Assessing single-fuel solutions enabling compression ignition of renewable methanol

Abstract

In today's world, the transportation of goods via trucks and ships plays a pivotal role, and this trend is expected to persist in the foreseeable future, owing to its critical importance to society. However, the most common propulsion system for these vehicles, the compression ignition (CI) engine, commonly known as the diesel engine, relies heavily on fossil diesel fuel, resulting in significant emissions that need to be mitigated to achieve the climate goals. Transitioning to electric power for heavy-duty transport vehicles is challenging due to the need for large battery packs, which consume valuable cargo space and reduce load capability. For some applications, such as shipping, electrification simply cannot deliver the required autonomy.
Instead renewable fuels present a more promising solution with hydrogen, ammonia, and alcohols as alternatives. Among those methanol has emerged as a particularly promising option, especially in the marine sector. Methanol's use in the chemical industry, coupled with its liquid state under normal conditions, makes it an intriguing alternative. While methanol production is currently predominantly based on natural gas, there is a growing emphasis on renewable production methods enabling bio-methanol and e-methanol, which could potentially make methanol a renewable fuel.
In compression ignition engines, methanol exhibits unique combustion characteristics. Its higher heat of vaporization, coupled with the higher mass that must be injected, creates a significant cooling effect in the combustion chamber. While this effect reduces temperatures and mitigates nitrogen oxide (NOx) generation, it also poses challenges for ignition, particularly during start-up and colder conditions.
The objective of this doctoral thesis was to investigate techniques that could facilitate single-fuel methanol CI ignition and provide recommendations for which concepts to further develop.
To identify which concepts to investigate a literature review was conducted to identify the most promising single-fuel neat methanol CI concepts. Among these, the use of ignition improver, increased compression ratio and a pilot injection strategy were further investigated. However, other potentially beneficial concepts were also identified.
The use of ignition improver, which has undergone extensive development and testing, involves blending it with methanol to enhance methanol’s autoignition properties. This approach was tested by the EU FASTWATER project, where an engine was adapted to run on a fuel blend consisting of methanol with 3% ignition improver. Installed in a pilot boat in Sweden, this engine exhibited robust performance year-round, even in cold winter conditions, meeting stringent marine legislation limits without the need for aftertreatment. Analysis of the engine in combination of laboratory tests confirmed the significantly improved combustion characteristics with the addition of the ignition improver, but also highlighted lower emissions of carbon monoxide (CO) and NOx compared to diesel.
However, blending an ignition improver additive with methanol necessitates a blending process, adding complexity to fuel production and increasing costs compared to pure methanol. This prompted further exploration into neat methanol concepts.
As part of the pilot boat conversion, the piston was upgraded to a higher compression piston, to add more compression heat and partially counteract the cooling effect of methanol injection. While this helped in achieving stable combustion, the need for an ignition improver persisted, prompting investigation into whether increased compression ratio alone could enable stable combustion of neat methanol. Our tests confirmed that a sufficiently high compression ratio could indeed maintain stable methanol combustion, on its own, albeit with a potential limitation of the engine operating range and high load efficiency due to increased pressure levels. During this testing, we also tested a pilot injection strategy with promising results.
With pilot injection, a small portion of fuel is injected early in the combustion process, causing less excessive cooling and thus igniting more easily. This early combustion provides heat to ignite the larger quantity of fuel injected later, improving the combustibility of neat methanol. Our research demonstrated that pilot injection significantly reduces the temperature requirement in the engine, enhances efficiency, and decreases NOx emissions compared to a single injection of neat methanol.
In summary, there are various partial solutions available to address the challenges of achieving stable neat methanol combustion in CI engines. To advance this research further, it is crucial to integrate and optimize these different partial solutions. By combining techniques such as glow plug utilization, increased compression ratio, EGR and pilot injection, it might be possible to enable stable combustion of neat methanol. This holds the potential to significantly accelerate the decarbonization of heavy transport and contribute to a more sustainable future.

Abstract (Swedish)

Idag transporteras stora mängder gods runt om i världen med lastbilar och fartyg, vilket förväntas fortsätta även i framtiden då det är avgörande för samhällets funktion. Det vanligaste framdrivningssystemet för dessa fordon är kompressionständningsmotorn, även känd som dieselmotorn, som då vanligtvis drivs av fossilt dieselbränsle. Detta resulterar i betydande utsläpp som måste minskas, för att uppnå klimatmålen och minska de hälsorisker som kommer med inandning av utsläppen.
Att elektrifiera tunga transportfordon är en utmaning då det kräver stora batteripaket för att upprätthålla räckvidden, vilket i sin tur tar upp värdefull lastplats och vikt. Dessutom är batterimaterialen begränsade och bör användas där de kan ge mest nytta per enhet material, vilket inte nödvändigtvis är fallet här. Istället bör alternativa förnybara bränslen övervägas. Bland de alterantiva bränslena återfinns ammoniak, vätgas och alkoholer. Ammoniak har fått intresse eftersom det inte ger upphov till koldioxidutsläpp, dock har det visat sig sig leda till utsläpp av lustgas, en mycket potent växthusgas med en global uppvärmningspotential över 200 gånger värre än koldioxid. Dessutom är den svår att antända, har låg energidensitet och är svår att hantera. Vätgas är mer lovande för att minska koldioxidutsläppen eftersom förbränningen, teoretiskt, genererar endast vattenånga. Men det som hindrar vätgas är dess naturliga form som gas, tillsammans med dess låga energidensitet, cirka 10 gånger lägre än diesel vid 700 bar tryck, vilket komplicerar användning, transport och lagring. Alkoholer däremot är flytande vid normala förhållanden och används redan idag som bränsle i bensinmotorer. Användningen är dock ännu inte särskilt utbredd bland dieselmotorer. Mellan metanol och etanol har metanol fått mer intresse, särskilt inom marina transporter, vilket beror på att metanol är mer tillgängligt och har lägre tillverkningskostnad. Metanolproduktionen idag är huvudsakligen baserad på naturgas, dock finns det en ökande betoning på förnybar tillverkning som exempelvis bio-metanol och e-metanol, vilket gör metanol till ett förnybart bränsle.
I kompressionständningsmotorer uppvisar metanol unika förbränningsegenskaper. Dess högre ångbildningsvärme, dvs energin som krävs för förångning, tillsammans med den högre massa som måste injekteras, gör att det blir en kraftig kylningseffekt i förbränningskammaren. Detta minskar temperaturen och reducerar kväveoxid (NOx) genereringen som annars inträffar vid högre temperaturer i förbränningskammaren. Det gör det dock svårare att antända metanol genom kompression samtidigt som metanol redan har ett högt antändningstemperaturkrav. Sammantaget försvåras särskilt uppstart och drift vid kallare förhållanden, och gör att man riskerar misständning.
Målet med denna doktorsavhandling är att undersöka vilka tekniker som kan användas för att underlätta antändningen av metanol och ge rekommendationer för vilka tekniker som ska fortsatt undersökas.
En lösning som har testats i en lotsbåt i Sverige, och som vi har analyserat och dokumenterat, är att blanda i några procent av en tändförbättrande tillsats i metanolen. Detta gör att blandningen får egenskaper som ger lättare antänding genom kompression. Motorn, som vi har analyserat, har visat väldigt bra resultat på driftsäkerhet och utsläppsmätningar, och har fungerat året runt trots kalla vinterdagar som annars lätt skapar problem. Bränsleblandningen som har 3% tändningsförstärkare testade vi sedan experimentellt i en forskningsmotor. Där påvisade vi de markant förbättrade förbränningsegenskaperna som metanol får med tändningsförstärkning. Vi såg också att det inte behövs lika mycket tändförstärkare när motorn körs hårt och är varm. Detta visar att det är mest vid kallare förhållanden som tillsatsen behövs. Vidare, visade studien att metanol har ansenligt lägre utsläpp av kolmonoxid och kväveoxider jämfört med diesel. Att blanda i en tändförbättrande tillsats kräver dock en blandningsprocess vilket lägger till en komplexitet till bränsle-tillverkningenvilket gör blandningen dyrare än ren metanol.
Ett annat lösning är att höja kompressionstalet i motorn, det vill säga hur mycket luften komprimeras innan bränslet injiceras för att antändas. Temperaturen på luften i motorn är nämligen direkt kopplad till hur mycket den komprimeras. Vi visade att ett tillräckligt högt kompressionstal kan upprätthålla en stabil förbränning av metanol. Dock måste man vara försiktig med att inte ha för högt kompressionstal då man riskerar att trycket i motorn blir större än vad den klarar.
En teknik som vi också undersökte är att injicera metanolen i omgångar vilket både kan sprida ut kylningseffekten och förvärma motorn. Detta genom att en liten andel metanol sprutas in först, med liten kylningseffekt, och antänds vilket kan ge tillräckligt med värme för antända den större andelen bränsle som sprutas in därefter. Detta koncept kallas pilotinsprutning och har genom vår forskning visat sig kunna ansenligt sänka kravet på temperaturen i motorn, öka effektivitet och sänka kväveoxidutsläppen.
Vidare gjorde jag en noggrann litteraturstudie för att kunna ge rekommendationer för vad fortsatt forskning ska fokusera på. Som sammanfattning kan man säga att det inte finns en lösning för stabil metanolförbränning i kompressionständningmotorer idag utan tändningsförstärkare. Dock finns det många dellösningar och för framtida forskning gäller det att kombinera de olika del lösningarna: glödstift, höjt kompressionstal, varm EGR och delad injektion för att hitta den bästa lösningen för att möjliggöra stabil förbränning av metanol. Sådana lösningar kan bidra till att kraftigt skynda på processen att defossilisera den tunga transporttrafiken och ta ett stort steg mot en mer miljövänlig framtid.

• author: Svensson, Magnus
• supervisor: Sebastian Verhelst; Martin Tunér
• opponent: Dr. Maes, Noud, Eindhoven University of Technology, The Netherlands.
• organization: Combustion Engines; LTH Profile Area: The Energy Transition; LTH Profile Area: Aerosols
• publishing date: 2024-05-20
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: Metanol, kompressionständning, Förnybartbränsle, Heavy-duty Engines, Methanol, Single-fuel, Compression Ignition, Renwable fuel, Ignition improver
• pages: 73 pages
• defense location: Lecture Hall M:B, building M, Ole Römers väg 1, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund. The dissertation will be live streamed, but part of the premises is to be excluded from the live stream.
• defense date: 2024-06-14 10:00:00
• ISBN: 978-91-8104-073-9
• ISBN: 978-91-8104-072-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 94d5d2d3-dd2a-46a8-9558-01755d7adc8a
• date added to LUP: 2024-05-20 08:26:02
• date last changed: 2024-08-26 09:02:40