Autoignition of sustainable fuels under dual operation with H2-carriers in a constant volume combustion chamber

The expected increase in the use of environmentally friendly liquid fuels in medium and heavy-duty compression ignition engines (for both off-road and transport applications), together with the well-documented benefits of hydrogen-carriers to decrease energy dependence and to achieve a neutral-carbon economy (internal combustion engines highly contributing to the global CO2 emissions), have motivated this work. The autoignition characteristics of different alternative diesel-type fuels (hydrotreated vegetable oil, advanced biodiesel and blends of conventional diesel fuel with polyoxymethylene dimethyl ether and 1-butanol) under dual-fuel operation with H2, NH3, and CH4 were studied in a constant volume combustion chamber at 535 and 600 °C. The high reactivity fuel was replaced by the gaseous fuel up to 40 % by energy. The main ignition delay time was significantly affected not only by the type of low reactivity fuel, with ammonia considerably retarding autoignition, but also by the nature of the liquid fuel, biodiesel being the less sensitive to the presence of the H2-carrier fuel. Results also proved that the higher the reactivity of the diesel-type fuel (quantified through the cetane number), the lower the influence of the gaseous fuel on the autoignition time.El aumento previsto en el uso de combustibles líquidos inocuos para el medio ambiente en motores de encendido por compresión de servicio mediano y pesado (tanto para aplicaciones todoterreno como de transporte), junto con los beneficios bien documentados de los vehículos de hidrógeno para disminuir la dependencia energética y lograr un economía neutral en carbono (motores de combustión interna que contribuyen en gran medida a las emisiones globales de CO 2 ), han motivado este trabajo. Las características de autoignición de diferentes combustibles alternativos de tipo diesel (aceite vegetal hidrotratado, biodiesel avanzado y mezclas de combustible diesel convencional con polioximetilen dimetil éter y 1-butanol) en operación de combustible dual con H 2 , NH 3 y CH 4fueron estudiados en una cámara de combustión de volumen constante a 535 y 600 °C. El combustible de alta reactividad fue reemplazado por el combustible gaseoso hasta en un 40 % por energía. El tiempo de retardo del encendido principal se vio significativamente afectado no solo por el tipo de combustible de baja reactividad, con el amoníaco retardando considerablemente el autoencendido, sino también por la naturaleza del combustible líquido, siendo el biodiesel el menos sensible a la presencia del combustible portador de H 2 . Los resultados también demostraron que cuanto mayor es la reactividad del combustible tipo diésel (cuantificada a través del número de cetano), menor es la influencia del combustible gaseoso en el tiempo de autoignición

The Suitability of the Three-way Catalyst for Hydrogen Fuelled Engines

This experimental study investigates the palladium/rhodium based three-way catalytic converter (TWC) in a H2 - gasoline dual-fuel spark ignition (SI) engine under stoichiometric and lean conditions. The work focused on lean-burn engine operating conditions with the aim of reducing NOX emissions during the combustion process, where the TWC is not effective, while improving the thermal efficiency of the engine. Under these lean-burn engine conditions, the combustion promoting properties of H2 allowed for maintained engine combustion stability as determined by the COVimep values even up to ultra lean conditions (λ=2.0). It was found that by reducing the combustion temperature through the application of lean conditions, engine out NOX emissions could be reduced or even eliminated, while under these conditions the TWC was effective in reducing engine-out carbon-based gaseous emissions

Estudio teórico-experimental del efecto de la estructura y posición del grupo funcional en la autoignición de combustibles. Alcanos y alcoholes

Como consecuencia del creciente endurecimiento de la legislación sobre emisiones contaminantes, las investigaciones en el campo de los motores de combustión interna alternativos se han centrado en los últimos años en el diseño de nuevos modos de combustión (como los basados en baja temperatura y altas tasas de premezcla, conocidos como modos LTC por ser acrónimo del inglés Low Temperature Combustion) y en el uso de combustibles alternativos, renovables y sostenibles. Dado que en estos nuevos conceptos de combustión el autoencendido juega un papel fundamental (la cinética de oxidación del combustible adquiere importancia respecto a otros fenómenos físicos ligados al proceso de inyección y de formación de la mezcla combustible/aire), el conocimiento del tiempo de retraso al autoencendido y su variación con las condiciones operativas del motor y el tipo de combustible resulta primordial para que estos nuevos modos se lleven a la práctica. Por tanto, esta tesis se enfoca en el estudio del efecto de ciertos compuestos de interés (alcanos y alcoholes mezclados en diferentes proporciones con combustibles diésel y biodiésel) en los tiempos de retraso al autoencendido en condiciones de baja temperatura. Todos los ensayos se han llevado a cabo en una cámara de combustión de volumen constante. Además de evaluar la influencia que la longitud de la cadena y el grado de ramificación de diferentes alcanos (entre C10 y C18) tiene sobre el tiempo de retraso a las llamas frías y a la combustión principal, también se propone una correlación tipo Arrhenius que incluye la estructura química del combustible para estimar dichos tiempos para temperaturas entre 535 y 650 ºC y presiones de 11 a 21 bar. En la segunda parte de la tesis se evalúa el efecto de mezclar diferentes alcoholes (etanol, n-butanol y n-pentanol) con diésel y biodiésel, demostrándose que el aumento del contenido de alcohol conlleva aumentos en los tiempos de autoignición. Dicho incremento no ha sido lineal sino más pronunciado para contenidos de alcohol altos, siendo este efecto inversamente proporcional a la longitud de la cadena carbonada del alcohol. Tanto para las mezclas con n-butanol como con n-pentanol, el aumento en el tiempo de retraso fue muy similar cuando se usó diésel o biodiésel, no así para las mezclas con etanol. Además, se demostró que la presión máxima disminuye a medida que aumenta el contenido de alcohol, especialmente en el caso del etanol, como consecuencia de efectos energéticos (poder calorífico), químicos (dosado relativo) y de dilución (velocidad de llama). Como era esperable, e independientemente de la concentración de alcohol, los tiempos de retraso disminuyeron a medida que aumenta tanto la presión como la temperatura inicial, siendo este último efecto ligeramente mayor con biodiésel que con diésel. Finalmente se analizó el efecto del reemplazo de n-butanol por sus isómeros (iso, sec y ter-butanol) sobre la reactividad de mezclas con un 40 % (v/v) de alcohol. Los resultados muestran que el efecto del alcohol en las mezclas difiere del comportamiento de dicho alcohol en estado puro. El ter-butanol (en las mezclas) aumenta la reactividad mientras que los otros isómeros (iso y sec-butanol) la reducen. Esta diferencia de reactividad puede explicarse en base a la distribución de enlaces C-H secundarios y primarios de los isómeros del butanol y la competencia de los radicales característicos del autoencendido con el diésel o el biodiésel. Con apoyo de simulaciones cinético-químicas empleando el software CANTERA se corroboró que las diferentes tasas de consumo de radicales activos (H2O2, CH2O, OH• y HO2•) de los isómeros de butanol son responsables de las tendencias observadas. Las mezclas con biodiésel son menos sensibles al isómero que reemplaza al n-butanol debido a su mayor número de enlaces C-H secundarios en comparación con el combustible diésel. Los resultados demuestran que la sustitución parcial de n-butanol por ter-butanol podría ser atractiva para incrementar el contenido de alcohol (y por tanto la fracción renovable) en combustibles convencionales sin comprometer la integridad del motor, mientras que sustituciones con iso-butanol o sec-butanol podrían conllevar mayores tasas de premezcla con picos de presión en márgenes seguros (de interés en modos LTC)

A Novel Group-based Correlation for the Ignition Delay Time of Paraffinic-type Fuels

A group contribution equation is proposed for the prediction of the cool flame and main auto-ignition delay time for linear and slightly branched paraffinic fuels. The experiments were carried out in a constant volume combustion bomb where pressure and temperature were modified for five linear paraffinic hydrocarbons (n-C10, n-C12, n-C14, n-C16 and n-C18) and three C16 isomers with different degree of branching (2-methylpentadecane; 2,6,10-trimethyltridecane and 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonane). An Arrhenius-type correlation is proposed, with extended parameters to the number of groups CH3, CH2 and CH and the equivalence ratio. The proposed equation has enough accuracy to estimate the autoignition delay times of paraffinic fuels (from n-dodecane to n-octadecane) for temperature ranging from 535 to 650ºC and pressure from 11 to 21 bar