Diffusive Combustion of Ethanol in a Dual-Fuel Direct Injection Compression Ignition Engine

The impact of climate change due to global warming necessitates rapid and extensive measures to enhance the sustainability of the energy and transport sectors. In this context, there are large environmental and societal benefits to be gained by replacing diesel with renewable fuels for road freight transport. This solution may facilitate and expedite the transition towards fossil-free, carbon-neutral transport, while the electrification process takes shape. Short-chain alcohol fuels have favorable properties for the enhancement of engine performance and the abatement of pollutant emissions, however, they necessitate ignition aid systems in compression ignition engines. The present research investigates a novel concept of dual-fuel combustion for heavy-duty compression ignition engine applications by means of engine tests and three-dimensional combustion simulations. This concept involves the direct injection of pure ethanol as main fuel through a centrally mounted injector, and minimal quantities of diesel as pilot fuel via a separate injector. The objective is to achieve diffusive combustion of ethanol in a process analogous to conventional diesel combustion throughout the entire engine load range, with a higher thermal efficiency and lower pollutant emissions. Single-cylinder engine tests were carried out to evaluate the influence of combustion characteristics and performance with respect to dual-injection strategy, engine load, ethanol ratio and configuration of the diesel pilot injector. The characteristics and performance of ethanol-diesel direct injection compression ignition (DICI) combustion were compared to two sets of baselines, that are conventional diesel combustion and dual-injections of diesel via the main and pilot injector in the same proportion as in the dual-fuel test points. At low load conditions, increasing the separation between the diesel pilot and ethanol main injection enabled the achievement of diffusive combustion of ethanol, avoiding combustion instability and partial misfire thanks to minimal quantities of diesel injected. At high load conditions, a minimum main-pilot separation was instead required to limit the degree of ethanol premixing at ignition. Using a diesel pilot injector having a lower number of sprays with a wider hole diameter promoted a more robust ignition of ethanol, while also causing a reduction of engine performance. Parallel to the experimental work, three-dimensional combustion simulations were carried out in order to investigate the interaction between diesel and ethanol sprays during ignition at various engine operating conditions, from low to full load. At the operating conditions investigated during engine tests, the ignition of a subset of ethanol sprays was locally triggered by the contact with the products of diesel combustion. Subsequently, ignition propagated towards the neighboring ethanol sprays, until reaching the furthest ones from the diesel pilot injector. The coupling between experimental and numerical results highlighted the noteworthy predictive capability of the adopted combustion model with respect to the ethanol combustion characteristics. In conclusion, the present research work provides a solid starting point for future studies on diffusive combustion of alcohol fuels in compression ignition engines. The structured knowledge built in the course of the doctoral project lays the foundation for the development of a fuel-flexible engine for heavy-duty applications.Klimatförändringarna, som en följd av den globala uppvärmningen, gör det nödvändigt med effektiva och omfattande åtgärder för att göra transport- och energisektorn mer hållbara. Både ur miljö och socialt perspektiv, finns det stora fördelar med att ersätta diesel med förnyelsebara bränslen för godstransport på väg. En sådan lösning underlättar och påskyndar övergången till fossilfri, kolneutral transport, under tiden elektrifieringen av transportsektorn utvecklas. Korta alkoholer som biobränsle har fördelaktiga egenskaper som kan öka motorprestandan samt minska utsläppen av hälsovådliga avgaser. Dock är det i kompressionsantända motorer nödvändigt med hjälpmedel för antändning av dessa bränslen. Detta projekt undersöker ett nytt koncept med förbränning av dual-fuel för framtida användning i tunga kompressionsantända motorer. Detta undersöks genom motorexperiment av konceptet, samt tredimensionell simulering av förbränningsförloppet. Konceptet innefattar direktinsprutning av etanol, som huvudbränsle, genom en centralt monterad insprutare. I kombination med ytterst små mängder av Dieselbränsle som pilotbränsle genom en separat insprutare. Målet är att uppnå diffusiv förbränning av etanol i en förbränningsprocess, likt den av konventionell diesel, för alla lastpunkter med en ökad termisk verkningsgrad och låga utsläpp av föroreningar. Motorprov i en en-cylindrig motor genomfördes för att utvärdera förbränningsegenskaperna och prestanda med avseende på en dual-fuel strategi, last, etanolmängd, och dieselinsprutarens konfigurering. Förbränningsegenskaper samt prestanda av etanol-diesel direktinsprutad kompressionsantänd (DICI) förbränning jämfördes med konventionell dieselförbränning samt dubbel insprutning av diesel i samma konfiguration och mängd som etanol-diesel insprutningen. Vid låga laster gjorde en ökad separation mellan dieselpiloten och den huvudsakliga etanolinsprutningen att diffusiv föorbränning av etanol lättare kunde uppnås. Detta gjorde att förbränningsinstabilitet och missantändning kunde undvikas då ytterst små mängder av diesel injiceras. Vid höga laster behövdes en kort separation mellan de två olika bränsleinsprutningseventen för att begränsa förblandningen av etanol innan antändning. En dieselinsprutare med färre strålar och med större håldiameter gav en mer robust förbränning av etanol, men det försämrade också motorns prestanda. Parallellt med det experimentella arbetet genomfördes tredimensionell simulering av förbränningen där interaktionen mellan diesel- och etanolstrålarna vid antändning undersöktes vid olika lastförhållanden, från låg last till full last. Vid de driftsförhållanden som undersöktes genom motorexperiment visade simuleringen att antändning av etanolen delvis triggades genom lokala interaktioner med förbränningsprodukter från dieselförbränningen. Därefter propagerade förbränningen till de närliggande etanolstrålarna och så vidare tills att förbränningen propagerat även till etanolstrålarna längst bort från dieselinsprutaren. Kombinationen mellan experimentella och numeriska resultat framhäver den anmärkningsvärda prediktiva kapaciteten av den antagna förbränningsmodellen med hänsyn till förbränningsegenskaperna hos etanol. Sammanfattningsvis, projektet ger en stabil startpunkt till framtida studier av diffusiv förbränning av alkoholbränslen i kompressionsantända motorer. Kunskapen som utvecklats under doktorandprojektets gång ger en grund för framtida utveckling av tillämpning av flexi-fuel i tunga förbränningsmotorer