Adaptation of a compression ignition engine for operating under oxy-fuel combustion conditions using oxygen separation membranes

Abstract

[ES] Se estudia el concepto de oxicombustión en un motor de encendido por compresión (CIE) que utiliza membranas conductoras iónico-electrónicas mixtas (MIEC) para separar el oxígeno (O2) del aire para lograr una combustión limpia que elimine completamente las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y que permita una futura captura de dióxido de carbono (CO2). La recirculación de los gases de escape (EGR), compuesta principalmente por CO2 y agua, es utilizada para controlar la temperatura en el cilindro y se recupera la energía residual de los gases de escape para producir el O2 requerido por el motor mediante el calentamiento de la MIEC. Para ello, se analizan diferentes configuraciones del motor (en cuanto a la disposición de los turbocompresores y los intercambiadores de calor) con el fin de encontrar la óptima en términos de eficiencia energética y rendimiento del motor. Básicamente, se estudian dos sistemas diferentes de control de EGR (CS): uno con una turbina de geometría variable (TGV) en la línea de EGR y otro con una TGV en la línea de escape de los cilindros. En este trabajo se emplea un software de simulación, denominado Virtual Engine Model (VEMOD), para construir y analizar el modelo de motor de oxicombustión propuesto lo cual se calibra con datos experimentales. Se evalúa el motor y sus componentes auxiliares (turbocompresores e intercambiadores de calor) en condiciones de combustión de oxicombustión para los puntos de funcionamiento a plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm. A altos regímenes el motor de combustión de oxicombustión propuesto proporciona potencia y eficiencia indicada similares a los de un CIE convencional, mientras que, a regímenes bajos, aunque tenga un mayor consumo de combustible específico del freno (BSFC) (más de 10% en valor promedio), se observa una mejora de la potencia efectiva (más de 30% en valor promedio). En cualquier caso, el resultado de la innovación es la viabilidad del compromiso entre el BSFC y las emisiones de CO2 debido a la captura de CO2. Además, en el marco de un proyecto de la AVI (Agència Valenciana de la Innovació) para la valorización y transferencia de resultados de investigación a las empresas, en este caso el nombre del proyecto es "Demostrador de un motor de combustión interna alternativo rápido con oxicombustión destinado al secuestro de CO2", una vez establecido el estudio del motor bajo condiciones de oxicombustión a plena carga, se analizan dos estrategias propuestas para bajar la carga del motor controlando el combustible inyectado: la primera es mantener constante la relación oxígeno-combustible (lambda) y disminuir la temperatura del colector de escape; la segunda es mantener fija la temperatura del colector de escape y aumentar lambda reduciendo el combustible inyectado con la cantidad de O2 constante. Tras analizar el efecto de las dos estrategias en el comportamiento del motor en términos de eficiencia efectiva, no hay una estrategia clara que parezca más eficiente para bajar la carga del motor, ya que hay que tener en cuenta que este modelo (que utiliza la ley de liberación de calor en el punto de plena carga para los puntos de cargas parciales) no es capaz de evaluar los cambios en la combustión debidos a la disponibilidad de más o menos oxígeno y, por tanto, para decidir qué estrategia adoptar, es necesario seguir avanzando en el estudio de la propia combustión.

[EN] Oxy-fuel combustion concept is studied in a compression ignition engine (CIE) using Mixed Ionic-electronic Conducting Membranes (MIEC) to separate oxygen (O2) from air in order to achieve a clean combustion eliminating completely nitrogen oxides (NOx) emissions and enabling upcoming carbon dioxide (CO2) capture. Exhaust gas recirculation (EGR), composed mainly by CO2 and water, is used to control the in-cylinder temperature and exhaust gases wasted energy is recovered for producing the O2 required by the engine by heating up the MIEC. For this purpose, different engine configurations (in terms of turbochargers and heat exchangers layout) are analyzed in order to find out the optimum one in terms of energy efficiency and engine performance. Basically, two different EGR control systems (CS) are studied: one with a variable geometry turbine (VGT) on EGR line and other with a VGT on cylinder exhaust line. A simulation software, so-called Virtual Engine Model (VEMOD), is employed in this work to build and analyze the proposed oxy-fuel engine model which is calibrated with experimental data. The engine and its auxiliary components (turbochargers and heat exchangers) are assessed under oxy-fuel combustion conditions for the engine full load operation points from 1250 rpm to 3500 rpm. If compared to a conventional CIE, at high engine speeds the proposed oxy-fuel combustion engine provides similar brake power and indicated efficiency, whereas at low engine speeds, even if it yields higher brake-specific fuel consumption (BSFC on average, more than 10%), a brake power enhancement (on average, more than 30%) is observed. In any way the breakthrough result is the feasible end of correlation between BSFC and CO2 emissions due to CO2 capture. In addition, as part of an AVI (Agència Valenciana de la Innovació) project for valorization and transfer of research findings to companies, in that case the project¿s name is ¿Demostrador de un motor de combustion interna alternativo rápido con oxicombustión destinado al secuestro de CO2¿, once the study of engine performance operating under oxy-fuel combustion at full load points has been well-established, two proposed strategies to lower the engine load controlling the injected fuel are analyzed: the first one is keeping the oxygen-fuel ratio (lambda) constant and decreasing the exhaust manifold temperature; the second one is holding the exhaust manifold temperature fixed and increasing lambda by reducing the injected fuel with the O2 amount constant. After analyzing the effect of the two strategies on engine behavior in terms of effective efficiency, there is no clear strategy which seems to be more efficient for lowering the engine load, because it must be taken into account that this model (using the heat release law at full load point for partial load ones) is not able to evaluate the changes in combustion due to the availability of more or less oxygen and, therefore, in order to decide which strategy to adopt, it is necessary to further progress in the study of the combustion itself.