Future Combustion Technology for Synthetic and Renewable Fuels in Compression Ignition Engines (REFUEL) - Final report

This domestic project, Future Combustion Technology for Synthetic and Renewable Fuels in Compression Ignition Engines (ReFuel), was part of a Collaborative Task "Future Combustion Technology for Synthetic and Renewable Fuels in Transport" of International Energy Agency (IEA) Combustion Agreement. This international Collaborative Task is coordinated by Finland. The three-year (2009-2011) project was a joint research project with Aalto University (Aalto), Tampere University of Technology (TUT), Technical Research Centre of Finland (VTT) and Åbo Akademi University (ÅAU). The project was funded by TEKES, Wärtsilä Oyj, Neste Oil Oyj, Agco Sisu Power, Aker Arctic Technology Oy and the research partners listed above. Modern renewable diesel fuels have excellent physical and chemical properties, in comparison to traditional crude oil based fuels. Purely paraffinic fuels do not contain aromatic compounds and they are totally sulphur free. Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) was studied as an example of paraffinic high cetane number (CN) diesel fuels. HVO has no storage and low temperature problems like the fatty acid methyl esters (FAMEs) have. The combustion properties are better than those of crude oil based fuels and FAME, because they have very high cetane numbers and contain no polyaromatic hydrocarbons (PAH). With low HVO density, viscosity and distillation temperatures, these advantageous properties allow far more advanced combustion strategies, such as very high exhaust gas recirculation (EGR) rates or extreme Miller timings, than has been possible with current fossil fuels. The implementation of these advanced combustion technologies, together with the novel renewable diesel fuel, brought significant nitrogen oxides (NOx), particulate matter (PM) emission reductions with no efficiency losses. The objective of ReFuel project was to develop new extremely low emission combustion technologies for new renewable fuels in compression ignition engines. The target was to decrease emissions at least by 70%. The scope was to utilize the physical and chemical properties of the renewable fuels that differ from properties of the traditional crude oil based fuels and to develop optimum combustion technologies for them. The project focused firstly, on paraffinic high cetane number fuels i.e. hydrotreated vegetable oil fuel as a typical representative of this kind of fuel and secondly, on fuels with high content of oxygenates. This was implemented by blending oxygenate to HVO fuel.

Biopolttoaineineet keskinopean dieselmoottorin polttoaineensyöttöjärjestelmässä

Tämän diplomityön taustalla on tarve luoda pohjaa polttomoottoritekniikan laboratorion tulevalle tutkimukselle arvioimalla nykyaikaisten uusiutuvien polttoaineiden toimivuutta yksisylinterisen, keskinopean tutkimusmoottori EVE:n ("Extreme Value Engine") polttoaineensyöttöjärjestelmässä. Tavoitteena on selvittää, tarvitseeko bioperäisten dieselpolttoaineiden käyttöön siirryttäessä tehdä muutoksia moottorin polttoaineensyöttöjärjestelmään. Työ koostuu kirjallisuusosiosta, teoriaosuudesta, simulaatiomallin ja simulaatioiden esittelystä, sekä tuloksien esittelystä ja yhteenvedosta. Kirjallisuusosassa esitellään tavanomainen dieselpolttoaine sekä uusiutuvia dieselpolttoaineita. Esiteltävät polttoaineet ovat perinteinen biodiesel (rasvahappometyyliesteri, FAME), vetykäsitelty kasviöljy (HVO), Fischer-Tropsch (FT) - dieselpolttoaineet ja dimetyylieetteri (DME). Polttoaineiden raaka-aineet, tuotanto ja ominaisuudet esitellään lyhyesti sekä niiden käytettävyyttä ja laatua vertaillaan. Työn teoriaosuudessa työssä käytetty ohjelmisto, GT FUEL, esitellään lyhyesti. Simulaatiomallin perusperiaatteet ja ratkaisumenetelmät selitetään. Tärkeimmät polttoainejärjestelmän laskennassa käytetyt teoriat, kaavat ja analogiat käydään läpi. Simulaatio-osuudessa esitellään ensin osana diplomityötä tehty simulaatiomalli sekä tehdyt simulaatiot mallin sovittamiseksi mittaustuloksiin ja biopolttoaineiden vertailemiseksi. Tulokset ja polttoaineiden muu oletettu käyttäytyminen polttoaineensyöttöjärjestelmässä esitellään seuraavaksi. Simulaatioiden mukaan tutkitut bioperäiset dieselpolttoaineet käyttäytyvät EVE:n polttoainejärjestelmässä varsin samankaltaisesti. Fysikaalisista ominaisuuksista lähinnä tiheyden eroavaisuuksilla on ennustettavia vaikutuksia järjestelmän toimivuuteen. Kemialliset ominaisuudet lienevätkin tärkeämpiä itse polttoaineensyöttöjärjestelmän toiminnan kannalta. Polttoainesuihkun käyttäytyminen ja biopolttoaineiden palaminen ovat tärkeitä tutkimuskohteita ja siten seuraava askel kun tutkitaan biopolttoaineiden soveltuvuutta tutkimusmoottori EVE:en

Vaihtoehtoiset polttoaineet ja päästöjenvähennysteknologiat puristussytytteisissä moottoreissa

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

Biofuel blend late post-injection effects on oil dilution and diesel oxidation catalyst performance

In this article, the effects of different biofuel–diesel blends on engine oil dilution and diesel oxidation catalyst performance during late post-injections were investigated. The engine tests were made with an off-road diesel engine under low load conditions at 1200 r/min engine speed. During the experiments, oil samples were periodically taken from the engine oil and later analyzed. Emissions and temperatures before and after the diesel oxidation catalyst were also measured. The fuels studied were fossil EN590:2013 diesel fuel, 30 vol.% biodiesel (fatty acid methyl ester) and 30 vol.% hydrotreated vegetable oil, which is a paraffinic diesel fuel fulfilling the EN15940 specification. The novelty of the study is based on two parts. First, similar late post-injection tests were run with blends of both hydrotreated vegetable oil and fatty acid methyl ester, giving a rare comparison with the fuels. Second, oil dilution and the fuel exit rates during normal mode without the late post-injections were measured. Theresults showed the oil dilution and the diesel oxidation catalyst performance to be very similar with regular diesel and hydrotreated vegetable oil blend. With the fatty acid methyl ester blend, increased oil dilution, smaller temperature rise in the diesel oxidation catalyst and higher emissions were measured. This indicates that during diesel particulate filter regeneration by late post-injections, fatty acid methyl ester blends increase fuel consumption and require shorter oil change intervals, while hydrotreated vegetable oil blends require no parameter changes.Peer reviewe

Monitoring Euro 6 diesel passenger cars NO_x emissions for one year in various ambient conditions with PEMS and NO_x sensors

In this study, the NOx emissions of four Euro 6 diesel passenger cars ranging from Euro 6 b to Euro 6 d-TEMP in different ambient conditions and driving routes were investigated with a Portable Emissions Measurement System (PEMS) and continuous NOx concentration monitoring device. A model was also generated for translating NOx concentration values into a gram basis. The results suggest that there is a marked difference in NOx emissions based on the Euro 6 step for the car is type approved. The study showed that the conformity factor for NOx emissions on a route in a city environment (“City route”) changed from 0.65 to 5.2 depending on the Euro 6 step and car. Surprisingly, a Euro 6 b car equipped with Selective Catalytic Reduction SCR system and updated engine control unit (ECU) software for lower tailpipe NOx emissions provided lower average NOx emissions than a Euro 6 d-TEMP diesel car equipped with dual lean-NOx traps. Results for the City route also showed that the road infrastructure (crossroads and speed limitations) can have a noticeable effect on promoting driving that leads to higher NOx emissions even with a Euro 6 d-TEMP car. Estimations of NOx emissions with modelling based on continuous NOx concentration monitoring suggested that Euro 6 b diesel cars can provide NOx emissions close to the current RDE legislation. In addition, the modelling suggested that the Euro 6 b car with updated ECU software and the Euro 6 d-TEMP diesel car are capable of extremely low daily average NOx emissions, even close to 20 mg/km, in normal daily usage. Nevertheless, the monitoring results and model also suggest that cold ambient temperature has a high effect on the NOx emissions reduction performance of these vehicles, occasionally increasing their daily average emissions to as high as 900 mg/km.acceptedVersio