Experimental evaluation of renewable drop-in fuel blends for compression ignition engines
Doctoral thesis, 2021
Driven by the need to reduce greenhouse gas emissions while meeting the growing demand for mobility, the transport sector is shifting towards more sustainable and less polluting energy sources. Although vehicle electrification is advancing, it will take decades for electric vehicles to completely replace all current vehicles powered by internal combustion engines. In the meantime, it may be possible to reduce the emissions originating from transport by replacing fossil Diesel fuel with renewable alternatives suitable for use in compression ignition combustion engines. Fuels that can be used in existing engines without modification of hardware or calibration settings are called drop-in fuels. The scientific contribution of this dissertation is an experimental evaluation of potential drop-in fuel blends for the use in a compression ignition engine.
The main component of each studied blend was either a long-chain alcohol or poly(oxymethylene) dimethyl ether (OME3-5) blended with hydrotreated vegetable oil and rapeseed methyl ester as well as fossil Diesel fuel in some cases.
The performance and emissions of the different fuel blends were investigated experimentally in heavy duty and light duty single cylinder research engines. Some of the long-chain alcohol blends were also investigated in a heavy duty multicylinder engine as well as in optical spray experiments using a high-pressure/high-temperature constant volume chamber.
Overall, the obtained results indicate that blends consisting mainly of long-chain alcohols or OME3-5 could replace fossil Diesel fuel in compression ignition engines. Owing to the lower heating value of the fuel blends, the fuel consumption increases slightly. But there is the possibility of improved engine efficiency. Importantly, both long-chain alcohol and OME3-5 blends have the potential to greatly reduce soot emissions. It was concluded from optical spray studies that not only the oxygen content of the fuel but also the increased heat of evaporation influenced the combustion and thus the soot reduction potential.
However, light duty engine tests using these blends yielded strongly increased NOx emissions, and the high particle number emissions observed in the heavy duty engine tests could be problematic given the limits on particulate emissions imposed by the most recent emissions standards.
The main component of each studied blend was either a long-chain alcohol or poly(oxymethylene) dimethyl ether (OME3-5) blended with hydrotreated vegetable oil and rapeseed methyl ester as well as fossil Diesel fuel in some cases.
The performance and emissions of the different fuel blends were investigated experimentally in heavy duty and light duty single cylinder research engines. Some of the long-chain alcohol blends were also investigated in a heavy duty multicylinder engine as well as in optical spray experiments using a high-pressure/high-temperature constant volume chamber.
Overall, the obtained results indicate that blends consisting mainly of long-chain alcohols or OME3-5 could replace fossil Diesel fuel in compression ignition engines. Owing to the lower heating value of the fuel blends, the fuel consumption increases slightly. But there is the possibility of improved engine efficiency. Importantly, both long-chain alcohol and OME3-5 blends have the potential to greatly reduce soot emissions. It was concluded from optical spray studies that not only the oxygen content of the fuel but also the increased heat of evaporation influenced the combustion and thus the soot reduction potential.
However, light duty engine tests using these blends yielded strongly increased NOx emissions, and the high particle number emissions observed in the heavy duty engine tests could be problematic given the limits on particulate emissions imposed by the most recent emissions standards.
Compression Ignition Engine
Renewable fuels
Particle emissions
long-chain alcohol blends
Zoom (PW via mail) / Stödet Room Tryckpressen SB3
Opponent: Prof. André Boehman, University of Michigan
Author
Josefine Preuss
Chalmers, Mechanics and Maritime Sciences (M2), Combustion and Propulsion Systems
Performance and emissions of renewable blends with OME3-5 and HVO in heavy duty and light duty compression ignition engines
Fuel,;Vol. 303(2021)
Journal article
Effect of Injection Strategy and EGR on Particle Emissions from a CI Engine Fueled with an Oxygenated Fuel Blend and HVO
SAE Technical Papers,;(2021)
Paper in proceeding
Comparison of Long-Chain Alcohol Blends, HVO and Diesel on Spray Characteristics, Ignition and Soot Formation
SAE Technical Papers,;Vol. 2019-January(2019)
Journal article
Experimentell utvärdering av förnybara bränsleblandningar för kompressionständningsmotorer
Världens befolkning ökar och därmed behovet av mobilitets- och transportlösningar. Utsläpp från vägtransporter (personbilar och lastbilar) bidrar till nästan en femtedel av de globala utsläppen av växthusgaser och bidrar till luftföroreningar i tätorter. Åtgärder för att minska utsläppen för att uppnå klimatmålen är bland annat förbättrad transportinfrastruktur, innovativa fordonstekniker samt användning av bränslen med låga utsläpp. Målet är en övergång till mobilitets- och transportlösningar utan utsläpp.
Trots att andelen hybrid- och helelektriska fordon ökar, kommer fordon med enbart förbränningsmotorer att dominera på vägarna under det kommande decenniet. I Europa har var fjärde personbil som säljs idag en dieselmotor samtidigt som nästan uteslutande alla tunga transporter också drivs av en dieselmotor. Fossil diesel utgör idag det vanligaste bränslet för dieselmotorer på både tunga och lätta fordon. Ett sätt att minska användandet av fossil diesel är att utveckla förnybara drop-in bränslen, vilket innebär att ingen ändring av motorhårdvaran är nödvändig. Forskning krävs dock för att identifiera effekten av dessa nya bränslen med avseende på motorns prestanda och utsläpp.
Denna avhandling utvärderar flera bränslekandidater för deras potential att användas i dieselmotorer i person- och lastbilar. Målet är att minska utsläppen jämfört med fossil diesel men med bibehållen prestanda. Bränsleblandningar som undersöktes i detta arbete bestod huvudsakligen av alkoholer eller ester tillsammans med kommersiellt tillgänglig förnybar vätebehandlad vegetabilisk olja. Blandningarna togs fram för att efterlikna egenskaperna hos fossilt dieselbränsle i syfte att underlätta möjligheten till drop-in. Experiment med singelcylindriga forskningsmotorer visade att bränsle som innehåller alkoholer eller ester kraftigt minskade utsläppen av sot samtidigt som motorns prestanda bibehölls. Nackdelar för användning i lätta fordon var de ökade utsläppen av kvävedioxider och för tunga, ökningen av små partiklar. Slutsatsen är att de testade bränslena har potential att ersätta fossil diesel.
Världens befolkning ökar och därmed behovet av mobilitets- och transportlösningar. Utsläpp från vägtransporter (personbilar och lastbilar) bidrar till nästan en femtedel av de globala utsläppen av växthusgaser och bidrar till luftföroreningar i tätorter. Åtgärder för att minska utsläppen för att uppnå klimatmålen är bland annat förbättrad transportinfrastruktur, innovativa fordonstekniker samt användning av bränslen med låga utsläpp. Målet är en övergång till mobilitets- och transportlösningar utan utsläpp.
Trots att andelen hybrid- och helelektriska fordon ökar, kommer fordon med enbart förbränningsmotorer att dominera på vägarna under det kommande decenniet. I Europa har var fjärde personbil som säljs idag en dieselmotor samtidigt som nästan uteslutande alla tunga transporter också drivs av en dieselmotor. Fossil diesel utgör idag det vanligaste bränslet för dieselmotorer på både tunga och lätta fordon. Ett sätt att minska användandet av fossil diesel är att utveckla förnybara drop-in bränslen, vilket innebär att ingen ändring av motorhårdvaran är nödvändig. Forskning krävs dock för att identifiera effekten av dessa nya bränslen med avseende på motorns prestanda och utsläpp.
Denna avhandling utvärderar flera bränslekandidater för deras potential att användas i dieselmotorer i person- och lastbilar. Målet är att minska utsläppen jämfört med fossil diesel men med bibehållen prestanda. Bränsleblandningar som undersöktes i detta arbete bestod huvudsakligen av alkoholer eller ester tillsammans med kommersiellt tillgänglig förnybar vätebehandlad vegetabilisk olja. Blandningarna togs fram för att efterlikna egenskaperna hos fossilt dieselbränsle i syfte att underlätta möjligheten till drop-in. Experiment med singelcylindriga forskningsmotorer visade att bränsle som innehåller alkoholer eller ester kraftigt minskade utsläppen av sot samtidigt som motorns prestanda bibehölls. Nackdelar för användning i lätta fordon var de ökade utsläppen av kvävedioxider och för tunga, ökningen av små partiklar. Slutsatsen är att de testade bränslena har potential att ersätta fossil diesel.
Future alternative transport fuels (Future Fuels)
Swedish Energy Agency (41139-1), 2015-12-01 -- 2019-12-31.
Driving Forces
Sustainable development
Areas of Advance
Transport
Subject Categories
Vehicle Engineering
ISBN
978-91-7905-530-1
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4997
Publisher
Chalmers
Zoom (PW via mail) / Stödet Room Tryckpressen SB3
Opponent: Prof. André Boehman, University of Michigan