Comparative analysis of performance and emission characteristics of Jatropha biodiesel and emulsified Jatropha biodiesel in a diesel engine

Abstract

The main aim of this study is to investigate the performance and emission characteristics of Jatropha biodiesel blends in a diesel engine and to explore the potential of water-in-biodiesel emulsification as a strategy to enhance efficiency and reduce harmful emissions, particularly nitrogen oxides (NOX). To achieve these objectives, Jatropha biodiesel blends (B10, B20, B30) were first tested in a single-cylinder diesel engine under standard operating conditions to determine the optimum blend. Based on a balance between Brake Thermal Efficiency (BTE) and emissions, B20 was identified as the most suitable blend and was subsequently used as the base fuel to prepare emulsified biodiesel blends with 5%, 10%, and 15% water by volume (B20W5, B20W10, and B20W15). The utmost important results are that the emulsified blends exhibited prominent improvements in performance and emission characteristics compared to B20. Specifically, B20W10 achieved a 4% higher BTE than B20 and a reduced Brake Specific Fuel Consumption (BSFC), while B20W15 recorded reductions in Hydrocarbon (HC) emissions by 31.42%, Carbon Monoxide (CO) by 55.55%, and Smoke Opacity by 36.11% relative to B20. Furthermore, B20W10 demonstrated a 9% decrease in NOX emissions than diesel. The significance of the obtained results is that water-in-biodiesel emulsification, particularly the B20W10 blend, offers an applied and sustainable solution for improving combustion efficiency, lowering fuel consumption, and mitigating harmful emissions, thereby promoting cleaner compression Ignition (CI) engine operation and supporting the transition toward renewable energy use in the transportation sector.

Scopul principal al acestui studiu este de a investiga caracteristicile de performanță și emisii ale amestecurilor de biodiesel cu Jatropha într-un motor diesel și de a explora potențialul emulsificării apă-în-biodiesel ca strategie pentru creșterea eficienței și reducerea emisiilor nocive, în special a oxizilor de azot (NOX). Pentru a atinge aceste obiective, amestecurile de biodiesel cu Jatropha (B10, B20, B30) au fost testate mai întâi într-un motor diesel monocilindric în condiții standard de funcționare pentru a determina amestecul optim. Pe baza unui echilibru între eficiența termică la frânare (BTE) și emisii, B20 a fost identificat ca fiind amestecul cel mai potrivit și a fost ulterior utilizat ca și combustibil de bază pentru a prepara amestecuri de biodiesel emulsionate cu 5%, 10% și 15% apă în volum (B20W5, B20W10 și B20W15). Cele mai importante rezultate sunt că amestecurile emulsionate au prezentat îmbunătățiri proeminente ale caracteristicilor de performanță și emisii în comparație cu B20. Mai exact, B20W10 a obținut un BTE cu 4% mai mare decât B20 și un Consum Specific de Combustibil la Frânare (BSFC) redus, în timp ce B20W15 a înregistrat reduceri ale emisiilor de hidrocarburi (HC) cu 31,42%, ale monoxidului de carbon (CO) cu 55,55% și ale opacității fumului cu 36,11% față de B20. În plus, B20W10 a demonstrat o scădere cu 9% a emisiilor de NOX față de motorina. Semnificația rezultatelor obținute constă în faptul că emulsificarea apă-în-biodiesel, în special amestecul B20W10, oferă o soluție aplicată și durabilă pentru îmbunătățirea eficienței arderii, reducerea consumului de combustibil și atenuarea emisiilor nocive, promovând astfel o funcționare mai curată a motorului cu aprindere prin compresie (CI) și sprijinind tranziția către utilizarea energiei regenerabile în sectorul transporturilor.

Основная цель данного исследования – изучение эксплуатационных характеристик и характеристик выбросов смесей биодизеля на основе ятрофы в дизельном двигателе, а также изучение потенциала эмульгирования воды в биодизеле как стратегии повышения эффективности и снижения вредных выбросов, в частности оксидов азота (NOX). Для достижения этих целей смеси биодизеля на основе ятрофы (B10, B20, B30) были сначала испытаны в одноцилиндровом дизельном двигателе в стандартных условиях эксплуатации для определения оптимальной смеси. На основе баланса между термической эффективностью тормозов (BTE) и выбросами, смесь B20 была признана наиболее подходящей и впоследствии использовалась в качестве базового топлива для приготовления эмульгированных биодизельных смесей с 5%, 10% и 15% воды по объему (B20W5, B20W10 и B20W15). Наиболее важным результатом является то, что эмульгированные смеси продемонстрировали значительное улучшение эксплуатационных характеристик и характеристик выбросов по сравнению с B20. В частности, масло B20W10 показало на 4% более высокую удельную теплотворную способность (BTE), чем B20, и сниженный удельный расход топлива (BSFC), в то время как B20W15 зафиксировал снижение выбросов углеводородов (HC) на 31,42%, оксида углерода (CO) на 55,55% и дымности на 36,11% по сравнению с B20. Кроме того, B20W10 продемонстрировал снижение выбросов NOX на 9% по сравнению с дизельным топливом. Значимость полученных результатов заключается в том, что эмульгирование воды в биодизельном топливе, особенно в смеси B20W10, представляет собой практичное и устойчивое решение для повышения эффективности сгорания, снижения расхода топлива и сокращения вредных выбросов, тем самым способствуя более чистой работе двигателей с воспламенением от сжатия (CI) и поддерживая переход к использованию возобновляемых источников энергии в транспортном секторе.