HDV-DME – Investigation of the suitability of DME as an alternative fuel in HDV

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501794

Schlüsselwörter (Englisch)

DME for Cl engine, clean combustion (good NOx/soot trade-off), high combustion efficiency, meeting Euro Vl legislation with cost-efficient after-treatment system, establish DME capable fuel injection system

Kurzbeschreibung (Deutsch)

DME ist ein Kraftstoff, welcher aus diversen erneuerbaren Quellen erzeugt werden kann und sich sehr gut für die Verwendung in Dieselmotoren eignet. Dafür sind mechanische Anderungen am Kraftstoffsystem (Nieder- und Hochdruckteil) notwendig. Da DME sauerstoffhaltig ist, ergibt sich ein interessantes NOx-Russ-Wirkungsgrad-Trade-off, speziell bei der Verwendung von Abgasrückführung. lm Rahmen dieses Projektes wird ein modernster Ll(\ff Motor für DME optimiert.

Kurzbeschreibung (Englisch)

DME is a well-suited fuel for compression ignition engines which can be produced from several renewable sources. To use DME, the fuelling system needs to be adapted. Since DME contents oxygen, an interesting NOx-soot-efficiency trade-off can be expected, especially if exhaust gas recirculation is used. Within this project, a modern heavy-duty engine will be optimized for the use of DME.

Schlussbericht (Englisch)

This project is using the same engine platform as the one used in the previous SFOE funded project SI/501478-01 (Wirkungsgradsteigerung von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren auf 50%). It represents a logical step for the development of a heavy-duty engine using an alternative fuel such as DME (Dimethyl-Ether).

DME is a well-suited fuel for compression ignition engines which can be produced from several renewable sources and has a volumetric energy density which is viable for high-power/long-haul heavy-duty applications. The H/C ratio of DME is significantly better than that of Diesel and thus the CO2 emissions are lower. Since DME contains an oxygen atom, an interesting NOx-soot-efficiency trade-off can be expected, especially if exhaust gas recirculation is used. The EGR (Exhaust Gas Recirculation) pump from the previous project allows high EGR rates quasi independently from the turbocharger operating point and thus extremely low engine out NOx emissions can be achieved without any soot.

All of the above-mentioned benefits of using DME as a fuel could be demonstrated in this project. Extremely low engine out NOx is possible whereas the Brake Thermal Efficiency (BTE) level decreases less than expected. For a target Brake Specific (BS) NOx engine out, less EGR is required with DME because late injection and low rail pressure is possible in the absence of a soot penalty. The injection / combustion chamber design proved to be very good, leading to extraordinary low particle levels in all relevant metrics (i.e. opacity, mass).

Main concerns like THC (Total HydroCarbon) or high Particulate Numbers (PN) emissions were not observed. All HC species emissions and PN in steady-state mode were far below the current legislation limit (EU6). Very low Particulate Matter (PM) emissions allow a different layout of the After-Treatment System (ATS) with a smaller particulate filter (only necessary for ashes from engine oil) located at the end of the ATS and not before the SCR. This can compensate the slightly lower exhaust temperatures compared to Diesel and therefore keep the SCR at about the same temperature level for good NOx conversion at low load.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 7'672 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet utilise la même plate-forme de moteur que celle utilisée dans le précédent projet financé par l'OFEN SI/501478-01 (Wirkungsgradsteigerung von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren auf 50%). Il représente une étape logique pour le développement d'un moteur utilisant un carburant alternatif tel que le DME (Dimethyl-Ether).

Le DME est un carburant bien adapté pour les moteurs à allumage par compression qui peut être produit à partir de plusieurs sources renouvelables et a une densité d'énergie volumétrique qui est viable pour les applications poids lourds à longue distance. Le rapport H/C du DME étant plus favorable que celui du carburant diesel, les émissions de CO2 à charge équivalente sont donc plus faibles. Étant donné que le DME contient un atome d'oxygène, un compromis intéressant entre les NOx et la suie peut être espéré, en particulier si la recirculation des gaz d'échappement est utilisée. La pompe EGR de l'ancien projet permet des taux EGR élevés quasi indépendamment du point de fonctionnement du turbocompresseur et ainsi des émissions de NOx extrêmement faibles peuvent être obtenues sans aucune suie.

Tous les avantages mentionnés ci-dessus concernant l'utilisation du DME comme carburant ont pu être démontrés dans ce projet. Un NOx spécifique extrêmement faible en sortie moteur est possible tandis que le rendement thermique du moteur diminue moins que prévu. Pour une valeur cible de BS NOx en sortie moteur, moins d'EGR est requis avec le DME car une injection tardive et une Plus faible pression d’injection sont possibles en raison de l'absence de pénalité de suie. Heureusement, la conception de la chambre d'injection / de combustion s'est avérée très bonne, ce qui a conduit à des niveaux de particules extrêmement bas à tous égards (c'est-à-dire opacité, masse).

Les principales préoccupations telles que les émissions élevées de THC ou de PN n'ont pas été observées. Toutes les émissions d'espèces de HC et les nombres de particules (steady-state mode) étaient bien inférieurs à la limite légale actuelle (EU6). De très faibles émissions de PM permettent une disposition différente du système de post-traitement (ATS) avec un filtre à particules plus petit (nécessaire uniquement pour les cendres d'huile moteur) et de le placer à la fin de l'ATS et non avant le SCR. Cela peut compenser les températures d'échappement légèrement inférieures par rapport au diesel et donc maintenir le SCR à peu près au même niveau de température pour une bonne conversion des NOx à faible charge.