Present Day Engins Pollutant Emissions: Proposed Model for Refinery Bases Impact
Émissions de polluants des moteurs actuels: modélisation de l'impact des bases de raffinage
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Institut Français du Pétrole
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PSA Peugeot-Citroën
Corresponding author: nicolas. hochart@ifp. fr
Air quality improvement, especially in urban areas, is one of the major concerns for the coming years. For this reason, car manufacturers, equipment manufacturers and refiners have explored development issues to comply with increasingly severe anti-pollution requirements. In such a context, the identification of the most promising improvement options is essential. A research program, carried out by IFP (Institut français du pétrole), and supported by the French Ministry of Industry, PSA-Peugeot-Citroën, Renault and RVI (Renault Véhicules Industriels), has been built to study this point. It is based on a four years program with different steps focused on new engine technologies which will be available in the next 20 years in order to answer to more and more severe pollutant and CO2 emissions regulations. This program is divided into three main parts: the first one for Diesel car engines, the second for Diesel truck engines and the third for spark ignition engines. The aim of the work reported here is to characterize the effect of fuel formulation on pollutant emissions and engine tuning for different engine technologies. The originality of this study is to use refinery bases as parameters and not conventional physical or chemical parameters. The tested fuels have been chosen in order to represent the major refinery bases expected to be produced in the near future. These results, expressed with linear correlations between fuel composition and pollutant emissions, will help to give a new orientation to refinery tool. The engines presented in this publication are, for spark ignition engines an EuroII lean-burn engine (Honda VTEC which equips the Honda Civic) and an EuroIII 1. 8 l stoichiometric-running Renault engine which equips the Laguna vehicles and, for diesel engines an EuroII Renault Laguna 2. 2 l indirect injection diesel engine and an EuroII RVI truck engine. For the fuel formulation, an original approach is proposed: while the classical studies are based on the properties of the fuel, this one is built only on a refinery bases approach. For diesel fuels, six refinery bases (a straight-run diesel fuel, an hydro-cracked diesel fuel, a LCO, a diesel fuel obtained by hydro-conversion of vacuum distillation residue, a kerosene and a diesel fuel issued from a Fischer-Tropsch process) have been selected to produce a fuel matrix which was determined according to an experimental blend design. For gasoline fuels, seven bases have been chosen, which are representative of the batch that will be used in the next years: a fuel from isomeration process (mainly constituted of C5/C6 isoparafins), an alkylate (constituted of C7+ isoparafins), a fuel from olefins oligomerization process, a fuel from catalytic cracking process (mainly composed of C7+ olefins and aromatic compounds), a light reformate (C7/C8 aromatic compounds), an heavy reformate (C9+ aromatic compounds) and an oxygenated compound (ETBE). For each engine, tests have been run on a steady state bench with variations of some tuning parameters. Vehicle tests with the same engines have also been carried out on the European MVEG cycle, where regulated and unregulated pollutant emissions have been recorded.
Résumé
L'amélioration de la qualité de l'air, tout particulièrement dans les zones urbaines, est un des principaux objectifs pour les années à venir. Dans ce contexte, les constructeurs d'automobiles, les équipementiers et les raffineurs ne cessent d'explorer de nouvelles voies compatibles avec une sévérité toujours accrue des contraintes environnementales. L'identification des pistes les plus prometteuses apparaît donc incontournable. Un programme de recherche conduit par l'IFP, en partenariat avec le ministère de l'Industrie et les constructeurs français PSA-Peugeot-Citroën, Renault et Renault Véhicules Industriels, a donc été bâti. Celui-ci repose sur une étude de 4 ans, regroupant différentes technologies représentatives des 20 années à venir. Ce projet se scinde en 3 volets complémentaires: moteurs diesels pour véhicules particuliers, moteurs diesel de poids lourds et moteurs à allumage commandé. L'objectif de cette étude est de caractériser l'effet de la formulation des carburants sur les émissions de polluants, de CO2 et sur le réglage de moteurs de technologies différentes. L'originalité de ce travail réside dans le fait que les paramètres d'étude ne sont pas conventionnels dans la mesure où il s'agit directement des bases de raffinage. Ces dernières ont été sélectionnées comme étant susceptibles d'être parmi les plus représentatives du futur. Les résultats obtenus permettront aux raffineurs de disposer d'un outil concret afin d'orienter les nouveaux schémas de raffinage. Les technologies décrites ci-après sont, pour les moteurs à allumage commandé, un moteur à mélange pauvre EuroII (Honda VTEC équipant la Honda Civic) ainsi qu'un moteur Renault EuroIII 1,8l fonctionnant à la stSchiométrie (qui équipe les Laguna), pour les moteurs diesel, un moteur à injection indirecte 2,2 l EuroII, et, pour les moteurs de poids lourds, un moteur EuroII RVI de 10 l. Pour la formulation des carburants, une approche originale est proposée: alors que les études classiques sont essentiellement basées sur les propriétés des carburants, on retient ici directement les bases de raffinage. Pour les gazoles, six bases ont été retenues afin de construire le plan d'expériences de mélange: un gazole straight-run, une base d'hydrocraquage, un LCO, un gazole issu du procédé d'hydroconversion de résidus sous-vide, une coupe kérosène et un gazole Fischer-Tropsch. Concernant les essences, les sept bases retenues sont les suivantes: un isomérat (principalement constitué d'isoparaffines en C5/C6), un alkylat (isoparaffines en C7+), une coupe oléfinique issue du procédé d'oligomérisation, un FCC (oléfines en C7+ et composés aromatiques), un réformat léger (aromatiques C7/C8), un réformat lourd (aromatiques en C9+) et un composés oxygéné (ETBE). Pour chaque technologie, des essais ont été conduits sur banc moteur stationnaire avec des tests de variations de conditions de réglage moteur en dehors de la configuration cartographique. En parallèle, des essais avec des véhicules ont été menés sur le cycle normalisé MVEG-11s. Les émissions de polluants réglementés ainsi que les émissions de polluants non réglementés ont été étudiées.
© IFP, 2003