Ignition and combustion studies of alternative engine fuels

Abstract

Electric and hybrid propulsion systems are expanding rapidly in road transport. Nevertheless, internal combustion engines will continue to dominate marine and non-road applications for the foreseeable future, due to the high energy density of their fuels. Urgent emission reductions are needed to mitigate climate change. Fuels derived from waste or residues are favoured because their greenhouse gas emissions are low, and they help in offsetting diminishing crude oil reserves amid increasing global energy demand.

After studying a range of alternative fuels, two novel candidates were selected for detailed investigation in this dissertation. One is renewable naphtha, derived from crude tall oil; the other is circular economy-based marine gas oil (MGO), produced from waste lubricating oils. The main objective was to study how the selected fuels affect ignition delay and in-cylinder combustion, and to consider their suitability for engine applications. Five experimental studies were performed. First, the ignition quality of the alternative fuels was observed in a constant-volume combustion chamber and two ignition quality analysers. Then, the fuels’ ignition and combustion were studied under laboratory conditions in two compression-ignition engines: one a high-speed, non-road engine; the other a medium-speed, marine engine.

Renewable naphtha has a long ignition delay limiting engine loading, and its ignition quality needs to be improved by blending or using other fuel for engine start-up and shutdown. In addition, naphtha’s low flash point requires additional safety procedures. The ignition quality was improved by blending naphtha with low-sulphur light fuel oil (LFO). The blend ignited easily and combustion was efficient, showing reduced smoke emissions compared to LFO. However, hydrocarbon and carbon monoxide emissions varied between the engines. MGO derived from waste lubricating oils reduced hydrocarbon, carbon monoxide and smoke emissions in the high-speed engine. Both MGO and the naphtha-LFO blend showed a significant reduction in the total particulate number compared to LFO in the medium-speed engine. The lower lubricity of MGO can be a limiting factor for its use.

Both circular economy-based MGO and renewable naphtha can be considered technologically viable as drop-in or blend fuel for compression ignition engines. However, the primary concern is the limited availability of their respective feedstocks and the resulting uncertainty of fuel pricing.

Tieliikenteessä sähköistyminen ja hybridisaatio lisääntyvät. Työkoneissa ja laivoissa polttomoottoreita tarvitaan kuitenkin vielä kauan, koska niiden vaatimaa suurta käyttöenergiamäärää on vaikea korvata sähkövarastoilla. Moottorien päästöjä on kuitenkin jatkuvasti vähennettävä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Jätteistä ja tähteistä tuotetut uusiutuvat polttoaineet ovat hyvä ja suositeltava vaihtoehto fossiilisille polttoaineille, sillä uusiutuvien polttoaineiden kasvihuonekaasupäästöt ovat pienet.

Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää vaihtoehtoisten polttoaineiden vaikutus puristussytytteisten moottorien syttymisviiveeseen ja sylinterin sisäiseen palamiseen sekä tarkastella polttoaineen soveltuvuutta moottorikäyttöön. Pääkohteiksi valitut polttoaineet olivat uusiutuva, raa’asta mäntyöljystä valmistettu nafta sekä kierrätystalouteen perustuva käytetyistä voiteluaineista valmistettu meridiesel.

Ensin tutkimuksessa havainnoitiin polttoaineiden syttymisherkkyyttä erillisessä polttokammiossa ja kahdella setaanilukuanalysaattorilla. Seuraavaksi polttoaineiden syttymistä ja palamista tutkittiin laboratoriossa käyttämällä niitä nopeakäyntisessä työkonedieselmoottorissa ja keskinopeassa laivamoottorissa. Uusiutuvan naftan pitkä syttymisviive rajoitti moottorin kuormitusta. Syttymisherkkyyden parantamiseksi naftaan sekoitettiin fossiilista dieseliä. Seos syttyi helposti, palaminen oli tehokasta, ja savutus väheni dieseliin verrattuna. Hiilivety- ja hiilimonoksidipäästöt kuitenkin kasvoivat, kun seosta käytettiin työkonemoottorissa. Meri-diesel sen sijaan vähensi hiilivety-, hiilimonoksidi- ja savutuspäästöjä tässä moottorissa. Laivamoottorissa sekä meridiesel että naftaseos vähensivät pakokaasujen kokonaishiukkaslukumäärää huomattavasti. Naftan alhainen leimahduspiste on huomioitava turvallisuuskäytännöissä. Meridieselin huono voitelevuus saattaa rajoittaa sen käyttöä polttomoottorissa.

Sekä käytetyistä voiteluaineista valmistettu meridiesel että uusiutuva nafta osoittautuivat teknisesti käyttövalmiiksi polttomoottoripolttoaineiksi joko sellaisenaan tai seosten osana. Huolenaiheena on, miten molempien polttoaineiden raaka-aineiden riittävyys vaikuttaa polttoaineiden saatavuuteen ja hintaan.