A study on combustion in an ethanol-fuelled diesel-injection-ignited engine

Abstract

The goal of this thesis is to study the possibility to use ethanol as a fuel in a dual-fuel diesel engine. Ethanol and other alcohol fuels are an attractive alternative to crude-oil-based fuels because they are easy to manufacture from a broad variety of different biomasses. In addition, the efficiency and more specifically, the insensitivity of load to efficiency make the diesel engine a more attractive alternative than the spark ignition engine, especially in off-road applications.

For this study alterations were made to an off-road diesel engine on the basis of similar studies reported in literature. The goal was to achieve combustion in an ethanol-fuelled diesel-injection ignited engine without any undesirable phenomena of abnormal combustion. First, a reference test was performed by operating the engine as a normal diesel engine using only diesel fuel. After this, the effects of different diesel injection parameters on the combustion were studied when ethanol was injected in the intake air and the mixture ignited by diesel injection.

The results show that it is possible to achieve controlled combustion in a diesel engine with the ethanol dual-fuel system. In the tests, up to almost 80 % of the energy consumed by the engine was derived from ethanol fuel. On the other hand, the alterations made to the engine and the diesel injection parameters induced a decline in efficiency compared to the reference test using diesel fuel exclusively.

On basis of the results and observations from the test runs, suggestions are made for further studies to improve the performance of a diesel-ethanol dual-fuel engine.

Tässä diplomityössä tutkitaan mahdollisuutta käyttää etanolia dieselmoottorin polttoaineena käyttäen hyväksi kaksoispolttoainetekniikkaa. Etanoli ja muut alkoholipolttoaineet ovat houkutteleva vaihtoehto maaöljypohjaisille polttoaineille, koska niitä on suhteellisen helppo valmistaa erilaisista tarjolla olevista biomassoista. Dieselmoottorin hyötysuhde ja eritoten hyötysuhteen vähäinen riippuvuus kuormituksesta tekevät dieselmoottorista ottomoottoria kiinnostavamman vaihtoehdon etenkin työkonekäyttöön.

Kokeita varten tehtiin kirjallisuuden perusteella muutoksia työkonedieselmoottoriin ja tutkittiin onko mahdollista saada palaminen dieselsytytteisessä etanolimoottorissa tapahtumaan ilman epätoivottuja epänormaalin palamisen ilmiöitä. Kokeissa aluksi suoritettiin referenssiajo dieselpolttoaineella, ja tämän jälkeen tutkittiin erilaisten dieselruiskutusparametrien vaikutusta palamiseen ja muihin toimintaparametreihin, kun imuilman mukana syötettiin etanolia, joka sytytettiin dieselruiskutuksella.

Tulosten perusteella voitiin todeta olevan mahdollista saada etanolia polttoaineena käyttävän kaksoispolttoainejärjestelmällä varustetun dieselmoottorin palaminen tapahtumaan hallitusti. Kokeissa saatiin jopa lähes 80 % moottorin kuluttamasta polttoaine-energiasta korvattua etanolilla. Toisaalta dieselruiskutusparametrien ja mahdollisesti moottoriin tehdyt muut muutokset aiheuttivat moottorin hyötysuhteen alenemista kaksoispolttoainekäytössä verrattuna dieselkäytön arvoihin.

Tulosten ja koeajojen kokemusten perusteella esitettiin jatkotutkimusehdotuksia, joiden avulla etanolia käyttävän kaksoispolttoainemoottorin toimintaa voidaan edelleen parantaa.