Combustion of reformer gas/gasoline mixtures in spark ignition

Diss. ETH No. 16539
Combustion of reformer gas/gasoline mixtures
in spark ignition engines:
A concept for near-zero emission transportation
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
For the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
Presented by
Enrico Conte
Laurea in Ingegneria Meccanica, Università degli Studi di Perugia, Italy
Born May 6th, 1976
Citizen of the European Union
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos, advisor
Prof. Dr. Aldo Steinfeld, co-advisor
2006
Abstract
Addition of hydrogen to gasoline can dramatically improve efficiency and
emissions of homogeneous, premixed, spark ignition engines and can be
successfully applied also to stratified-combustion GDI engines.
Reforming is the way to obtain hydrogen on board the vehicle, directly from
gasoline. Gas containing hydrogen, carbon monoxide and nitrogen would be
obtained through partial oxidation of a rich gasoline/air mixture.
The objective of this research was to investigate the use of hydrogen-containing
gas in internal combustion engines and to understand how it influences the
combustion process of gasoline/air mixtures. For this reason synthetic gas was
used, reproducing the output of a partially oxidative reformer suitable for internal
combustion engine applications.
The approach followed in this work aimed at bringing together industrial
applicative interests with fundamental interests proper to scientific research.
This research was essentially experimental, but simulation tools and models were
also used to integrate the experimental results.
The results of this work demonstrated that combustion of gasoline/reformer gas
blends puts highly efficient, near-zero emission engines within reach.
At first, the general behaviour of the engine when fuelled with various gasolinereformer gas mixtures was investigated. The capability of these mixtures to
inflame and sustain flame propagation in highly diluted conditions was
investigated. Pollutant emissions and engine efficiency were measured. The
engine efficiency was used to estimate the global efficiency of a complete system,
incorporating a fuel reformer.
On the application side, the performance of this concept in the homologation
cycles was assessed by means of a simple model, which took as reference a
typical, small-size passenger car.
On the fundamentals side, in-cylinder investigation techniques gave in-depth
understanding of the combustion process. These included cylinder pressure
indication, ion sensors, optical fibres and a heat flux microsensor. In this way
heat release, flame propagation, flame speed and unsteady wall heat flux have
been studied. Novel approaches were developed to infer the flame speed from
well established models and measurement techniques.
Finally, the concept was also applied to a gasoline direct injection, stratified
combustion engine, where hydrogen was injected into the intake ports to create a
reactive homogeneous background for the combustion of gasoline with high EGR
rates.
iii
Riassunto
L’aggiunta di idrogeno alla benzina è in grado di migliorare enormemente il
rendimento e le emissioni di motori ad accensione comandata e a carica
omogenea e premiscelata. Lo stesso concetto può essere applicato con simili
risultati anche a motori ad iniezione diretta di benzina e a carica stratificata.
Per mezzo di un processo di reforming si può produrre idrogeno a bordo del
veicolo, direttamente dalla benzina. Attraverso l’ossidazione parziale di una
miscela ricca di aria e benzina si ottiene un gas contenente idrogeno, monossido
di carbonio e azoto.
L’obiettivo di questa ricerca era di studiare l’uso di gas contenente idrogeno in
motori a combustione interna e di capire come questo influisca sul processo di
combustione di miscele di aria e benzina. Per questa ragione si è utilizzato un gas
sintetico che riproduce il prodotto di un reformer ad ossidazione parziale idoneo
per motori a combustione interna.
L’approccio seguito in questo lavoro ha cercato di unire gli interessi applicativi
tipici dell’industria con gli interessi di base propri della ricerca scientifica.
Questo lavoro di ricerca è stato essenzialmente sperimentale, ma anche strumenti
di simulazione e modelli sono stati utilizzati per integrare i risultati sperimentali.
I risultati di questo lavoro dimostrano che la combustione di miscele di reformer
gas e benzina rende raggiungibile l’obiettivo di realizzare motori altamente
efficienti e a inquinamento vicino a zero.
Per prima cosa, si è studiato il comportamento globale del motore quando viene
alimentato con varie miscele di reformer gas e benzina. Si è studiata la capacità di
queste miscele di accendersi e sostenere la propagazione della fiamma in
condizioni di estrema diluizione. Si sono misurate le emissioni inquinanti e il
rendimento del motore. Il rendimento del motore è stato utilizzato per fare una
stima del rendimento globale di un sistema completo motore-reformer.
Dal punto di vista applicativo, si sono stimate le prestazioni di questo concetto
nei cicli di omologazione per mezzo di un semplice modello, che prende come
riferimento una tipica autovettura di piccole dimensioni.
Dal punto di vista della ricerca di base, l’uso di tecniche diagnostiche ha fornito
una dettagliata comprensione del processo di combustione. Queste includono la
misura della pressione nel cilindro, l’uso di sensori di ioni, di fibre ottiche e di un
microsensore per la misura del flusso di calore. Si sono così studiati il rilascio di
calore, la propagazione della fiamma, la velocità di fiamma e il flusso
instazionario di calore attraverso la parete. Si sono sviluppati approcci originali
per dedurre la velocità di fiamma, basandosi su modelli e tecniche di misura ben
consolidati.
Infine, questo concetto è stato applicato anche in un motore a iniezione diretta di
benzina e a carica stratificata, in cui del gas idrogeno viene iniettato nel condotto
di aspirazione per creare un substrato omogeneo e reattivo per la combustione di
benzina con grandi quantità di gas ricircolati.
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