Dual-fuel compression ignition: towards clean, highly efficient combustion

Abstract

The more and more stringent emissions regulations, together with the greater fuel economy demanded by vehicle users, impose a clear objective to researchers and engine manufacturers: look for the maximum efficiency with the minimum pollutant emissions levels.

The conventional diesel combustion is a highly efficient process, but also leads to high levels of NOx and soot emissions that require using aftertreatment systems to reduce the final levels released to the environment. Since these systems incur in higher costs of acquisition and operation of the engine, the scientific community is working on developing alternative strategies to reduce the generation of these pollutants during the combustion process itself.

The literature shows that the new combustion modes based on promoting low temperatures during this process, offer high efficiency and very low NOx and soot levels simultaneously. However, after years of investigation, it can be concluded that these techniques cannot be applied in the whole engine operating range due to, among others, factors like the low control of the combustion process. In recent years, it has been demonstrated that the dual-fuel combustion technique allows to overcome this limitation thanks to the additional degree of freedom provided by the capacity of modulating the fuel reactivity depending on the engine operating conditions. This characteristic, together with the near-zero NOx and soot levels obtained with this technique, has encouraged the scientific community to deeply investigate the dual-fuel combustion. In this sense, former works confirm the advantages previously described, concluding that still exist some limitations to be tackled, as well as some margin for improving the potential of this combustion concept.

The general objective of the present Doctoral Thesis is to contribute to the understanding of the dual-fuel combustion mode, with the particular aim of exploring different ways to improve its efficiency. For this purpose, it has been experimentally evaluated different options such as the modification of the engine operating parameters, specific designs of the piston geometry or the use of alternative fuels. With the aim of answering some of the questions found in the literature, the first part of each study has been dedicated to perform a detailed analysis of the influence of each particular strategy on the dual-fuel operation at low load. Later, it has been checked the ability of each option to extend the dual-fuel operating range towards higher engine loads. It is interesting to note that the analysis of some results has been supported by CFD calculations, which have allowed to understand some local phenomena occurring during the dual-fuel combustion process, which cannot be confirmed only from the experimental point of view.

Finally, taking into account the knowledge acquired during the different studies performed, the last chapter of results has been devoted to evaluate the ability of the dual-fuel concept to operate over the whole engine map, as well as to identify the possible limitations that this technique presents from the technological point of view.

Las cada vez más restrictivas normativas anticontaminantes, junto con la demanda de motores con menor consumo de combustible por parte de los usuarios, imponen un claro objetivo a investigadores y fabricantes de motores: la búsqueda de la máxima eficiencia con los mínimos niveles de emisiones contaminantes.

La combustión diésel convencional ofrece una alta eficiencia, pero a su vez da lugar a elevadas emisiones de NOx y hollín que requieren del uso de sistemas de postratamiento para reducir los niveles finales emitidos al ambiente. Dado que estos sistemas incurren en mayores costes de adquisición y operación del motor, la comunidad científica está trabajando en el desarrollo distintas estrategias para reducir la generación de estos contaminantes durante el propio proceso de combustión.

La literatura demuestra que los nuevos modos de combustión basados en promover bajas temperaturas durante este proceso, ofrecen simultáneamente una elevada eficiencia y muy bajos niveles de NOx y hollín. Sin embargo, tras años de investigación, se puede llegar a la conclusión de que estas técnicas no pueden ser aplicadas en todo el rango de operación del motor debido a, entre otros, factores como el escaso control sobre el proceso de combustión. En los últimos años, se ha demostrado que la técnica de combustión dual-fuel permite superar esta limitación gracias al grado de libertad adicional que supone la capacidad de modular la reactividad del combustible en función de las condiciones de operación del motor. Esta característica, junto con los casi nulos niveles de NOx y hollín que proporciona, ha despertado un gran interés sobre la comunidad científica. En este sentido, trabajos precedentes confirman las ventajas que este modo de combustión ofrece, demostrando a su vez que aún existen una serie de limitaciones por abordar, así como cierto margen por explotar para mejorar el potencial de este concepto.

La presente Tesis Doctoral plantea como objetivo general el contribuir a la comprensión del modo de combustión dual-fuel, y de manera particular explorar distintas vías con objeto de mejorar su eficiencia. Para ello, se han evaluado de manera experimental diferentes opciones que van desde la modificación de los parámetros de operación del motor, hasta diseños específicos de la geometría del pistón o el uso de combustibles alternativos.

Tratando de responder algunas de las cuestiones encontradas en la literatura, en cada uno de los estudios se ha realizado un análisis detallado de la influencia del parámetro en cuestión sobre la operación del motor a baja carga, y a su vez se ha comprobado la capacidad de cada una de estas opciones de extender la operación del motor hacia cargas más elevadas. Cabe destacar que el análisis de ciertos resultados se ha apoyado en cálculos numéricos CFD, los cuales han permitido entender ciertos fenómenos locales que ocurren durante el proceso de combustión dual-fuel, y que no pueden ser confirmados únicamente desde el punto de vista experimental.

Finalmente, teniendo en cuenta el conocimiento adquirido en los diferentes estudios realizados, el último capítulo de resultados se ha dedicado a evaluar la capacidad de operación del concepto dual-fuel en todo el rango de funcionamiento del motor, así como a identificar las posibles limitaciones que esta técnica presenta desde el punto de vista tecnológico.

Les cada vegada més restrictives normatives anticontaminants, juntament amb la demanda de motors amb menor consum de combustible per part dels usuaris, imposen un clar objectiu a investigadors i fabricants de motors: la cerca de la màxima eficiència amb els mínims nivells d'emissions contaminants.

La combustió dièsel convencional ofereix una alta eficiència, però al seu torn dóna lloc a elevades emissions de NOx i sutge que requereixen de l'ús de sistemes de postractament per a reduir els nivells finals emesos a l'ambient. Aquests sistemes incorren en majors costos d'adquisició i operació del motor, per la qual cosa de forma paral·lela, la comunitat científica està treballant en el desenvolupament de diferents estratègies per a reduir la generació d'aquests contaminants durant el propi procés de combustió.

La literatura demostra que les noves tècniques de combustió basades a promoure baixes temperatures durant aquest procés, ofereixen simultàniament una elevada eficiència i molt baixos nivells de NOx i sutge. No obstant açò, després d'anys de recerca, es pot arribar a la conclusió que aquestes tècniques no poden ser aplicades en tot el rang d'operació del motor a causa de, entre uns altres, factors com l'escàs control sobre el procés de combustió. En els últims anys, s'ha demostrat que la tècnica de combustió dual-fuel permet superar aquesta limitació gràcies al grau de llibertat addicional que suposa la capacitat de modular la reactivitat del combustible en funció de les condicions d'operació del motor. Aquesta característica, juntament amb els quasi nuls nivells de NOx i sutge que proporciona, ha despertat un gran interès sobre la comunitat científica. En aquest sentit, treballs precedents confirmen els avantatges que aquesta tècnica de combustió ofereix, demostrant al seu torn que encara existeixen una sèrie de limitacions per abordar, així com cert marge per explotar per a millorar el potencial d'aquest concepte.

La present Tesi Doctoral planteja com a objectiu general el contribuir a la comprensió de la tècnica de combustió dual-fuel, i de manera particular explorar diferents vies a fi de millorar la seua eficiència. Per a açò, s'han avaluat de manera experimental diferents opcions que van des de la modificació dels paràmetres d'operació del motor, fins a dissenys específics de la geometria del pistó o l'ús de combustibles alternatius.

Tractant de respondre algunes de les qüestions trobades en la literatura, en cadascun dels estudis s'ha realitzat una anàlisi detallada de la influència del paràmetre en qüestió sobre l'operació del motor a baixa càrrega, i al seu torn s'ha comprovat la capacitat de cadascuna d'aquestes opcions d'estendre l'operació del motor cap a càrregues més elevades. Cal destacar que l'anàlisi de certs resultats s'ha recolzat en càlculs numèrics CFD, els quals han permès entendre certs fenòmens locals que ocorren durant el procés de combustió dual-fuel, i que no poden ser confirmats únicament des del punt de vista experimental.

Finalment, tenint en compte el coneixement adquirit en els diferents estudis realitzats, l'últim capítol de resultats s'ha dedicat a avaluar la capacitat d'operació del concepte dual-fuel en tot el rang de funcionament del motor, així com a identificar les possibles limitacions que aquesta tècnica presenta des del punt de vista tecnològic.