Impact of Different e-Fuels Types on Light Duty Compression Ignition Engine Performance, Emissions and CO2 Life Cycle Analysis

Abstract

[ES] Los combustibles bajos en carbono (LCF) se evalúan como un sustituto adecuado de los combustibles pesados fósiles actuales para un motor de combustión interna de encendido por compresión (CI ICE) en términos de rendimiento del motor, emisiones contaminantes e impacto ambiental. Los combustibles se evalúan de acuerdo con su factibilidad para sustituir los combustibles actuales del mercado con las alternativas LCF. A través de estudios directos y calibración optimizada específica del combustible, se aprovechan las características de bajas emisiones de los LCF para lograr menos emisiones contaminantes sin sacrificar la eficiencia del motor. La calibración se logra mediante la realización de un diseño de experimentos (DOE) a partir del cual se obtienen modelos para cada combustible, para posteriormente optimizar para bajas emisiones de NOx-hollín. Por último, se compara el impacto tanto de la calibración drop-in como de la calibración optimizada en un análisis de ciclo de vida (LCA) que tiene en cuenta la huella de CO2, así como otras categorías de impacto como la acidificación terrestre, la formación de partículas, el consumo de agua y la formación de ozono. En general, se encontró que los LCF probados pueden ser reemplazos adecuados para los CI ICE tanto en las calibraciones directas como en las optimizadas (aunque con algunas consideraciones de hardware), donde se puede alcanzar un rendimiento del motor similar a las líneas de base diésel actuales con importantes reducciones de contaminantes como NOx y hollín. Y adicionalmente, se comprobó que la proporción de renovabilidad del combustible es altamente beneficiosa para la reducción del impacto ambiental del combustible, donde los combustibles completamente renovables (como el LCD100 probado) podrían tener huellas de CO2 por kilómetro similares a las de los vehículos eléctricos en Europa, asumiendo que las materias primas y la energía para la producción de combustible provienen de fuentes renovables.

[CA] Els combustibles baixos en carboni (LCF) s'avaluen com un reemplaçament adequat dels combustibles pesats fòssils actuals per a un motor de combustió interna d'encesa per compressió (CI ICE) en termes de rendiment del motor, emissions contaminants i impacte ambiental. Els combustibles s'avaluen segons la seva viabilitat per substituir els combustibles actuals del mercat per les alternatives LCF. Mitjançant estudis d'abandonament i calibratge optimitzat específic del combustible, s'exploten les característiques de baixes emissions dels LCF per aconseguir emissions menys contaminants sense sacrificar l'eficiència del motor. El calibratge s'aconsegueix mitjançant la realització d'un disseny d'experiments (DOE) a partir del qual s'obtenen models per a cada combustible, per posteriorment optimitzar per a baixes emissions de NOx-sutge. Finalment, es compara l'impacte tant de la caiguda com del calibratge optimitzat en una anàlisi de cicle de vida (LCA) que considera la petjada de CO2, així com altres categories d'impacte com l'acidificació terrestre, la formació de partícules en suspensió, el consum d'aigua i la formació d'ozó. En general, es va trobar que els LCF provats poden ser reemplaçaments adequats per als CI ICE tant en les calibracions d'entrada com optimitzades (encara que amb algunes consideracions de maquinari), on es pot assolir un rendiment del motor similar a les línies de base dièsel actuals amb reduccions importants de contaminants com el NOx i el sutge. I addicionalment, es va comprovar que la proporció de renovable del combustible és altament beneficiosa per a la reducció de l'impacte ambiental del combustible, on els combustibles completament renovables (com el provat LCD100) podrien tenir petjades de CO2 per quilòmetre similars a les dels vehicles elèctrics a Europa, assumint que les matèries primeres i l'energia per a la producció de combustible provenen de fonts renovables.

[EN] Low carbon fuels (LCFs) are evaluated as a suitable replacement for current fossil heavy fuels for a compression ignition internal combustion engine (CI ICE) in terms of engine performance, pollutant emissions and environmental impact. The fuels are evaluated according to their feasibility to substitute current market fuels with the LCF alternatives. Through drop-in studies and fuel-specific optimized calibration, the low emission characteristics of the LCFs to achieve fewer polluting emissions without sacrificing the engine efficiency are exploited. The calibration is achieved by the realization of a design of experiments (DOE) from which models are obtained for each fuel, to be later optimized for low NOx-soot emissions. Finally, the impact of both the drop-in and optimized calibration are compared in a life cycle analysis (LCA) that considers the CO2 footprint, as well as other impact categories such as terrestrial acidification, particulate matter formation, water consumption and ozone formation. Overall, it was found that the tested LCFs can be suitable replacements for CI ICEs in both the drop-in and optimized calibrations (albeit with some hardware considerations), where engine performance similar to current diesel baselines can be reached with important reductions in pollutants like NOx and soot. And additionally, it was verified that the renewability proportion of the fuel is highly beneficial to the reduction of the environmental impact of the fuel, where completely renewable fuels (like the tested LCD100) could have CO2 footprints by kilometer similar to those of electric vehicles in Europe, assuming that raw materials and energy for the fuel production come from renewable sources.