Korkean setaaniluvun parafiiniset dieselpolttoaineet ja päästöjen oleellinen vähentäminen ReFuel Polttomoottoritekniikka/Aki Tilli 18.5.2010
KV - yhteistyö Collaborative Task of the IEA Combustion Agreement Collaboration framework between IEA Combustion Agreement and IEA AMF (Advance Motor Fuels) Agreement
Kotimainen yhteistyö TEKES TKK ÅA TUT VTT Neste Renewable Fuels Sisu Agco Power Wärtsilä Aker Arctic
Tavoitteet Palamisen optimointi: utilize the potential of renewable high cetane number paraffinic fuels and their oxygenate blends Päästöjen vähennys: CO2, NOx, PM Tulevaisuuden päästörajoitukset; ilman jälkikäsittelyä. Hyvä hyötysuhde ja teho säilyttäen
Polttoaineet Ref.: tyypillinen EN590 standardin täyttävä NExBTL, hyvin korkean setaaniluvun polttoaine NExBTL+oksygenaatti Trad. diesel and synthetic diesel (ASFE 2006)
Päästöjen vähennystekniikat EGR: exhaust gas recirculation Miller ajoitus (venttiilit)
Mitä tehdään? Kirjallisuuskatsaus (TKK, VTT) Reaktiosysteemit (ÅA) Emissiokartat (ÅA, TKK) Palamisen optimointi, CFD (TKK) Polttoainesuihkututkimus (TKK) Moottorikoeajot (TKK) high-speed research engine, LEO medium-speed research engine, EVE Laajat päästömittaukset (VTT) Hiukkaspäästöanalyysi (TTY)
Kirjallisuustutkimus Aiempia tutkimustuloksia päästöjen vähentämisestä (XTL) Oksygenaatit Oxygen Flash point Distillation Density Cetane wt-% C C kg/dm 3 number Reference fuels Diesel fuel*** 0 >56 170-340 C ~0.84 >51 Ethanol*** 34.8 13 78 0.794 8 FAME*** 10 >100 300-340 0.88 >50 Oxygenate candidates n-pentyl ether, DNPE 10*** 57*** 187*** 0.783*** 111-130*** 2-Ethoxyethyl ether (Diethyl diglycol, Diethyl carbitol) 30*** 71*** 189*** 0.91*** 113-136*** Diethylene glycol dimethyl ether (Diglyme) 35.8 67 162** 0.945 112** Triethylene glycol dimethyl ether (Triglyme) 35.9 111 220** 0.986 144** Tripropylene glycol methyl ether (TPGME) 31* 242* 0.96* 65* Glycerol-t-butyl ether (GTBE) 0.88* 35.2* Cyclohexanone 16.3* 155* 0.95* 10* Dibutylmaleate (DBM) 26* >110 281* 0.99* 28* Diethoxy butane 22 45*** 97*** Dibutoxy methane (Butylal) 20 62 180*** 0.8354 >74*** 2-Methoxyethyl acetate 40.7 145 1.01 Sources: Natarajan et al. 2001 *) Boot et al. 2007, 2009 **) Kozak et al. 2007 ***) Nylund et al. 2005
Kirjallisuustutkimus EGR: paljon aiempaa tutkimusta Ilman jälkikäsittelyä, max. ~70% PM tai NOx -vähennys Miller -tekniikka: ei aiempaa tutkimusta yhdessä korkean setaaniluvun polttoaineiden kanssa
Kirjallisuustutkimus: mahdollisuudet NExBTL:n fys. ominaisuudet => leveä suihku, pienet pisarat, nopea haihtuminen => lyhyt (neste)suihkun tunkeuma, sekoittuminen => PM -vähennys Korkea setaaniluku => rankempi Miller, EGR mahdollista => NOx -vähentämispotentiaali Ei aromaatteja, parafiinisuus => puhdas, täydellinen palaminen (=> PM-väh.) matalammissa lämpötiloissa (=> NOx-väh.) Oksygenaatit => vielä parempip palaminen (etenkin rikkailla alueilla) => PM väh. Alempi palamislämpötila => NOx -väh.
Reaktiosysteemit => Phi-T -kartat Tutkitaan pakokaasujen koostumuksen ja lämpötilan, sylinterin olosuhteiden ja polttoaineen vaikutusta palamiseen ja päästöihin. C1-C2 mechanism (incl. linear hydrocarbon formation up to C6) N-heptane mechanism Toluene mechanism PAH mechanism Polyyne mechanism (CxH2) Soot mechanism (particulate phase, nonelementary reactions) NO mechanism
CFD ja Phi-T -kartat Simuloinnit: polttoaineen ruiskutus, palaminen ja päästöt Phi-T karttojen ja CFD:n yhteiskäyttö => palamisen analysointia (nykytila) Paikallistetaan päästöjen muodostumisen ongelmaalueet Pyrkimys: optimoimalla palamista välttää noki- ja NOx- tuottoalueita Phi-T kartalla Temperature iso-surface (2500K) in a diesel engine sector model during combustion 10 crank angle degrees after the start of fuel injection. Ossi Kaario
CFD and Phi-T Maps
CFD- polttoainesuihkututkimus
Polttoainesuihkumittaukset Mitataan suihkun perusominaisuuksia => polttoaineen vaikutus, referenssi laskennalle. Laser Backlight Imaging: Suihkun tunkeuma, avautumiskulma, pisarakoko eri suuttimilla (reikäkoko) ja polttoaineilla Paineistettu koekammio (olosuhteet ~ oikea moottori puristustahdin lopussa)
Backlight Image of fuel spray 1,6 mm / 0,02 ms
11,1 mm / 0,07 ms
15,6 mm / 0,12 ms
17,1 mm / 0,17 ms
19,0 mm / 0,22 ms
21,0 mm / 0,27 ms
24,5 mm / 0,37 ms
27,8 mm / 0,47 ms
29,9 mm / 0,57 ms
38,1 mm / 0,97 ms
Polttoainesuihkututkimukset Tilanne: 1. vaiheen kokeet tehty, analysoidaan Figure. The pressurized test chamber for fuel spray studies.
Moottorit: LEO Nopeakäyntinen yksisylinterinen tutkimusmoottori Perustuu: SisuDiesel 84 CTA
LEO elektrohydraulinen venttillimekanismi referenssiajot ja - emissiotasot säännellyt päästöt hiukkaskoko (VTT) sääntelemättömät päästöt (VTT)
LEO Mitä tehdään 2010 aikana: EGR- ja Miller -ajot 2010 loppu: optimoidun prosessin ajot 12.8 12 11.2 10.4 9.6 8.8 8 7.2 6.4 5.6 4.8 4 3.2 2.4 1.6 Pako Imu Imu_Miller_1 Imu_Miller_2 0.8 2011: oksygenaatit 0-360 -180 0 180 360
EVE Keskinopea yksisylinterinen tutkimusmoottori (diesel) Perustuu Wärtsilän moottoreihin (W20 ruiskutussuutin)
EVE 17.5 EVE Miller REF intake ReFuel: NExBTL Advanced Miller EGR Toistaiseksi tehty valve lift (mm) 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 1. Referessiajot (Diesel, std venttiilinajoitus) 2. Referessiajot (NExBTL, std venttiilinajoitus) 3. Miller, aikainen IVC 4. Miller, negatiivinen huuhtelu CAD EVE Miller REF exhaust A-reference intake A-reference exhaust B intake C intake D intake
EVE Tuloksia (toistaiseksi):
Kiitos!