ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF MULTI-COMPONENT SURROGATE DIESEL FUELS

Abstract

Diesel fuel is composed of a complex mixture of hundreds of hydrocarbons that vary globally depending on crude oil sources, refining processes, legislative requirements and other factors. In order to simplify the study of this fuel, researchers create surrogate fuels with a much simpler composition, in an attempt to mimic and control the physical and chemical properties of Diesel fuel. The first surrogates were single-component fuels such as n-heptane and n-dodecane. Recent advancements have provided researchers the ability to develop multi-component surrogate fuels and apply them to both analytical and experimental studies. The systematic application of precisely controlled surrogate fuels promises to further enhance our understanding of Diesel combustion, efficiency, emissions and particulates and provide tools for investigating new and alternative engine combustion systems. This thesis employed analytical and experimental methods to develop, validate and study a library of multi-component surrogate Diesel fuels. The first step was to design a surrogate fuel to precisely match the physical and chemical properties of a full-range petroleum Diesel fuel with 50 cetane number and a typical threshold soot index value of 31. The next step was to create a Surrogate Fuel Library with 18 fuels that independently varied two key fuel properties: cetane number and threshold soot index. Within the fuel library cetane number ranged from 35 to 60 at three threshold soot index levels of 17, 31 and 48 (low, mid-range and high). Extensive ASTM fuel property tests showed that good agreement with important physical and chemical properties of petroleum Diesel fuel such as density, viscosity, heating value and distillation curve. An experimental investigation was conducted to evaluate the combustion, emissions, soot and exhaust particles from the petroleum Diesel fuel and the matching surrogate fuel. A fully-instrumented single-cylinder Diesel engine was operated with combustion strategies including Premixed Charge Compression Ignition (PCCI), Low-Temperature Combustion (LTC) and Conventional Diesel Combustion (CDC). For combustion, the ignition delay, low-temperature (first stage) and high temperature (second stage) heat-release matched very well. Gaseous emissions, soot and exhaust particles maintained good agreement as exhaust gas recirculation and combustion phasing were varied. This thesis demonstrated that fully representative Diesel surrogate fuels could be tailored with the proper blending of the following hydrocarbon components: n-hexadecane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonane, decahydronaphthalene and 1-methylnaphthalene. It was also established that the volumetric blending fractions of these four components could be varied to independently control the fuel cetane number and threshold soot index while retaining the combustion, physical and chemical properties of full-range petroleum Diesel fuel. The Surrogate Fuel Library provided by this thesis supplies Diesel engine researchers and designers the ability to analytically and experimentally vary fuel cetane number and threshold soot index. This new capability to independently vary two key fuel properties provides a means to further enhance the understanding of Diesel combustion and design future combustion systems that improve efficiency and emissions.

El combustible diésel está compuesto por cientos de hidrocarburos cuya presencia y proporción varía dependiendo del origen del crudo, del proceso de refinado, de los requerimientos legislativos, y de muchos otros factores. Para evitar las dificultades que produce esta variabilidad y complejidad en su composición, en los estudios sistemáticos, los investigadores suelen trabajar con combustibles de sustitución, mucho más sencillos, pero que reproducen las propiedades químicas y físicas del gasóleo. Los primeros combustibles de sustitución estuvieron formados por un solo componente, como el n-heptano y el n-dodecano. Recientemente se han desarrollado combustibles de sustitución multi-componentes, que se aplican tanto a estudios experimentales como de modelado. La aplicación sistemática de combustibles de sustitución controlados con precisión es una vía prometedora para mejorar la comprensión de la combustión Diesel, su eficiencia, y sus emisiones y proporciona herramientas para la investigación de sistemas de combustión nuevos y alternativos. En esta tesis se han empleado métodos experimentales y de cálculo para desarrollar, estudiar y validar una librería de combustibles de sustitución multi-componentes. El primer combustible de sustitución se diseñó para reproducir con precisión las propiedades físicas y químicas de un gasóleo con número de cetano 50 y un índice de hollín umbral (TSI) de 31.El siguiente paso fue crear una biblioteca de combustibles de sustitución con 18 combustibles que pueden modificar independientemente dos propiedades clave del combustible: índice de cetano y TSI. En la biblioteca de combustibles el número de cetano osciló entre 35 y 60 con tres niveles de TSI iguales a 17, 31 y 48 (bajo, medio y alto rango). Los ensayos según la normativa ASTM demostraron una buena coincidencia con las propiedades del gasóleo como densidad, viscosidad, poder calorífico y curvas de destilación. Para comprobar la validez de la librería, se realizó un estudio experimental comparativo sobre el proceso de combustión, las emisiones gaseosas, hollín y partículas de un gasóleo y de su combustible de sustitución ajustado. El estudio se realizó con un motor monocilíndrico Diesel completamente instrumentado y operando con estrategias de combustión en premezcla parcial (PPCI) y de baja temperatura (LTC), además de la combustión Diesel convencional (CDC). Los parámetros de la combustión como el retraso al encendido y la liberación de calor tanto de baja como de alta temperatura se aproximaron muy bien. Las emisiones de gases, hollín y partículas también fueron similares al variar el nivel de EGR y la fase de la combustión. La tesis demuestra que se pueden encontrar combustibles de sustitución perfectamente representativos de un gasóleo corriente, en base a mezclas apropiadas de n-hexadecano, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonano, decahidronaftaleno y 1-metilnaftaleno. Asimismo, se concluye que variando la proporción de estos cuatro componentes se puede controlar independientemente el número de cetano y el índice de hollín umbral, a la vez que se mantienen las propiedades físico-químicas y de combustión del gasóleo. La librería de combustibles de sustitución definida en esta tesis es una herramienta a disposición de los investigadores para profundizar en el conocimiento de la combustión diésel y avanzar en el diseño de sistemas futuros de combustión con mejor rendimiento y menores emisiones.

El combustible Diesel està compost per centenars d'hidrocarburs, la presència i proporció dels quals varia depenent de l'origen del cru, del procés de refinat, dels requeriments legislatius, i de molts altres factors. Per a evitar les dificultats que produeix aquesta variabilitat i complexitat en la seua composició, en els estudis sistemàtics, els investigadors solen treballar amb combustibles de substitució, molt més senzills, però que reprodueixen les propietats químiques i físiques del gasoil. Els primers combustibles de substitució van estar formats per un sol component, com el n-heptà i el n-dodecà. Recentment s'han desenvolupat combustibles de substitució multi-components, que s'apliquen tant a estudis experimentals com de modelatge. L'aplicació sistemàtica de combustibles de substitució controlats amb precisió és una via prometedora per a millorar la comprensió de la combustió Dièsel, la seua eficiència, i les seues emissions i proporciona eines per a la recerca de sistemes de combustió nous i alternatius. En aquesta tesi s'han emprat mètodes experimentals i de càlcul per a desenvolupar, estudiar i validar una llibreria de combustibles de substitució multi-components. El primer combustible de substitució es va dissenyar per a reproduir amb precisió les propietats físiques i químiques d'un gasoil amb índex de cetà 50 i un índex de sutge límit (TSI) de 31. El següent pas va ser crear una biblioteca de combustibles de substitució amb 18 combustibles que poden modificar independentment dues propietats clau del combustible: índex de cetà i TSI. En la biblioteca de combustibles l'índex de cetá va oscil·lar entre 35 i 60 amb tres nivells de TSI iguals a 17, 31 i 48 (baix, mitjà i alt rang). Els assajos segons la normativa ASTM van demostrar una bona coincidència amb les propietats del gasoil com a densitat, viscositat, poder calorífic i corbes de destil·lació. Per a comprovar la validesa de la llibreria, es va realitzar un estudi experimental comparatiu sobre el procés de combustió, les emissions gasoses, sutge i partícules d'un gasoil i del seu combustible de substitució ajustat. L'estudi es va realitzar amb un motor monocilíndric Dièsel completament instrumentat i operant amb estratègies de combustió en premescla parcial (PPCI) i de baixa temperatura (LTC), a més de la combustió Dièsel convencional (CDC). Els paràmetres de la combustió com el retard a l'encès i l'alliberament de calor tant de baixa com d'alta temperatura es van aproximar molt bé. Les emissions de gasos, sutge i partícules també van ser similars en variar el nivell d'EGR i la fase de la combustió. La tesi demostra que es poden trobar combustibles de substitució perfectament representatius d'un gasoil corrent, sobre la base de mescles apropiades de n-hexadecà, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethylnonà, decahidronaftalé i 1-metilnaftaleno. Així mateix, es conclou que variant la proporció d'aquests quatre components es pot controlar independentment l'índex de cetà i l'índex de sutge límit, alhora que es mantenen les propietats físic-químiques i de combustió del gasoil. La llibreria de combustibles de substitució definida en aquesta tesi és una eina a la disposició dels investigadors per a aprofundir en el coneixement de la combustió Diesel i avançar en el disseny de sistemes futurs de combustió amb millor rendiment i menors emissions.