Spray characteristics of emulsified biodiesel-diesel blends in a constant volume combustion chamber

Abstract

Over the last decades, various studies have been carried out by the researchers to find out an alternative fuel that can overcome emission problems caused by diesel fuel which affect the environment and human health significantly. Due to emulsified biodiesel-diesel blend (EBB) fuels are being a possible alternative fuel for diesel, in this study, it was aimed to investigate the macroscopic spray parameters such as spray penetration length and cone angle of different EBB fuels, namely B20W15 and B20W5, containing 15% and 5% water by volume, respectively. In order to examine the spray characteristics of B20W15 and B20W5, the experiments were carried out by means of constant volume combustion chamber and utilizing shadowgraph technique with a high-speed camera. Experiments were performed with 600 bar and 800 bar injection pressure while the ambient pressure was 0 bar, 5 bar and 10 bar, respectively. After experiments were fulfilled, the recorded images of test fuels were processed via ImageJ program. The results showed that stability of the emulsion can be obtained when HLB value was 8 and surfactant concentration was 5% by volume. It was understood that increment in water concentration in the emulsion caused deterioration in emulsion stability while it led higher viscosity, higher density, longer spray penetration lengths and narrower cone angles. It was observed that B20W5 resulted wider spray cone angles and shorter spray penetration lengths than B20W15 under 0,5 and 10 bar chamber pressure with injections pressures of 600 and 800 bar. Also, it was understood that both EBB lead longer spray penetration lengths and narrower spray cone angles compared to reference diesel while they lead vice versa compared to reference biodiesel. The reason of spray geometry difference between diesel and EBB fuels can be associated with the higher viscosity and density of EBB fuels compared to diesel. As a result, considering that B20W5 reduce the use of fossil fuels, and no significant difference compared to diesel in terms of spray geometry, it can be said that B20W5 may be a promising alternative fuel for the futurSon yıllarda, araştırmacılar tarafından çevreyi ve insan sağlını önemli ölçüde etkileyen dizel yakıtının neden olduğu emisyon problemlerinin üstesinden gelebilecek alternatif bir yakıt bulmak için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Emülsiyonlaştırılmış biyodizel-dizel karışım (EBK) yakıtlarının dizel için olası bir alternatif yakıt olması sebebi ile, bu çalışmada hacimlerinin sırasıyla %15'i ve %5'i su olan B20W15 ve B20W5 olarak adlandırılan farklı EBK yakıtlarının püskürtme uzunlunluğu ve püskürtme açısı gibi makroskopik püskürtme parametrelerinin incelenmesi amaçlanmıştır. B20W15 ve B20W5'in püskürtme özelliklerini incelemek için deneyler, sabit hacimli yanma odası ve yüksek hızlı kamera ile gölgelendirme tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneyler, 600 bar ve 800 bar enjeksiyon basıncıyla yapılırken ortam basıncı sırasıyla 0 bar, 5 bar ve 10 bar idi. Deneyler tamamlandıktan sonra, test yakıtlarının kaydedilen görüntüleri ImageJ programı ile işlendi. Sonuçlar, emülsiyon stabilitesinin HLB değeri 8 ve yüzey aktif madde konstantrasyonu hacmen %5 olduğunda elde edilebileceğini gösterdi. Emülsiyondaki su konsantrasyonundaki artış, emülsiyon stabilitesinde bozulmaya neden olurken, daha yüksek viskozite, daha yüksek yoğunluk, daha uzun püsküttme uzunluklarına ve daha dar püskürtme koni açılarına yol açtığı anlaşılmıştır. B20W5'in 0,5 ve 10 bar oda basınçları altında 600 ve 800 bar enjeksiyon basınçlarıyla B20W15'e göre daha geniş püskürtme konisi açılarına ve daha kısa püskürtme penetrasyon uzunlukları sağladığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, her iki EBK'nin referans dizele kıyasla daha uzun püskürtme penetrasyon uzunlukları ve daha dar püskürtme konisi açılarına neden olduğu, referans biyodizele kıyasla ise tam tersine sebep olduğu anlaşılmıştır. Dizel ve EBK yakıtlarının arasındaki püstkürtme geometrisi farkının nedeni, EBK yakıtlarının dizele kıyasla daha yüksek viskozitesi ve yoğunluğu ile ilişkilendirebilir. Sonuç olarak, B20W5'in fosil yakıt kullanımını azalttığı ve püskürtme geometrisi açısından dizel ile kıyaslandığında önemli bir fark olmadığı göz önüne alındığında, B20W5'in gelecek için umut verici bir alternatif yakıt olabileceği söylenebilir.