Near Zero NOx Emissions and High Fuel Efficiency Diesel Engine: the Naditm Concept Using Dual Mode Combustion
Un moteur Diesel avec quasiment zéro émissions de NOx et un rendement élevé : le concept NADITM utilisant deux modes de combustion
Institut Français du Pétrole
Corresponding author: bruno. walter@ifp. fr
The part of Diesel engines on the transport market should increase within the years to come thanks to their high thermal efficiency coupled with low carbon dioxide (CO2) emissions, provided their nitrogen oxides (NOx) and particulate emissions are reduced. At present, adequate after-treatments, NOx and particulates matter (PM) traps are developed or industrialized with still concerns about fuel economy, robustness, sensitivity to fuel sulfur and cost because of their complex and sophisticated control strategy. New combustion process such as homogeneous charge compression ignition are investigated for their potential to achieve near zero particulate and NOx emissions. Their main drawbacks are too high unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) emissions, combustion control at high load and then limited operating range and power output. As an answer for challenges the Diesel engine is facing, IFP has developed a combustion system able to reach near zero particulate and NOx emissions while maintaining performance standards of the DI Diesel engines. This dual mode engine application called NADITM (Narrow Angle Direct Injection) applies homogeneous charge compression ignition at part load and switches to conventional Diesel combustion to reach full load requirements. At part load (including Motor Vehicle Emissions Group-MVEG-and Federal Test Procedure-FTP-cycles), HCCI combustion mode allows near zero particulate and NOx emissions and maintains very good fuel efficiency close to an Euro III Diesel engine. At 1500 and 2500 rpm, NADITM reaches 0. 6 and 0. 9 MPa (6 and 9 bar) of indicated mean effective pressure (IMEP) with emissions of NOx and particulate under 0. 05 g/kWh. That means respectively 100 and 10 times lower than a conventional Diesel engine. At full load, NADITM system is consistent with future Diesel engine power density standard. At 4000 rpm, 50 to 55 kW/l has been reached with conventional limiting factors and engine parameters settings. Advanced engine technology such as further generation of common rail fuel injection system, Variable Valve Actuation (VVA), Variable Compression Ratio (VCR) engine or electric assisted turbocharger will be useful for the well identified next development steps of the concept.
Résumé
Grâce à leur bon rendement thermique et à leurs faibles émissions de dioxyde de carbone (CO2), les moteurs Diesel verront leur part de marché dans les transports croître, à condition que leurs émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de particules soient réduites. Aujourd'hui, des systèmes de post-traitement adéquat des NOx et des particules sont en passe d'être industrialisés. Cependant, des inconvénients subsistent encore en termes de consommation de carburant, de fiabilité, de sensibilité au soufre présent dans le carburant et de coût lié à leurs stratégies de fonctionnement complexes et sophistiquées. De nouveaux procédés de combustion comme la combustion homogène de type HCCI (homogeneous charge compression ignition) sont actuellement à l'étude en raison de leur très fort potentiel à atteindre des émissions de NOx et de particules quasi nulles. Leurs principaux inconvénients sont des émissions d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et de monoxyde de carbone (CO) trop élevées, un contrôle de la combustion difficile à forte charge et une puissance limitée. En réponse au défi que doit relever le moteur Diesel, l'IFP a développé un système de combustion capable d'atteindre des émissions de NOx et de particules quasiment nulles tout en conservant les standards de performances des moteurs Diesel actuels. Ce concept de moteur bi-mode appelé NADITM (Narrow Angle Direct Injection) utilise la combustion homogène à charge partielle et bascule en combustion traditionnelle pour répondre aux exigences de pleine charge. En charges partielles (incluant les cycles MVEG européen et FTP américain), la combustion HCCI permet des émissions de NOx et de particules quasi nulles en maintenant un très bon rendement, proche d'un moteur Diesel Euro III. À 1500 et 2500 tr/min, le concept NADITM atteint respectivement 0,6 et 0,9 MPa (6 et 9 bar) de pression moyenne indiquée (PMI) avec des émissions de NOx et de particules inférieures à 0,05 g/kWh. Cela représente respectivement 100 et 10 fois moins qu'un moteur Diesel traditionnel. À pleine charge, le système NADITM est en phase avec les futurs standards de puissance au litre. À 4000 tr/min, 50 à 55 kW/l ont été atteints avec des conditions limites de fonctionnement et des réglages moteur conventionnels. L'utilisation de technologies moteur avancées comme la prochaine génération de systèmes d'injection common rail, les moteurs à distribution variable (VVA : variable valve actuation), les moteurs à taux de compression variable (VCR : variable compression ratio) ou les turbo-compresseurs assistés électriquement sera très utile pour les futures étapes de développement du concept, qui sont bien identifiées.
© IFP, 2003