Potencjał użytkowo-eksploatacyjny butanolu jako paliwa alternatywnego do zasilania silników ZI

• Autorzy: Stępień Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.02.07

Warianty tytułu

EN

Utility-exploitation potential of butanol as an alternative fuel designed for car SI engines

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Coraz bardziej surowe przepisy w zakresie ograniczania szkodliwych składników spalin emitowanych przez silniki spalinowe wymuszają konieczność stosowania na coraz szerszą skalę paliw alternatywnych. Biorąc pod uwagę te wymagania, alkohole stanowią atrakcyjną alternatywę jako komercyjnie wykorzystywane paliwa, w tym zarówno jako paliwa samoistne, jak i w mieszankach z benzyną lub olejem napędowym. Stosowanie paliw alkoholowych może być jednym z istotnych czynników przyczyniających się do ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery – pod warunkiem dobrej znajomości właściwości paliw i ich optymalnego wykorzystania. Etanol i butanol są alkoholami uważanymi za najbardziej perspektywiczne biokomponenty do obecnie stosowanych paliw konwencjonalnych. Odznaczają się one korzystnymi właściwościami użytkowo-eksploatacyjnymi i proekologicznymi, pozwalającymi zmniejszyć udział paliw węglowodorowych do zasilania silników, jak i ograniczyć emisję składników szkodliwych do atmosfery, w tym CO2. Dotychczas zdecydowanie większe zastosowanie znalazł etanol, mieszany w różnych proporcjach z benzyną i w wielu krajach powszechnie stosowany do zasilania silników ZI. Wynika to prawdopodobnie ze znacznie większej liczby prac badawczych o znaczeniu poznawczym oraz utylitarnym, które pozwoliły na wcześniejsze i szersze wykorzystanie etanolu jako samodzielnego paliwa lub domieszki do paliwa. Jednak w mieszaninach z benzyną, stosowanych jako paliwa do silników ZI, butanol wykazuje kilka istotnych zalet w porównaniu z etanolem. Butanol jest znacznie mniej higroskopijny, lepiej mieszalny z benzyną i ma większą wartość opałową, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa. Gdy butanol jest mieszany z benzyną, jego blendingowa prężność par jest mniejsza niż w przypadku etanolu, co ułatwia spełnienie wymagań normy EN 228. Największe wady butanolu w stosunku do etanolu w zastosowaniu do paliw stanowiących mieszanki z benzyną to mniejsza wartość liczby oktanowej i mniejsze ciepło parowania oraz większa gęstość i lepkość, co może przyczyniać się do większej względem etanolu skłonności do tworzenia szkodliwych osadów, zarówno w obszarze układu wtrysku paliwa, jak i silnika. W sumie butanol ma większy potencjał w porównaniu do etanolu w zakresie właściwości użytkowo-eksploatacyjnych w zastosowaniu do mieszanek paliw benzynowoalkoholowych do silników ZI.

EN

Increasingly stricter rules apply to the protection of the environment, including reduction of emissions of noxious car engine exhaust fumes, enforce necessary the use of alternative fuels on an increasingly wider scale. Taking into account these requirements alcohols constitute an attractive alternative as a commercially used fuels including both as selfcontained fuels as well as in blends with petrol or diesel oil. Application of the alcohol fuels may be an important factor that will help to cut emissions from the transport sector, provided good knowledge of fuel performances and optimal use of them. Ethanol and butanol are the alcohols which are considered to be the most promising biocomponents to the currently used conventional fuels. They have many varied and positive exploitation properties as well as proecological which allow to reduce share of hydrocarbon fuels to power IC engines and reduce harmful emissions as well greenhouse gases into the atmosphere. So far, ethanol was applied more widespread, mixed with petrol in variable proportions and in many countries used to power the SI engines. This is probably due to the substantially more quantities of research of cognitive and utilitarian meaning which allowed earlier and wider utilization of the ethanol as a selfcontained fuel or blending component. However in blends with petrol, used as a fuels for SI engines, butanol shows a few significant advantages in comparison with ethanol. Butanol is significantly less hygroscopic, better miscible with petrol and characterised with higher calorific value which contributes to lower fuel consumption. Once the butanol is mixed with petrol its blending vapour pressure is lower than that of the ethanol making easier conformity with the standard EN 228. The most significant disadvantageous of the butanol in comparison with ethanol in application to fuels designed as a petrol blends is lower octane number and lower heat of vaporization as well as higher density and viscosity which, in turn, may lead to higher against ethanol tendencies to create harmful deposits both in the area of engine as well as in the fuel injection system. In brief butanol has greater potential against ethanol as regards the performance characteristics in the case of petrol-alcohol blends designed for SI car engines.

Słowa kluczowe

PL

paliwa alkoholowe; etanol; butanol; potencjał; silniki ZI

EN

alcohol fuels; ethanol; butanol; potential; SI engines

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 2
• Strony: 126--135
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz.

Twórcy

autor

Stępień Zbigniew

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Aakko-Saksa P., Rantanen-Kolehmainen L., Koponen P., Engman A., Kihlman J., 2011. Biogasoline options – Possibilities for achieving high bio-share and compatibility with conventional cars. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 4(2): 298–317.
• Agarwal A.K., Karare H., Dhar A., 2014. Combustion, performance, emissions and particulate characterization of a methanol-gasoline blend (gasohol) fuelled medium duty spark ignition transportation engine. Fuel Processing Technology, 12: 16–24.
• Alptekin E., Canakci M., 2008. Determination of the density and the viscosities of biodiesel–diesel fuel blends. Renewable Energy, 33(12): 2623–2630.
• Andersen V.F., Anderson J.E., Wallington T.J., Nielsen O.J., 2010. Vapor pressures of alcohol-gasoline blends. Energy Fuels, 24(16): 3647–3654.
• Balki M., Sayin C., Canakci M., 2014. The effect of different alcohol fuels on the performance, emission and combustion characteristics of a gasoline engine. Fuel, 115: 901–906.
• Bata R.M., Elrod A.C., Lewandowski T.P., 1989. Butanol as a Blending Agent With Gasoline for IC Engines. SAE, paper 890434.
• Castagliola M.M., De Simio L., Iannaccone S., Prati M.V., 2013. Combustion efficiency and engine-out emissions of a SI engine fueled with alcohol/gasoline blends. Appl. Energy, 111: 1162–1171.
• Dasilva R., Cataluna R., Menezes E., Samios D., Piatnicki C., 2005. Effect of additives on the antiknock properties and Reid vapor pressure of gasoline. Fuel, 84(7–8): 951–959.
• Elfasakhany A., 2014. Experimental study on emissions and performance of an internal combustion engine fuelled with gasoline and gasoline/n-butanol blends. Energy Conversion and Management, 88: 277–283.
• Elfasakhany A., 2016a. Experimental study of dual n-butanol and iso-butanol additives on spark-ignition engine performance and emissions. Fuel, 163: 166–174.
• Elfasakhany A., 2016b. Performance and emissions of spark-ignition engine using ethanol–methanol–gasoline, n-butanol–iso-butanol– gasoline and iso-butanol–ethanol–gasoline blends. Eng. Sci. Technol. Int. J., 19: 2053–2059.
• Elfasakhany A., Mahrous A-F., 2016. Performance and emissions assessment of n-butanol–methanol–gasoline blends as a fuel in sparkignition engines. Alexandria Engineering Journal, 55(3): 3015–3024. DOI: 10.1016/j.aej.2016.05.016.
• Eyidogan M., Ozsezen A.N., Canakci M., Turkcan A., 2010. Impact of alcohol-gasoline fuel blends on the performance and combustion characteristics of an SI engine. Fuel, 89(10): 2713–2720.
• Fenkl M., Pechout M., Vojtisek M., 2016. N-butanol and isobutanol as alternatives to gasoline: Comparison of port fuel injector characteristics. EPJ Web of Conferences, 114: 02021. DOI: 10.1051/epjconf/201611402021.
• Fourier E., Simon G., Seers P., 2016. Evaluation of low concentrations of ethanol, butanol BE, and ABE with gasoline direct-injection, spark-ignition engine. Fuel, 181: 396–407.
• Galloni E., Fontana G., Staccone S., Scala F., 2016. Performance analyses of a spark-ignition engine firing with gasoline-butanol blends at partial load operation. Energy Convers. Manag., 110: 319–326.
• Gautam M., Martin D.W., 2000a. Emission characteristics of higher-alcohol/gasoline blends. Proc. Inst. Mech. Eng. A – Power Energy, 214: 165–182.
• Gautam M., Martin D.W., 2000b. Combustion characteristics of higher-alcohol/gasoline blends. Proc. Inst. Mech. Eng. A – Power Energy, 214: 497–511.
• George H.A., Johnson J.L., Moore W.E., Holdeman L.V. et al., 1983. Acetone, Isopropanol, and Butanol Production by Clostridium beijerinckii (syn. Clostridium butylicum) and Clostridium aurantibutyricum. Appl. Environ. Microbiol., 45(3): 1160–1163.
• Haynes W.M., 2014. Handbook of Chemistry and Physics. 95 Edition. CRC Press.
• Holmborn J., 2015. Alternative fuels for Internal Combustion Engines. Institutionen for Maskinkonstruktion. Skolan for industriell teknik och management. KTH. Report within project “A pre-study to prepare fpr interdisciplinary research on future alternative transportation fuels”, financed by The Swedish Energy Agency.
• Hönig V., Kotek M., Marik J., 2014. Use of butanol as a fuel for internal combustion engines. Agronomy Research, 12(2): 333–340.
• Houghton-Alico D., 1982. Alcohol fuels: policies, production, and potential. Westview Press.
• Irimescu A., 2009. Full Load Performance of a Spark Ignition Engine Fueled with Gasoline-Isobutanol Blends. Analele Universitatii “Eftimie Murgu” Resita, Anul XVI, 1: 151–156. ISSN 1453-7397.
• Jin C., Yao M., Liu H., Lee C.F., Ji J., 2011. Progress in the production and application of n-butanol as a biofuel. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(8): 4080–4106.
• Masum B., Masjuki H.H., Kalam M.A., Palash S.M., Habibullah M., 2015. Effect of alcohol-gasoline blends optimization on fuel properties, performance and emissions of a SI engine. Journal of Cleaner Production, 86: 230–237.
• Masum B.M., Masjuki H.H., Kalam M.A., Palash S.M., Wakil M.A., Imtenan S., 2014. Tailoring the key fuel properties using different alcohols (C2–C6) and their evaluation in gasoline engine. Energy Conversion and Management, 88: 382–390.
• Merola S., Tornatore C., Valentino G., Marchitto L. et al., 2011. Optical Investigation of the Effect on the Combustion Process of ButanolGasoline Blend in a PFI SI Boosted Engine. SAE Technical Paper, 2011-24-0057. DOI: 10.4271/2011-24-0057.
• Munoz M., Moreno F., Monne C., Morea J., Terradillos J., 2011. Biodiesel improves lubricity of new low Sulphur diesel fuels. Renewable Energy, 36(11): 2918–2924.
• Pałuchowska M., 2015. Butanol produkowany z biomasy. Nafta-Gaz, 7: 502–509.
• Pałuchowska M., Stępień Z., 2017. Oceny paliw etanolowych w testach silnikowych i eksploatacyjnych. Nafta-Gaz, 2: 97–104. DOI:10.18668/NG.2017.02.04.
• Pierrot P., Fick M., Engasser J.M., 1986. Continuous acetone-butanol fermentation with high productivity by cell ultrafiltration and recycling. Biotechnol. Lett., 8(4): 253–256.
• Sarathy S.M., Oβwald P., Hansen N., Kohse-Höinghaus K., 2014. Alcohol combustion chemistry. Progress in Energy and Combustion Science, 44: 40–102.
• Surisetty V.R., Dalai A.K., Kozinski J., 2011. Alcohol as alternative fuels: An overview. Applied Catalysis A General, 404(1): 1–11.
• Utlu Z., Kocak M.S., 2008. The effect of biodiesel fuel obtained from waste frying oil on direct injection diesel engine performance and exhaust emissions. Renewable Energy, 33(8): 1936–1941.
• Venugopal T., Ramesh A., 2013. Effective utilization of butanol along with gasoline in a spark ignition engine through a dual injection system. Appl. Thermal Eng., 59: 550–558.
• Wallner T., Ickes A., Lawyer K., 2013. Analytical Assessment of C2–C8 Alcohols as Spark-Ignition Engine Fuels. Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress, Lecture Notes in Electrical Engineering, 191. DOI: 10.1007/978-3-642-33777-2_2.
• Wallner T., Ickes A., Shidore N., 2010. Impact of ethanol and butanol as oxygenates on SIDI engine efficiency and emissions using steadystate and transient test procedures. 16th Directions in Engine-Efficiency and Emissions Research (DEER) Conference, Detroit, Michigan.
• Yacoub Y., Bara R., Gautam N., 1998. The performance and emission characteristics of C1–C5 alcohol-gasoline blends witch matched oxygen content in a single cylinder spark ignition engine. Proc. Inst. Mech. Eng. A – Power Energy, 212: 363–379.
• Yang H., Yan R., Chen H., Zheng C., Lee D.H., Liang D.T., 2006. In-depth investigation of biomass pyrolysis based on three major components: hemicellulose, cellulose and lignin. Energy and Fuels, 20: 388–393.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).