Alternative Fuels and Emission Control Methods in Compression Ignition Engines

Abstract

The focus of this doctoral thesis is on the effect of alternative diesel fuels on engine performance, emissions, and emission reduction technologies in diesel engines. The studies focused on normal engine operation, enhanced engine parameters for biofuel use, and on modern aftertreatment technologies. The research included engine experiments, simulations, and optical studies. Especially hydrotreated vegetable oil (HVO) and its blends were studied. For comparison, standard EN590 fulfilling regular diesel and its blends with traditional biodiesel (FAME) were also investigated. FAME and HVO represent different biofuel generations. FAME is a first generation biofuel with typically small-scale production and varying product quality. It consists of oxygen-containing esters not found in pure fossil diesel. Additionally, FAME has lower energy content. The maximum amount of FAME is 7% in standard EN590. HVO is a second generation biofuel with typically large-scale production and high quality. HVO consists of paraffinic hydrocarbons - compounds found also in regular diesel. High proportions of HVO can typically be used in diesel engines without any modifications. The first part of this thesis involves biofuels and their effects on medium-speed diesel engine performance and emissions. The biofuels were evaluated with simulations, and the effects of 100% HVO on engine performance and emissions were investigated with engine experiments. Internal exhaust gas recirculation (iEGR) and Miller timing were studied with regular diesel and HVO. The latter part of the thesis focuses on late post-injections (LPI) with 30% blends of HVO and FAME, used for diesel particulate filter (DPF) regeneration in an off-road diesel engine. During the LPI mode, exhaust gas temperature rise in the diesel oxidation catalyst (DOC), emissions, and oil dilution were investigated. Additionally, the corresponding fuel sprays were investigated in optical engines. With 100% HVO, the compatibility, performance and emissions were first investigated with no engine parameter changes. With Miller timing and iEGR, the high ignitability lead to significant nitrogen oxide (NOx) decrease, with no fuel consumption or particulate matter (PM) emission increase. In contrast to the typical NOx-PM -trade-off, both emissions were lowered. In the LPI studies, no drawbacks were found with 30% HVO blend. 30% FAME blend resulted in worse oil dilution related to LPI's, and increased emissions during the LPI mode. No significant differences in the LPI spray lengths were measured between the fuels. Thus, the differences in the oil dilution were contributed to the distillation characteristics of the fuels.

Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena on vertailla vaihtoehtoisten dieselpolttoaineiden vaikutuksia dieselmoottorien toimintaan, päästöihin ja päästöjen vähennystekniikoihin. Tutkimusmenetelminä olivat moottorikoeajot, simuloinnit sekä optiset mittaukset. Moottorikoeajoissa käytettiin tavanomaisia moottoriparametreja, biopolttoaineiden käyttöä varten muokattuja venttiilien ajoituksia, sekä nykyaikaisia jälkikäsittelyteknologioita. Erityisesti keskityttiin vetykäsiteltyyn kasviöljyyn (HVO) ja sen sekoituksiin. Vertailua varten käytettiin standardin EN590 täyttävää dieselpolttoainetta sekä sen sekoituksia perinteisen biodieselin (FAME) kanssa. FAME ja HVO edustavat kahta biopolttoaineiden sukupolvea. FAME:n tuotanto on yleensä pienimuotoista ja lopputuotteen laatu vaihtelee. FAME koostuu happea sisältävistä estereistä, joita ei ole puhtaassa fossiilisessa dieselissä. Sillä on lisäksi pienempi energiasisältö. FAME:a saa standardin EN 590 mukaan olla dieselpolttoaineessa enintään 7%. HVO:n tuotannon mittakaava on tyypillisesti suurempi ja lopputuotteen laatu korkea. HVO koostuu parafiinisista hiilivedyistä, joita on ainesosina myös fossiilisissa polttoaineissa. HVO:ta voidaan tyypillisesti käyttää muokkaamattomissa dieselmoottoreissa hyvin korkeissa seossuhteissa. Ensimmäinen osa väitöskirjatutkimuksesta keskittyy biopolttoaineisiin ja niiden vaikutuksiin keskinopeassa dieselmoottorissa. Polttoaineita arvioitiin simulaatiotutkimuksilla, ja puhtaan HVO:n vaikutuksia moottorin suorituskykyyn ja päästöihin tutkittiin moottorikokein. Sisäistä pakokaasujen takaisinkierrätystä (iEGR) ja Miller-ajoitusta tutkittiin tavanomaisella dieselpolttoaineella ja HVO:lla. Väitöskirjan toinen osio keskittyy dieselmoottorin hiukkassuodattimen (DPF) regeneroinnissa käytettäviin myöhäisiin jälkiruiskutuksiin (LPI) 30% HVO- tai FAME -seoksilla. LPI-moodin aikana tutkittiin pakokaasujen lämpötilaa hapetuskatalysaattorissa (DOC), pakokaasupäästöjä, sekä öljynlaimenemaa. Vastaavia polttoainesuihkuja tutkittiin optisissa moottoreissa. Puhtaalla HVO:lla tutkittiin ensin yhteensopivuutta, suorituskykyä ja päästöjä moottoriparametreja muuttamatta. Miller-ajoituksen ja iEGR:n yhdistelmällä HVO:n korkea setaaniluku johti typenoksidipäästöjen (NOx) merkittävään vähenemiseen ilman hiukkaspäästöjen (PM) tai polttoaineen kulutuksen lisääntymistä. Huomionarvoista on, että NOx- ja PM -päästöt laskivat yhtäaikaisesti, mikä poikkeaa tyypillisestä käänteisestä korrelaatiosta. LPI -tutkimuksissa ei havaittu HVO -seokseen liittyviä ongelmia. Sen sijaan FAME -seos johti myöhäistettyjen jälkiruiskutusten aiheuttaman öljynlaimenemaongelman pahenemiseen, sekä suurempiin päästöihin LPI -moodin aikana. Koska polttoainesuihkujen tunkeumissa ei havaittu eroja, öljynlaimenemaerojen arvioitiin johtuvan polttoaineiden erilaisista tislausominaisuuksista.