柴。由于清洁燃烧的燃料和植物油取代了导致呼吸道疾病的传统生物质，室内空气污染减少[7]。
自1990年以来，对生物燃料的制造和使用的研究已经增长。据报道，柴油动力车辆的羰基化合物排放量已超过传统汽油车辆[8]。易于获取的石油供应
枯竭以及从深海，偏远地区和政治不稳定地区开采石油的高成本使人们重新关注生物燃料作为替代和可再生的运输燃料供应以及鼓励生产的许多国家的政策并强制要求消费生物燃料。对全球气候变化的担忧也促使人们重新关注生物燃料，例如增加能源安全和支持农村部门的愿望。未来十年或更长时间内全球生物燃料需求的快速增长将为非洲出口商提供机会，因为预计欧盟和美国都不会完全从国内生产中完成其消费任务[7]。
在今天的肯尼亚，商业能源部门以石油和电力为主导，是现代经济部门的主要推动者，而木材燃料则提供包括农村社区和城市贫民在内的传统部门的能源需求。在国家一级，木材燃料和其他生物质占一次能源消耗总量的约68％，其次是石油占22％，电力占9％，其他小于1％[9]。政府已经制定了一项政策文件[9]和立法[10]，有利于生物乙醇和生物柴油的开发。因此，需要在当地开发生物柴油，考虑到土地利用，环境，经济和社会问题，可以最有效和最有效地生产。
2。材料和方法
发动机测试在日产TD27柴油发动机型号上进行。
2.1.测试引擎
使用的发动机是涡轮增压水冷却的日产TD27 4气缸，额定最大功率为62千瓦/ 4300转/分钟。发动机设定为以1500rpm的恒定速度运转。测试引擎连接到液压G型弗劳德测功机。通过调节进入测功机的水量来施加载荷，载荷增量为0.225Kg。
将发动机连接到移液器上以测量燃料消耗，如图1所示.150ml移液管用于确定燃料消耗。燃料到了
图1.测试柴油发动机总成。
发动机由特殊的料斗/容器供应，如图1所示。每个容器都装有不同的燃料混合物。在标有1,2,3,4,5和6的相应容器中使用柴油，B100，B80，B50，B20和B5。燃料管路上的独立闸阀便于更换为任何用于发动机测试的燃料混合物。
2.2.燃油系统
燃料系统由燃料料斗，输送管线，燃料过滤器和喷射泵喷射器喷嘴和过流管线组成。从燃料料斗，燃料通过重力通过输送管线流到过滤器到喷射泵。
2.3.冷却系统
发动机设置采用水冷，发动机水泵辅助水流。外部电路是通过一个装有温度计的总箱。通过从主管道供应冷水并允许相同量的热水通过系统中的废物，集水箱中的水温保持在120˚F（49˚C）。安装温度计以测量发动机的入口和出口水温。
2.4.便携式有毒气体监测仪
这些仪器用于检测和分析测试引擎废气中的有毒蒸汽。这些仪器便携，轻便且易于使用。从监视器实时查看低浓度特定废气排放的每个数字测量值。检测和监测的排放气体是;SO2，NO和NO2。为了检测和测量颗粒物质（PM10），将过滤器连接到发动机排气管上。从发动机的实时分析监测器的读数。
2.5.酯交换
使用甲醇作为醇和氢氧化钾（KOH）作为催化剂将油进行酯交换。每升Cape荠油需要200ml甲醇，氢氧化钾的量为所用甲醇重量的1％。由于水促进皂化，催化剂在储存期间在气密容器中保持干燥。测量所需量的催化剂并溶解在醇中，然后倒入相应体积的Cape Chestnut油中。搅拌并覆盖混合物以避免将醇蒸发到大气中并使其静置24小时，之后在顶部清楚地区分生物柴油和在底部沉降的甘油。在催化剂（氢氧化钾）存在下，醇（甲醇）与Cape Chestnut油中的脂肪酸反应形成单烷基（生物柴油）和甘油。
2.6.生物柴油的分离和洗涤
在酯交换和过夜沉降后，结果显示甲酯和甘油明显分开。甘油更稠密，因此沉淀在容器的底部。需要分离混合物，这是通过从容器顶部抽出生物柴油并在底部留下甘油进行处理来完成的。
2.7.生物柴油干燥
在用温水轻轻洗涤三次后，将生物柴油在露天放置过夜以进行蒸发，并且在第二天，所有的水都蒸发并且生物柴油准备用于混合和测试。
通过酯交换，分离，洗涤和干燥生产生物柴油的过程需要三天才能完成，其中通过测量必要体积的生物柴油进行混合。生物柴油的数量分别为5％，20％，50％和80％，而100％的体积余额分别为B5，B20，B50和B80混合物。
2.8.生物柴油燃料特性
2.8.1.热值
这是在炸弹量热计的帮助下完成的。
CT TWE 在 kj
赫夫· (1)
燃料质量
其中HCV =高热值;TWE =以卡路里计的总水当量;CT =校正温度。
绘制图以确定校正的温度上升，然后使用等式（1）。总水当量=热量计中的水量 炸弹的水当量。
2.8.2.比重
燃料的比重对于确定燃料的功率输入是必要的，因此确定热效率和BSFC。热效率，制动马力和BSFC是用于确定研究中燃料性能的参数。使用Cape Chestnut Methyl Ester的密度为908Kg / m3 [1]。
使用等式（2）]计算共混物的比重。
SgBuffysSGItimes;XI（2）
其中SG混合 是混合物的比重，SGi 是组分燃料的比重，Xi 是质量i的体积分数。
2.9.燃油消耗量测量
轮流使用各种燃料来运行发动机。记录测试引擎消耗150ml每种燃料所用的时间，如移液管所示。为了开始该过程，通过打开主供应阀，移液管充满了远高于顶部标记的燃料。发动机在主电源上运行，同时将燃料与移液器隔离。然后关闭主供应阀并且发动机对来自移液管的燃料进行操作以确定消耗量。随后，负荷以0.225Kg的间隔增加，直到发动机难以开始运转，此时负荷被认为是该速度下该特定燃料的最大值。
2.10.排气的测量
燃油消耗量与发动机排气管上安装的监测器的排放量同时记录。排放监测器以每十秒的间隔（百万分之一（ppm））记录检测到的有毒气体NO，SO2 和NO2 。
为了评估燃料排放的颗粒物质，在发动机排气管上安装了一个过滤器，使其能够在废气排出时拾取任何排放的PM10。两种过滤器用于柴油，另一种用于B100，B80，B50，B20和B5。为什么只有一个过滤器用于所有CCME及其混合物的原因是因为它们中的PM10几乎可以忽略不计。
2.11.排放气体和颗粒物的评估
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对废气排放进行了评估
每个燃料运行柴油发动机和他们的数量ppm相比柴油。所考虑的排放气体为NO，SO2 和NO2。还分析了颗粒物质的纯CCME及其混合物，并且还对No 2柴油进行了比较。为了说明比较，绘制图表以显示随着发动机负荷增加而每个排放气体随时间的趋势，其被实时分析。还对燃料进行了比较，以确定增加与传统柴油混合的生物柴油百分比的趋势。
2.12.制动功率的确定
发动机的负载是通过测力计完成的，测力计在本研究中是液压的。作为发动机功率输出的制动功率是通过测功机，测功机轴速度从发动机的负荷计算的，在我们的情况下测力计轴速度恒定在1500rpm。如前所述，使用的测功机是Froude Type-G液压测功机。制造商建议使用下面的公式（3）来确定发动机制动功率。
制动功率 W N 0.7457 (3) 200
其中W =以磅为单位的重量;N =以RPM为单位的测功机轴速度;0.7457和200是常数。
2.13.制动比燃料消耗的确定（BSFC）
这是根据发动机制动功率，消耗燃料所用的时间（t），燃料的密度和体积来计算的，因为它是每单位功率输出所消耗的燃料的质量流量。它以Kg / Kw表示，如等式（4）所示。
BSFC密度体积3600KgKwh（4）tBrakePower
其中：t =消耗特定体积燃料所需的时间（以秒为单位）。
2.14.热效率的确定这是发动机制动功率输出占燃料制动功率输入的百分比。因此，为了确定热效率，必须首先确定功率输入并且采用等式（5）。
电源输入密度体积加热值 0xo (5) t
其中：t是消耗特定体积燃料所需的时间。
在评估功率输入之后，然后可以确定热效率，如等式（6）所示。
制动力
热效率 ％（6）Powe输入
3。结果与讨论
3.1.发动机性能
进行的发动机性能测试是为了确定B5，B20，B50，B80和B100 Cape Chestnut生物柴油混合物的BSFC，BHP和热效率。在相同条件下将结果与柴油的结果进行比较。绘制了所有生物柴油混合物和柴油的BSFC和热效率的图表，每个都与BHP相对应。
3.1.1.混合对制动比燃料消耗（BSFC）的影响
表1显示了柴油，Cape Chestnut Methyl Ester（CCME）及其各种混合物的BSFC与制动功率的变化结果。所有燃料测试中的制动比燃料消耗（BSFC）随着制动功率（BP）的增加而增加，直到BHP为11KW，如图2所示。
3.1.2
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资料编号：[2173]
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