Combustion process development and diesel engine suitability investigations for oxygenated alternative fuels

Abstract

Regenerativ gewonnene Kraftstoffe besitzen das Potenzial, einen Beitrag zur Absenkung der CO2-Emissionen des Transportsektors zu leisten. Von besonderem Interesse beim Dieselmotor sind sauerstoffhaltige Treibstoffe, da sie traditionelle Zielkonflikte wie das Partikel-NOx-Trade-Off oder den Effizienz-NOx-Kompromiss entschärfen können. Im Rahmen der Forschungsaktivitäten am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an der Technischen Universität Wien wurde die Eignung zur dieselmotorischen Verbrennung einer Reihe von vorselektierten Biokraftstoffen experimentell untersucht. Diese waren die kurzkettigen Alkohole Ethanol, Methanol und Butanol, ein Vertreter der Furane 2-Methyltetrahydrofuran, sowie die Ether Polyoxymethylendimethylether (POMDME), Di-n-Butylether und Dimethylether. An einem adaptierten Dieselmotor im Einzylinderbetrieb wurden kraftstoffspezifische Brennverfahren entwickelt und angepasst und in Puncto Umsetzbarkeit, Effizienz und Emissionen analysiert. Eine Besonderheit der Vorhaben war die Untersuchung der Kraftstoffeinbringung in den Verbrennungsmotor auf drei unterschiedliche Arten. Neben dem in der Regel angewandten Verfahren der direkten Einspritzung in den Brennraum als Reinkraftstoff oder Diesel-Biokraftstoff-Blend wurde der Alternativtreibstoff auch über Saugrohreinspritzung in Kombination mit direkter Einspritzung von Dieselkraftstoff zugeführt. Diese Methode ist als s.g. „Dual-Fuel“-Brennverfahren bekannt. Als dritter besonders innovativer Ansatz wurde der Betrieb des Dieselmotors mit ins Saugrohr eingeblasenem Synthesegas analysiert, welches aus dem virtuellen vorgelagerten Prozess der Kraftstoffreformierung mittels Abgaswärme stammte. Die Zündung erfolgte dabei ebenfalls über einen Diesel-Strahl. Das Potenzial der Biotreibstoffe wurde anhand der drei Techniken des Kraftstoffeinsatzes bewertet und die Ergebnisse der unterschiedlichen Biokraftstoffe miteinander verglichen. Ein Großteil des Inhaltes dieser Arbeit stammt aus dem FFG-geförderten Kooperationsprojekt „Oxy-Gen2“. Die Gesamtbewertung der Treibstoffe, in welche die von den Forschungspartnern gewonnenen Ergebnisse bzgl. Herstellungsanalyse, Reformierungs-Untersuchungen und des motorischen Betriebs zusammenfließen, gibt zusammenfassend den Überblick über die Kraftstoffpotenziale beim Einsatz in einem Dieselmotor. Die Direkteinspritzung erwies sich als die beste Einbringungsvariante für Kraftstoffe mit dieselähnlicher Zündwilligkeit. Aufgrund ihrer nahezu rußfreien Verbrennung zeigten die untersuchten Polyoxymethylendimethylether ein extremes Potenzial zur vollständigen Abschaffung des dieseltypischen Soot-NOx Trade-Offs. Den leichten Effizienznachteilen, die am Prüfstand festgestellt wurden, kann durch eine Anpassung des Einspritzsystems entgegengewirkt werden. Diese Treibstoffe können tatsächlich als zukünftige Dieselersatzkraftstoffe eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass ihre Produktion den gestellten sozioökonomischen Kriterien gerecht wird. Der hochcetanige Di-n-butylether weist Nachteile gegenüber den getesteten POMDMEs sowohl beim Brennverhalten, als auch bei der Perspektive zur Herstellung aus Lignozellulose auf. Mit keinem der untersuchten Herstellungsverfahren für 2-Methyltetrahydrofuran konnte eine CO2-Einsparung dargestellt werden, im Gegenteil seine simulierte Produktion ergab sogar einen höheren CO2-Ausstoß als fossiler Diesel. Es konnte der Schluss gezogen werden, dass sich 2-Methyltetrahydrofuran aufgrund seiner niedrigen Cetanzahl nicht als Kraftstoff für das Brennverfahren des konventionellen Selbstzündungsmotors eignet. Das Emissionsverhalten des Dieselmotorbetriebs mit direkt eingespritzten Gemischen aus Diesel und alternativem Kraftstoff, s.g. „Blends“, war sehr empfindlich gegenüber der Veränderung des Zündverzugs. Alternative Kraftstoffe mit einer höheren Cetanzahl als Diesel verringerten den Zündverzug und schufen damit nachteilige Verbrennungsbedingungen für die Fraktion an konventionellem Dieselkraftstoff, weshalb höhere Emissionswerte (insbesondere an Ruß und Partikelzahl) erzeugt wurden. Kraftstoffe mit einer niedrigen Cetanzahl wie Ethanol und Methanol verlängerten den Zündverzug des eingespritzten Blends und ermöglichten somit eine bessere Homogenisierung des Gemisches, was zu weniger Rußemissionen führte. Der Einfluss der niedrigeren Cetanzahl auf den Schadstoffausstoß war jedoch im Betrieb mit höheren Lasten deutlich geringer, weil sich die Zündverzugszeiten dort nicht so stark unterscheiden wie bei niedrigen Lasten. Der Dual-Fuel-Betrieb ist im Allgemeinen vorteilhaft für Treibstoffe mit geringer Zündwilligkeit wie die kurzkettigen Alkohole. Die Kraftstoffe sollten einen hohen Entflammungswiderstand aufweisen, um eine unkontrollierte Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Einspritzung des Dieselstrahls zu verhindern. Die Versuche mit dem Dual-Fuel-Brennverfahren mit Ethanol, Methanol und Butanol zeigten eine Reihe von Vorteilen. Es wurden signifikante Ruß-, Partikelzahl-, NOx- und CO2-Emissionsminderungen zusammen mit einer bemerkenswerten Effizienzsteigerung gemessen. Diese Methode ermöglicht hohe Substitutionsanteile und einen flexiblen Betrieb in Abhängigkeit von der Kraftstoffverfügbarkeit. Aufgrund der nicht geeigneten Hochdruck-Hydraulikkomponenten konnte der Dimethylether, ein Kraftstoff mit hohem Dampfdruck und hoher Cetanzahl, nur in das Saugrohr eingespeist werden. Dies verschlechterte den motorischen Betrieb aufgrund der mehrstufigen Selbstentzündung im Kompressionshub erheblich. Der Betrieb des Motors mit Saugrohreinblasung von Synthesegas war möglich, brachte jedoch keine wesentlichen Vorteile. Die Untersuchungen dieser Betriebsart haben ergeben, dass aufgrund des Magerbetriebs des Dieselmotors und der relativ niedrigen Abgastemperaturen die Kraftstoffreformierung nur bei höheren Belastungen möglich ist. Der erwartete Vorteil der Rußmassenreduktion aufgrund der Gasverbrennung wurde teilweise nachgewiesen, es wurde jedoch im Allgemeinen keine signifikante Reduktion der Schadstoffemissionen festgestellt und die NOx-Emissionen nahmen sogar tendenziell zu. Der Gesamtwirkungsgrad dieses nicht optimierten Gas-Brennverfahrens war niedriger als im Dieselreferenzbetrieb, selbst nachdem die virtuelle Wirkungsgradsteigerung durch die Kraftstoffreformierung berücksichtigt wurde.

Renewable fuels have the potential to contribute to the reduction of CO2 emissions of the transport sector. Of particular interest concerning a Diesel engine are oxygen-containing fuels as they can defuse traditional target conflicts such as particle-NOx trade-off or the efficiency-NOx compromise. In the course of the research activities at the Institute for Powertrains and Automotive Technology at the Vienna University of Technology, the suitability for motor combustion of a series of preselected biofuels was experimentally investigated. The fuels were the short-chained alcohols ethanol, methanol und butanol, one representative of the furans 2-methyltetrahydrofuran, as well as the ether polyoxymethylene dimethyl ether (POMDME), di-n-butyl ether and dimethyl ether. On a modified Diesel engine in single cylinder operation, fuel-specific combustion processes were developed and analysed regarding their feasibility, efficiency and emissions. A distinctive feature of the project is the investigation of the fuel introduction into the internal combustion engine in three different ways. In addition to the generally used method of direct injection of neat fuels or Diesel-biofuel blends, the biofuel was also fed via intake manifold injection in combination with parallel direct injection of diesel fuel into the combustion chamber. This method is widely known as “dual-fuel” combustion. As a third particularly innovative approach, the operation of the Diesel engine with synthesis gas was analysed. The synthesis gas was delivered by the virtual upstream process of bio-fuel reforming with exhaust heat utilisation. The gas is then fed to the engine by means of an injection system into the intake manifold. In this case, the ignition is also effected via diesel pilot injection. The biofuel potential was evaluated using the three variants of fuel application and the results of the different biofuels were compared. A major part of the content of this thesis originates from the FFG funded research project “Oxy-Gen2”. An overall assessment summarizes the partners results regarding fuel production analysis, reforming investigations and motor operation, and provides an overview of the fuel potentials for use in a Diesel engine. Fuels with Diesel-like ignitability proved to be best utilised via direct injection. The tested polyoxymethylene dimethyl ethers revealed an extreme potential to completely eliminate the diesel typical soot-NOx trade-off since they were found to combust almost free of soot. The slight efficiency disadvantages encountered at the test bench can be dealt with by adapting the injection system. These fuels truly bear the potential to be used as a future Diesel fuel substitute, provided that their production meets the required socio-economical criteria. The high cetane di-n-butyl ether ranked after the tested POMDMEs regarding both combustion performance and production feasibility as a fuel of lignocellulosic origin. None of the analysed 2-methyltetrahydrofuran production processes could deliver positive CO2 savings and its simulated production resulted in even more CO2 output than fossil Diesel. It could be concluded that 2-methyltetrahydrofuran is not an appropriate fuel for the combustion process of the conventional compression ignition engine due to its low cetane number. The emission behaviour of the Diesel engine operation with directly injected blends of Diesel and alternative fuel was highly sensitive to the alteration of the ignition delay. Alternative fuels with a cetane number higher than Diesel reduced the ignition delay and created combustion conditions that were disadvantageous for the conventional Diesel fuel fraction. Therefore, higher emission levels (especially soot and particle number) were generated. Low cetane fuels like ethanol and methanol extended the ignition delay of the injected blend and enforced better mixture homogenisation, which resulted in less soot emissions. However, the influence of the lower cetane number on the pollutant emission output was significantly reduced at higher load operation, since the ignition delays do not differ so strongly as at low loads. The dual-fuel operation is generally advantageous for low ignitability fuels like short- chained alcohols. The fuels should be of high ignition resistance in order to prevent uncontrolled auto-ignition of the fuel-air charge before the injection of the Diesel jet. The tests of a dual-fuel combustion concept with ethanol, methanol and butanol demonstrated a series of benefits. Significant soot, particle number, NOx and CO2 emission reductions were measured together with a noteworthy increase in efficiency. This technique allows high substitution shares and flexible operation depending on the fuel availability. Because of the unsuitable high-pressure hydraulic components, the high vapour pressure and high cetane fuel dimethyl ether could be fed only into the intake manifold. This considerably worsened the performance of the engine due to multi-stage auto-ignition in the compression stroke. The operation of a Diesel engine with intake manifold injection of synthesis gas was possible but did not deliver any substantial benefits. The investigations of this operating mode showed that the lean operation of the Diesel engine and the relatively low exhaust gas temperatures make fuel reforming possible only at high loads. The expected advantage of soot mass reduction due to gas combustion was partly proven but generally no significant pollutant emission reduction was figured out and NOx emissions even tended to increase. The overall efficiency of this non-optimised gas combustion process was lower than in Diesel reference operation, even after the virtual efficiency upgrade through fuel reforming had been considered.