Estudio de emisiones gaseosas y prestaciones en el modo de combustión RCCI mediante el uso de gasolina/diésel aplicado en un motor medium-duty de combustión interna

Abstract

Reactivity controlled compression ignition (RCCI) concept offers ultra-low NOx and smoke emissions with a thermal efficiency. The present work investigates the capabilities of this new Low Temperature Combustion (LTC) concept on the whole engine map of a medium-duty engine proposing strategies to solve its main challenges. Therefore, in order to extent the engine operation up to full load, several constraints must be accomplished. These constraints are summarized in two groups: Mechanical constraints: ¿ Maximum pressure rise rate <15bar/CAD ¿ In-cylinder pressure < 190 bar Emissions constraints: ¿ NOx emissions <0.4 g/kWh ¿ Smoke emissions < 1.5 FSN Despite of not having any specific constraint regarding carbón monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC), during the tests these emissions have been taken in account to control them due to the high quantity of CO and uHC emissions promoted by this concept. From the tests standpoint, the experiments of this investigation were carried out in a single-cylinder engine (SCE) derived from a commercial medium-duty four cylinders engine which is able to meet EURO VI limitation standard. A SCE is required in this kind of investigation due to the precise control of the variables which take part in the combustion process. Additional modifications were performed in the SCE with the aim to improve the engine conditions to apply the RCCI concept. In this sense, different compressions ratios (CR) were tested apart from the stock configuration (CR12.75 and CR15.3). RCCI concept requires two different reactivity fuels. Therefore, gasoline 95 RON (EN228) was used as the low reactivity fuel and diesel (EN 590) was used as a high reactivity fuel. These fuels were chosen due to they can be obtained in any petrol station and thereby, it is possible to implement this LTC concept with conventional fuels. Regarding the fuel injection systems, a double injection system was developed to manage the injection of both fuels independently. In this sense, a port fuel injection (PFI) was installed at the intake manifold to inject the gasoline. Additionally, a fuel conditioner was installed to measure also the fuel mass and a controller was developed to manage the fuel injection. Diesel fuel was injected directly in the cylinder with the stock direct injector. Nonetheless, a fuel conditioner was installed and an injector controller was developed to operate the diesel injection independently from the engine ECU and the gasoline injection. In order to operate the engine under RCCI mode, a strategy has been developed to stablish the procedure for RCCI implementation. The procedure has been divided in three steps. First step consists of obtaining the desired engine load while the integrity of the engine is guaranteed not overpassing the mechanical constraints and get a stable operation. The second step is focused on reducing the NOx and smoke emissions below the emissions constraints aforementioned. Finally, the last step focuses in a fine optimization in order to reduce fuel consumption up to diesel values or lower and thereby, a reduction in CO and unburned HC emissions also. Results suggest that this concept can be applied up to the 80% engine load with ultra-low NOx and smoke emissions which are able to meet EURO VI limitations without aftertreatment at steady state operating points when a CR of 12.75 is used. However, CO and unburned HC emissions levels are unacceptable at low load and require aftertreatment. Regarding the CR of 15.3, the maximum engine load achieved has been 100%. However, the emissions have been increased with the aim to allow the concept to achieve the whole engine map operation. In this sense, a variation of the concept has been applied to operate at high load despite of increasing both NOx and smoke emissions. This variation has been named dual-mode dual-fuel (DMDF) mode. From the efficiency standpoint, both CR tested provides lower fuel consumption than CDC for al

El modo de combustion reactivity controlled compression ignition (RCCI) produce emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y humo sumamente reducidas con respecto al diésel convencional mientras que es capaz de mantener o superar su eficiencia térmica. Éste trabajo estudia las capacidades potenciales de este nuevo concepto de combustión de baja temperatura (LTC- Low Temperature Combustion) para ser extrapolado a todo el rango de operación de un motor médium-duty de combustión interna. Para ello, se han investigado diversas configuraciones de motor con la intención de superar los posibles inconvenientes de este tipo de modo de combustión y así poder alcanzar los objetivos de la investigación. Adicionalmente, se han de cumplir una serie de restricciones: Restricciones mecánicas: ¿ Gradiente de presión <15bar/CAD ¿ Presión en el cilindro < 190 bar Restricciones en emisiones: ¿ Emisiones de óxidos de nitrógeno <0.4 g/kWh ¿ Emisiones de humo < 1.5 FSN Por otro lado, se ha tenido en cuenta las emisiones de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) inquemados, especialmente elevados en este tipo de combustión y que no son foco del principal interés de este estudio. Para realizar este trabajo, se han llevado a cabo una serie de ensayos en un motor monocilíndrico derivado de un motor de 4 cilindros médium-duty de producción en serie. El uso de un motor monocilíndrico es necesario para poder obtener un control preciso del proceso de combustión. Para poder emplear este modo de combustión en el motor, se han probado diferentes relaciones de compresión (RC), la original de 17,5 y dos modificadas de 12,75 y 15,3. El concepto de combustión RCCI requiere el uso de combustibles con diferente reactividad. Con el fin de disponer de las condiciones más reales posibles, se ha optado por gasolina 95 RON (EN 228) como combustible de baja reactividad y diésel (EN 590) como combustible de alta reactividad, combustibles que son muy fáciles de adquirir en cualquier estación de servicio. Para realizar la inyección de los combustibles se ha implementado un sistema de inyección doble. El combustible de alta reactividad (diésel) se ha inyectado a través del inyector original al que se le ha acoplado una nueva bomba de combustible y una serie de elementos para acondicionar el combustible para poder medirlo correctamente. Además, se ha provisto de un software específico para gobernar el inyector en función de los requerimientos de cada punto. Por otro lado, la inyección del combustible de baja reactividad (gasolina) se ha llevado a cabo mediante un inyector de inyección indirecta colocado en el colector de admisión (PFI-port fuel injector) y un sistema acondicionador de combustible para su correcta medición. Éste inyector también está gobernado por un controlador desarrollado para este estudio similar al del inyector diésel. Para poder operar el motor mediante este sistema de combustión, se ha desarrollado una estrategia de operación compuesta de tres pasos. El primer paso consiste en obtener la carga de motor deseada sin producir daños en el motor, es decir, comprobando que las restricciones mecánicas no son sobrepasadas en ningún momento y garantizar así la vida del motor. El segundo paso consiste en reducir emisiones en términos de NOx y humo hasta los niveles que se han citado anteriormente, en la enumeración de las restricciones, y por último un tercer paso dedicado a optimizar la combustión con el fin de obtener consumos iguales o mejores a los obtenidos en el motor de referencia (configuración diésel original) operando con diésel convencional. Por último, los resultados obtenidos hasta ahora sugieren que este concepto de combustión se puede emplear hasta una carga del 80% en todo el rango de motor manteniendo las emisiones de NOx y de humos por debajo de lo exigido por la normativa anticontaminación EURO VI para una RC12.75. Sin embargo las emisiones de CO e inquemados