Fy 2007 Progress Report for Advanced Combustion Engine Research аnd Development

Citation preview

ADVANCED COMBUSTION ENGINE TECHNOLOGIES

V EHI CL E TECHN OLO GIE S PRO G R A M Less dependence on foreign oil today, and transition to a petroleum-free, emissions-free vehicle tomorrow.

2 0 0 7 annual progress report

U.S. Department of Energy  1000 Independence Avenue, S.W.  Washington, D.C.  20585­0121 

FY 2007 PROGRESS REPORT FOR ADVANCED COMBUSTION ENGINE TECHNOLOGIES Energy Efficiency and Renewable Energy Office of Vehicle Technologies

Approved by Gurpreet Singh Team Leader, Advanced Combustion Engine R&D   Ofice of Vehicle Technologies 

December 2007

Acknowledgement  We would like to express our sincere appreciation to Alliance Technical Services, Inc. and Oak Ridge  National Laboratory for their technical and artistic contributions in preparing and publishing this report.  In addition, we would like to thank all the participants for their contributions to the programs and all the  authors who prepared the project abstracts that comprise this report. 

Advanced Combustion Engine Technologies 

ii

FY 2007 Progress Report 

Table of Contents

Table of Contents  I.  Introduction  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1  II. 

Advanced Combustion and Emission Control Research for High­Eficiency Engines  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29  II.A 

Combustion and Related In­Cylinder Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29  II.A.1  Light­Duty Diesel Spray Research Using X­Ray Radiography   (Argonne National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31  II.A.2  Low­Temperature Automotive Diesel Combustion  (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35  II.A.3  Heavy­Duty Low­Temperature and Diesel Combustion Research and   Heavy­Duty Combustion Modeling (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40  II.A.4  Low­Temperature Diesel Combustion Cross­Cut Research  (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46  II.A.5  Achieving High Eficiency Clean Combustion (HECC) in Diesel Engines  (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51  II.A.6  Large Eddy Simulation Applied to Low­Temperature and Hydrogen Engine   Combustion Research (Sandia National Laboratories)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56  II.A.7  Detailed Modeling of Low Temperature Combustion and Multi­Cylinder HCCI   Engine Control (Lawrence Livermore National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62  II.A.8  HCCI and Stratiied­Charge CI Engine Combustion Research   (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67  II.A.9  Automotive HCCI Combustion Research (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . 73  II.A.10  Spark­Assisted HCCI Combustion (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79  II.A.11  KIVA­4 Development (Los Alamos National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84  II.A.12  Chemical Kinetic Modeling of Combustion of Automotive Fuels  (Lawrence Livermore National Laboratory). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88  II.A.13  Achieving and Demonstrating FreedomCAR Engine Eficiency Goals  (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93  II.A.14  Hydrogen Free Piston Engine (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98  II.A.15  Optimization of Direct Injection Hydrogen Combustion Engine Performance   using an Endoscopic Technique (Argonne National Laboratory)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102  II.A.16  Quantitative Measurements of Mixture Formation in a Direct­Injection   Hydrogen ICE (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107  II.A.17  Enabling High Eficiency Clean Combustion in Diesel Engines (Cummins Inc.) . . . . . . . . . 112  II.A.18  High Eficiency Clean Combustion (HECC) Advanced Combustion Report  (Caterpillar, Inc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117  II.A.19  Low­Temperature Combustion Demonstrator for High Eficiency Clean Combustion  (International Truck and Engine Corporation)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124  II.A.20  21st Century Locomotive Technology 2007 Annual Report:  Advanced Fuel Injection  (GE Global Research) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128  II.A.21  Stretch Eficiency in Combustion Engines with Implications of New Combustion   Regimes (Oak Ridge National Laboratory)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132  II.A.22  Advancements in Engine Combustion Systems to Enable High­Eficiency   Clean Combustion for Heavy­Duty Engines (Detroit Diesel Corporation). . . . . . . . . . . . . . .136  II.A.23  Development of High Eficiency Clean Combustion Engine Designs for   Spark­Ignition and Compression­Ignition Internal Combustion Engines  (GM Powertrain Advanced Engineering) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 

II.B 

Energy Eficient Emission Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145  II.B.1  Fundamental Studies of NOx Adsorber Materials  (Pacific Northwest National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 

FY 2007 Progress Report 

iii

Advanced Combustion Engine Technologies 

Table of Contents  II. 

Advanced Combustion and Emission Control Research for High­Eficiency Engines (Continued) II.B  Energy Eficient Emission Controls (Continued) II.B.2  Mechanisms of Sulfur Poisoning of NOx Adsorber Materials   (Pacific Northwest National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154  II.B.3  Characterizing Lean­NOx Trap Regeneration and Desulfation   (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159  II.B.4  Development of Chemical Kinetics Models for Lean NOx Traps   (Sandia National Laboratories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163  II.B.5  Advanced Engine/Aftertreatment System Research and Development   (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167  II.B.6  Fundamental Sulfation/Desulfation Studies of Lean NOx Traps, DOE    Pre­Competitive Catalyst Research (Oak Ridge National Laboratory)  . . . . . . . . . . . . . . . . . 171  II.B.7  NOx Control and Measurement Technology for Heavy­Duty Diesel Engines   (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176  II.B.8  Eficient Emissions Control for Multi­Mode Lean DI Engines   (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179  II.B.9  Cross­Cut Lean Exhaust Emissions Reduction Simulation (CLEERS):    Administrative Support (Oak Ridge National Laboratory)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183  II.B.10  Cross­Cut Lean Exhaust Emissions Reduction Simulation (CLEERS):    Joint Development of Benchmark Kinetics (Oak Ridge National Laboratory)  . . . . . . . . . . .186  II.B.11  Cross­Cut Lean Exhaust Emissions Reduction Simulations (CLEERS)    Diesel Particulate Filter (DPF) Modeling (Pacific Northwest National Laboratory)  . . . . . .190  II.B.12  Innovative Emission Control Renewal (General Motors Corporation) . . . . . . . . . . . . . . . . . .195  II.B.13  Discovery of New NOx Reduction Catalysts for CIDI Engines Using    Combinatorial Techniques (General Motors Corporation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197  II.C  Critical Enabling Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201  II.C.1  Variable Valve Actuation for Advanced Mode Diesel Combustion   (Delphi Corporation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203  II.C.2  Variable Compression Ratio Engine (Envera LLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208  II.C.3  Development of Wide­Spectrum Voltammetric Sensors for Engine Exhaust NOx   Measurement (Streamline Automation, LLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211  II.C4  Advanced Start of Combustion Sensor – Phase 1: Feasibility Demonstration   (TIAX LLC)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214  II.C.5  The Development of a Robust Accelerometer­Based Start of Combustion    Sensing System (Westport Power, Inc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217  II.C.6  Electrically Coupled Exhaust Energy Recovery System Using a Series Power    Turbine Approach (John Deere Product Engineering Center)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220  II.C.7  Exhaust Energy Recovery (Cummins Inc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223  II.C.8  Very High Fuel Economy, Heavy Duty, Constant Speed, Truck Engine Optimized   via Unique Energy Recovery Turbines and Facilitated by a High Eficiency   Continuously Variable Drivetrain (Volvo Powertrain North America) . . . . . . . . . . . . . . . . . .227 II.C.9  An Engine System Approach to Exhaust Waste Heat Recovery (Caterpillar Inc.)  . . . . . . . . 231  II.C.10  Demonstration of Air­Power­Assist (APA) Engine Technology for Clean    Combustion and Direct Energy Recovery in Heavy­Duty Application   (Volvo Powertrain North America) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235  II.D  Health Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239  II.D.1  Health Effects from Advanced Combustion and Fuel Technologies   (Oak Ridge National Laboratory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241  II.D.2  Collaborative Lubricating Oil Study on Emissions (CLOSE) Program   (National Renewable Energy Laboratory)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245  II.D.3  Health Impacts: Respiratory Response (Lovelace Respiratory Research Institute)  . . . . . . .248  II.D.4  The Advanced Collaborative Emissions Study (ACES) (Health Effects Institute)  . . . . . . . .253 

Advanced Combustion Engine Technologies 

iv

FY 2007 Progress Report 

Table of Contents III.  Solid State Energy Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 III.1  III.2  III.3  IV. 

University Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 IV.1  IV.2  IV.3  IV.4  IV.5  IV.6  IV.7 

IV.8  V. 

Consortium on Low­Temperature Combustion for High­Eficiency, Ultra­Low   Emission Engines (University of Michigan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 Optimization of Low­Temperature Diesel Combustion  (University of Wisconsin-Madison) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 Low­Temperature Combustion with Thermo­Chemical Recuperation to Maximize   In­Use Engine Eficiency (West Virginia University). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .289 Kinetic and Performance Studies of the Regeneration Phase of Model Pt/Ba/Rh   NOx Traps for Design and Optimization (University of Houston)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294 Investigation of Aging Mechanisms in Lean NOx Traps (University of Kentucky) . . . . . . . .298 Improved Engine Design Concepts Using the Second Law of Thermodynamics:   Reducing Irreversibilities and Increasing Eficiencies (Texas A&M University) . . . . . . . . . .302 High­Compression­Ratio Atkinson­Cycle Engine Using Low­Pressure Direct   Injection and Pneumatic­Electronic Valve Actuation Enabled by Ionization   Current and Forward­Backward Mass Air Flow Sensor Feedback   (Michigan State University) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 On­Board Engine Exhaust Particulate Matter Sensor for HCCI and Conventional   Diesel Engines (The University of Texas at Austin)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

New Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 V.1  V.2 

VI. 

Developing Thermoelectric Technology for Automotive Waste Heat Recovery  (GM Research and Development Center) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259 High­Eficiency Thermoelectric Waste Energy Recovery System for Passenger   Vehicle Applications (BSST LLC)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264 Thermoelectric Conversion of Waste Heat to Electricity in an IC Engine   Powered Vehicle (Michigan State University)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Light­Duty Eficient Clean Combustion (Cummins Inc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Advanced Boost System Development for Diesel HCCI Application  (Ford Motor Company)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

Acronyms and Abbreviations  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

VII.  Index of Primary Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

FY 2007 Progress Report

v

Advanced Combustion Engine Technologies

Advanced Combustion Engine Technologies 

vi

FY 2007 Progress Report 

I. INTRODUCTION

FY 2007 Progress Report 

1

Advanced Combustion Engine Technologies 

Advanced Combustion Engine Technologies 

2

FY 2007 Progress Report 

I.  Introduction  DEVELOPING ADVANCED COMBUSTION ENGINE TECHNOLOGIES On behalf of the Department of Energy’s Ofice of Vehicle Technologies, we are pleased to  introduce the Fiscal Year (FY) 2007 Annual Progress Report for the Advanced Combustion Engine  R&D Sub­Program.  The mission of the Vehicle Technologies (VT) Program is to develop more energy­ eficient and environmentally friendly highway transportation technologies that enable the United  States to use less petroleum.  The Advanced Combustion Engine R&D Sub­Program supports this  mission and the President’s initiatives by removing the critical technical barriers to commercialization  of advanced internal combustion engines for light­, medium­, and heavy­duty highway vehicles that  meet future Federal emissions regulations.  The primary goal of the Advanced Combustion Engine R&D  Sub­Program is to improve the brake thermal eficiency of internal combustion engines:  • •

for passenger vehicles, from 30% (2002 baseline) to 45% by 2010, and  for commercial vehicles, from 40% (2002 baseline) to 55%  by 2013, 

while meeting cost, durability, and emissions constraints.  R&D activities include work on combustion  technologies that increase eficiency and minimize in­cylinder formation of emissions, aftertreatment  technologies that further reduce exhaust emissions, as well as the impacts of these new technologies  on human health.  Research is also being conducted on approaches to produce useful work from waste  engine heat through the development and application of thermoelectrics, electricity generation from  exhaust­driven turbines, and incorporation of energy­extracting bottoming cycles.  Advanced internal combustion engines are a key element in the pathway to achieving the goals of  the President’s FreedomCAR and Fuel Partnership for transportation.  Advanced engine technologies  being researched will allow the use of hydrogen as a fuel in highly eficient and low­emission internal  combustion engines, providing an energy­eficient interim hydrogen­based powertrain technology  during the transition to hydrogen/fuel­cell­powered transportation vehicles.  Hydrogen engine  technologies being developed have the potential to provide diesel­like engine eficiencies with near­zero  air pollution and greenhouse gas emissions.  This introduction serves to outline the nature, recent progress, and future directions of the  Advanced Combustion Engine R&D Sub­Program.  The research activities of this Sub­Program are  planned in conjunction with the FreedomCAR and Fuel Partnership and the 21st Century Truck  Partnership (CTP) and are carried out in collaboration with industry, national laboratories, and  universities.  Because of the importance of clean fuels in achieving high eficiency and low emissions,  R&D activities are closely coordinated with the relevant activities of the Fuel Technologies Sub­ Program, also within the Ofice of Vehicle Technologies. 

BACKGROUND Advanced combustion engines have great potential for achieving dramatic energy eficiency  improvements in light­duty vehicle applications, where it is suited to both conventional and hybrid­ electric powertrain conigurations.  Light­duty vehicles with advanced combustion engines can compete  directly with gasoline engine hybrid vehicles in terms of fuel economy and consumer­friendly driving  characteristics; also, they are projected to have energy eficiencies that are competitive with hydrogen  fuel cell vehicles when used in hybrid applications.  The primary hurdles that must be overcome to  realize increased use of advanced combustion engines in light­duty vehicles are the higher cost of these  engines compared to conventional engines and compliance with the U.S. Environmental Protection  Agency’s (EPA’s) Tier 2 regulations which are phasing in from 2004­2009.  The Tier 2 regulations  require all light­duty vehicles to meet the same emissions standards, regardless of the powertrain.   Compliance can be achieved with advanced combustion engines through the addition of catalytic  emission control technologies, though these technologies are much less mature than gasoline engine  catalysts and are severely affected by sulfur from the fuel and lubricant.  Even the recent reduction 

FY 2007 Progress Report 

3

Advanced Combustion Engine Technologies 

I.  Introduction  of diesel fuel sulfur content to below 15 ppm does not assure that catalytic emission control devices  will be durable and cost­effective.  The Advanced Combustion Engine R&D Sub­Program focuses  on developing technologies for light­, medium­, and heavy­duty internal combustion (ICE) engines  operating in advanced combustion regimes, including homogeneous charge compression ignition  (HCCI) and other modes of low­temperature combustion (LTC), which will increase eficiency beyond  current advanced diesel engines and reduce engine­out emissions of nitrogen oxides (NOx) and  particulate matter (PM) to near­zero levels.    The heavy­duty diesel engine is the primary engine for commercial vehicles because of its high  eficiency and outstanding durability.  However, the implementation of more stringent heavy­duty  engine emission standards, which were phased in starting 2007 (100% implementation in 2010),  is anticipated to cause a reduction in fuel eficiency due to the exhaust emission control devices needed  to meet emissions regulations for both NOx and PM.  Heavy­duty vehicles using diesel engines also  have signiicant potential to employ advanced combustion regimes and a wide range of waste heat  recovery technologies that will both improve engine eficiency and reduce fuel consumption.  Advanced engine technologies being researched and developed by the Advanced Combustion  Engine R&D Sub­Program will also allow the use of hydrogen as a fuel in ICEs and will provide an  energy­eficient interim hydrogen­based powertrain technology during the transition to hydrogen/fuelcell­powered transportation vehicles.  Given these challenges, the Advanced Combustion Engine Technologies Sub­Program is working  toward achieving the following objectives:  •

• • • • •

Advance fundamental combustion understanding to enable design of engines with inherently lower  emissions, and eventually advanced engines operating predominantly in low­temperature or HCCI  combustion regimes.  The resulting technological advances will reduce the size and complexity of  emission control devices and minimize any impact these devices have on vehicle fuel eficiency.   A fuel­neutral approach is being taken, with research addressing gasoline­based LTC engines as  well as diesel­based advanced engines.  Increase overall engine eficiency through fundamental improvements such as advanced  combustion processes, reduction of parasitic losses, and recovery of waste heat.  Improve the effectiveness, eficiency, and durability of engine emission control devices to enable  these engines to achieve signiicant penetration in the light­duty market and maintain their  application in heavy­duty vehicles.  Develop highly eficient hydrogen engine technologies with near­zero NOx, PM and greenhouse  gas emissions.  Identify that any potential health hazards associated with the use of new vehicle technologies  being developed by VT will not have adverse impacts on human health through exposure to toxic  particles, gases, and other compounds generated by these new technologies.  Develop advanced thermoelectric technologies for recovering engine waste heat and converting it  to useful energy that will signiicantly increase vehicle fuel economy. 

Technology Status Recent advances in fuel injection systems have made the diesel engine very attractive for light­ duty vehicle use by reducing the combustion noise associated with diesel engines, and consumers  are discovering that diesel engines offer outstanding driveability and fuel economy.  The change­over  to ultra­low­sulfur diesel fuel enables catalytic exhaust treatment devices that virtually eliminate the  offensive odors associated with diesel engines and further improve their prospects for wider use in  light­duty vehicles.  Mercedes­Benz has started selling a diesel passenger car that is certiied to Tier 2  Bin 8 in the U.S. using a NOx adsorber and diesel particulate ilter (DPF) and has added diesel engine  options for its SUVs.   In early 2007, The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) inalized its guidance document  for using selective catalytic reduction (SCR) employing urea for regeneration (urea­SCR) technology  for NOx control in light­ and heavy­duty diesel vehicles and engines.  This opens the door for the 

Advanced Combustion Engine Technologies 

4

FY 2007 Progress Report 

I.  Introduction  introduction of SCR technology in Tier 2 light­duty vehicles, 2010 heavy­duty engines, and in other  future diesel engine applications in the United States.  Mercedes­Benz is offering a limited number of  urea­SCR 2007 diesel vehicles in California that meet the Tier 2 Bin 5 standard.  In 2008, Mercedes­ Benz plans to expand availability of these vehicles to all 50 states.  Volkswagen, Audi, and BMW  also plan to incorporate urea­SCR technology into some of their diesel vehicles in 2008 with some  Volkswagen models using NOx adsorber technology.  In 2009, Honda plans to introduce a diesel  passenger car to the U.S. that meets the Tier 2, Bin 5 standard using NOx adsorber technology and a  particulate ilter.  These products are the direct result of regulation to reduce fuel sulfur content and  R&D to develop advanced emission control technologies.  Current heavy­duty diesel engines have eficiencies in the range of 43­45%.  These engines have  signiicantly improved eficiency over engines produced just a few years ago.  Improvements are  being made in a wide variety of engine components such that engines a few years from now may have  eficiencies between 47 and 48% without employing waste heat recovery.  In 2007, heavy­duty diesel engines for on­highway commercial trucks have been equipped  with DPFs to meet particulate emissions standards.  This will be the irst very broad application of  aftertreatment devices in the trucking industry.  In some cases, DPFs are paired with oxidation catalysts  to facilitate passive or active regeneration.  DPFs are typically capable of reducing PM emissions by  95% or more.  For NOx control, aftertreatment devices are not likely to be needed in the heavy­duty  sector until 2010 emissions regulations take effect.   Among the options for NOx aftertreatment for diesel engines, urea­SCR is the clear leader because  of its performance and superior fuel sulfur tolerance.  The U.S. EPA has put regulations in place  to assure that users of urea­SCR vehicles don’t operate them without replenishing the urea.  Using  urea­SCR, light­duty manufacturers will be able to meet Tier 2, Bin 5 which is the “gold standard” at  which diesel vehicle sales do not have to be offset by sales of lower emission vehicles.  Heavy­duty  diesel vehicle manufacturers will be attracted to urea­SCR since it has a broader temperature range of  effectiveness than competing means of NOx reduction and allows the engine/emission control system  to achieve higher fuel eficiency.  The other technology being considered for NOx control from diesel engines is lean­NOx traps  (LNTs), also known as NOx adsorbers.  LNTs appear to be favored by light­duty manufacturers (as  witnessed by the 2007 Dodge Ram light­duty trucks with the Cummins 6.7­liter diesel engine using a  LNT and DPF for emission control, and Volkswagen’s and Honda’s announcements of their intent to  use LNTs with their diesel engines in 2008 and 2009, respectively) since overall fuel eficiency is less  of a concern than for heavy­duty manufacturers, and because urea replenishment represents a larger  concern for light­duty customers than for heavy­duty vehicle users.  Other drawbacks to LNT use on  heavy­duty vehicles are that they are larger in relation to engine displacement (being over twice as large  as those required for light­duty vehicles), the “not­to­exceed” operating conditions generate higher  exhaust temperatures which degrade durability, and the fuel used for regeneration adds to operating  costs.  Research on LNTs has decreased this fuel “penalty,” but it is still in the range of ive percent of  total fuel low.  This problem is exacerbated by the need to periodically drive off accumulated sulfur  (even using ultra­low­sulfur fuel) by heating the adsorber to high temperatures, again by using fuel  (desulfation).  In addition, the high temperature of regeneration and desulfation has been shown  to cause deterioration in catalyst effectiveness.  LNTs additionally require substantial quantities of  platinum group metals, and the cost of these materials has been rising at a concerning rate.  An optimum solution to diesel engine emissions would be to alter the combustion process in ways  that produce emissions at levels that don’t need ancillary devices for emissions control, or greatly  reduce the requirements of these systems, yet maintain or increase engine eficiency.  This is the  concept behind advanced combustion regimes such as HCCI, pre­mixed charge compression ignition  (PCCI) and other modes of LTC, which result in greatly reduced levels of NOx and PM emissions  (emissions of hydrocarbons and carbon monoxide still exist and must also be controlled – the lower  exhaust temperatures associated with these combustion modes can make hydrocarbon and carbon  monoxide control dificult).  Signiicant progress is being made in these types of combustion systems,  and performance has been demonstrated over increasingly larger portions of the engine speed/load  map.  In recent years, DOE has adopted the term “high­eficiency clean combustion” (HECC) to 

FY 2007 Progress Report 

5

Advanced Combustion Engine Technologies 

I.  Introduction  include these various combustion modes since the boundaries among them are dificult to deine.  The major issues of this R&D include fuel mixing, control of air intake low and its temperature, control  of combustion initiation, and application over a wider portion of the engine operating range.  Control  of valve opening independent of piston movement appears to be highly desirable for such engines.   Most heavy­duty engine manufacturers are employing some sort of HECC in engines designed to meet  the 2010 emission standards.  Ford has announced that it intends to release a light­duty diesel engine  employing HECC before 2012 which may not include any NOx aftertreatment devices.1  General  Motors has demonstrated two driveable concept vehicles, a 2007 Saturn Aura and Opel Vectra, with  light­duty HCCI engines using gasoline.2  Complex and precise engine and emission controls will require sophisticated feedback systems  employing new types of sensors.  NOx, PM, and combustion sensors are in the early stages of  development and require additional advances to be cost­effective and reliable, but are essential to  control systems for these advanced engine/aftertreatment systems.  Much progress has been made, but  durability and cost remain as the primary issues with these sensors.  Start­of­combustion sensors have  been identiied as a need, and several development projects are underway.  Advanced fuel formulations and fuel quality are also crucial to achieving higher energy eficiencies  and meeting emissions targets.  The EPA rule mandating that the sulfur content of highway diesel  fuel be reduced to less than 15 ppm is a great beneit to the effectiveness, eficiency, and durability  of emission control devices.  Since October 15, 2006, diesel fuel being sold for highway use in most  of the country has less than 15 ppm sulfur (complete phase­in is anticipated by 2010 as small reiner  exemptions are phased out).  The addition of non­petroleum components such as biodiesel can have  beneicial effects on emissions while providing lubricity enhancement to ultra­low­sulfur diesel fuel.  Recent tests have shown that biodiesel lowers the regeneration temperature of particulate traps and  increases the rate of regeneration with the potential for avoiding or reducing the need for active  regeneration and its associated fuel economy penalty.  On the other hand, biodiesel use has resulted  in some operational problems as well.  Fuel ilter plugging has been reported under cold conditions  for fuels with as little as 2% biodiesel because the biodiesel was not made to speciication for blending  with diesel fuel.  Biodiesel is certain to become more prevalent in diesel fuel due in part to the recent  expansion of the Renewable Fuel Standard, which calls for 0.5 billion gallons in 2009 increasing to  1.0 billion gallons by 2012.   Waste heat recovery is being implemented in heavy­duty diesel vehicles.  New engines being  introduced by Daimler Trucks in late 2007 include turbo compounding technology that uses a turbine  to extract waste energy and add to engine power output.  The addition of turbo compounding and other  engine changes result in a claimed 5% improvement in vehicle fuel economy.  Testing has shown that  waste heat recovery has the potential to improve vehicle fuel economy by 10% and heavy­duty engine  eficiency also by 10%. 

Future Directions Internal combustion engines have a maximum theoretical fuel conversion eficiency that is similar  to that of fuel cells; it approaches 100%.  The primary limiting factors to approaching these theoretical  limits of conversion eficiency start with the high irreversibility in traditional premixed or diffusion  lames, but include heat losses during combustion/expansion, untapped exhaust energy, and mechanical  friction.  Multiple studies agree that combustion irreversibility losses consume more than 20% of the  available fuel energy and are a direct result of lame front combustion.  Analyses of how “advanced  combustion regimes” might impact the irreversibility losses have indicated a few directions of moderate  reduction of this loss mechanism, but converting the preserved availability to work will require  compound cycles or similar measures of exhaust energy utilization.  The engine hardware changes  needed to execute these advanced combustion regimes include variable fuel injection geometries, turbo  and super charging to produce very high manifold pressures, compound compression and expansion  cycles, variable compression ratio, and improved sensors and control methods.  Larger reductions in 

1  2 

“Ford, PSA Developing HCCI Diesel” by William Diem, WardsAuto.com, Oct. 11, 2006.  “GM Demonstrates Gasoline HCCI On the Road” Green Car Congress, 24 August 2007. 

Advanced Combustion Engine Technologies 

6

FY 2007 Progress Report 

I.  Introduction  combustion irreversibility will require a substantial departure from today’s processes but are being  examined as a long­range strategy.  The other areas where there is large potential for improvements in internal combustion engine  eficiency are losses from the exhaust gases and heat transfer losses.  Exhaust losses are being addressed  by analysis and development of compound compression and expansion cycles achieved by valve timing,  use of turbine expanders, regenerative heat recovery, and application of thermoelectric generators.   Employing such cycles and devices has been shown to have the potential to increase heavy­duty engine  eficiency by 10% to as high as 55%, and light­duty vehicle fuel economy by 10%.  Heat transfer losses  may be reduced by HECC, and interest in inding effective thermal barriers remains valid.   Fuels can also play an important role in reducing combustion irreversibility losses.  Preliminary  analyses show that combustion irreversibility losses per mole of fuel are considerably less for hydrogen  than for hydrocarbon fuels.  This inding is consistent with the understanding that combustion  irreversibility losses are reduced when combustion is occurring nearer equilibrium (high temperature),  since hydrogen has the highest adiabatic lame temperature of the fuels studied to date.  This bodes well  for the development of highly eficient hydrogen­fueled internal combustion engines.  Emission control devices for diesel engines to reduce PM and NOx will become widespread over  the next few years.  Much work still needs to be done to make these devices more durable and to lessen  their impact on fuel consumption.  Information about how best to employ these emission control  devices also continues to evolve with new developments leading to more eficient operation.  As engine  combustion becomes cleaner, the requirements of the emission control devices will change as well.   Thermoelectric devices that convert waste engine heat to electricity have great potential to improve  both engine eficiency and vehicle fuel economy.  The electricity generated can be used to drive engine  accessories, operate emission control equipment, or used directly to propel the vehicle.  The challenges  facing implementation of thermoelectric devices include scale­up, manufacturing techniques, and  durability to withstand extremes of heat and vibration typical of vehicle environments. 

Goals and Challenges • •

The Advanced Combustion Engine R&D Sub­Program has two activities:  Combustion and Emission Control R&D  Solid State Energy Conversion 

Combustion and Emission Control R&D The Combustion and Emission Control R&D activity focuses on enabling technologies for energy­ eficient, clean vehicles powered by advanced combustion engines using clean hydrocarbon­based and  non­petroleum­based fuels and hydrogen.  R&D has been focused on developing technologies for light­,  medium­, and heavy­duty engines and is being transitioned to developing technologies for advanced  engines operating in combustion regimes that will further increase eficiency and reduce emissions to  near­zero levels.   Fuel eficiency improvement is the overarching focus of this activity, but resolving the  interdependent emissions challenges is a critical integrated requirement.  (Penetration of even current­ technology diesel engines into the light­duty truck market would reduce fuel use by 30­40% per  gasoline vehicle replaced.)  The major challenges facing diesel emission control systems across all three  platforms are similar:  durability, cost, and fuel penalty (or in the case of urea­SCR, urea infrastructure  development).  Full­life durability in full­scale systems suitable for 2010 regulations has yet to be  demonstrated for either light­ or heavy­duty systems, with the exception of very recent announcements  by Cummins of a 2007 chassis certiied heavy­duty diesel engine certiied to the 2010 emission  regulations.  This is indicative of the progress achieved in the last ten years.   The VT technical targets for advanced combustion engines suitable for passenger vehicles (cars  and light trucks), as well as to address technology barriers and R&D needs that are common between  passenger and commercial (heavy­duty) vehicle applications of advanced combustion engines include: 

FY 2007 Progress Report 

7

Advanced Combustion Engine Technologies 

I.  Introduction  • •

By 2010, for passenger vehicles, develop the understanding of novel low­temperature engine  combustion regimes needed to simultaneously enable engine eficiency of 45 percent with a fuel  eficiency penalty of less than 1 percent while meeting prevailing EPA emissions standards.  By 2013, increase the thermal eficiency of heavy truck engines to 55 percent while meeting  prevailing EPA emissions standards. 

Presented in the following tables are the technical targets (consistent with the goals) for the  Combustion and Emission Control R&D activity.  The FreedomCAR and Fuel Partnership goals for  both hydrocarbon­ and hydrogen­fueled ICEs are shown in Table 1.  These apply to passenger vehicles  (cars and light trucks).  The technical targets for heavy truck engines for commercial vehicles are shown  in Table 2.  TABLE 1.  Technical Targets for Passenger Vehicle Engines  Characteristics

Fiscal Year

a

Reference peak brake thermal eficiency , %  b,c

Powertrain cost , $/kW 

2007

2009

2010

32 

34 

35 

35 

30 

30 

FREEDOMCAR AND FUEL PARTNERSHIP GOALS ICE Powertrain     Peak brake thermal eficiency, %  (Diesel/H 2–ICE)  (H 2–ICE) 

45/45  45 (2015)

 Cost, $/kW ­ (Diesel/H2–ICE)  (H 2–ICE) 

30/45  30 (2015) 

Target peak brake thermal         eficiency/part­load brake thermal eficiency  (2 bar BMEP d @1500 rpm), %  Emissionse, g/mil  e

Durability , hrs  Thermal eficiency penalty due to emission control  devicesf, % 

42/29 

44/30 

45/31 

Tier 2, Bin 5 

Tier 2, Bin 5 

Tier 2, Bin 5 

5,000 

5,000 

5,000