Influences of alternative fuels and EGR on thermodynamic parameters and emissions of a heavy duty engine [Elektronische Ressource] / von Quoc Phong Le

Schmidt Francis

Informations

• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Influences of Alternative Fuels and EGR on Thermodynamic
Parameters and Emissions of a Heavy-Duty Engine



Dissertation

Zur Erlangung des akademischen Grades



Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)



von M.-Eng. Quoc Phong Le
geb. am 02.12.1967 in Namdinh, Vietnam



genehmigt durch die Fakultät für Maschinenbau
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg


Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke IMS/KM, OvGU Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. Pham Minh Tuan HUT, Hanoi University of Technology


Promotionskolloquium am 13 Dezember 2007 Schriftliche Erklärung

Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulässige Hilfe Dritter und ohne
Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die aus fremden Quellen
direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht.

Insbesondere habe ich nicht die Hilfe einer kommerziellen Promotionsberatung in Anspruch
genommen. Dritte haben von mir weder unmittelbar noch mittelbar geldwerte Leistungen für
Arbeiten erhalten, die im Zusammenhang mit dem Inhalt der vorgelegten Dissertation stehen.

Die Arbeit wurde bisher weder im Inland noch im Ausland in gleicher oder ähnlicher Form
als Dissertation eingereicht und ist als Ganzes auch noch nicht veröffentlicht.


thMagdeburg, August 27 , 2007 Acknowledgements


I would like to express my sincere gratitude and thanks to my supervisor Prof. Dr.-Ing.
Helmut Tschöke for providing this interesting research topic, his guidance, valuable advice,
and continuous support with patience and encouragement throughout the period of this work.
I have not only received academic assistance, but also tremendous help from him.

I am very grateful to Prof. Dr.-Ing. Pham Minh Tuan, Hanoi University of Technology, for
reviewing this dissertation and giving me helpful comments and suggestions.

I acknowledge the assistance, support and discussion of colleagues and staff from the
Lehrstuhl Kolbenmaschinen, IMS, University of Magdeburg. Special thanks go to Dr.-Ing.
Detlef Hieber, Dr.-Ing. Lothar Schulze, Dr.-Ing. Hanns-Erhard Heinze, Dr.-Ing. Hans-Ulrich
Franke, Dipl.-Ing. Gunter Braungarten and Dipl.-Ing. Dennis Backofen.

I record special thanks to the Institute of Mobile System and the Vietnamese Government for
their generous financial support.

Last, but not least, I would like to express my gratitude to my beloved family, to my parents,
to my wife and son, to my sister and brothers and friends who have been a constant source of
inspiration and encouragement to me during this study. Kurzfassung

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchungsergebnisse zum Einfluss der AGR auf den Arbeits-
prozess und die Emissionen eines Euro II-Nutzfahrzeugmotors. Für die Untersuchungen wur-
den unterschiedliche alternative Kraftstoffen sowie deren Blends eingesetzt. Die Ermittlung
der thermodynamischen Parameter war Schwerpunkt der Versuchsauswertung.

Bei dem Motor handelte es sich um einen turboaufgeladenen Reihen-Sechszylindermotor mit
Direkteinspritzung. Der Motor wurde mit einer externen Abgasrückführungsstrecke mit Was-
serkühlung nachgerüstet. Die Einstellung der AGR-Rate erfolgte durch Variationen des AGR-
Ventils, des Ladedrucks und des Drosselklappenwinkels im Ansaugtrakt. Es wurden Abgas-
rückführraten von 0%, 9% und 27% bei unterschiedlichen Temperaturniveaus des zurückge-
führten Abgases eingestellt.

Für die Untersuchungen wurde als Referenzkraftstoff Dieselkraftstoff (DK) und als alternati-
ve Kraftstoffe RME (Biodiesel) und GTL-Kraftstoff eingesetzt. Weiterhin wurden folgende
Mischkraftstoffe untersucht: Blends aus Biodiesel und DK (B50, B10), O -Diesel, ein Blend 2
aus DK und 7,8 % Bioethanol sowie ein Blend aus DK und 50 % GTL (G50). Außer GTL
bzw. G50 weisen die untersuchten alternativen Kraftstoffe auf Grund ihrer schlechteren
Heizwerte im Volllastbereich niedrigere Drehmomente im Vergleich zu DK auf. Weiterhin
wurden bei allen alternativen Kraftstoffen eine Abnahme des effektiven Wirkungsgrades des
Motors festgestellt, vor allem beim O -Diesel. 2

Die Zylinderdruckverläufe bei den Biodieselkraftstoffen sowie bei O -Diesel zeigen höhere 2
Zylinderdruckgradienten im Vergleich zum DK, d.h. höhere Geräuschemissionen. Mit zu-
nehmendem AGR-Anteil und gekühltem, rückgeführtem Abgas fallen die Zylindergradienten
und die maximalen Zylinderdrücke. Ähnliche Trends konnten bei allen alternativen Kraftstof-
fen nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung von RME und den zugehörigen Blends
konnten geringfügige Verlängerungen des Zündverzugs in der Teil- und Volllast festgestellt
-Diesel und GTL wurde eine Verkürzung der Zündverzugszeit ermittelt. werden. Mit O2

Die meisten alternativen Kraftstoffe weisen im Vergleich zu DK geringere Ruß- und HC-
Emissionen und höhere NO -Emissionen auf. Für die GTL-Kraftstoffe waren alle Emissionen x
niedriger. Bei reinem RME wurde die geringste Rußzahl (FSN) gemessen. O -Diesel hinge-2
gen weist im Vergleich zu RME höhere Rußwerte auf. Das Ruß-Emissionsniveau von GTL-
Kraftstoffen lag zwischen dem der konventionellen und der anderen alternativen Kraftstoffen
(Ausnahme 27% AGR bei unterer Teillast).

Die Erhöhung des Anteils von RME im mineralischen DK auf 10% (B10) bewirkt nur eine
geringfügige Verbesserung der thermodynamischen Parameter. B10 reduziert zwar NO und x
Ruß, jedoch verglichen mit DK erhöht sich die HC-Emission um bis zu 8%. Blends aus kon-
ventionellem Dieselkraftstoff mit mehr als 5% RME-Anteil sind realisierbar. Zur Reduzie-
rung von NO -Emissionen haben sich die Abgasrückführung bzw. eine verspätete Einsprit-x
zung als Lösungsmöglichkeiten bewährt.

Der Untersuchungen zeigten, dass der Einsatz von GTL und G50 ein gewisses Potenzial zur
Verringerung der Emissionen ergibt. Darüber hinaus weist GTL auf Grund eines höheren
Heizwertes einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch auf als DK. Dies ist ein wichti-
ger Vorteil der GTL-Kraftstoffe. Abstract

Compression ignited (CI) engines, commonly known as diesel engines, are widely used power
sources in on-road and off-road applications with complex emissions. Determining the impact
of diesel exhaust emissions on human health and the environment requires evaluating both
regulated and unregulated properties of exhaust gas. In particular, emissions from new fuels
have to be examined thoroughly to prevent any impact from increased emissions of harmful
substances. In addition, identifying and utilizing new alternative fuels to replace fossil fuels is
an important task not only in Germany but also worldwide, now and in the future.

Previous research has generally focused on the composition of exhaust gas, analysis of its
operating behavior and optimizations to improve operating and emissions parameters but only
with neat biofuels. There has been little examination of new alternative fuels and their blends,
e.g. ethanol, ethanol-diesel blends and RME-diesel blends (with ratios over 5%), and, in
particular, of their use in heavy-duty diesel engines. Furthermore, investigations of alternative
fuels combined with other operating conditions such as different exhaust gas recirculation
ratios, retarded or earlier injection pump delivery, etc. have not been analyzed.

This study investigates the influences of properties of RME 100%, RME-diesel blends of
different ratios, ethanol-diesel blends with low amounts of ethanol and gas-to-liquid and its
blends on thermodynamic properties and emissions, specifically their impacts on cylinder
pressure levels. To this end, different variables are combined, e.g. different alternative fuels
and different blend ratios with different EGR rates, EGR temperatures and injection timing.

A cylinder pressure sensor, an injection pipe pressure sensor, evaluation software and data
processing equipment were used to detect differences in cylinder pressures, heat release rates
and spectrums of cylinder pressure in different operating points and under different operating
conditions. Moreover, maximum heat release rates and maximum cylinder pressure peaks
were calculated and evaluated in order to correctly interpret the effects of the aforementioned
variables at different operating points and under different operating conditions and with
different parameters, e.g. ignition delay periods, combustion duration and maximum cylinder
pressure rises.

The results obtained are used to evaluate and optimize the engine’s operating process with
exhaust gas recirculation and different alternative fuels and their blends with conventional
fuels.
Table Content I
Table Content

Kurzfassung / Abstract
Table Content............................ ...................................................................