Evaluation of n-butanol as blending component in unmodified heavy-duty diesel engine

En la actualidad, el sector del transporte, sobre todo el transporte pesado, intenta hacer frente al cambio climático y avanzar hacia un mundo sostenible utilizando combustibles renovables e introduciendo modernos sistemas de postratamiento. Los combustibles renovables y bajos en carbono están recibiendo una atención creciente debido a factores como la fluctuación de los precios del petróleo, las estrictas normativas sobre emisiones y la necesidad de aumentar la diversidad de las fuentes de energía y garantizar la soberanía energética. Entre las opciones de combustibles renovables para los motores diésel del transporte por carretera, los alcoholes producidos a partir de residuos o materiales lignocelulósicos mediante técnicas de producción avanzadas se consideran posibles alternativas sostenibles. Los combustibles diésel de origen fósil pueden mezclarse con bio-alcoholes para introducir una fracción renovable y proporcionar un mayor contenido de oxígeno. Los combustibles oxigenados generan menos partículas, con lo que se reduce la frecuencia de regeneración del filtro de partículas diésel, lo que se traduce en una menor dilución del aceite, un menor consumo de combustible y un mayor ciclo de vida del postratamiento. En este estudio, se evaluó el efecto de la mezcla de n-butanol con diésel comercial para mejorar la comprensión del comportamiento de los actuales motores diésel de uso pesado y obtener información práctica que pueda ser utilizada por los responsables políticos para diseñar estrategias que reduzcan el uso de fuentes de energía fósiles no renovables y mitiguen los efectos ambientales de los vehículos de transporte por carretera equipados con motores diésel. Se probaron mezclas de n-butanol y diésel de hasta un 20% (en volumen) en un motor Euro V equipado con un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) en un banco de pruebas de motores para estudiar su viabilidad y determinar los beneficios de su uso en términos de combustión, rendimiento y emisiones en condiciones de carga completa, según el procedimiento de certificación de emisiones del Ciclo Estacionario Armonizado Mundial (WHSC) y bajo diferentes cargas parciales derivadas del procedimiento WHSC. Los resultados mostraron que las mezclas de n-butanol presentan eficiencias térmicas y perfiles de liberación de calor similares a los del gasóleo de referencia (EN590). El aumento de las emisiones de CO y THC se compensa en gran medida con las ventajas obtenidas en las emisiones de partículas, especialmente en el caso del DBu10 (90% de gasóleo y 10% de n-butanol, en volumen), sin variaciones significativas en las emisiones de NOX. Además, las mezclas de n-butanol mostraron un efecto positivo en la actividad del sistema de postratamiento SCR. Dado que las mezclas de hasta un 10% de n-butanol fueron las que más beneficios aportaron en términos de emisiones de partículas sin grandes alteraciones en los parámetros de combustión y en el rendimiento del motor, y con un efecto positivo en la actividad del sistema SCR, se concluyó que el n-butanol podría introducirse hasta un 10% en los actuales motores diésel pesados no modificados equipados con Euro V + SCR. Hay que tener en cuenta que en el marco de esta campaña de medición sólo se probó un motor, Euro V + SCR; las conclusiones extraídas de los datos aquí presentados se limitan a este motor. El limitado conjunto de datos no permite necesariamente extraer conclusiones más generalizadas para una categoría de motor o una tecnología de postratamiento diferentes. Sin embargo, las conclusiones presentadas en este estudio pueden ser beneficiosas para el funcionamiento de los motores de servicio pesados para cumplir con las regulaciones actuales y futuras relacionadas con el control de emisiones. ----------ABSTRACT---------- Currently, the transport sector, particularly the heavy transport sector, is trying to cope with climate change and move toward a sustainable world by using renewable fuels and introducing modern after-treatment systems. Renewable and low-carbon fuels are receiving increasing attention owing to factors such as fluctuating oil prices, stringent emission regulations, and the need to increase the diversity of energy sources and ensure energy sovereignty. Among the renewable fuel options for road transport diesel engines, alcohols produced from waste or lignocellulosic materials by using advanced production techniques are considered possible sustainable alternatives. Diesel fuels of fossil origin can be blended with bio-alcohols to introduce a renewable fraction and provide higher oxygen content. Oxygenated fuels generate less particulate matter, thus lowering the regeneration frequency of the diesel particulate filter, which results in lesser oil dilution, lower fuel consumption, and longer after-treatment life cycle. In this study, the effect of blending n-butanol with commercial diesel was evaluated to enhance the understanding of the behavior of current heavy-duty diesel engines and obtain practical information that can be used by policy makers to design strategies to reduce the use of nonrenewable fossil energy sources and mitigate the environmental effects of road transport vehicles equipped with diesel engines. Blends of n-butanol and diesel of up to 20% (by volume) were tested in a Euro V engine equipped with a selective catalytic reduction (SCR) system on an engine test bench to study their feasibility and ascertain the benefits of their use in terms of combustion, performance, and emissions under full load conditions, according to the World Harmonized Stationary Cycle (WHSC) emission certification procedure and under different partial loads derived from the WHSC procedure. The results showered that the n-butanol blends yield thermal efficiencies and heat release profiles similar to those of the reference diesel (EN590). The increase in the CO and THC emissions is largely offset by the benefits gained in particulate emissions, particularly for DBu10 (90% diesel and 10% n-butanol, by volume), with no significant variations in the NOX emissions. In addition, the n-butanol blends showed a positive effect on the activity of the SCR aftertreatment system. Because blends of up to 10% n-butanol yielded the most benefits in terms of particulate emissions without major alterations in the combustion parameters and engine performance and with a positive effect on the SCR system activity, it was concluded that n-butanol could be introduced up to 10% in current unmodified heavy-duty diesel engines equipped with Euro V + SCR. It should be noted that only one engine was tested as part of this measurement campaign, Euro V + SCR; the conclusions drawn from the data presented here are limited to this engine. The limited data set does not necessarily allow more generalized conclusions to be drawn for a different engine category or aftertreatment technology. However, the findings reported in this study can be beneficial in operating heavy-duty engines to meet current and future regulations related to emission control