Influence of low heat rejection combustion chamber on the behavior of coffee husk methyl ester biodiesel in a direct injection diesel engine

Abstract

The main objectives of the study were to investigate the effect of a Low Heat Rejection (LHR) combustion chamber on the performance, combustion, and emission characteristics of a direct injection (DI) diesel engine fueled with Coffee Husk Methyl Ester (CHOME) biodiesel blends, and to determine the optimum blend for efficient engine operation. The study addressed several key challenges associated with biodiesel-fueled diesel engines, including lower thermal efficiency, higher fuel consumption, increased nitrogen oxide (NOx) emissions, and significant heat loss through engine components. To overcome these issues, a 0.3 mm partially stabilized zirconia (PSZ) coating was applied to the piston crown and cylinder head to establish a Low Heat Rejection (LHR) engine configuration. Experimental investigations were then conducted using diesel and CHOME biodiesel blends (B20, B40, B60, and B100) under varying engine load conditions to evaluate improvements in performance, combustion, and emission characteristics. The most important results are that the CHOME B20 blend under LHR operation produced the highest brake thermal efficiency of 34.6%, which was 8.5% higher than diesel and 12.3% higher than the conventional engine with the same fuel, while reducing brake specific fuel consumption to 0.258 kg/kWh. The LHR-B20 combination also increased peak cylinder pressure to 73 bar and maximum heat release rate to 63 J/°CA, shortened ignition delay from 11°CA to 9°CA, and reduced CO, HC, and smoke opacity emissions by 27%, 33%, and 25%, respectively, although NOx emissions increased marginally by 10%. The significance of obtained results lies in demonstrating that the integration of CHOME biodiesel with LHR engine technology can improve combustion efficiency, enhance thermal performance, and reduce harmful exhaust emissions, thereby offering a sustainable and environmentally friendly alternative fuel solution for diesel engine applications.

Principalele obiective ale studiului au fost investigarea efectului unei camere de ardere cu respingere redusă de căldură (LHR) asupra performanței, procesului de ardere și caracteristicilor emisiilor unui motor diesel cu injecție directă (DI) alimentat cu amestecuri de biodiesel obținut din ester metilic al uleiului din coajă de cafea (CHOME), precum și determinarea amestecului optim pentru funcționarea eficientă a motorului. Pentru atingerea acestor obiective, un strat de zirconiu parțial stabilizat (PSZ), cu grosimea de 0.3 mm, a fost aplicat pe coroana pistonului și pe chiulasă pentru realizarea unei camere de ardere LHR, iar investigațiile experimentale au fost efectuate utilizând amestecuri de motorină și biodiesel CHOME (B20, B40, B60 și B100) în diferite regimuri de sarcină ale motorului. Cele mai importante rezultate au arătat că amestecul CHOME B20, utilizat în configurația LHR, a asigurat cea mai ridicată eficiență termică efectivă (Brake Thermal Efficiency), de 34,6%, cu 8,5% mai mare decât în cazul motorinei și cu 12.3% mai mare decât cea obținută pentru motorul convențional alimentat cu același combustibil. În același timp, consumul specific efectiv de combustibil (Brake Specific Fuel Consumption) s-a redus la 0.258 kg/kWh. De asemenea, combinația LHR–B20 a determinat creșterea presiunii maxime în cilindru la 73 bar și a ratei maxime de degajare a căldurii la 63 J/°CA, reducerea întârzierii la aprindere de la 11°CA la 9°CA și diminuarea emisiilor de CO, HC și a opacității fumului cu 27%, 33% și, respectiv, 25%, deși emisiile de NOx au înregistrat o creștere ușoară, de aproximativ 10%. Semnificația rezultatelor obținute constă în demonstrarea faptului că integrarea biodieselului CHOME cu tehnologia motoarelor LHR poate îmbunătăți eficiența procesului de ardere, poate crește performanța termică și poate reduce emisiile poluante ale gazelor de eșapament, oferind astfel o soluție durabilă și ecologică bazată pe combustibili alternativi pentru aplicațiile cu motoare diesel.

Основные цели исследования заключались в изучении влияния камеры сгорания с низким теплоотводом (LHR) на характеристики работы, сгорания и выбросов дизельного двигателя с непосредственным впрыском (DI), работающего на смесях биодизеля с метиловым эфиром кофейной шелухи (CHOME), а также в определении оптимальной смеси для эффективной работы двигателя. Для достижения этих целей на поршень и головку цилиндра было нанесено покрытие из частично стабилизированного диоксида циркония (PSZ) толщиной 0,3 мм для создания камеры сгорания LHR, и были проведены экспериментальные исследования с использованием дизельного топлива и смесей биодизеля CHOME (B20, B40, B60 и B100) при различных условиях нагрузки двигателя. Наиболее важными результатами являются то, что смесь CHOME B20 при работе в режиме LHR обеспечила наивысший тормозной тепловой КПД 34,6%, что на 8,5% выше, чем у дизельного топлива, и на 12,3% выше, чем у обычного двигателя, работающего на том же топливе, при этом снизив удельный расход топлива до 0,258 кг/кВт·ч. Комбинация LHR-B20 также увеличила пиковое давление в цилиндре до 73 бар и максимальную скорость выделения тепла до 63 Дж/°CA, сократила задержку зажигания с 11°CA до 9°CA и снизила выбросы CO, HC и дымности на 27%, 33% и 25% соответственно, хотя выбросы NOx незначительно увеличились на 10%. Значимость полученных результатов заключается в демонстрации того, что интеграция биодизеля CHOME с технологией двигателя LHR может повысить эффективность сгорания, улучшить тепловые характеристики и снизить вредные выбросы выхлопных газов, предлагая тем самым устойчивое и экологически чистое альтернативное топливо для дизельных двигателей.