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Publication
Water-Emulsified Diesel Fuel in a CI Engine Tested for Aeronautical Applications
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Abstract(s)
Water-in-diesel emulsions as an alternative fuel are emerging as a viable option to fight global fossil fuel consumption and emissions restrictions without the need for engine modifications. In an emulsion, two immiscible liquids are mixed with the help of surfactants, where droplets of one liquid are dispersed in a continuous flow. This thesis aims to compare water-emulsified diesel fuel with European commercially available diesel (EN590) when it comes to engine performance and emissions. The tests were performed in a single-cylinder, direct injection diesel engine (Hatz 1B40) using an eddy current dynamometer, an exhaust gas analyser, and an opacimeter. With the objective of testing the engine and the alternative fuels for operating conditions often found in aerial vehicles equipped with diesel engines (same operating principles), the tests were performed for idle settings (simulating the taxiing movement of an aircraft), 100% engine load (simulating the take-off and climbing manoeuvres), 50% engine load (representing the descent, approach, and landing phases), and 75% engine load (representing the cruise component of an aircraft's flight profile) at different engine speeds. Mixtures of EN590 diesel fuel, deionised water, and surfactants were performed in laboratory by mechanical homogenization to obtain the ideal concentrations of the different reagents to be later replicated on a bigger scale using a low-energy mixing method. The emulsions were developed to be optimised at the engine’s operating temperature and heated above the diesel fuel operating temperature to reach similar viscosities during the test procedures. The results suggest that adding water as a dispersed phase in the fuel allows to obtain overall better thermal efficiency and lower emissions of nitrogen oxides and smoke in some conditions when compared to traditional diesel. On the other hand, carbon monoxide, hydrocarbons, and carbon dioxide emissions have increased, possibly due to differences in the injection delay between the fuels. By focusing on performance over stability through the adoption of a hydrophilic emulsion formulation in line with the difficulty of further optimisation in general aviation gasoline engines and the widespread availability of diesel fuel, it can be concluded that water-in-diesel emulsions can be a viable alternative towards the goal of improving fuel consumption rates, lowering emissions, and reducing costs when optimised for specific operating conditions of diesel-powered aerial vehicles.
Emulsões de água em diesel como combustível alternativo estão a surgir como uma opção viável para fazer frente ao consumo global de combustíveis fósseis e às restrições de emissões sem a necessidade de modificações no motor. Numa emulsão, dois líquidos imiscíveis são misturados com a ajuda de surfatantes, onde gotas de um líquido estão dispersas numa fase contínua. Esta tese pretende comparar diesel emulsificado com água com diesel europeu comercialmente disponível (EN590) relativamente ao desempenho do motor e emissões. Os testes foram conduzidos num motor a diesel monocilíndrico de injeção direta (Hatz 1B40) através de um dinamómetro de correntes de Foucault, um analisador de gases de escape e um opacímetro. Com o objetivo de testar o motor e os combustíveis alternativos para condições de operação encontradas frequentemente em veículos aéreos equipados com motores diesel (princípios de operação semelhantes), os testes foram executados para condições de ralenti (simulando o movimento de táxi de uma aeronave), 100% de carga do motor (simulando as manobras de descolagem e de subida), 50% de carga do motor (representando as fases de descida, aproximação e aterragem) e 75% de carga do motor (representado a componente de cruzeiro do perfil de voo de uma aeronave) a diferentes rotações do motor. Misturas de combustível diesel EN590, água deionizada e surfatantes foram produzidas em laboratório através de homogeneização mecânica para obter as concentrações ideais dos diferentes reagentes a serem replicadas mais tarde a uma escala maior e usando um método de mistura de baixa energia. As emulsões foram desenvolvidas para estarem otimizadas à temperatura de operação do motor e aquecidas acima da temperatura de operação do gasóleo de forma a alcançar viscosidades semelhantes durante os procedimentos de teste. Os resultados sugerem que adicionar água como uma fase dispersa no combustível permite obter uma eficiência térmica superior e menores emissões de óxidos de azoto e fumo em algumas condições comparado com o diesel tradicional. Por outro lado, emissões de hidrocarbonetos, monóxido de carbono e dióxido de carbono aumentaram, possivelmente devido a diferenças no atraso de injeção entre os combustíveis. Ao priorizar o desempenho em detrimento da estabilidade através da adoção de uma formulação de emulsão hidrofílica, alinhada com a dificuldade de otimização adicional em motores a gasolina na aviação geral e a ampla disponibilidade de combustível diesel, pode-se concluir que emulsões de água em diesel podem ser uma alternativa viável para alcançar o objetivo de melhorar taxas de consumo de combustível em algumas condições, reduzir emissões de óxido de azoto, fumo e diminuir custos, quando otimizadas para condições de operação específicas de veículos aéreos movidos a diesel.
Emulsões de água em diesel como combustível alternativo estão a surgir como uma opção viável para fazer frente ao consumo global de combustíveis fósseis e às restrições de emissões sem a necessidade de modificações no motor. Numa emulsão, dois líquidos imiscíveis são misturados com a ajuda de surfatantes, onde gotas de um líquido estão dispersas numa fase contínua. Esta tese pretende comparar diesel emulsificado com água com diesel europeu comercialmente disponível (EN590) relativamente ao desempenho do motor e emissões. Os testes foram conduzidos num motor a diesel monocilíndrico de injeção direta (Hatz 1B40) através de um dinamómetro de correntes de Foucault, um analisador de gases de escape e um opacímetro. Com o objetivo de testar o motor e os combustíveis alternativos para condições de operação encontradas frequentemente em veículos aéreos equipados com motores diesel (princípios de operação semelhantes), os testes foram executados para condições de ralenti (simulando o movimento de táxi de uma aeronave), 100% de carga do motor (simulando as manobras de descolagem e de subida), 50% de carga do motor (representando as fases de descida, aproximação e aterragem) e 75% de carga do motor (representado a componente de cruzeiro do perfil de voo de uma aeronave) a diferentes rotações do motor. Misturas de combustível diesel EN590, água deionizada e surfatantes foram produzidas em laboratório através de homogeneização mecânica para obter as concentrações ideais dos diferentes reagentes a serem replicadas mais tarde a uma escala maior e usando um método de mistura de baixa energia. As emulsões foram desenvolvidas para estarem otimizadas à temperatura de operação do motor e aquecidas acima da temperatura de operação do gasóleo de forma a alcançar viscosidades semelhantes durante os procedimentos de teste. Os resultados sugerem que adicionar água como uma fase dispersa no combustível permite obter uma eficiência térmica superior e menores emissões de óxidos de azoto e fumo em algumas condições comparado com o diesel tradicional. Por outro lado, emissões de hidrocarbonetos, monóxido de carbono e dióxido de carbono aumentaram, possivelmente devido a diferenças no atraso de injeção entre os combustíveis. Ao priorizar o desempenho em detrimento da estabilidade através da adoção de uma formulação de emulsão hidrofílica, alinhada com a dificuldade de otimização adicional em motores a gasolina na aviação geral e a ampla disponibilidade de combustível diesel, pode-se concluir que emulsões de água em diesel podem ser uma alternativa viável para alcançar o objetivo de melhorar taxas de consumo de combustível em algumas condições, reduzir emissões de óxido de azoto, fumo e diminuir custos, quando otimizadas para condições de operação específicas de veículos aéreos movidos a diesel.
Description
Keywords
Poluição Combustíveis Fósseis Motores De Combustão Interna Motor Diesel Combustíveis Emulsificados Emulsão De Água Em Diesel Combustíveis Aeronáuticos Desempenho Emissões Pollution Fossil Fuels Internal Combustion Engine