Use of hydrogen as dual fuel in compression ignition engines

Abstract

The increasing energy demand and the growing concerns about climate change are leading government policies worldwide. In this context, increasing energy efficiency and promoting renewable energy sources to reduce greenhouse gas emissions are preferred measures. It is important to mention that diesel engines are used for transportation and power generation, being the ones with the highest thermal efficiency. However, recent European directives have doomed diesel engine to disappear in a not too distant future. This thesis develops an experimental study aimed at reducing NOx emissions from compression ignition engines, using hydrogen as main fuel and diesel fuel as pilot fuel. To achieve this objective, two strategies are analyzed. Initially, the influence of injecting water into the engine intake will be quantified. Additionally, the impact of this technique on mixture combustion and engine performance will be evaluated. Subsequently, water injection will be combined with exhaust gas recirculation, a technique widely implemented in these engines. This approach aims to achieve an even higher reduction of NOx emissions, without compromising engine performance. Results show that the combination of both strategies, in conjunction with other engine parameters, is highly effective in reducing these emissions. Under specific operating conditions, near-zero levels of NOx emissions, besides efficiency increase, are achieved. Eventually, the proposed technology may have a profound impact on our society in the near term.

Debido al aumento de la demanda energética y la creciente preocupación por el cambio climático, las políticas gubernamentales a nivel mundial están enfocadas en incrementar la eficiencia energética y promover el uso de fuentes renovables, con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En esta tesis doctoral se desarrolla un estudio experimental orientado a reducir las emisiones contaminantes de óxidos de nitrógeno en motores de encendido por compresión, utilizados en sectores como el transporte y la producción de potencia, empleando hidrógeno como combustible principal y gasóleo como combustible piloto. Es importante mencionar que los motores diésel son los de mayor eficiencia térmica. Sin embargo, la política comunitaria los ha condenado a su desaparición en un futuro no muy lejano. Para alcanzar este objetivo, se analizan dos estrategias destinadas a disminuir las emisiones de NOx, que son las más afectadas en estos motores. Primero, se cuantificará la reducción de emisiones de NOx mediante la inyección de agua en la admisión del motor, evaluando también cómo esta técnica afecta la combustión de la mezcla y el rendimiento del motor. En segundo lugar, se combinará la inyección de agua con la recirculación de los gases de escape, una técnica ampliamente implementada en estos motores, con la intención de lograr una reducción aún mayor en las emisiones de NOx, manteniendo unas prestaciones altas. Los resultados finales demuestran que la combinación de ambas estrategias, junto con otros parámetros de funcionamiento del motor, son altamente efectiva en la reducción de estas emisiones. En ciertos modos de funcionamiento, se han alcanzado niveles casi nulos de emisiones de NOx, además de un aumento en la eficiencia, por lo que se ha conseguido avanzar en una tecnología que puede tener un gran impacto a corto plazo en nuestra sociedad.