Zážehové motory při provozu na biobutanolová paliva

Ing. Martin Pechout, Ph.D.

Doctoral thesis

Spark ignition engines in case of biobutanol fuels operation

Abstract:

Práce se zaobírá možnostmi použití paliv obsahujících butanol, jakožto alkoholu vyrobitelného z obnovitelných zdrojů, v současných zážehových motorech. Z teoretické rozvahy vyplývá, že vlastnosti obou uvažovaných izomerů (n-butanolu a iso butanolu) jsou v mnohém výhodnější oproti etanolu, kdy vyniká například nižší nutný nárůst doby vstřiku (přibližně 21%) pro butanol nežli prakticky dvojnásobný pro etanol. Spalování butanolu bylo zkoumáno na motoru s otevřeným řízením za několika vybraných provozních režimů a na vozidlovém motoru se standardní řídicí jednotkou při ustálených režimech, pokrývajících většinu provozní oblasti motoru. U vozidlového motoru byla také sledována míra zachování výchozí bohatosti směsi a u obou pak průběh hoření, teploty a složení výfukových plynů. Výsledkem je doporučené mírné snížení předstihu zážehu za nízkých zatížení, zejména pro n-butanol. Dále bylo u obou motorů konstatováno snižování teplot výfukových plynů s rostoucí náhradou benzinu butanolem. Rovněž třísložkový katalytický reaktor vykazoval schopnost korektní funkce bez ohledu na podíl butanolu v palivu. Zároveň se však v nemalé míře projevila vysoká teplota varu butanolu, deformující destilační křivku, a vedoucí k výraznému zhoršení startovatelnosti studeného motoru. U zkoušeného vozidlového motoru se projevila již od středních podílů butanolu. Jízdní zkoušky za reálných podmínek při provozu prohřátého motoru ukazují úspěšnost adaptace řídicí jednotky motoru pro jednotlivé podíly butanolu včetně vysokých. Část vozidel byla schopna za reálného provozu s prohřátým motorem akceptovat bez jakýchkoliv úprav poloviční, a v některých případech i vyšší, podíl butanolu za cenu problematické startovatelnosti. V případě přímého vstřiku paliva byla testována pouze nižší koncentrace, avšak bez zaznamenatelných potíží. V případech úspěšné adaptace převládaly emise plynných znečišťujících látek srovnatelné s provozem na benzin. Navíc výsledky ukazují výrazný pokles produkce pevných částic při přímém vstřiku paliva do válce. Dále jsou v teoretické rovině porovnána opatření pro zachování startovatelnosti motoru, která byla zjištěna jako problematická při přídavku butanolu. Z experimentů na malých motorech vyplývá možnost zachovat nezměněnou bohatost směsi jednoduchou úpravou karburátoru, srovnatelné či nižší produkce sledovaných plynných znečišťujících látek a výrazný pokles emitovaných pevných částic. Daní za toto je zhoršená startovatelnost studeného motoru při vysokých koncentracích butanolu a několikanásobný nárůst množství vypouštěných aldehydů, je-li místo benzinu spalován butanol. Celkově lze pro oba izomery butanolu očekávat obdobný potenciál pro úspěšné nahrazení benzinu v řádu nízkých až vysokých desítek procent v závislosti na míře úprav motorů.

Abstract:

The thesis investigates the possibilities of utilization of fuels containing butanol, which can be produced from renewable resources, in current spark ignition engines. From a theoretical assessment follows that both considered butanol isomers (n-butanol and iso butanol) have about half of the necessary fuel injection prolongation (approximately 21 %) compared to ethanol. Butanol combustion has been investigated on an open-control engine at few selected operating regimes and on a vehicle engine at steady state points covering most of the engine operating area. The air to fuel ratio change has been evaluated as an indicator of vehicular engine control unit adaptation and for both engines exhaust gas temperatures and composition. Based on these results, it is suggested suitable spark advance decrease at low loads mainly for n-butanol, which is less pronounced for the vehicle engine. A small exhaust gas temperature decrease occurred with increasing butanol share. The three-way catalytic converter exhibited correct performance regardless the concentration of butanol utilized. Higher butanol boiling temperature caused changes in distillation curve and significantly worse cold engine startability at medium to high shares of butanol. Driving tests were carried out on four cars representing current fleet at real-world driving conditions with hot start and utilizing mixtures including high butanol shares. Part of tested vehicles was able to accept half, and in some cases higher, butanol share during real-world operation with hot engine without any engine modification, but the cold engine startability was very problematic. Only moderate butanol share was tested in a vehicle with direct injection of fuel. No issues were detected during utilization. In case of successful control unit adaptation vehicles exhaust gas gaseous pollutants production was mostly comparable to gasoline production. In addition, particulate production is dramatically reduced when butanol mixture is combusted for direct injection technique. Next, the countermeasures to ensure proper cold engine startability, which is found problematic if significant butanol share used, are discussed and compared. Experiments on small engines resulted in possibility of maintaining unchanged air to fuel ratio when carburetor was simply modified, same or lower gaseous pollutants production and significant decrease of particulates concentration. On other hand, cold engine startability at high butanol share mixtures used and multiplied aldehydes production was observed. Supposed potential for trouble-free butanol usage is in order lower to higher tens of percent in added into gasoline depending on degree of engines modification.

Keywords

spalovací motory, butanol, n-butanol, iso-butanol, průběh hoření, plynné emise, aldehydy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 12. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 27. 4. 2017
• Supervisor: doc. Ing. Josef Laurin, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Machines and Equipment / Machine and Equipment Design