Environmental impact mitigation in diesel engines using emulsified Water-in-Diesel fuel blended with Al₂O₃ nanoparticles

Abstract

The primary objective of this work is to conduct an in-depth investigation into the performance, combustion, and emission characteristics of a diesel engine using Water-in-Diesel Emulsions (WiDE) with alumina oxide (Al2O3) nanoparticles to reduce harmful pollutants and enhance efficiency amid increasingly stringent environmental regulations. Emulsified fuels were prepared as containing 5%, 10%, and 15% water by volume. Furthermore, 100 ppm of Al2O3 nanoparticles were uniformly dispersed in the blends to enhance atomization and improve combustion characteristics. Engine testing was carried out from no load to full load to assess the performance, combustion behavior, and emission characteristics of the prepared fuel blends. The most important results obtained from this research show that the WiDE blends give higher brake thermal efficiency and significantly lower emissions with respect to diesel. Among all, the best behavior was shown by WiDE10, which showed a 7.14% increase in brake thermal efficiency and reductions in HC by 50.00%, CO by16.67%, NOXby 66.67%, and smoke by 46.88%. In combustion analysis,it was observed that diesel shows a peak pressure of 62.74 bar at 366°CA, whereas WiDE blends produce smoother combustion with a lower heat release rate due to water-induced micro-explosions. The importance of the obtained results is to demonstrate that the synergistic effects of water emulsification and Al₂O₃ nanoparticles enhance the processes of atomization and reduce peak temperatures, thus allowing cleaner combustion. Hence, WiDE10 turns out to be a promising and eco-friendly alternative fuel for diesel engines.

Obiectivul principal al acestei lucrări este de a realiza o investigație aprofundată a performanței, combustiei și caracteristicilor de emisii ale unui motor diesel utilizând emulsii apă-în-motorină (WiDE) cu nanoparticule de oxid de alumină (Al2O3) pentru a reduce poluanții nocivi și a spori eficiența în contextul unor reglementări de mediu din ce în ce mai stricte.Combustibilii emulsionați au fost preparați conținând 5%, 10% și 15% apă în volum.În plus, 100 ppm de nanoparticule de Al2O3au fost dispersate uniform în amestecuri pentru a spori atomizarea și a îmbunătățicaracteristicile de ardere.Testarea motorului a fost efectuată de la sarcină zero la sarcină maximă pentru a evalua performanța, comportamentul la ardere și caracteristicile de emisii ale amestecurilor de combustibil preparate.Cele mai importante rezultate obținute din această cercetare arată că amestecurile WiDE oferă o eficiență termică de frânare mai mare și emisii semnificativ mai mici în comparație cu motorina.Dintre toate, cel mai bun comportament a fost demonstrat de WiDE10, care a arătat o creștere de 7.14% a eficienței termice a frânării și reduceri ale HC cu 50.00%, CO cu 16.67%, NOX cu 66.67% și fum cu 46.88%.În analiza combustiei, s-a observat că motorina prezintă o presiune maximă de 62.74 bar la 366°CA, în timp ce amestecurile WiDE produc o combustie mai lină, cu o rată mai mică de eliberare a căldurii datorită microexploziilor induse de apă.Importanța rezultatelor obținute constă în demonstrarea faptului că efectele sinergice ale emulsionării apei și nanoparticulelor de Al₂O₃ îmbunătățescprocesele de atomizare și reduc temperaturile maxime, permițând astfel o combustie mai curată.Prin urmare, WiDE10 se dovedește a fi un combustibil alternativ promițător și ecologic pentru motoarele diesel.

Основная цель данной работы —провести углубленное исследование характеристик работы, сгорания и выбросов дизельного двигателя с использованием водно-дизельных эмульсий (WiDE) с наночастицами оксида алюминия (Al2O3) для снижения уровня вредных загрязняющих веществ и повышения эффективности в условиях ужесточения экологических норм.Эмульгированные топлива были приготовлены с содержанием воды 5%, 10% и 15% по объему.Кроме того, в смеси были равномерно диспергированы наночастицы Al2O3 в количестве 100 ppm для улучшения распыления и характеристик сгорания.Испытания двигателя проводились от холостого хода до полной нагрузки для оценки характеристик работы, поведения при сгорании и выбросов приготовленных топливных смесей.Наиболее важные результаты, полученные в ходе этого исследования, показывают, что смеси WiDE обеспечивают более высокий тормозной тепловой КПД и значительно меньшие выбросы по сравнению с дизельным топливом.Среди всех вариантов наилучшие результаты показала смесь WiDE10, продемонстрировавшая увеличение термического КПД на7.14% и снижение выбросов HC на 50.00%, CO на 16.67%, NOX на 66.67% и дымности на 46.88%.Анализ сгорания показал, что дизельное топливо достигает пикового давления 62.74 бар при 366°CA, в то время как смеси WiDE обеспечивают более плавное сгорание с меньшей скоростью выделения тепла за счет микро-взрывов, вызванных водой.Важность полученных результатов заключается в демонстрации того, что синергетический эффект эмульгирования воды и наночастиц Al₂O₃ усиливает процессы распыления и снижает пиковые температуры, обеспечивая тем самым более чистое сгорание.Таким образом, WiDE10 оказывается перспективным и экологически чистым альтернативным топливом для дизельных двигателей.