DiBut – Einflüsse der Diesel-Butanol Mischkraftstoffe auf Emissionen und Verbrennung von Dieselmotoren

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501625

Key words (English)

Butanol blend fuels, combustion Diesel-engines, emissions with Butanol blends, Butanol blends and electronic engine control, non-legislated emissions

Short description (German)

Untersuchungen der Verbrennung mit verschiedenen Butanol anteilen (BuXX) werden an zwei Motorprüfständen mit Variation der Motorparameter und mit der Hochdruck-indizierung durchgeführt. Im 2-ten Teil des Projektes werden 2 Fahrzeuge mit älterer und mit neuerer Technologie am Rollenprüfstand mit Berücksichtigung der nichtlimitierten Emissionen untersucht.

Short description (English)

With different Butanol blends (BuXX) basic combustion research will be performed on two Diesel engine dynamometers with accesses for engine parametrisation and pressure indication. In the 2^nd part of the project 2 vehicles with older and with newer technology will be investigated on chassis dynamometer with special consideration of non-legislated emission components.

Publications / Results (German)

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• Fachartikel "Ein Auspuff frei von Russ" [PDF] 1'774 kB

Final report (German)

Butanol kann aus biogenen Quellen hergestellt werden und lässt sich gut mit dem Diesel Kraftstoff mischen. Damit hat Butanol das Potential als Zumisch-Kraftstoff die CO2-Emissionen von existie-renden Fahrzeugen zu senken. Die verbrennungsmotorischen Eigenschaften von Diesel-Butanol-Gemischen (BuXX) wurden an Motor- und an Rollenprüfständen mit folgenden Ergebnissen untersucht. 

Ein höherer Butanol-Anteil bewirkt einen tieferen Heizwert des Kraftstoffes und somit ein tieferes Vollast-Drehmoment. Im Teillastbetrieb wurden bei höheren Butanol-Zumischraten folgende Einflüsse auf die Entflammungsphase festgestellt: schwächere Selbstzündungsfähigkeit (wegen tieferer Cetanzahl) und ein höherer Anteil der vorgemischten Verbrennung. Bu30 ist beim ungeregelten Motor eine obere Grenze. Der Motorbetrieb wird bei Teillast instabil. Bei modernen Motoren (Euro VI) ist die Steuerung (ECU) imstande die niedrigere Cetanzahl und die anderen veränderten Kraftstoffparameter bis zu Bu30 grösstenteils zu kompensieren. 

Die motorischen Roh-Emissionen von CO, HC und NOX sind im WLTC und bei Teillast mit Bu30 höher als mit Bu00. Die PM- und PN-Emissionen sind hingegen geringer. Moderne Abgasnachbehandlungs-systeme (DOC/DPF/SCR/EGR) können diese Unterschiede (Bu30-Bu00) weitgehend kompensieren und am Auspuffende kaum feststellbar machen. Für die Elemente der Abgasnachbehandlung wurde für höhere Butanol-Anteile folgendes festgestellt: DOC: höhere light-off Temperatur mit geringfügig tieferen Konvertierungsraten; DPF: durch die geringere PM-Entstehung längere Russbeladungsintervalle, keine Änderung des Regenerationsverhaltens; SCR – keine Einflüsse auf Funktionalität und deNOx-Wirkungsgrad. 

Bei älterer Fahrzeugtechnologie steigert ein höherer Butanol-Anteil die Emissionspicks von Acetaldehyd (MeCHO) und Formaldehyd (HCHO) beim Kaltstart beträchtlich. Bei neuerer Technologie ist diese Tendenz ebenfalls sichtbar, dies jedoch bei sehr tiefem und nicht signifikantem Niveau der absoluten Emissionen. 

Für die Marktanwendung der Butanol-Diesel Mischkraftstoffe können folgende vereinfachte Empfehlungen formuliert werden: 

Mit dem Dieselkraftstoff ergibt Butanol eine dauerhafte Mischung, die einen verminderten Heizwert, einen erhöhten Sauerstoffgehalt, eine tiefere Cetanzahl und keine korrosiven oder aggressiven Eigenschaften aufweist. Mit kleineren Butanol-Anteilen (<10%) sind im Fahrzeug unabhängig vom Stand der Technologie keine Betriebsunterschiede zu bemerken. Höhere Butanol-Anteile bewirken ein schlechteres Kaltstartverhalten, höhere Laufunruhe und eine schlechtere Dynamik bei Teillast. Die Emissionen, insbesondere mit der modernen Abgasnachbehandlung bleiben unverändert. Beim dauerhaften Betrieb mit höheren Butanol-Anteilen sind Abklärungen und Massnahmen bezüglich der Dauerhaltbarkeit der Einspritzanlage und des Schmieröls zu treffen. 

Mit Beachtung der notwendigen Vorkehrungen und Grenzen kann Butanol einen positiven Beitrag zur Kohlenstoff-freien Mobilität leisten. Zurzeit ist dieser Alkohol noch zu teuer, um den kommerziellen Durchbruch zu schaffen. 

Final report (English)

Butanol can be produced from biological sources and it can easily be blended with the Diesel fuel. As a drop-in additional fuel, it has the potential of reducing the CO2-emissions of the present vehicles. The investigations of combustion properties with different Butanol portions in Diesel fuel (BuXX) were performed on the engine and on chassis dynamometers. 

With higher Butanol content there is a lower heat value of the fuel and there is lower torque at full load. At engine part-load operation, the influences of increased Bu-rate on the inflammation phase were observed: lower self-ignition aptitude (due to lower CN) and higher portion of premixed combustion. Bu30 is considered as a limit blending ratio: the operation of the engine becomes instable at part load. The ECU of the modern engine (EuVI) is able to compensate nearly the effects of low CN and of the other modified fuel parameters up to Bu30. 

The “engine out” emissions of CO, HC and NOX with Bu 30 in WLTC and at engine part load are higher than with Bu00. With the modern exhaust aftertreatment technology (DOC / DPF / SCR / EGR), with a significantly lower emission level (at tailpipe), these differences (Bu30 - Bu00) are smaller or not existing. Higher Bu-content lowers the PN-emissions. With DPF nevertheless, the influence of fuel on PN is insignificant. 

With higher Bu-content it was found for the exhaust aftertreatment elements: higher light-off temperature of DOC with slightly lower conversion rates; lower PM-production, longer DPF soot loading intervals and no difference of regeneration behavior; no influences on SCR efficiency and functionality. 

At cold start with an older car technology, the higher Bu-content in fuel increases significantly the emission peaks of Acetaldehyde (MeCHO) and Formaldehyde (HCHO). With a newer technology, this tendency is also present but at a very low and insignificant absolute emission level. 

For the application of Butanol blend fuels on the market following simplified recommendations can be given: 

Together with Diesel fuel, Butanol produces durable blends with a reduced heat value, with increased Oxygen content, with the lower Cetane number and with no aggressive or corrosive properties. 

With the lower Butanol blending ratios (<10%) no operating differences are noticeable in the vehicle. 

Higher Butanol contents in fuel result in: worse cold start behavior, higher irregularity of engine running and less dynamic at part load operation. The emissions, especially with the modern exhaust aftertreatment systems, are unchanged. For the long-life operation with higher Butanol rates, clarifications and measures concerning the durability of injection system and lube oil are necessary. 

With consideration of certain precautions and limits, Butanol can contribute very well to the carbon-free mobility. At present, this alcohol is still too expensive to be commercially successful on a large scale. 

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• Effects of Diesel-Butanol Blend Fuels on Emissions and Combustion in Diesel-Engines [PDF] 4'566 kB

Final report (French)

Le Butanol peut être produit à partir sources biogènes et se mélange durablement avec le carburant Diesel. Comme un carburant additionnel, il a le potentiel de réduire les émissions CO2 des véhicules existants. Des recherches sur les caractéristiques de combustion avec différents pourcentages de Butanol dans le carburant Diesel (BuXX) ont été exécutées sur les bancs d’essai moteur et sur le banc d’essai à rouleaux. 

Avec une teneur plus élevée en Butanol, le pouvoir calorifique du carburant et le couple du moteur à pleine charge sont plus faibles. En opération à charge partielle, les influences suivantes sur la phase d’inflammation avec l’augmentation du taux de Butanol ont été trouvées : aptitude à l’auto-inflammation affaiblie (indice de cétane plus bas) et phase pré-mélangée de la combustion plus intense. 

Bu30 est considéré comme le taux limite de l’addition de Butanol au carburant diesel. Au-delà de ce taux, le fonctionnement du moteur en charge partielle deviendra instable. L’ECU du moteur moderne (EuVI) est capable de compenser les influences de l’indice de cétane diminué ainsi que d’autres paramètres du carburant modifié. 

Les émissions de CO, HC et NOX du moteur durant le cycle WLTC et en charge partielle sont plus élevées avec Bu30 qu’avec Bu00. Avec les systèmes modernes de traitement des gaz d’échap-pement (DOC/DPF/SCR/EGR) et avec le niveau d’émissions considérablement plus faible (à la sortie du pot d’échappement) ces différences (Bu30 - Bu00) sont moindres ou inexistantes. Une teneur plus élevée en Butanol réduit les émissions de PN. Néanmoins, avec l’utilisation du FAP (DPF) l’influence du carburant sur les PN est négligeable. 

Les systèmes de traitement des gaz d’échappement sont influencés par la proportion plus élevée du Butanol de la manière suivante : DOC – température d’amorçage plus élevée et taux de conversion légèrement inférieur ; DPF – intervalle entre les régénérations allongé en raison d'une production de particules plus faible, aucun changement de la régénération ; SCR – aucune d’influence sur la fonctionnalité et sur l’efficacité de la réduction des NOX. 

Lors du démarrage à froid d’un véhicule avec une technologie plus ancienne, la teneur plus élevée en Butanol augmente considérablement les pics d’émissions d’acétaldéhyde (MeCHO) et de formaldéhyde (HCHO). Avec les nouvelles technologies, cette tendance est également visible. Toutefois, elle se reflète à un niveau très bas et insignifiant des émissions absolues. 

Pour l’application sur le marché des carburants mélangés Butanol-Diesel les recommandations simplifiées suivantes peuvent être formulées : 

Le mélange Diesel, Butanol reste stable durablement. Le pouvoir calorifique en est réduit, la teneur en oxygène est plus élevée, l’indice de cétane est plus faible et aucune propriété agressive ou corrosive n’est constatée. Avec un pourcentage de Butanol plus modéré (<10%), aucune différence n'est remarquée dans le fonctionnement d’un véhicule. Une teneur plus élevée en Butanol entraîne une détérioration du démarrage à froid, des irrégularités de fonctionnement et une moins bonne dynamique à charge partielle. Les émissions, notamment avec les systèmes de traitement des gaz d'échappement, restent inchangées. Pour le fonctionnement à long terme avec des taux de Butanol plus élevés, les clarifications et les mesures concernant la longévité du système d'injection et de l'huile de lubrification sont nécessaires. 

En tenant compte de certaines précautions et limites, le Butanol peut très bien contribuer à la mobilité sans carbone. Actuellement, cet alcool est encore trop cher pour être largement commercialisé avec succès.