Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

OZCAN, HAKAN; ÇAKMAK, Abdülvahap

doi:10.30728/boron.1021667

Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

Abdülvahap Çakmak, (Samsun Üniversitesi, Kavak Meslek Yüksekokulu, Motorlu Araçlar ve Ulaştırma Teknolojileri Bölümü, Samsun, Türkiye)

Hakan Özcan (Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Samsun, Türkiye)

BOR DERGİSİ

2 1

Yıl: 2022 Cilt: 7 Sayı: 1 Sayfa Aralığı: 420 - 429 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.30728/boron.1021667 İndeks Tarihi: 19-09-2022

Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

Öz:

Bu çalışmada bor oksit (B2O3) nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliği deneysel olarak araştırılmıştır. Bor oksit nano parçacıkları, hacimsel %20 oranında kanola yağı biyodizeli içeren dizel-biyodizel karışımına (B20) 50 ppm, 100 ppm ve 200 ppm konsantrasyonunda mekanik ve ultrasonik karıştırma yöntemleri ile eklenmiştir. Hazırlanan nanoyakıtların bazı yakıt özellikleri ölçülmüş ve ardından standart motor ayarlarında motor testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde bor oksit nanoparçacıklarının dizel motorunun yanma, performans ve emisyon karakteristiklerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca yakıt fiyatı ve özgül yakıt tüketimine dayalı olarak bir maliyet analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, bor oksit nanoparçacıkları yakıtın soğukta akış özelliklerini geliştirdiği ancak kinematik viskozitesini artırdığı gözlemlenmiştir. Motor performansı açısından bor oksit nanoparçacıklarının 100 ppm oranında kullanılabileceği belirlenmiştir. Bu nanoparçacık konsantrasyonunda motorun özgül yakıt tüketiminin %1,66 oranında azaldığı ve efektif veriminin %0,96 oranında arttığı belirlenmiştir. Aynı zamanda CO ve HC emisyonları ortalama olarak sırası ile %1,29 ve %22,12 oranında azalmıştır. Fakat motorun aynı çalışma şartlarında NO ve is emisyonları ortalama olarak %14,90 ve %31,03 oranında artmıştır. Bununla birlikte özgül yakıt tüketimi düşmesine rağmen nanoparçacıklarının yüksek fiyatı nedeniyle birim efektif güç için yakıt maliyeti ortalama %116 oranında artmıştır. Tüm bulgular değerlendirildiğinde, fayda-maliyet dengesinin sağlanması halinde bor oksit nanoparçacıklarının dizel-biyodizel yakıt karışımları için nanoyakıt katkısı olarak kullanılabileceği belirlenmiştir.

Anahtar Kelime: Bor oksit Dizel motor Emisyon Nanoyakıt katkısı Performans

Investigation of the usability of boron oxide nanoparticles as diesel fuel additive

Öz:

In this study, the usability of the boron oxide (B2O3) nanoparticles as diesel fuel additive was experimentally investigated. Boron oxide nanoparticles were added to the diesel- biodiesel blend (B20) containing 20% by volume canola oil biodiesel at 50 ppm, 100 ppm, and 200 ppm concentrations by mechanical and ultrasonic mixing techniques. Some fuel properties of the prepared nano fuels were measured and then engine tests were carried out at standard engine settings. In these tests, the effect of boron oxide nanoparticles on combustion, performance, and emissions characteristics of the diesel engine were investigated. In addition, a cost analysis was carried out depending on fuel price and specific fuel consumption. According to the results obtained, it was determined that boron oxide nanoparticles improve the cold flow properties of the fuel but increase the kinematic viscosity. It has been determined that boron oxide nanoparticles can be used at a concentration of 100 ppm in terms of high engine performance. It was ascertained that the specific fuel consumption of the engine decreased by 1.66% and the effective efficiency increased by 0.96% at this nanoparticle concentration. At the same time, CO and HC emissions decreased on average by 1.29% and 22.12%, respectively. But under the same engine operating conditions, NO and soot emissions increased by 14.90% and 31.03% on average. Though, the decrease in specific fuel consumption, the fuel cost per unit of effective power increased by 116% on average due to the high price of nanoparticles. Once all findings are evaluated, it has been concluded that boron oxide nanoparticles can be used as nanofuel additives for diesel-biodiesel fuel mixtures if the benefit-cost balance is achieved.

Anahtar Kelime: Boron oxide Diesel engine Emission Nanofuel additive Performance

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

[1] Soudagar, M. E. M., Nik-Ghazali, N. N., Kalam, M. A., Badruddin, I. A., Banapurmath, N. R., & Akram, N. (2018). The effect of nano-additives in diesel-biodiesel fuel blends: A comprehensive review on stability, engine performance and emission characteristics. Energy Con- version and Management, 178, 146-177.
[2] Shaafi, T., Sairam, K., Gopinath, A., Kumaresan, G., & Velraj, R. (2015). Effect of dispersion of various nanoad- ditives on the performance and emission characteristics of a CI engine fuelled with diesel, biodiesel and blends- a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 49, 563-573.
[3] Hatami, M., Hasanpour, M., & Jing, D. (2020). Recent developments of nanoparticles additives to the consum- ables liquids in internal combustion engines: Part I: Na- no-fuels. Journal of Molecular Liquids, 318, 114250.
[4] Gürmen, S., Ebin, B., & İTÜ, M. (2008). Nanopartiküller ve üretim yöntemleri-1 [Nanoparticles and their produc- tion methods-1]. Metalurji [Metallurgy], 150, 31-38.
[5] Liveri, V. T. (2006). Controlled synthesis of nanoparticles in microheterogeneous systems. Springer Science & Business Media.
[6] Tripathi, R., Negi, P., Singh, Y., Ranjit, P. S., & Sharma, A. (2021). Role of nanoparticles as an additive to the bio- diesel for the performance and emission analysis of die- sel engine-A review. Materials Today: Proceedings, 46, 11222-11225.
[7] Bhan, S., Gautam, R., Singh, P., & Sharma, A. (2022). A Comprehensive Review of Performance, Combustion, and Emission Characteristics of Biodiesel Blend with Nanoparticles in Diesel Engines. Recent Trends in Ther- mal Engineering, 73-88.
[8] Ahmed, A., Shah, A. N., Azam, A., Uddin, G. M., Ali, M. S., Hassan, S., ... & Aslam, T. (2020). Environment- friendly novel fuel additives: Investigation of the effects of graphite nanoparticles on performance and regulated gaseous emissions of CI engine. Energy Conversion and Management, 211, 112748.
[9] Sajith, V., Sobhan, C. B., & Peterson, G. P. (2010). Ex- perimental investigations on the effects of cerium oxide nanoparticle fuel additives on biodiesel. Advances in Me- chanical Engineering, 2, 581407.
[10] El-Seesy, A. I., Attia, A. M., & El-Batsh, H. M. (2018). The effect of Aluminum oxide nanoparticles addition with Jojoba methyl ester-diesel fuel blend on a diesel engine performance, combustion and emission charac- teristics. Fuel, 224, 147-166.
[11] Chen, A. F., Adzmi, M. A., Adam, A., Othman, M. F., Kamaruzzaman, M. K., & Mrwan, A. G. (2018). Com- bustion characteristics, engine performances and emis- sions of a diesel engine using nanoparticle-diesel fuel blends with aluminium oxide, carbon nanotubes and silicon oxide. Energy Conversion and Management, 171, 461-477.
[12]Saxena, V., Kumar, N., & Saxena, V. K. (2017). A com- prehensive review on combustion and stability aspects of metal nanoparticles and its additive effect on diesel and biodiesel fuelled CI engine. Renewable and Sus- tainable Energy Reviews, 70, 563-588.
[13] Fayad, M. A., & Dhahad, H. A. (2021). Effects of adding aluminum oxide nanoparticles to butanol-diesel blends on performance, particulate matter, and emission char- acteristics of diesel engine. Fuel, 286, 119363.
[14] Wei, J., Yin, Z., Wang, C., Lv, G., Zhuang, Y., Li, X., & Wu, H. (2021). Impact of aluminium oxide nanoparticles as an additive in diesel-methanol blends on a modern DI diesel engine. Applied Thermal Engineering, 185, 116372.
[15] Dinesha, P., Kumar, S., & Rosen, M. (2021). Effects of particle size of cerium oxide nanoparticles on the combustion behavior and exhaust emissions of a die- sel engine powered by biodiesel/diesel blend. Biofuel Research Journal, 8(2), 1374-1383.
[16] Sunil, S., Prasad, B. C., & Kakkeri, S. (2021). Studies on titanium oxide nanoparticles as fuel additive for im- proving performance and combustion parameters of CI engine fueled with biodiesel blends. Materials Today: Proceedings, 44, 489-499.
[17] Janakiraman, S., Lakshmanan, T., & Raghu, P. (2021). Experimental investigative analysis of ternary (diesel+ biodiesel+ bio-ethanol) fuel blended with metal-doped titanium oxide nanoadditives tested on a diesel engine. Energy, 235, 121148.
[18] Razzaq, L., Mujtaba, M. A., Soudagar, M. E. M., Ahmed, W., Fayaz, H., Bashir, S., ... & El-Seesy, A. I. (2021). En- gine performance and emission characteristics of palm biodiesel blends with graphene oxide nanoplatelets and dimethyl carbonate additives. Journal of Environmental Management, 282, 111917.
[19] Murugesan, P., Hoang, A. T., Venkatesan, E. P., Kumar, D. S., Balasubramanian, D., & Le, A. T. (2021). Role of hydrogen in improving performance and emission characteristics of homogeneous charge compression ignition engine fueled with graphite oxide nanoparticle- added microalgae biodiesel/diesel blends. Internation- al Journal of Hydrogen Energy (in press). https://doi. org/10.1016/j.ijhydene.2021.08.107
[20] Gad, M. S., & Gadow, S. I. (2021). Enhancement of combustion characteristics and emissions reductions of a diesel engine using biodiesel and carbon nanotube. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 29(4), 267-279.
[21] Ghoneim, N. A., & Halawa, M. M. (1985). Effect of bo- ron oxide on the thermal conductivity of some sodium silicate glasses. Thermochimica Acta, 83(2), 341-345.
[22] Ojha, P. K., & Karmakar, S. (2018). Boron for liquid fuel Engines-A review on synthesis, dispersion stability in liquid fuel, and combustion aspects. Progress in Aero- space Sciences, 100, 18-45.
[23] Akıncıoğlu, G., Akıncıoğlu, S., Uygur, İ., & Ötkem, H. (2019). Alternatif katkı maddesi olarak kullanılan bor oksitin fren balatasının sürtünme davranışına etkisinin incelenmesi [Investigation of the effect of boron oxide on the friction behavior of brake pads as an alternative additive]. Journal of Boron, 4(1), 1-6.
[24] Eti Mine Works (2015). Boron Oxide Product Specifica- tion. https://www.etimaden.gov.tr/rafine-urunler
[25] Alizadeh, M., Sharifianjazi, F., Haghshenasjazi, E., Aghakhani, M., & Rajabi, L. (2015). Production of nano- sized boron oxide powder by high-energy ball milling. Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal Chemistry, 45(1), 11-14.
[26] Huang, Z., Wu, Q., Li, X., Shang, S., Dai, X., & Yin, Y. (2010). Synthesis and characterization of nano-sized boron powder prepared by plasma torch. Plasma Sci- ence and Technology, 12(5), 577-580.
[27] Kuo, K. K., Risha, G. A., Evans, B. J., & Boyer, E. (2003). Potential usage of energetic nano-sized pow- ders for combustion and rocket propulsion. Materials Research Society Symposium-Proceedings, 800(1), 39-50.
[28] Gökdai, D., Metin, G., & Toğrul, T. (2016). Mekanokimy- asal yöntemle bor oksitten elementel bor sentezlenmesi ve karakterizasyonu. Journal of Gazi University Faculty of Engineering and Architecture, 31(2), 425-433.
[29] Li, Y., Wang, Y., Lv, Q., Qin, Z., & Liu, X. (2013). Syn- thesis of uniform plate-like boron nitride nanoparticles from boron oxide by ball milling and annealing process. Materials Letters, 108, 96-102.
[30] Cakmak, A., & Ozcan, H. (2021). Investigation of the usability of glycerol ethers as second-generation bio- fuel in diesel engine. Journal of Thermal Science and Technology, 41(2), 191-204.
[31] Cakmak, A. (2021). Experimental investigation of the improvement of combustion, performance and emis- sion characteristics of a diesel engine by using pro- duced different fuel additives [Ph.D. Thesis, Ondokuz Mayıs University]. Council of Higher Education Thesis Center. (Thesis Number: 704351).
[32] Kline, S. J., & McClintock F. A. (1953). Describing un- certainties in single-sample experiments. Mechanical Engineering, 75, 3-8.
[33] Holman, J. P. (2012). Experimental methods for en- gineers (8th ed.). New York: McGraw Hill Book. ISBN 0071326480
[34] Sahin, Z., Aksu O. N., & Bayram, C. (2021). The effects of n-butanol/gasoline blends and 2.5% n-butanol/gaso- line blend with 9% water injection into the intake air on the SIE engine performance and exhaust emissions. Fuel, 303, 121210.
[35] Duan, X., Li, Y., Liu, J., Guo, G., Fu, J., Zhang, Q., ... & Liu, W. (2019). Experimental study the effects of various compression ratios and spark timing on perfor- mance and emission of a lean-burn heavy-duty spark ignition engine fueled with methane gas and hydrogen blends. Energy, 169, 558-571.
[36] Gumus, S., Ozcan, H., Ozbey, M., & Topaloglu, B. (2016). Aluminum oxide and copper oxide nanodiesel fuel properties and usage in a compression ignition en- gine. Fuel, 163, 80-87.
[37] Muruganantham, P., Pandiyan, P., & Sathyamurthy, R. (2021). Analysis on performance and emission charac- teristics of corn oil methyl ester blended with diesel and cerium oxide nanoparticle. Case Studies in Thermal Engineering, 26, 101077.
[38] Durgun, O. (1990). Motorlarda deneysel yöntemler. [Ders notu] Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Trabzon.
[39] Cakmak, A., & Bilgin, A. (2017). Exergy and energy analysis with economic aspects of a diesel engine run- ning on biodiesel-diesel fuel blends. International Jour- nal of Exergy, 24(2-4), 151-172.
[40] Bilgin, A , & Sezer, I. (2008). Effects of methanol ad- dition to gasoline on the performance and fuel cost of a spark ignition engine. Energy & Fuels, 22(4), 2782- 2788.
[41] Heywood, J. B. (1998). Internal combustion engine fun- damentals. New York: McGraw-Hill. ISBN 1260116115. [42] Stone, R. (1999). Introduction to internal combustion engines. London:Macmillan. ISBN 0768004950.
[43] Shehata, M. S. (2013). Emissions, performance and cylinder pressure of diesel engine fuelled by biodiesel fuel. Fuel, 112, 513-522.
[44] Zhang, Z., Lu, Y., Wang, Y., Yu, X., Smallbone, A., Dong, C., & Roskilly, A. P. (2019). Comparative study of using multi-wall carbon nanotube and two different sizes of cerium oxide nanopowders as fuel additives under vari- ous diesel engine conditions. Fuel, 256, 115904.
[45] Zhang, Z. H., & Balasubramanian, R. (2017). Effects of cerium oxide and ferrocene nanoparticles addition as fuel-borne catalysts on diesel engine particulate emis- sions: Environmental and health implications. Environ- mental Science & Technology, 514248-514258.
[46] Elżbieta, D., Małgorzata, S., Pośniak, M., Andrzej, S., Bartosz, P., & Woodburn, J. (2020). Exhaust emissions from diesel engines fuelled by different blends with the addition of nanomodifiers and HVO. Environmental Pol- lution, 259, 113772.
[47] Soudagar, M. E. M., Mujtaba, M. A., Safaei, M. R., Af- zal, A., Ahmed, W., Banapurmath, N. R., ... & Taqui, S. N. (2021). Effect of Sr@ZnO nanoparticles and Rici- nus communis biodiesel-diesel fuel blends on modi- fied CRDI diesel engine characteristics. Energy, 215, 119094.

APA	ÇAKMAK A, OZCAN H (2022). Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. , 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
Chicago	ÇAKMAK Abdülvahap,OZCAN HAKAN Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. (2022): 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
MLA	ÇAKMAK Abdülvahap,OZCAN HAKAN Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. , 2022, ss.420 - 429. 10.30728/boron.1021667
AMA	ÇAKMAK A,OZCAN H Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. . 2022; 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
Vancouver	ÇAKMAK A,OZCAN H Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. . 2022; 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
IEEE	ÇAKMAK A,OZCAN H "Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması." , ss.420 - 429, 2022. 10.30728/boron.1021667
ISNAD	ÇAKMAK, Abdülvahap - OZCAN, HAKAN. "Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması". (2022), 420-429. https://doi.org/10.30728/boron.1021667

APA	ÇAKMAK A, OZCAN H (2022). Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. BOR DERGİSİ, 7(1), 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
Chicago	ÇAKMAK Abdülvahap,OZCAN HAKAN Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. BOR DERGİSİ 7, no.1 (2022): 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
MLA	ÇAKMAK Abdülvahap,OZCAN HAKAN Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. BOR DERGİSİ, vol.7, no.1, 2022, ss.420 - 429. 10.30728/boron.1021667
AMA	ÇAKMAK A,OZCAN H Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. BOR DERGİSİ. 2022; 7(1): 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
Vancouver	ÇAKMAK A,OZCAN H Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. BOR DERGİSİ. 2022; 7(1): 420 - 429. 10.30728/boron.1021667
IEEE	ÇAKMAK A,OZCAN H "Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması." BOR DERGİSİ, 7, ss.420 - 429, 2022. 10.30728/boron.1021667
ISNAD	ÇAKMAK, Abdülvahap - OZCAN, HAKAN. "Bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması". BOR DERGİSİ 7/1 (2022), 420-429. https://doi.org/10.30728/boron.1021667