Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

76

CONSTRUCTIVE TYPES OF ADAPTORS FOR THE RAW VEGETABL E OIL USED AT DIESEL

MOTORS /

TIPURI CONSTRUCTIVE DE ADAPTOARE PENTRU UTILIZAREA ULEIULUI VEGETAL CRUD LA MOTOARELE DIESEL

Lecturer Ph.D.Eng. Dobre Paul - USAMV Bucharest

Assoc. Prof.Ph.D.Eng. Farca ş Nicolae - USAMV Bucharest Student G ăgeanu Iuliana - Management Faculty USAMV Bucharest

Abstract: The present work describes the main constructive types of adaptors which allow Diesel motors to run with raw vegetable oil as fuel. The adaptors used at this time use different methods in what concerns the heating of the vegetable oil and also the way of commuting from diesel fuel to oil. - According to the type of heating, the adaptors can be classified in: adaptors where the oil heating is made by the thermal agent from the motor’s cooling system; adaptors where the heating is made using electrical resistances. - According to the manner of commuting, the adaptors can have: manual commuting, and automatic commuting when the optimum work temperature is reached. Emphasis should be placed on the fact that the raw vegetable oil constitutes a renewable fuel, relatively easy to produce in one’s own farm, which also leads to the energetic independence of the vegetable farms, and implicitly to the possibility of a vegetable production growth without additional expense, by doing the mechanical works at the optimum time. Keywords: adaptor, vegetable oil, commuting, thermal agent, electrical resistance

Raw vegetable oil constitutes an excellent fuel for Diesel motors, especially for the ones that equip tractors and agricultural machines. It is a regenerating fuel, relatively easy to produce in ones own farm, which leads to the energetic independency of vegetable farms, implicitly to bigger possibilities to increase vegetable production without additional expenses, by accomplishing mechanical works at an optimum moment, without delays in realizing the works caused by Diesel oil lack, respectively by lack of resources for acquiring it. Costs price for vegetable oil is lower in comparison with the one of Diesel oil, having the possibility to be substantially reduced if it is produced in ones own agricultural unit or by purchasing, with full usage of secondary products (groats, barms, peels). In the case of using the vegetable oil as fuel for Diesel motors, pollution rate is a lot smaller in comparison with classic fuel, practically the sulphur compound are missing.

Thanks to the presence of oxygen in the vegetable oil’s molecule, combustion in the motor’s cylinders is realized with black forming in small quantities.

In table 1 are pointed up the principal qualitative index for Diesel oil and vegetable oils. Analyzing the data from the table it is stated that the heating power of the vegetable oil is close to the one of classic fuel, resulting a fuel consumption/hectare with insignificant difference between Diesel fuel and raw vegetable oil.

Rezumat Lucrarea îşi propune cunoaşterea principalelor tipuri constructive de adaptoare care permit funcŃionarea motoarelor Diesel cu ulei vegetal crud ca şi combustibil. Adaptoarele folosite în prezent se deosebesc prin modul de încălzire a uleiului vegetal şi prin modul de comutare de pe motorină pe ulei. - După modul de încălzire se pot clasifica în: adaptoare la care încălzirea uleiului se realizează cu ajutorul agentului termic din sistemul de răcire al motorului; adaptoare la care încălzirea se realizează cu rezistenŃe electrice. - După modul de comutare adaptoarele pot fi: cu comutare manuală şi cu comutare automată la atingerea temperaturii optime de lucru. Trebuie subliniat că uleiul vegetal brut constituie un combustibil regenerabil, relativ uşor de produs în ferma proprie, ceea ce conduce şi spre independenŃa energetică a fermelor vegetale, implicit posibilităŃi sporite de creştere a producŃiei vegetale fără cheltuieli suplimentare, prin realizarea lucrărilor mecanice la momentul optim.

Cuvinte cheie: adaptor; ulei vegetal; comutare; agent termic; rezistenŃe electrice Uleiul vegetal crud constituie un combustibil excelent pentru motoarele Diesel, în special pentru cele care echipează tractoarele şi maşinile agricole. Este un combustibil regenerabil, relativ uşor de produs în ferma proprie, ceea ce conduce spre independenŃa energetică a fermelor vegetale, implicit posibilităŃi sporite de creştere a producŃiei vegetale fără cheltuieli suplimentare, prin realizarea lucrărilor mecanice la momentul optim, neexistând întârzieri în executarea lucrărilor din cauza lipsei de motorină, respectiv a resurselor pentru achiziŃionarea acesteia. PreŃul de cost al uleiului vegetal este mai redus în comparaŃie cu cel al motorinei, cu posibilităŃi de reducere substanŃială a acestuia dacă se produce în unitatea agricolă proprie din producŃie proprie sau din achiziŃii, cu valorificarea integrală a produselor secundare (şroturi, drojdii, coji). În cazul utilizării uleiului vegetal drept combustibil la motoarele Diesel, gradul de poluare este mult mai redus comparativ cu utilizarea combustibilului clasic, practic compuşii sulfului lipsesc.

Datorită prezenŃei oxigenului în molecula de uleiul vegetal, combustia în cilindrii motorului se realizează cu formare de funingine în cantităŃi mult diminuate. În tabelul 1 sunt evidenŃiaŃi principalii indici calitativi ai motorinei şi ai uleiurilor vegetale. Analizând datele din tabel se constată că puterea calorifică a uleiului vegetal este apropiată de cea a combustibilului clasic, de unde rezultă un consum de combustibil/ha cu diferenŃe nesemnificative între motorină şi uleiul vegetal crud.

Table 1

Main qualitative index forDiesel oil and vegetable oil / Principalii indici calitativi ai motorinei şi uleiurilor vegetale

Fuel type / Tip carburant

Heating power / Putere calorific ă

[kJ/kg]

Density at / Densitate la

15°°°°C [g/cm 3[

Viscidity at / Vâscozitate la

40°°°°C [mm 2/s]

Cetane number /

Cifră cetanic ă

Inflamability point / Punct de

inflamabilitate [°°°°C]

Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

77

Diesel oil / Motorină 42325 0,832 2,00-4,50 49,2 62 Rape oil / Ulei rapiŃă 37700 0,885 46,00 45,3 153 Sunflower oil / Ulei floarea soarelui 38525 0,910 45,00 40,3 195

Corn oil / Ulei porumb 37800 0,906 41,00 41,0 236 Soy bean oil / Ulei de soia 39252 0,901 40,00 40,8 205

In exchange, the viscidity is bigger to up to 10 times

than the one of Diesel oil, with negative effects regarding filtration and dispersal of fuel in the cylinders, also the inflammability point is higher, influencing negatively the motor starting. Viscidity correction can be made using a convertor (adaptor) equipped with a preheater, which rises oil’s temperature at 70÷80°C, when the oil’s parameters are close to those of Diesel oil and when on the Diesel motor’s cylinders must be fed with fuel. The high inflammability point of vegetable oil imposes the starting of the motor using Diesel oil, and after heating the oil at 70÷80°C it is passed on vegetable oil. Adaptors used practically are distinguished by the vegetable oil way of heating and by the way of commutation from diesel oil to vegetable oil.

According to the heating way it can be classified in: � Adaptoars heated using hot water, which use the

thermic energy from the cooling system of the motor using a heat changer. In diagram 1 is shown the sketch of a device used for preheating vegetable oil (heat changer) using hot water.

În schimb vâscozitatea uleiului este mai ridicata decât a motorinei de circa 10 ori, cu efecte negative privind filtrarea şi dispersarea combustibilului în cilindrii, de asemenea punctul de inflamabilitate este mai ridicat, influenŃând negativ pornirea motorului. Corectarea vâscozităŃii uleiului se poate realiza cu ajutorul unui convertor (adaptor) prevăzut cu preîncălzitor, care ridică temperatura uleiului la 70÷80°C, când parametrii uleiului sunt apropiaŃi de cei ai motorinei şi când cilindrii motorului Diesel trebuie alimentaŃi cu combustibil. Punctul de inflamabilitate ridicat al uleiului vegetal impune pornirea motorului pe motorină, iar după încălzirea uleiului la 70÷80°C se trece pe ulei vegetal. Adaptoarele utilizate în practică se deosebesc prin modul de încălzire a uleiului vegetal şi prin modul de comutare de pe motorină pe ulei.

După modul de încălzire se pot clasifica în: � Adaptoare încălzite cu apă caldă, care utilizează

energia termică din sistemul de răcire al motorului prin intermediul unui schimbător de căldură. În figura 1 este redată schema unui dispozitiv de preîncălzire a uleiului vegetal (schimbător de căldură) cu apă caldă.

Figure 1 - Vegetable oil preheater using hot water / Preîncălzitor de ulei vegetal cu apă caldă

� Adaptoars electrically heated, which use the thermic energy from elements with electric resistances. In diagram 2 is presented the sketch of a vegetable oil preheated equipped with electric elements. Electric oil heating is an efficient technical solution even at the cold motor starting and working, with the possibility to maintain the temperature under control, small dimensions, simple and easy assembling, low cost.

� Adaptoare încălzite electric, care utilizează energia termică furnizată de elemente cu rezistenŃe electrice. În figura 2 se prezintă schema unui preîncălzitor de ulei prevăzut cu elemente electrice. Încălzirea electrică a uleiului este o soluŃie tehnică eficientă chiar şi la pornirea şi funcŃionarea motorului la rece, cu posibilitatea de menŃinere sub control a temperaturii, gabaritul este redus, montare simplă şi uşoară, preŃ de cost redus.

Figure 2 - Vegetable oil preheator equipped with electric elements / Preîncălzitor de ulei vegetal cu elemente electrice 1. entrance connector / racord intrare; 2. exit connector / racord ieşire; 3. ventilation screw / şurub aerisire; B1,B2 - heating electric elements / B1,B2 - elemente electrice de încălzire; Tm1- comand thermostat / Tm1- termostat de comandă; Tm2 – protection thermostat / Tm2 – termostat de protecŃie

Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

78

According to the commutation way it can be classified in: � adaptors with manual commutation; � adaptors with automatic commutation.

După modul de comutare se pot clasifica în: � adaptoare cu comutare manuală; � adaptoare cu comutare automată.

Adaptors with automatic commutation can have: � electronic command (through some electronic components

assembled as a command modulus); � electromagnetic command (through some

electromagnetic relays).

Adaptoarele cu comutare automată la rândul lor pot fi: � cu comandă electronică (prin intermediul unor componente

electronice asamblate sub forma unui modul de comandă); � cu comandă electromagnetică (prin intermediul unor

relee electromagnetice. 1. Adaptors with manual commutation and oil heating using hot water from the motor’s cooling system – diagram 3. This type of adaptor allows the starting of the Diesel oil motor and the commutation through a double faucet with three ways. For the oil heating there is incorporated a heat switch connected to the motor’s cooling system. The cooling liquid and the vegetable oil circulates in counter-current. The oil’s optimum work temperature is realized when the motor’s cooling liquid temperature reaches a value of 70-800C. Until it reaches that temperature , the motor has to work using Diesel oil. Although it is a simple adaptor, it commutes relatively hard and needs a relatively big period of time to reach the optimum temperature for commutation on oil. Also, for its assembling it is necessary to make modifications both to the motor’s supplying system and to the cooling system.

1. Adaptor cu comutare manuală şi încălzirea uleiului cu apa caldă din sistemul de răcire al motorului – figura 3. Acest tip de adaptor permite pornirea motorului pe motorină şi comutarea pe ulei prin intermediul unui robinet dublu cu trei căi. Pentru încălzirea uleiului are încorporat un schimbător de căldură racordat la sistemul de răcire al motorului. Lichidul de răcire şi uleiul vegetal circulă în contracurent. Temperatura optimă de lucru a uleiului se realizează când temperatura lichidului de răcire al motorului ajunge în jurul valorii de 70 – 800C. Până se ajunge la această temperatură motorul trebuie să funcŃioneze pe motorină. Deşi este un adaptor simplu, comutarea este relativ greoaie şi necesită o perioadă de timp relativ mare pentru atingerea temperaturii optime de comutare pe ulei. Totodată pentru instalarea lui sunt necesare modificări atât ale sistemul de alimentare al motorului cât şi ale sistemului de răcire.

Figure 3 - General sketch for manual commutation adaptor and oil heating using hot water / Schema generală a adaptorului cu comutare manuală şi încălzirea uleiului cu apă caldă

RM – Diesel oil tank; RU – vegetable oil tank; PRU – oil preheator; R – commutation faucet; PA – supplying pump; FG and FF – fuel filters; PI – injection pump; I – injectors / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei vegetal; PRU – preîncălzitor ulei; R – robinet de comutare; PA –

pompă alimentare; FG şi FF – filtre de combustibil; PI – pompă injecŃie; I – injectoare

2. Adaptors with manual commutation and electric oil heating - diagram 4. The commutation is identical with the first case, but the oil heating is made in a shorter time and motor cooling system modifications are not necessary. The electrical heating is a efficient technical solution both for motor’s cold starting and working , assuring the possibility to maintain temperature under control, small size, simple and easy assembling, low cost.

2. Adaptor cu comutare manual ă şi încălzirea electric ă a uleiului - figura 4. Comutarea este identică cu primul caz, dar încălzirea uleiului se realizează într-un timp mult mai scurt şi nu mai sunt necesare modificări ale sistemului de răcire al motorului. Încălzire electrică este o soluŃie tehnică eficientă chiar şi la pornirea şi funcŃionarea motorului la rece, asigurând posibilitatea de menŃinere sub control a temperaturii, a unui gabarit redus, o montare simplă şi uşoară, un preŃ de cost redus.

Figure 4 - General sketch for manual commutation adaptor and electric oil heating / Schema generală a adaptorului cu comutare

manuală şi încălzirea electrică a uleiului. RM – Diesel oil tank; RU – vegetable oil tank; PRU – oil preheator; R – commutation faucet; PA – supplying pump; FG and FF – fuel filters; PI – injection pump; I – injectors / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei vegetal; PRU – preîncălzitor ulei; R – robinet de comutare; PA

– pompă alimentare; FG şi FF – filtre de combustibil; PI – pompă injecŃie; I – injectoare

Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

79

3. Adaptors with automatic cummutation and oil heating using hot water . For this type of adaptors, the motor commutation from diesel oil is made automaticly, throuh a thermostat, when the oil reaches a 70-800C temperature. The oil heating drawbacks are maintained as in the first case. 4. Adaptors with automatic commutation and electric oil heating. In diagram 5 is presented the general hydraulic sketch for the adaptor, and in diagram 6 is presented the general electric sketch. It is superior to other types of adaptors, combining automatic commutation assists by a thermostat, with rapid oil heating using electric elements. The automatic commutation can be realized using electronic or electromagnetic components, through electro valves.

3. Adaptor cu comutare automat ă şi înc ălzirea uleiului cu ap ă caldă. La acest adaptor comutarea de pe motorină pe ulei se realizează automat, prin intermediul unui termostat, când uleiul ajunge la temperatura de 70 – 800C. Se menŃin inconvenientele legate de încălzirea uleiului ca şi în primul caz. 4. Adaptor cu comutare automat ă şi înc ălzirea electric ă a uleiului . În figura 5 se prezintă schema hidraulică generală a adaptorului, iar în figura 6 se prezintă schema electrică generală. Este superior celorlalte tipuri de adaptoare, îmbinând comutarea automată asistată de un termostat, cu încălzirea rapidă a uleiului cu elemente electrice. Comutarea automată poate să fie realizată cu componente electronice sau electromagnetice, prin intermediul electrovalvelor.

Figure 5 - General hydraulic sketch for the adaptor with automatic commutation and electric oil heating /

Schema hidraulică generală a adaptorului cu comutare automată şi încălzirea electrică a uleiului RM – Diesel oil tank; RU – oil tank; EVTU and EVRU – oil turn-return electrovalves; EVTM and EVRM – Diesel oil turn-return electro valves ; I2 – manual commutation; PRU – vegetable oil preheator / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei; EVTU şi EVRU – electrovalve tur-retur ulei; EVTM şi

EVRM - electrovalve tur-retur motorină; I2 – comutator manual; PRU – preîncălzitor ulei vegetal

Figure 6 - General electric sketch for the electromagnetic adaptor with automatic commutation and electric oil heating / Schema electrică generală a adaptorului electromagnetic cu comutare automată şi încălzirea electrică a uleiului

R1, R2, R3 –electromagnetic relays; Tm1 – command thermostat ; Tm2 – protection thermostat; B1 and B2 – electric heating elements; EVTU and EVRU – oil turn-return electrovalves; EVTM şi EVRM - Diesel oil turn-return electrovalves; I2 – manual commutator on Diesel oil / R1, R2, R3 – relee

electromagnetice; Tm1 – termostat de comandă; Tm2 – termostat de protecŃie; B1 şi B2 – elemente de încălzire electrice; EVTU şi EVRU – electrovalve tur-retur ulei; EVTM şi EVRM - electrovalve tur-retur motorină; I2 – comutator manual pe motorină

No matter the adaptor’s type, the motor’s supplying installation must have a supplementary tank for vegetable oil. Usually the motor’s Diesel oil tank becomes an oil tank, and the supplementary, of smaller capacity (5-10 liters) becomes a Diesel oil tank, that being necessary only for the engine start and its working until the oil is heated, also for eliminating the oil from the system before the engine stops.

To reduce thermic losses, the preheator is assembled as near as possible to the system supplying pump.

All the types of adaptors used so that the Diesel

Indiferent de tipul adaptorului, instalaŃia de alimentare a motorului trebuie să fie prevăzută cu un rezervor suplimentar pentru uleiul vegetal. De regulă rezervorul de motorină din dotarea motorului devine rezervor de ulei, iar cel suplimentar, de capacitate mai mică (5÷10l) devine rezervor de motorină, aceasta fiind necesară numai la pornirea motorului şi funcŃionarea acestuia până se încălzeşte uleiul, de asemenea la spălarea sistemului de ulei înainte de oprirea motorului.

Pentru reducerea pierderilor termice preîncălzitorul se montează cât mai aproape de pompa de alimentare a sistemului.

Toate tipurile de adaptoare utilizate pentru funcŃionarea

Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

80

motor will work using vegetable oil need oil elimination before the engine stops for a longer period of time (that allows the engine to cool). This implies that with 10÷15 minutes before stopping the engine, the installation has to be manually passed on diesel oil supplying to permit the system flush of oil and its charging with Diesel oil to allow an easy start of the engine.

motorului Diesel cu ulei vegetal necesită spălarea de ulei înainte de oprirea motorului pentru o perioadă mai mare de timp (care permite răcirea motorului). Acest lucru presupune ca înainte de oprirea motorului cu 10÷15 min. instalaŃia să fie trecută manual pe alimentarea cu motorină pentru a permite spălarea sistemului de ulei şi încărcarea cu motorină pentru a permite o nouă pornire uşoară a motorului.

CONCLUSIONS 1. Using raw vegetable oils in 100% ratio as biofuel for thermic motors with ignition by compression (Diesel) is possible only if the engine is additionally equipped with an adaptor which allows the commutation from Diesel oil to vegetable oil and also to correct the oil’s viscidity. 2. The correction for the oil’s viscidity is made by heating it at 70-80°C temperatures. 3. The oil heating can be made electrically or using hot water from the motor’s cooling system. 4. Electric oil heating is the recommended technical solution thanks to its efficiency even at cold motor starting and working, of maintaining temperature under control, of low size and easy assembling, low cost. 5. The commutation from diesel oil to vegetable oil can be made manually, with adequate facets, or automatically, with electrovalves controlled by electronic or electromagnetic devices, recommended being the automatic commutation, which is more comfortable and easy. 6. For the Diesel engine to work 100% with vegetable oil, the supplying system must be equiped with an additional oil tank. 7. The assembling of the preheator and of the commutation will be made in the proximity of the injection pump to avoid thermic losses. 8. For a good supplying system functioning and an easy engine start, it is imposed that the oil system is flushed before the engine is stopped for a long period of time and its filling with Diesel oil.

BIBLIOGRAPHY 1. Burnete N. – Researches regarding the recicling of used alimentary by using them as fuel for motors with ingnition by compresion. Science Politics and Scientometry Magazine. Special edition , 2005. 2. Dobre P. – Adaptor for the functioning of Diesel motors with raw vegetable oil. Patent demand 2009. 3. Kusdiana D., Saka S.- Fuel 80, 693/2001. 4. Lawton M. D., Ackrell L. F. - Operating internal Combustion engines with plant oil. Brevet de invenŃie, ianuarie 2006. U.S.A. 5. Oren L. K., Talking R. - System and method for fueling Diesel engines with vegetable oil. Brevet de invenŃie, martie 2007. U.S. A. 6. Roşca R şi colab. – The Formulating and testing of an oxygenated biodiesel fuel for the supply of motors with ingnition by compresion. Grant 2004 7. X X X - BiocarburanŃii în România.

CONCLUZII 1. Utilizarea uleiurilor vegetale brute în proporŃie de 100% ca biocombustibili la motoarele termice cu aprindere prin comprimare (Diesel), este posibilă numai dacă motorul este dotat suplimentar cu un adaptor care să permită comutarea de pe motorină pe ulei şi totodată să corecteze vâscozitatea uleiului. 2. Corectarea vâscozităŃii uleiului se realizează prin încălzirea acestuia la temperatura de 70÷80°C. 3. Încălzirea uleiului se poate face electric sau cu apa caldă provenită din sistemul de răcire al motorului. 4. Încălzire electrică a uleiului este soluŃia tehnică recomandată datorită eficienŃei la pornirea şi funcŃionarea motorului chiar şi la rece, a menŃinerii sub control a temperaturii, a gabaritului redus şi a montării uşoare, a preŃului de cost redus. 5. Comutarea alimentării de pe motorină pe ulei vegetal se poate realiza manual, cu robinete adecvate sau automat, cu electrovalve controlate de dispozitive electronice sau electromagnetice, recomandată fiind comutarea automată care este mai comodă şi mai sigură. 6. Pentru funcŃionarea cu ulei vegetal 100% a motorului Diesel, sistemul de alimentare trebuie dotat cu un rezervor suplimentar de ulei. 7. Montarea preîncălzitorului şi a comutatorului se va face în imediata apropiere a pompei de injecŃie pentru evitarea pierderilor termice.

8. Pentru buna funcŃionare a sistemului de alimentare şi pornirea uşoară a motorului, se impune spălarea sistemului de ulei înainte de oprirea motorului pentru o perioadă mai mare de timp şi încărcarea lui cu motorină. BIBLIOGRAFIE 1. Burnete N. – Cercetări privind reciclarea uleiurilor alimentare uzate prin utilizarea lor ca şi combustibili la motoarele cu aprindere prin comprimare. Revista de Politica ŞtiinŃei şi Scientometrie. Număr special, 2005. 2. Dobre P. – Adaptor pentru funcŃionarea motoarelor Diesel cu ulei vegetal crud. Cerere brevet 2009. 3. Kusdiana D., Saka S.- Fuel 80, 693/2001. 4. Oren L. K., Talking R. - System and method for fueling Diesel engines with vegetable oil. Brevet de invenŃie, martie 2007. U.S. A. 5. Lawton M. D., Ackrell L. F. - Operating internal Combustion engines with plant oil. Brevet de invenŃie, ianuarie 2006. U.S.A. 6. Roşca R şi colab. – Formularea şi încercarea unui combustibil oxigenat de tip biodiesel pentru alimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare. Grant 2004;

7. X X X - BiocarburanŃii în România.