Evaluation of RCCI combustion using OMEx for pollutant emissions reduction

Abstract

[ES] Las nuevas normativas reducirán de forma significativa los niveles aceptables de óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín de los motores, lo que implica reducir notablemente las temperaturas alcanzadas dentro del cilindro y emplear mezclas de aire-combustible muy diluidas. A su vez, los objetivos de reducción de emisiones de CO2 propuestos también implican que el consumo total de combustible debe reducirse de forma proporcional, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia térmica del motor. Para satisfacer ambos requisitos, mayor eficiencia y menores emisiones, la comunidad científica ha ideado lo que se conoce como modos de combustión de baja temperatura (LTC), en los que se emplean mezclas de aire y combustible altamente homogéneas para reducir las temperaturas en la cámara de combustión respecto a los modos de combustión tradicionales para así producir menos emisiones. Dentro de la amplia gama de LTC desarrollados recientemente, el modo de combustión Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) ha demostrado tener cierta ventaja con respecto a otros LTC como el HCCI o el PPC, ya que permite cierta flexibilidad para controlar la tasa de combustión y así poder extender el rango operacional del motor al mismo tiempo que mantiene niveles de emisiones similares a los otros LTC. El RCCI ha sido combinado con la combustión dual-fuel en lo que se conoce como combustión DMDF (Dual-Mode Dual-Fuel), que permite extender el rango operacional del RCCI a todo el mapa motor por medio de una estrategia basada en mezclas altamente homogéneas a baja carga de motor y mezclas más estratificadas y difusivas en puntos de alta potencia. El modo de combustión DMDF utilizado con combustibles convencionales como diésel y gasolina es capaz de mantener un rendimiento y emisiones de CO2 similares a los modos de combustión convencionales y obtener una reducción en las emisiones de NOx y hollín capaz de cumplir con la normativa EU VI en condiciones de operación por debajo de cierto nivel de potencia. A pesar de esto, cuando esta tecnología se evalúa bajo condiciones de conducción realistas es capaz de cumplir con los requisitos de homologación. Pensando ya en la aplicación de este concepto, es posible contribuir también a la reducción de emisiones de CO2 mediante el uso de combustibles sintéticos que se formulan utilizando CO2 capturado directamente de la atmósfera. Dentro de estos, los combustibles altamente oxigenados como el OMEx sin enlaces carbono-carbono en la molécula tienen la habilidad de no producir hollín incluso bajo estrategias de combustión altamente difusivas. Como desventaja, estos combustibles tienden a tener una densidad energética relativamente baja y esto puede afectar a la autonomía del vehículo. Se ha demostrado que usando gasolina y OMEx bajo el modo de combustión DMDF proporciona grandes ventajas en la reducción de emisiones ya que no produce hollín en ningún punto de operación y es capaz de alcanzar niveles EU VI en emisiones de NOx en todo el mapa motor al mismo tiempo que aumenta ligeramente la eficiencia térmica (que se traduce en un menor uso de energía) y contribuye a la reducción de emisiones de CO2 WtW mientras que el impacto en la autonomía del vehículo se reduce a niveles aceptables que se pueden solventar con un ligero aumento de la capacidad del depósito. Los últimos avances en el uso de DMDF OMEx-Gasolina convierten esta alternativa en un potencial sustituto a los motores convencionales, pero aun quedan muchas preguntas sin responder con respecto a la aplicabilidad de este concepto. En un intento de aclarar algunas de estas cuestiones, este trabajo evalúa el impacto del uso de combustibles de baja densidad energética en el sistema de inyección y estudia la capacidad de la tecnología actual para adaptarse al nuevo escenario. Además, como se espera un aumento en la exigencia de la normativa de homologación en los próximos años, este trabajo también

[EN] The projected future for internal combustion engines supposes a great challenge in terms of controlling the combustion products. Future normative will significantly reduce the accepted pollutants levels like nitrogen oxides (NOx) and soot, which requires to significantly reduce the in-cylinder temperatures and use highly diluted fuel to air mixtures. In addition, the objectives for greenhouse gasses reduction like CO2 imply that the total fuel consumption must be reduced proportionally, which means that the engine thermal efficiency has to be improved. To comply with both requirements of high thermal efficiency and low emission levels, the scientific community has devised what is known as low temperature combustion modes (LTC), in which highly homogeneous fuel-air mixtures produce lower in-cylinder temperatures compared to conventional combustion modes and significantly reduce the pollutant emissions. Within the family of the recently developed LTC, the RCCI (Reactivity-Controlled Compression Ignition) combustion mode has demonstrated to have a significant advantage with respect to other LTC like HCCI and PPC, as it allows certain flexibility to better control the combustion rates and extend the operational limits of the engine while keeping similar emission properties. The combination of dual-fuel combustion with RCCI is known as DMDF (Dual-Mode Dual-Fuel) combustion, which provides the capability to extend the operational range of RCCI to the complete engine map by designing a strategy in which a highly mixed load is used at low engine loads and a more diffusive and stratified combustion is employed at higher engine loads. The DMDF used with conventional fuels like diesel as a high reactivity fuel and gasoline as the low reactivity fuel can provide similar engine efficiency and CO2 emissions than conventional combustion modes, but NOx and soot reduction is only able to fulfil current EU VI normative up to a certain engine power level. Nonetheless, when it is evaluated under realistic driving conditions it can comply with homologation scenarios. Looking further in the application of this concept, it is possible to contribute to the CO2 reduction by using synthetic fuels that have been produced using CO2 present in the atmosphere as a raw material. Synthetic fuels also have the advantage of having a molecular structure that can be designed and tuned by different refining processes obtaining certain chemical properties that can be beneficial for the emissions reduction. Specifically, highly oxygenated fuels like OMEx with no carbon-carbon molecular bonds have the capability of not producing soot even at highly diffusive combustion strategies. The main drawback of synthetic oxygenated fuels is that they normally have a much lower energy density and can significantly impact the vehicle autonomy. It has been proven that DMDF combustion strategy using gasoline and OMEx provides a huge impact on NOx and soot reduction being able to fulfil normative levels in all the engine map, improve the engine thermal efficiency (which directly implies a reduction of the energy consumption) and contribute to the CO2 reduction in well-to-wheel (WtW) terms while having an acceptable impact in the autonomy of the vehicle that can be easily managed with a slightly bigger fuel tank volume. The latest results with this OMEx-Gasoline DMDF engines make of this alternative a potential substitute for conventional ICEs, but there still are many questions to be answered regarding the applicability of such technology. As an attempt to bring light over some of these questions, this work has evaluated the impact of using low energy density fuels on the injection system and evaluate the feasibility of current technological solutions to be adapted to this new scenario. Additionally, as it is expected that the current homologation normative will be updated to a more restrictive criteria in the future years, in this work it has also been evaluated the possibili