Experimental Spray Investigation of Methyl Ester and Ethyl Ester Type Biodiesel Fuels in a Constant Volume Combustion Chamber

Abstract

Biodiesel fuels are promising fuels that can reduce pollutant emissions from diesel engines. Therefore, they are still being investigated in every aspect. In this study, it was aimed at comparing the spray characteristics of methyl ester and ethyl ester type biodiesel fuels with those of fossil diesel fuel. Besides, this study aimed to investigate the spray characteristics of ethyl esters on which few studies have been done, and to help eliminate this gap in the literature. For these purposes, 4 different methyl esters from corn, sunflower, canola and cotton oils, and 2 different ethyl esters from corn and sunflower oils were produced. Commercial diesel fuel was used to compare the characteristics of these fuels. Firstly, physical properties of the fuels produced were investigated to better understand the spray investigation, and it was observed that biodiesel fuels had bigger density and viscosity values than fossil diesel fuel. Additionally, it was found that methyl esters had larger density and smaller viscosity values than ethyl esters. After that, spray characteristics of all fuels were investigated in a constant volume combustion chamber under ambient pressures of 0, 5 and 10 bar, and injection pressures of 600 and 800 bar. Then, these fuels were cnompared to each other. After the experiments, biodiesel fuels were found to have longer spray penetration lengths and narrower spray angles than diesel fuel, although there were no significant differences between them. This may be due to higher density and viscosity values of biodiesel fuels. Furthermore, no significant distinctions were found between the spray characteristics of ethyl esters and methyl esters. In addition, it was observed that ambient and injection pressures were important parameters affecting the spray pattern. As a result, it was obtained that biodiesel-air mixing was slightly worse than diesel-air mixing. However, their potential to reduce pollutant emissions may cause this difference to be ignored. Moreover, it was found that ethyl esters had similar spray characteristics as methyl esters. Hence, ethyl esters are promising to replace methyl esters.

Biyodizel yakıtlar dizel motorların zararlı gaz salınımını azaltabilecek umut verici yakıtlardır. Bu nedenle, çeşitli yönlerden biyodizel araştırması devam etmektedir. Bu çalışmada metil ester ve etil ester türlerinde biyodizellerin püskürme özelliklerinin fosil dizel yakıtın püskürme özellikleriyle karşılaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca bu çalışma, üzerinde az sayıda çalışma yapılmış olan etil esterlerin püskürme özelliklerini araştırmayı ve literatürdeki bu boşluğu gidermeye yardımcı olmayı amaçlamıştır. Bu hedefler doğrultusunda mısır, ayçiçeği, kanola ve pamuk yağlarından 4 farklı metil ester ve mısır ve ayçiçeği yağlarından 2 farklı etil ester üretilmiştir. Bu yakıtların özellliklerini karşılaştırmak için dizel yakıtı kullanılmıştır. Öncelikle, püskürme araştırmasının daha iyi anlaşılabilmesi için üretilen yakıtların fiziksel özellikleri incelenmiştir ve biyodizellerin dizele göre daha fazla özkütleye ve viskoziteye sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, metil esterlerin etil esterlere göre daha yüksek özkütle ve daha düşük viskozite değerlerine sahip oldukları bulunmuştur. Sonrasında bütün yakıtların püskürme özellikleri 0,5 ve 10 barlık ortam basınçlarında ve 600 ve 800 barlık enjeksiyon basınçlarında sabit hacimli yanma odasında incelenmiştir ve yakıtlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan deneyler sonrasında arada ciddi farklar olmamasına rağmen biyodizel yakıtların dizel yakıta göre daha fazla püskürme uzunluğuna ve daha dar püskürme açılarına sahip olduğu bulunmuştur. Bu sonuç biyodizellerin daha yüksek viskozite ve özkütle değerlerine sahip olmalarına bağlanmıştır. Ayrıca etil esterler ve metil esterler karşılaştırıldığında iki tür yakıtın birbirlerine püskürme özellikleri bakımından önemli üstünlükleri olmadığı gözlemlenmiştir. Ek olarak, ortam ve enjeksiyon basınçlarının püskürme özellikleri üzerinde önemli etkenler olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, biyodizel yakıtların hava ile karışımı dizel ile hava karışımına göre biraz daha kötü olduğu görülmüştür. Ancak, zararlı gaz salınımını düşürme potansiyeline sahip olmaları aradaki bu farkın göz ardı edilmesini sağlayabilir. Bunun ötesinde, etil esterlerin metil esterler ile benzer püskürme özelliklerine sahip olduğu bulunmuştur. Bu nedenle etil esterler metil esterlerin yerine geçebilme konusunda umut verici olabilirler.