Measurement and modeling of the combustion of straight soybean oil and diesel oil blends in a compression ignition engine

Abstract

As mudanças climáticas e a forte dependência das economias mundiais do consumo de combustíveis fósseis têm fomentado o estudo de fontes alternativas de energia. Os biocombustíveis, como os óleos vegetais in natura, oferecem oportunidades para geração distribuída de eletricidade utilizando motores de ignição por compressão. O presente trabalho enfoca a modelagem e medição do desempenho de um motor monocilíndrico operando com misturas de óleo de soja in natura e óleo diesel. Inicialmente, apresenta-se a medição e correlação das propriedades físico-químicas das misturas com frações volumétricas de óleo de soja entre 0 e 100 %. A massa específica, viscosidade dinâmica e tensão superficial das misturas foram correlacionadas com a temperatura e a fração volumétrica do óleo de soja. O desempenho de um motor de ignição por compressão monocilíndrico, com volume de deslocamento 1200 cm3, taxa de compressão 17,3, potência nominal de 14,7 kW/2200 rpm foi medido em um dinamômetro estático para as misturas com 50 % e 80 % v/v de óleo de soja in natura em óleo diesel comercial S10. A taxa de liberação de calor foi determinada a partir da medição transiente da pressão no cilindro do motor, utilizando um modelo termodinâmico padrão programado no software MATLAB. Uma função de Wiebe simples foi usada para modelar a fase de combustão pré-misturada e uma função de Wiebe dupla, para as fases de combustão difusiva e residual. Os parâmetros das funções foram obtidos por ajuste às taxas de liberação de calor medidas e correlacionados com o diâmetro médio Sauter, o número de Weber do gás e a fração volumétrica do óleo de soja na mistura. O atraso de ignição foi correlacionado com o diâmetro médio Sauter, o número de Reynolds da gota, a razão de equivalência global, a temperatura do gás, através de um exponencial de Arrhenius, e a fração volumétrica de óleo de soja. As funções obtidas permitiram o desenvolvimento de um modelo zero-dimensional para o ciclo completo do motor, programado no software MATLAB. O modelo foi avaliado através da comparação da previsão da pressão no cilindro, massa de mistura injetada e parâmetros de desempenho com os valores medidos. Finalmente, o modelo foi utilizado em um planejamento fatorial visando estimar o comportamento do motor frente às variações nas suas condições de operação.

Abstract : Climate changes and strong worldwide economics dependency of the use of fossil fuels have encouraged the study of alternative energy sources. Biofuels, such as straight vegetable oils, offer opportunities for the distributed electricity generation using compression ignition engines. The present work focuses on the modeling and measurement of performance of a single-cylinder engine operating with blends of straight soybean oil and diesel oil. Initially, one presents the measurement and correlations of physico-chemical properties of blends with volume fractions of soybean oil in the range of 0 to 100 %. Density, dynamic viscosity and surface tension of the blends were correlated with the temperature and volume fraction of soybean oil. The performance of a single-cylinder compression ignition engine, displaced volume of 1200 cm³, compression rate of 17.3, nominal power of 14.7 kW/2200 rpm was measured on static dynamometer for the blends 50 % and 80 % v/v of straight soybean oil in commercial diesel oil S10. The heat release rate was determined from transient in-cylinder pressure measurement, using a standard thermodynamic model programmed in MATLAB software. A simple Wiebe function was used to model the premixed combustion phase and a double Wiebe function, for the diffusive and residual combustion phases. Parameters of the Wiebe functions were curve-fitted to the heat release rate measured, and they were correlated with the Sauter mean diameter, gas Weber number and volume fraction of soybean oil in the blend. The ignition delay was correlated with the Sauter mean diameter, droplet Reynold number, global equivalence ratio, gas temperature using the exponential factor of Arrhenius, and volume fraction of soybean oil. The functions obtained allowed the development of a zero-dimensional modeling for the complete cycle of the engine, programmed in MATLAB software. The modeling was validated comparing the in-cylinder pressure simulated, fuel mass injected and performance parameters with the respective measurements. Finally, the diesel engine modeling was used in a factorial experimental design aiming to estimate the behavior of the engine with different operation conditions.