Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Erneuerbares Dimethylether (DME) kann in grossen Mengen wirtschaftlich hergestellt werden, die Treibstoffindustrie ist auf diesem Gebiet aktiv. DME kann daher, speziell zur Dekarbonisierung von Lastanwendungen, ein wichtiger Treibstoff werden. In einem Vorgängerprojekt wurde ein Motor für schwere Fahrzeuge erfolgreich für DME optimiert. Aufgrund der chemischen Struktur von DME und einer guten Auslegung der Diffusionsverbrennung wurden hohe Effizienzen sowie tiefe Schadstoffemissionen erreicht. Abgasnachbehandlung war lediglich für NOx notwendig. Bei Betrieb unter Teillast ist allerdings das Abgastemperaturniveau zu tief für die SCR Katalyse. Um dieses Problem zu umgehen, wird im Dieselbetrieb klassischerweise die Abgastemperatur künstlich erhöht, was einer absichtlichen Reduktion der Motoreffizienz gleichkommt. Für DME existiert ein Weg, welcher für Diesel nicht funktioniert: die low-NOx Verbrennung mittels partieller Vormischung. Dies soll in diesem Projekt untersucht werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Renewable dimethyl ether (DME) can be produced economically in large quantities, the fuel industry is active in this regard. DME can therefore be an important future fuel, especially for decarbonizing heavy duty applications. In a previous project, a compression ignition heavy duty engine was successfully optimized for DME. Due to the chemical structure of DME and a proper combustion system layout, a very efficient and low-polluting combustion could be achieved. Exhaust gas treatment was only necessary to remove NOx which was done by Selective Catalytic Reduction (SCR). However, the temperature level at part load operation is too low for SCR catalysis. To overcome this problem in diesel fuel operation, exhaust gas heating measures are being used which means that efficiency is sacrificed in order to increase the exhaust gas temperature. For DME, unlike for diesel, an alternative path is possible: the implementation of low-NOx partially premixed combustion which is the focus of this project.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le diméthyléther (DME) renouvelable peut être produit en grandes quantités de manière économique et l'industrie des carburants est active dans ce domaine. Le DME peut donc devenir un carburant important, en particulier pour la décarbonisation des applications de charge. Dans un projet précédent, un moteur pour véhicules lourds a été optimisé avec succès pour le DME. Grâce à la structure chimique du DME et à une bonne conception de la combustion par diffusion, des rendements élevés et de faibles émissions polluantes ont été atteints. Le traitement des gaz d'échappement n'a été nécessaire que pour les NOx. Cependant, en cas de fonctionnement à charge partielle, le niveau de température des gaz d'échappement est trop bas pour la catalyse SCR. Pour contourner ce problème, la température des gaz d'échappement est classiquement augmentée artificiellement en mode diesel, ce qui équivaut à une réduction intentionnelle de l'efficacité du moteur. Pour le DME, il existe une solution qui ne fonctionne pas pour le diesel : la combustion à faibles émissions de NOx au moyen d'un prémélange partiel. C'est ce que nous allons étudier dans le cadre de ce projet.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Im Rahmen dieses Projekts wurde der Betrieb eines mit DME betriebenen Schwerlastmotors mit teilvorgemischter Ladung und Kompressionszündung (PCCI) bei niedrigen Lastbedingungen untersucht. Die Studie ergänzt die in einem Vorgängerprojekt [1][2] durchgeführten Untersuchungen, bei denen hauptsächlich hohe Lastbedingungen - typisch für den Betrieb schwerer Nutzfahrzeuge - mit hervorragenden Ergebnissen untersucht wurden. Bei niedrigeren Lasten ergeben sich Schwierigkeiten aufgrund der niedrigen Temperatur-Dosiergrenze des Abgasnachbehandlungssystems. Um dieses Problem zu lösen, wurde der PCCI-Betrieb mit spätem Einspritzbeginn (SOI) und hohen Abgasrückführungsraten (AGR) untersucht. Die gewählte Strategie zeigt deutlich, dass eine hohe AGR in Kombination mit einer späten SOI deutlich geringere Verbrauchseinbußen ermöglicht als der konventionelle Abgasklappenbetrieb. Darüber hinaus können hohe AGR-Raten die Kraftstoffeffizienz in bestimmten Niedriglast-/Leerlaufzuständen aufgrund geringerer Pumpverluste sogar verbessern. Geringere NOx-Emissionen am Motorausgang bedeuten auch geringere Auspuffemissionen während der Warmlaufphase bis zur Aktivierung des SCR-Systems. Schliesslich ermöglichen die höheren Außentemperaturen des Motors die Dosierung des Reduktionsmittels für die selektive katalytische Reduktion (SCR, w/AdBlue), so dass die Euro 7- und Tier 5-Vorschriften mit einem Euro 6-ähnlichen Nachbehandlungssystem erreicht werden können, wahrscheinlich sogar ohne DPF. Weitere Verbesserungen im Hinblick auf den Kompromiss zwischen NOx und THC/CO bei instationären Bedingungen sind mit einer ausgefeilteren AGR-Regelung möglich, während gleichzeitig der Kompressorstoss bei Lastabnahme minimiert werden könnte. Die numerischen Ergebnisse unterstützen die experimentellen Erkenntnisse und zeigen, dass für die untersuchten Bedingungen eine gute bis gute Übereinstimmung in Bezug auf Druckverläufe und Wärmefreisetzungsraten und sogar Emissionen zu erkennen ist. Angesichts der extrem geringen Reaktivität der untersuchten Bedingungen, insbesondere bei den sehr späten Einspritzzeitpunkten, kann die numerische Plattform dennoch als vielversprechend für die Untersuchung weiterer Betriebsstrategien angesehen werden.
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Schlussbericht
(Englisch)
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This project investigated the operation of a DME-powered heavy-duty engine with partially premixed charge and compression ignition (PCCI) at low load conditions. The study complements the investigations carried out in a previous project [1][2], in which mainly high load conditions - typical for the operation of heavy-duty vehicles - were investigated with excellent results. At lower loads, difficulties arise due to the low temperature dosing limit of the exhaust gas aftertreatment system. To solve this problem, PCCI operation with late start of injection (SOI) and high exhaust gas recirculation (EGR) rates was investigated. The chosen strategy clearly shows that a high EGR in combination with a late SOI enables significantly lower fuel consumption losses than conventional exhaust gas flap operation. In addition, high EGR rates can even improve fuel efficiency in certain low-load/idle states due to lower pumping losses. Lower NOx emissions at the engine outlet also mean lower tailpipe emissions during the warm-up phase until the SCR system is activated. Finally, the higher outside temperatures of the engine enable the dosing of the reducing agent for the selective catalytic reduction (SCR, w/AdBlue), so that Euro 7 and Tier 5 regulations can be achieved with a Euro 6-like aftertreatment system, probably even without a DPF. Further improvements in terms of the trade-off between NOx and THC/CO at transient conditions are possible with more sophisticated EGR control, while at the same time compressor surge could be minimized at load decrease. The numerical results support the experimental findings and show that for the investigated conditions a good to good agreement in terms of pressure curves and heat release rates and even emissions can be recognized. In view of the extremely low reactivity of the investigated conditions, especially at the very late injection times, the numerical platform can nevertheless be considered promising for the investigation of further operating strategies.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Dans le cadre de ce projet, le fonctionnement d'un moteur pour poids lourds à charge partiellement prémélangée et allumage par compression (PCCI) alimenté par DME a été étudié dans des conditions de charge faibles. Cette étude complète les recherches menées dans le cadre d'un projet précédent [1][2], dans lequel les conditions de charge élevées - typiques du fonctionnement des véhicules lourds - ont été principalement étudiées avec d'excellents résultats. Pour des charges plus faibles, des difficultés apparaissent en raison de la faible limite de dosage de la température du système de post-traitement des gaz d'échappement. Pour résoudre ce problème, le fonctionnement PCCI a été étudié avec un début d'injection tardif (SOI) et des taux de recirculation des gaz d'échappement (EGR) élevés. La stratégie choisie montre clairement qu'un RGE élevé combiné à un SOI tardif permet des réductions de consommation nettement moins importantes que le fonctionnement conventionnel du volet d'échappement. En outre, des taux AGR élevés peuvent même améliorer l'efficacité du carburant dans certaines conditions de faible charge/de marche à vide en raison de pertes de pompage réduites. Des émissions de NOx plus faibles à la sortie du moteur signifient également des émissions plus faibles à l'échappement pendant la phase de réchauffement jusqu'à l'activation du système SCR. Enfin, les températures extérieures plus élevées du moteur permettent de doser l'agent réducteur pour la réduction catalytique sélective (SCR, w/AdBlue), ce qui permet d'atteindre les normes Euro 7 et Tier 5 avec un système de post-traitement similaire à Euro 6, probablement même sans DPF. D'autres améliorations concernant le compromis entre NOx et THC/CO dans des conditions instationnaires sont possibles avec un contrôle EGR plus sophistiqué, tandis que, dans le même temps, le choc du compresseur pourrait être minimisé en cas de baisse de charge. Les résultats numériques soutiennent les conclusions expérimentales et montrent que pour les conditions étudiées, il y a une bonne à bonne correspondance en ce qui concerne les courbes de pression et les taux de dégagement de chaleur et même les émissions. Compte tenu de la réactivité extrêmement faible des conditions étudiées, en particulier pour les moments d'injection très tardifs, la plateforme numérique peut néanmoins être considérée comme prometteuse pour l'étude d'autres stratégies de fonctionnement.
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