Experimental investigation of ethanol–nanoparticle blended gasoline on performance and emission characteristics of a spark-ignition engine

Abstract

The main objective of this study was to evaluate how ethanol concentration and aluminiumoxide nanoparticle addition influenced the performance and exhaust emissions of a spark-ignition engine. These objectives were achieved by experimentally testing commercial petrol, gasoline containing 10% or 20% ethanol by volume, and the corresponding blends containing 10 or 20 parts per million of aluminium oxide at five engine speeds from 1700 to 3300 revolutions per minute. Brake thermal efficiency, brake-specific fuel consumption, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, nitrogen oxides and carbon dioxide were evaluated. The most important results are that the highest brake thermal efficiency was 36.93% for the 20% ethanol blend containing 20 parts per million of aluminium oxide at 2900 revolutions per minute. The lowest brake-specific fuel consumption was 0.24 kg/kWh for commercial petrol at 2900 and 3300 revolutions per minute and for the 10% ethanol blend containing 10 parts per million of aluminium oxide at 3300 revolutions per minute. The minimum carbon monoxide concentration was 0.56%, the minimum unburned hydrocarbon concentration was 66 ppm, and the minimum nitrogen oxide concentration was 314 ppm, each under a different fuel and speed condition. The significance of the results lies in providing a controlled comparison of two ethanol concentrations and two nanoparticle dosages across the same operating range. Carbon dioxide emissions were higher for ethanol-containing blends than for commercial petrol and increased with engine speed. The findings show that responses depended on fuel formulation andengine speed, and no blend was best for every measured parameter.

Obiectivul principal al acestui studiu a fost evaluarea modului în care concentrația de etanol și adăugarea nanoparticulelor de oxid de aluminiu influențează performanțele și emisiile de evacuare ale unui motor cu aprindere prin scânteie. Acest obiectiv a fost atins prin testarea experimentală a benzinei comerciale, a amestecurilor de benzină cu un conținut de 10 % sau 20 % etanol (în volum) și a amestecurilor corespunzătoare care conțineau 10 sau 20 de părți per milion (ppm) de oxid de aluminiu, la cinci turații ale motorului, cuprinse între 1 700 și 3 300 rot/min. Au fost evaluate randamentul termic efectiv, consumul specific efectiv de combustibil, precum și emisiile de monoxid de carbon, hidrocarburi nearse, oxizi de azot și dioxid de carbon. Cele mai importante rezultate indică faptul că randamentul termic efectiv maxim, de 36.93 %, a fost înregistrat pentru amestecul cu 20 % etanol și 20 ppm de oxid de aluminiu, la o turație de 2 900 rot/min. Cel mai mic consum specific efectiv de combustibil, de 0.24 kg/kWh, a fost obținut pentru benzina comercială la turații de 2 900 și 3 300 rot/min, precum șipentru amestecul cu 10 % etanol și 10 ppm de oxid de aluminiu, la 3 300 rot/min. Cele mai mici concentrații înregistrate au fost de 0.56 % pentru monoxidul de carbon, 66 ppm pentru hidrocarburile nearse și 314 ppm pentru oxizii de azot, fiecare dintre aceste valori fiind obținută în condiții diferite de compoziție a combustibilului și de turație a motorului. Importanța rezultatelor constă în furnizarea unei comparații experimentale controlate între două concentrații de etanol și două doze de nanoparticule,în același interval de funcționare a motorului. Emisiile de dioxid de carbon au fost mai mari în cazul amestecurilor cu etanol decât în cazul benzinei comerciale și au crescut odată cu turația motorului. Concluziile studiului arată că răspunsul sistemuluia depins de compoziția combustibilului și de turația motorului, niciun amestec nefiind optim pentru toți parametrii măsurați.

Аннотация Основной целью данного исследования была оценка влияния концентрации этанола и добавления наночастиц оксида алюминия на рабочие характеристики и состав отработавших газов двигателя с искровым зажиганием. Для достижения этой цели были проведены экспериментальные испытания с использованием товарного бензина, бензина с добавлением 10% или 20% этанола (по объему), а также соответствующих смесей, содержащих 10 или 20 частей на миллион (ppm) оксида алюминия, при пяти различных частотах вращения коленчатого вала (от 1700 до 3300 об/мин).Оценивались такие показатели, как эффективный термический КПД, удельный эффективный расход топлива, а также содержание оксида углерода, несгоревших углеводородов, оксидов азота и диоксида углерода в отработавших газах. К числу наиболее важных результатов относится то, что максимальный эффективный термический КПД (36,93%) был за-фиксирован для смеси с 20% этанола и 20 ppm оксида алюминия при частоте вращения 2900 об/мин. Минимальный удельный эффективный расход топлива составил 0.24 кг/(кВт·ч); этот показатель был достиг-нут при использовании товарного бензина (на частотах 2900 и 3300 об/мин) и смеси с 10% этанола и 10 ppm оксида алюминия (на частоте 3300 об/мин).Минимальные концентрации компонентов отработавших газов составили: 0,56% для оксида углерода, 66 ppm для несгоревших углеводородов и 314 ppm для оксидов азота (каждый из этих показателей был достигнут при различных сочетаниях вида топлива и частоты вращения).Значимость полученных результатов заключается в возможности сопоставления данных для двух концентраций этанола и двух дозировок наночастиц в одинаковом рабочем диапазоне. Выбросы диоксида углерода при использовании смесей с этанолом были выше, чем при использовании товарного бе-нзина, и возрастали с увеличением частоты вращения двигателя. Результаты исследования показали, что реакция двигателя зависела от состава топлива и частоты вращения, и ни одна из испытанных смесей не оказалась лучшей по всем оцениваемым параметрам одновременно.