Studies on Heavy Duty Engine Fuel Alternatives

Thumbnail Image
Files
isbn9789526065618.pdf (1.01 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-12-15
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2015
Department
Energiatekniikan laitos
Department of Energy Technology
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
52 + app. 65
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 208/2015
Abstract
This experimental study examined the possible alternative fuels for heavy-duty engines, while the focus was on two specific renewable fuels: hydrotreated vegetable oil (HVO) and ethanol. These two fuels represent two extremities of fragmented fields of alternative fuels since HVO, as a "drop-in" fuel, can be di- rectly used in current diesel engine and ethanol will require significant modifications for existing engines. In this study ethanol was utilized in dual-fuel combustion concept, where ethanol was injected to intake manifold to form homogenous premixed charge to engine cylinder. Near engine top-dead-center, high-reactive diesel fuel was injected into cylinder to initialize the ignition. In studies with HVO the main focus was on exhaust gas emission – especially on nitrogen oxides (NOx) and on particulate matter (PM). As HVO has paraffinic compound and high cetane number, it enabled reduction of both NOx and PM emissions, while the effect on PM was the most evident. It was noteworthy that, as the trade-off between these two emission components is traditionally very strong, with HVO NOx and PM emissions decreased simultaneously. This behavior came more evident as the engine parameters (injection timing, exhaust gas recirculation and intake valve closure) were calibrated. In spite the PM emissions reduced significantly with HVO, the soot particle characteristics were found to be similar with the ones of fossil diesel fuel. The ethanol dual-fuel studies were carried out with both, neat ethanol and E85 blend (85% ethanol and 15% "gasoline-like" component). In these studies the focus was mainly on feasibility of the concept that was weighted mainly by the achieved ethanol share and exhaust gas emissions. The maximum ethanol share (energy based) at different engine conditions varied between circa 30% and 90%, while main limitiations were high cylinder pressure rise rate and the minimum diesel injection quantity of standard diesel injector. On exhaust gas emissions ethanol dual-fuel increased significantly both carbon monoxide and unburned hydrocarbon concentrations. This thesis focused on two different alternative fuel strategies that had significant difference on technological readiness level. HVO has already made its way to markets and has clear potential to reduce the harmful emissions of existing diesel engines. Ethanol in dual-fuel concept has evident potential, but to make its way to the markets, it will require significant research and development. The concept also will require dedicated engines, which will be a major drawback for commercial break-through. Additional advantage for HVO is that it can be distributed by existing diesel fuel logistic system, which is the case for ethanol in the most countries.

Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli vertailla työkonemoottoreiden vaihtoehtoisia polt- toaineita. Tutkimus keskittyi kahteen uusiutuvaan polttoainevaihtoehtoon: vetykäsiteltyyn kasviöljyyn (HVO) sekä etanoliin. Nämä kaksi polttoainetta edustavat erilaisia lähestymis- tapoja  haasteeseen korvata fossiiliset polttoaineet uusiutuvilla, mutta samalla ne myös edus- tavat ja todentavat polttoainevaihtoehtojen laajaa kirjoa. HVO:ta voidaan käyttää nykyisissä moottoreissa ilman teknisiä muutoksia, mutta etanolin käyttö vaati merkittäviä muutoksia moottoritekniikkaan. Tässä tutkimuksessa etanolia käytettiin hyödyntämällä kaksoispoltto-ainepalamista (engl. dual-fuel), jossa etanoli ruiskutettiin moottorin imusarjaan esisekoittu-neen ja homogeenisen seoksen muodostamiseksi. Etanoli sytytettiin ruiskuttamalla diesel-polttoainetta moottorin sylinteriin lähellä yläkuolokohtaa. Tutkimuksen HVO osuudessa päähuomio oli typen oksidi (NOx) ja hiukkaspäästöissä (PM), mitkä molemmat pienenivät tutkimuksissa - HVO:n parafiinisen rakenteen ja korkean setaani-luvun ansiosta. Erityisen huomionarvoista tuloksissa oli, että HVO:lla NOx- ja PM-päästöt laskivat yhtäaikaisesti, mikä poikkeaa tyypillisestä fossiilisella dieselillä havaittavasta kään-teisestä korrelaatiosta. Tutkimuksissa havaittiin myös, että moottoriparametrien (ruikutus-ajoitus, pakokaasujen takaisin kierrätys ja imuvent-tiilin ajoitus) uudelleen kalibroinnilla, PM- ja NOx-päästöt laskivat entisestään HVO:ta käytettäessä. Hiukkaspäästöjen voimakkaasta vähentymisestä huolimatta, hiukkasten rakenteessa ei havaittu eroa- vaisuuksia HVO:n ja fossiilisen dieselin välillä. Etanolikaksoispolttoaine tutkimuksessa käytettiin sekä puhdasta etanolia että E85 seosta, jossa on 85% etanolia ja 15% bensiinin kaltaisia hiilivetyjä. Pääpainopiste oli konseptin sovel-tuvuustutkimuksessa - erityisesti pakokaasupäästöjen ja etanoli energiaosuuden kannalta. Tutkimuksissa maksimi- etanoliosuus vaihteli välillä 30-90%, riippuen moottorin kuormapis-teestä. Osuutta rajoittavat suuri sylinteripaineen kulmakerroin sekä dieselsuuttimen mini-miruiskutusannos. Tutkimuksissa etanolikaksoispolttoainepalamiselle ominaista oli hiilimo-noksidi- ja hiilivetypäästöjen voimakas nousu. Tutkimuksessa verrattiin kahta uusiutuvaa vaihtoehtoista polttoainetta, joiden ominaisuudet ja tekninen kypsyysaste erosivat merkittävästi. HVO on jo kaupallinen tuote, sitä voidaan käyt-tää olemassa olevissa moottoreissa ja sillä saavutetaan selkeitä hyötyjän pakokaasupäästöissä. Etanolikaksois-polttoainepalaminen, selkeästä potentiaalista huolimatta, vaatii vielä pitkäl-listä tutkimusta ja kehitystä, ennen sen mahdollista kaupallistammista. HVO:n etuna on myös, että se soveltuu olemassa olevaan dieselpolttoaineen jakelujärjestelmään toisin kuin etanoli, jolle ei ole olemassa jakelujärjestelmää suurimmassa osassa maita.
Description
Supervising professor
Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Energy Technology, Finland
Thesis advisor
Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Energy Technology, Finland
Keywords
alternative fuel, heavy-duty engine, hydrotreated vegetable oil, ethanol, vaihtoehtoiset polttoaineet, työkonemoottori, vetykäsitelty kasviöljy, etanoli
Parts
  • [Publication 1]: Aatola, Hannu; Larmi, Martti; Sarjovaara, Teemu; Mikkonen, Seppo. 2009. Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) as a Renewable Diesel Fuel: Trade-off between NOx, Particulate Emission, and Fuel Consumption of a Heavy Duty Engine. SAE. SAE International Journal of Engines, volume 1, issue 1, pages 1251–1262. ISSN: 1946-3936.
    DOI: 10.4271/2008-01-2500 View at publisher
  • [Publication 2]: Happonen, Matti; Lähde, Tero; Messing, Maria, E.; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti; Wallenberg, Reine, L; Virtanen, Annele; Keskinen, Jorma. 2010. The comparison of particle oxidation and surface structure of diesel soot particles between fossil fuel and novel renewable diesel fuel. Fuel, volume 89, issue 12, pages 4008–4013. ISSN: 0016-2361.
    DOI: 10.1016/j.fuel.2010.06.006 View at publisher
  • [Publication 3]: Lehto, Kalle; Elonheimo, Antti; Häkkinen, Kari; Sarjovaara, Teemu; Larmi, Martti. 2012. Emission Reduction Using Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) with Miller Timing and EGR in Diesel Combustion. SAE. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, volume 5, issue 1, pages 218–224. ISSN: 1946-3952.
    DOI: 10.4271/2011-01-1955 View at publisher
  • [Publication 4]: Sarjovaara, Teemu; Alantie, Jussi; Larmi Martti. 2013. Ethanol Dual-Fuel Combustion Concept on Heavy Duty Engine. Energy, volume 63, issue 15, pages 76–85. ISSN: 0360-5442.
    DOI: 10.1016/j.energy.2013.10.053 View at publisher
  • [Publication 5]: Sarjovaara, Teemu; Larmi Martti. 2015. Dual fuel diesel combustion with an E85 ethanol/gasoline blend. Fuel, volume 139, issue 1, pages 704–714. ISSN: 0016-2361.
    DOI: 10.1016/j.fuel.2014.09.049 View at publisher
  • [Publication 6]: Sarjovaara, Teemu; Larmi Martti; Vuorinen, Ville. 2015. Effect of Charge Air Temperature on E85 Dual-Fuel Diesel Combustion. Fuel, volume 153, pages 6–12. ISSN: 0016-2361.
    DOI: 10.1016/j.fuel.2015.02.096 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6561-8
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG