Theoretical and experimental investigation of the effects of hydrogenated vegetable oils on the functional characteristics and emission controls of internal combustion engines

Abstract

The increasing demand on fossil fuels, the rising price of crude oil and the necessity of reducing greenhouse gas emissions have led to a substantial effort on development of alternative energy sources. Biofuels have attracted considerable attention during the past decade as renewable, biodegradable and nontoxic fuels. Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) is a second-generation paraffinic bio-based liquid fuel originating from many kinds of vegetable oils. The main objective of this work is the investigation of the recalibration potential of a common-rail turbocharged diesel engine towards its operational improvement in terms of emissions (Soot, NOx and CO2) and fuel consumption (FC), using neat HVO. Based on the currently available knowledge, it was considered that lower exhaust emissions could be achieved with HVO by carefully tailoring the engine operating parameters. Thus, adjustments of different operating strategies were analyzed, without any hardware modifications. More specifically, the effect of injection timing (either both pilot and main injection, or only one of them), of exhaust gas recirculation (both cooled and uncooled EGR), of injection pressure and the combined effect of uncooled EGR and main injection timing were experimentally investigated in two light duty diesel engines (euro 4 and 5). The results have shown that the most influential parameters are the injection timing (IT) and the EGR system. Thus, an engine simulation model was developed for the euro 5 engine aiming at investigating the effects of IT and EGR rate on emissions and FC with neat HVO, based on steady-state experimental data. For this purpose, four re-adjusted IT and EGR maps were developed, reflecting possible combinations of these two parameters. The results have shown that by re-calibrating the IT and EGR rate with HVO fuel, in addition to the reductions instigated by the simple replacement of market diesel with HVO, further emission reduction was achieved for NOx and Soot simultaneously. The investigation was further extended with a vehicle simulation model to examine the performance of the recalibrated engine over the Worldwide harmonized Light-duty Test Procedure (WLTP) and the New European Driving Cycle (NEDC) focusing on CO2 emissions and FC. New FC tables were built as output of the engine model for the re-adjusted IT and EGR and were implemented in the vehicle model. The results have shown that the key strategy for the HVO is the suitable combination of retarded IT and increased EGR rate. During this setup for neat HVO, FC is 1.6% lower in NEDC and 2.9% lower in WLTP (in cold cycle) while CO2 emissions are 1.8% lower in NEDC and 3.1% lower in WLTP (in cold cycle) compared to diesel at default engine settings. It was proved that by re-adjusting the ECU settings with the HVO the performance as well as the emissions of the engine are improved. Therefore, the proposed approach provides a profound insight into the causal relations thus forming a solid basis for future research towards a full engine optimization with neat HVO fuel.

Η αυξανόμενη ζήτηση των ορυκτών καυσίμων, η σταδιακή αύξηση των τιμών τους και η ανάγκη μείωσης των εκπομπών του θερμοκηπίου έχουν οδηγήσει στη διερεύνηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα έχουν τραβήξει αρκετό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες γιατί είναι ανανεώσιμα, βιοδιασπώμενα και μη τοξικά. Τα υδρογονωμένα λάδια (HVO), είναι δεύτερης γενιάς βιοκαύσιμα παραφίνικης φύσης και παράγονται από διαφόρων τύπων φυτικά λάδια. Το κύριο αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής είναι η διερεύνηση της ρύθμισης ενός υπερτροφοδοτούμενου ντίζελ κινητήρα στοχεύοντας τη βελτίωση της απόδοσης, της μείωσης των εκπομπών (soot, NOx και CO2) καθώς και της κατανάλωσης καυσίμου όταν λειτουργεί με HVO. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, θα μπορούσε να επιτευχθεί μείωση των εκπομπών του κινητήρα με το HVO εάν ρυθμιστεί κατάλληλα η λειτουργία του. Για αυτό το λόγο, μελετήθηκαν διάφορες στρατηγικές ρύθμισης του κινητήρα όταν λειτουργεί με HVO. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η επίδραση του χρονισμού έγχυσης (IT) (είτε μόνο της κύριας, είτε μόνο της προ-έγχυσης είτε η ταυτόχρονη ρύθμιση και των δύο), του συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων EGR (ψυχρού και θερμού τύπου), της πίεσης έγχυσης και ο συνδυασμός του EGR και του χρονισμού της κύριας έγχυσης σε δύο ελαφριού τύπου κινητήρες προδιαγραφών Euro 4 και 5. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι παράμετροι που ασκούν τη μεγαλύτερη επίδραση στις εκπομπές και στη κατανάλωση καυσίμου είναι ο χρονισμός έγχυσης και το σύστημα EGR. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης της καύσης του κινητήρα Euro 5, βασισμένο στις πειραματικές μετρήσεις, με στόχο τη μελέτη της επίδρασης του χρονισμού έγχυσης και του EGR, σε όλο το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, στοχεύοντας τη μείωση των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου. Με βάση το μοντέλο, δημιουργήθηκαν τέσσερις εναλλακτικοί χάρτες λειτουργίας για το χρονισμό έγχυσης και το EGR σε διάφορους πιθανούς συνδυασμούς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, επιβραδύνοντας το χρονισμό έγχυσης και αυξάνοντας το ποσοστό του EGR, με τη χρήση του HVO, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη μείωση των εκπεμπόμενων σωματιδίων και των NOx του κινητήρα. Η μελέτη ενισχύθηκε επιπλέον με τη δημιουργία ενός μοντέλου προσομοίωσης αυτοκινήτου που λειτουργεί με το κινητήρα Euro 5, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των εναλλακτικών ρυθμίσεων του κινητήρα, με το HVO καύσιμο, στις εκπομπές CO2 και στη κατανάλωση καυσίμου, κατά τον Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης NEDC και την παγκοσμίως εναρμονισμένη διαδικασία δοκιμής ελαφρών οχημάτων (WLTP). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η στρατηγική “κλειδί” για το HVO καύσιμο, είναι η συνδυαστική ρύθμιση του χρονισμού έγχυσης και του συστήματος EGR. Σύμφωνα με αυτή τη στρατηγική, παρατηρήθηκε 1.6% χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου κατά των κύκλο οδήγησης NEDC και 2.9% κατά των WLTP και επίσης μείωση των εκπομπών CO2, 1.8% κατά των NEDC και 3.1% κατά των WLTP, με το HVO συγκριτικά με το εμπορικό ντίζελ κίνησης (στις εργοστασιακές ρυθμίσεις του κινητήρα). Με βάση τα αποτελέσματα, αποδεικνύεται ότι ρυθμίζοντας κατάλληλα το χρονισμό έγχυσης και το EGR με το HVO καύσιμο, βελτιώνεται η απόδοση του κινητήρα και μειώνονται οι εκπομπές του. Η συγκεκριμένη μελέτη, θέτει τις βάσεις και δείχνει την κατεύθυνση για περεταίρω έρευνα με στόχο την πλήρη βελτιστοποίηση ενός κινητήρα που θα λειτουργεί με HVO καύσιμο.