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Research unit
SFOE
Project number
SI/501797
Project title
OMEDIE – Diesel Engine with neat OME3-6 (Oxymethylen-Dimethyl-Ether)

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Final report
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(English)
Alternative fuel, OME, Exhaust aftertreatement, Emission reduction, CO2
Short description
(German)
OME ist ein Kraftstoff mit hohem CO2-Reduktionspotential. Die Verbrennungseigen-schaften von OME erlauben nebst einer Effizienzsteigerung eine Vereinfachung der Abgasnachbehandlung. Dies verbessert die Marktchancen des teureren Kraftstoffs. Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung einer optimalen OME-Konfiguration für Motor und Abgasnachbehandlung, welche eine detaillierte, optische Untersuchung, sowie die Modellierung der Verbrennung miteinschliesst.
Short description
(English)
OME is a fuel with a high CO2 reduction potential. The combustion characteristics of OME allow an increase in efficiency as well as a simplification of the exhaust aftertreatment system. This simplification increases the market chances of the more expensive fuel. The goal of this project is to layout an optimum OME engine and aftertreatment configuration. This procedure includes detailed optical investigations and modelling of the combustion process.
Final report
(German)
Für die Defossilisierung von verbrennungsbasierten Antriebssystemen steht eine Reihe von Treibstoffen, die aus Biomasse, Wasserstoff oder Abfällen erzeugt werden können, zur Verfügung. Der aus erneuerbaren Energiequellen herstellbare synthetische Kraftstoff Oxymethylenether (OME) ist ein möglicher Kandidat. Er ist bei Umgebungsbedingungen wie Diesel flüssig und kann ähnlich gelagert und getankt werden. Obschon sein Energieinhalt pro Volumen deutlich geringer ist als von Diesel, wird eine einfache Anpassung der Brennstoff- und Motorenkomponenten an bestehenden Fahrzeugkonzepten erwartet. Produkte der Firma Liebherr, wie Baumaschinen und mobile Krane, sind teilweise fernab einer Energieinfrastruktur im Einsatz. Die Diesel ähnlichen Eigenschaften vom OME für Lagerung und Betankung scheinen dafür geeignet zu sein. Liebherr Machines Bulles SA entwickelt und fertigt in der Schweiz auf Verbrennungsmotoren basierende Antriebseinheiten für die Produkte der Liebherr Gruppe und hat deshalb die dafür relevanten Eigenschaften von OME vertieft untersucht. OME verfügt gegenüber Diesel über keine direkten Kohlenstoff-Bindungen. Die Kohlenstoffatome sind mit einem Sauerstoffatom miteinander verbunden, wodurch bei auch bei stöchiometrischer Verbrennung von OME (. = 1) kaum Russ entsteht. Bei einer . = 1 Verbrennung kann ein einfacher 3-Wege-Katalysator eingesetzt werden, um die NOx-, CO- und HC-Emissionen zu reduzieren und damit die gesetzlichen Emissionsvorschriften einzuhalten. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber dem Dieselmotor, der wegen starker Russbildung bei höherem Brennstoffanteil mit magerem Gemisch betrieben wird und dafür ein aufwendiges und kostenintensives Abgasnachbehandlungssystem benötigt. Die OME-Verbrennung unterliegt nicht dem für die Dieselverbrennung geltenden Zielkonflikt zur Vermeidung von Russ- und NOx-Emissionen (Russ/NOx-Scherre1). Vorausgegangene Grunduntersuchungen haben gezeigt, dass OME eine wesentlich höhere Diffusionsverbrennungsrate ausweist, der Kegelwinkel der reaktiven Sprayzone kleiner ist und hinsichtlich der Spray zu Spray – Interaktion eine kleinere Reduktion der Diffusionsverbrennung zeigt. Diese Erkenntnisse sind in die Entwicklung der Verbrennungs- und Emissionsmodelle eingeflossen, welche in die 1D – Simulationssoftware Amesim implementierten wurden. Hierdurch sind Simulation des gesamten OME-Motors und damit die Auslegung der relevanten Motorkomponenten möglich. Zur Berechnung und Auslegung des Einspritzsystems wurde ein vereinfachtes 1D-Simulationsmodell verwendet. Einer der Hauptvorteile von OME ist die Verwendung eines vereinfachten Abgasnachbehandlungssystems, wie z. B. ein 3-Wege-Katalysator. Für die Einführung dieser Technologie ist ein . = 1 Motorbetrieb erforderlich. Die größte Herausforderung dabei ist die höhere Abgastemperatur vor dem Turbokompressor. Diese Herausforderung kann durch den Einsatz eines Abgasrückführungssystems (AGR) überwunden werden. Ergebnisse zeigen, dass für den stöchiometrischen Motorbetrieb AGR-Raten von bis zu 35 % erforderlich sind. Mit dieser Information wurde ein passendes AGR-Kühlerkonzept ausgewählt sowie das Motorkennfeld definiert. Abweichend von der ursprünglichen Planung wurden die Motormessungen nicht an einem bereits für OME modifizierten Liebherr-Motor D946, sondern an einem Ein-Zylinder-Motor mit ähnlichem Brennraum durchgeführt. Diese Maßnahme war aufgrund der derzeit vorherrschenden COVID-Pandemie und den damit zusammenhängenden Einschränkungen erforderlich. Es wurden insgesamt 20 Motorbetriebspunkte jeweils mit Diesel (Magerbetrieb), OME (Magerbetrieb) sowie OME unter stöchiometrischen Bedingungen (. = 1) durchgeführt.
Die Messergebnisse zeigen eine deutliche Reduzierung der Russemission mit OME-Verbrennung bei gleichzeitig niedrigsten NOx-Emissionen am Motorausgang, sogar bei sehr hohen AGR-Raten. Dieses Verhalten konnte sowohl beim OME-Magerbetrieb als auch bei stöchiometrischer Verbrennung nachgewiesen werden. Erwartungsgemäß wird durch den in OME molekular eingebundenen Sauerstoff die Diffusionsverbrennung und beste Russoxidation unterstützt. Darüber hinaus bleiben HC- und CO-Emissionen auf einem niedrigen Niveau. Lediglich bei . = 1 ergeben sich höhere CO-Emissionswerte. Die auf Wärmefreisetzung basierte Verbrennungsauswertung hat die im Vergleich zu Diesel schnellere Verbrennung von OME im Magerbetrieb bestätigt. Im stöchiometrischen Betrieb ist dagegen die Verbrennung langsam und unvollständig, was sich negativ auf den Verbrennungswirkungsgrad auswirkt. Der um 2-5% höhere Kraftstoffenergieverbrauch bei . = 1 ist ein Nachteil, der je nach Preis von OME wirtschaftlich durch die Möglichkeit einen Drei-Wege-Katalysators einzusetzen aufgewogen werden kann. Im Vergleich zu üblichen Abgasnachbehandlungssystemen bei Dieselmotoren ist dieser deutlich kompakter, robuster und günstiger. OME weist keine weiteren verbrennungsrelevanten Vorteile zu Diesel auf. Deshalb wäre OME aus erneuerbaren Quellen mit dem Ziel der Defossilisierung zweckmässig. Im Well-to-Wheel Szenario führt OME, das aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, zu einer starken Reduzierung der CO2-Emissionen. Bei Diesel sind es 127gCO2e/MJ und bei OME noch 18-26gCO2e/MJ. Haupterkenntnisse:
• Keine Russ-NOx-Schere bei OME-Verbrennung, unabhängig vom stöchiometrischen Verhältnis.
• OME- Motor kann sowohl mager als auch stöchiometrisch betrieben werden (.= 1 …~2.1). Im stöchiometrischen Betrieb (. = 1) kann die Abgasbehandlung auf einen einfachen Drei-Wege-Katalysator beschränkt werden.
• Stöchiometrischer Motorbetrieb führt zu unvollständiger Verbrennung und damit zu Einbussen beim Verbrennungswirkungsgrad (-2% bis zu -5%).
• Im Tank-to-Wheel Szenario, vom Tank bis zum Rad, und für den Fall, dass das OME nicht aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird, sind die CO2 Emissionen 22 % höher als bei Diesel. Wegen dem geringerem Energieinhalt pro Volumen steigt der volumetrische Verbrauch um 140 %.
• Im Well-to-Wheel Szenario und für den Fall, dass OME aus erneuerbaren Quellen stammt, würden die CO2-Emissionen im Vergleich zur Dieselverbrennung deutlich niedriger sein (bis zu -85% CO2).
• Reines OME aus erneuerbaren Quellen kann bei Anwendungen, wo ein guter transportier- und lagerbarer Energieträger notwendig ist und die Platz- und Kostenverhältnisse eine kompakte und günstige Bauweise des Abgasnachbehandlungssystems erfordern, eine Lösung zur Defossilisierung sein.
Final report
(English)
Several fuels can be produced from biomass, hydrogen or waste for the defossilisation of combustion drive systems. Oxymethylenether (OME) synthetic fuel, produced from renewable energy sources, is a potential candidate. Under ambient conditions, it is in liquid form like diesel. It can therefore be stored, handled and filled in the same way. Although its energy density by volume is significantly lower than that of diesel, it is expected that the fuel and engine components will be easily adapted to existing vehicle models. Compared to diesel, OME fuel has no direct bonds between its carbon atoms. They are linked together by an oxygen atom, which reduces the formation of soot, even in stoichiometric combustion (. = 1). In the case of such .= 1 combustion, a simple 3-way catalyst can be used to reduce NOx, CO and HC emissions, thus meeting regulatory emission requirements. This is a considerable advantage over the diesel engine, which, due to the high tendency to soot formation, operates with a lean mixture and requires an expensive exhaust after-treatment system. Compared to diesel combustion, there is no need to find a trade-off between NOx and soot emissions for OME combustion. The basic combustion investigation revealed that OME shows a significantly higher diffusion combustion rate, a smaller cone angle of the reactive spray plume and a less intensive reduction of diffusion combustion related to spray-to-spray interaction. This knowledge has been used to set up combustion and emission models, which have been integrated into the 1-D simulation tool Amesim. The model in Amesim allows full engine calculations to layout the components. In addition, simplified calculations have been used to layout the injectors and the 3-Way Catalytic Converter (3WCC). The 1-D model showed that the engine requires operation with exhaust gas recirculation (EGR) rates up to 35%. With this information, the EGR cooler has been dimensioned and ordered.
Due to several reasons during the COVID pandemic and differing from the original planning, the engine measurements have not been performed on the already modified Liebherr engine D946 for operation with OME, but on a single cylinder engine with similar combustion chamber. Twenty engine operation points have been measured for each configuration (Diesel, OME lean and OME at . = 1). The measurement results show a significant reduction in soot emissions by OME combustion even at the highest EGR rates with lowest NOx engine-out emission, no matter which combustion calibration (lean or stoichiometric) has been considered. As expected, and shown in preliminary analysis and simulations, the molecular oxygen content of OME supports an improved diffusive combustion and best soot oxidation. Additionally, HC and CO emissions remain at a very low level. The CO-emission is increased only at lowest NOx engine out level (. = 1). The evaluation of the combustion under stoichiometric conditions (. = 1) showed that it was slow and incomplete, leading to a lower combustion efficiency. Unlike diesel where the soot/NOx trade-off is significant, there is no soot formation with OME at . = 1, due to the presence of oxygen in the molecule. Despite the higher fuel consumption at . = 1, due to the higher fuel rate in the mixture, the use of OME is worthwhile, as the absence of this trade-off allows the use of a three-way catalyst that is significantly more compact, more robust and less expensive than the usual diesel after-treatment systems. The disadvantage of higher 2-5% fuel consumption at . = 1 can be economically compensated by the possibility of using a three-way catalytic converter. Compared to conventional exhaust gas aftertreatment systems in diesel engines, this is significantly more compact, robust and less expensive. OME has no other combustion-relevant advantages over diesel in the tank-to-wheel emission approach. Therefore, OME obtained from renewable sources would be appropriate with the target of decarbonization. In the well-to-wheel scenario, OME produced from renewable sources leads to a large reduction in CO2 emissions. For diesel it is 127gCO2e/MJ and for OME it is still 18-26gCO2e/MJ
Main findings:
• No soot-NOx trade-off in OME combustion at lean and stoichiometric conditions, which allows an application of a three-way catalytic converter.
• OME engine can operate at lean and stoichiometric conditions (. = 1 … ~2.1). In stoichiometric mode, exhaust treatment can be limited to a simple three-way catalytic converter.
• Engine operation at stoichiometric conditions leads to incomplete combustion which reduces the combustion efficiency (-2% to -5%).
• In the Tank-to-Wheel scenario, if OME is not produced from renewable sources, it leads to an increase of 22% in CO2 emissions. Due to the lower energy content per volume, the volumetric consumption increases by 140%.
• In the "Well-to-Wheel" scenario, if OME is produced from renewable sources, CO2 emissions would be significantly lower than those of diesel combustion (up to -85% CO2).
• Pure OME from renewable sources can be a decarbonization solution in applications where an easily transportable and storable energy source is required, but also where space and cost constraints require a compact and advantageous design of the exhaust gas treatment system.
Final report
(French)
Un certain nombre de carburants peuvent être produits à partir de la biomasse, de l’hydrogène ou des déchets pour la défossilisation des systèmes d’entrainement à combustion. Le carburant synthétique oxyméthylenether (OME), produit à partir de sources d’énergie renouvelables, est un candidat potentiel. Dans des conditions ambiantes, il est sous forme liquide comme le diesel. Il peut donc être stocké et manipulé de la même manière. Bien que sa densité énergétique par volume soit nettement inférieure à celui du diesel, on s’attend à ce que les composants du carburant et du moteur soient facilement adaptés aux modèles de véhicules existants. Les produits de la société Liebherr, tels que les engins de construction et les grues mobiles, sont parfois utilisés loin de toute infrastructure énergétique. Les propriétés de l'OME, similaires à celles du diesel, pour le stockage et le ravitaillement semblent s'y prêter. Liebherr Machines Bulles SA développe et fabrique en Suisse des unités d'entraînement basées sur des moteurs à combustion pour les produits du groupe Liebherr et a donc étudié de manière approfondie les propriétés pertinentes de l'OME à cet égard. En comparaison avec le diesel, le carburant OME n’a pas de liaisons directes entre ses atomes de carbone. Ils sont reliés entre eux par un atome d’oxygène, ce qui réduit la formation de suie, même lors d’une combustion stoechiométrique (. = 1). Dans le cas d’une telle combustion .= 1, il est possible d’utiliser un simple catalyseur à 3 voies pour réduire les émissions de NOx, de CO et de HC, pour ainsi respecter les exigences réglementaires en matière d’émissions. Il s’agit d’un avantage considérable par rapport au moteur diesel qui, en raison de la forte tendance à la formation de suie, fonctionne avec un mélange pauvre et nécessite un système onéreux de post-traitement des gaz d’échappement. Par rapport à la combustion du diesel, la combustion de OME ne nécessite pas de compromis entre les émissions de NOx et de suie. Les investigations de base sur la combustion ont révélé que l'OME montre un taux de combustion par diffusion significativement plus élevé, un angle de cône plus petit du jet de pulvérisation réactif et une réduction moins intensive de la combustion par diffusion liée à l'interaction aux jets adjacents. Ces connaissances ont été utilisées pour mettre en place les modèles de combustion et d'émission, qui ont été intégrés dans l'outil de simulation 1-D, « Amesim ». Le modèle « Amesim » permet des calculs complets du moteur pour définir les composants. L'un des principaux avantages de l'OME est l'utilisation d'un système de post-traitement des gaz d'échappement simplifié, tel qu'un catalyseur à 3-voies. Pour l'introduction de cette technologie, un fonctionnement . = 1 moteur est nécessaire. Le plus grand défi est la température plus élevée des gaz d'échappement avant le turbocompresseur. Ce défi peut être surmonté par l'utilisation d'un système de recyclage des gaz d'échappement (EGR). Les résultats montrent que des taux d'EGR allant jusqu'à 35 % sont nécessaires pour un fonctionnement stoechiométrique du moteur. Ces informations ont permis de sélectionner un concept de refroidissement de l’EGR adapté et de définir la cartographie du moteur. Pour plusieurs raisons liées à la pandémie de COVID, les mesures du moteur n'ont pas été effectuées sur le moteur Liebherr D946, déjà modifié pour une utilisation avec OME, mais sur un moteur monocylindre avec une chambre de combustion similaire. Vingt points de fonctionnement du moteur ont été mesurés pour chaque configuration : Diesel avec un mélange pauvre, OME avec un mélange pauvre et OME à . = 1. Ceci diffère de la planification initiale. Les résultats des mesures montrent une réduction significative des émissions de suie dans la combustion de l’OME, même aux taux d'EGR les plus élevés avec des émissions de NOx les plus faibles, quel que soit la calibration de la combustion (mélange pauvre ou stoechiométrique) qui a été pris en compte. Comme montré dans l'analyse et les simulations préliminaires, la teneur en oxygène moléculaire de l'OME offre une amélioration de la combustion par diffusion et une meilleure oxydation des suies. De plus, les émissions de HC et de CO restent à un niveau très faible. Les émissions de CO ne sont augmentées que lorsque les NOx sont au plus bas en sortie moteur (. = 1). L'évaluation de la combustion basée sur le dégagement de chaleur a confirmé la combustion plus rapide de l’OME avec un mélange pauvre en carburant par rapport au diesel. En revanche, en mode stoechiométrique, plus riche en carburant, la combustion est lente et incomplète, ce qui a un effet négatif sur le rendement de la combustion. La consommation d'énergie du carburant, supérieure de 2 à 5 % à . = 1, est un inconvénient qui, selon le prix de l'OME, peut être compensé économiquement par la possibilité d'utiliser un catalyseur à trois voies. Par rapport aux systèmes habituels de traitement des gaz d'échappement des moteurs diesel, celui-ci est nettement plus compact, plus robuste et moins cher. L'OME ne présente pas d'autres avantages par rapport au diesel en termes de combustion. C'est pourquoi seuls les OME issus de sources renouvelables et visant à la défossilisation sont appropriés. Dans le scénario « Well-to-Wheel », l'OME, produit à partir d'énergies renouvelables, entraîne une forte réduction des émissions de CO2. Pour le diesel, il s'agit de 127gCO2e/MJ et pour les OME encore de 18-26gCO2e/MJ.
Principales conclusions:
• Aucun compromis entre les suies et les NOx avec la combustion de l’OME dans des conditions pauvres et stoechiométriques est nécessaire, ce qui permet d’utiliser un catalyseur à trois voies.
• Les moteurs utilisant l’OME, peuvent fonctionner dans des conditions pauvres mais aussi stoechiométriques (. compris entre 1 … ~ 2.1). Lors d’une combustion stoechiométrique, un convertisseur catalytique à trois voies peut être utilisé comme système de traitement des gaz d’échappement.
• Le fonctionnement du moteur dans des conditions stoechiométriques conduit à une combustion incomplète, ce qui réduit l'efficacité de la combustion (-2% à -5%).
• Dans le scénario « Tank-to-Wheel », du réservoir à la roue, et dans le cas où l'OME n'est pas produit à partir de sources renouvelables, les émissions de CO2 sont 22 % plus élevées que pour le diesel. En raison du contenu énergétique plus faible par volume, la consommation volumétrique augmente de 140 %.
• Dans le scénario « Well-to-Wheel », du puit à la roue, et dans le cas où l'OME proviendrait de sources renouvelables, les émissions de CO2 seraient nettement inférieures à celles de la combustion Diesel (jusqu’à -85% de CO2).
• L'OME pur issu de sources renouvelables peut être une solution de défossilisation dans les applications où une source d'énergie facile à transporter et à stocker est nécessaire, mais aussi où les contraintes d'espace et de coût exigent une conception compacte et avantageuse du système de traitement des gaz d'échappement.
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