Effect of Gasoline–Ethanol–Water Mixtures on Auto-Ignition in a Spark Ignition Engine

Tim Franken, Krishna P Shrestha, Lars Seidel, Fabian Mauß

First published: September 2022

Abstract

Today ethanol is already blended by 10vol-% in gasoline and a further increase of the ethanol content to 20vol-% is discussed. During the ethanol production process, distillation and molecular sieving are required to remove the water concentration to achieve high-purity ethanol. However, hydrous ethanol can be beneficial to suppress the knock of spark ignition engines. The hygroscopic nature of ethanol can allow to increase the water content in gasoline–water emulsions even more, without adding additional surfactants, and improve the thermal efficiency by optimized combustion phasing, while keeping the system complexity low. Hence, the effect of gasoline – ethanol-water mixtures on the auto-ignition in a single-cylinder spark ignition engine is investigated by using multi-dimensional simulation and detailed chemistry. The gasoline-ethanol mixtures are defined to keep the Research Octane Number constant, while the Motored Octane Number is decreasing. In total five surrogates are defined and investigated: E10 (10vol-% ethanol-in-gasoline), E20, E30, E70 and E100. The water content is determined according to experimentally defined ternary diagrams that evaluated stable gasoline – ethanol-water emulsion at different gasoline-ethanol blending ratios. The auto-ignition modes of the surrogates are analyzed using the ξ-ε diagram, which determines if hotspots are within harmless deflagration or harmful developing detonation regime. The strongest auto-ignition is observed for the E10 surrogate while increasing ethanol content reduces the surrogate reactivity and increases the resonance parameter ξ. No auto-ignition of the unburnt mixture is observed for the E70 and E100 surrogates. The addition of hydrous ethanol decreased the excitation time of the surrogates, especially at low ethanol content, wherefor the reactivity parameter ε is significantly increased. The hotspots for E10, E20, and E30 surrogates with hydrous ethanol are found within the developing detonation regime, while hotspots of the E70 surrogate with hydrous ethanol are found in the transition regime. For the hydrous E100 surrogate, no auto-ignition is predicted because of the reduced temperature of the unburnt mixture due to water vaporization, which outweighs the increased reactivity due to water vapor addition.

Read more

Privacy Policy & Cookie Settings 

We use cookies to provide you with the best possible content and functionality on our website. We also use cookies for analysis purposes. 

Go to the Privacy Policy and Cookie Settings. 

Agree with allOnly allow necessary cookies

Privacy policy & Cookie settings 

Please note that technically necessary cookies must be set in order to maintain the functionality of our website, as described in our privacy policy. We only use cookies for analysis purposes with your consent. Further details, in particular regarding the storage period and recipients, can be found in our privacy policy. You can adjust your selection in the cookie settings. 

PHP Sitzung
Das Cookie PHPSESSID ist für PHP-Anwendungen. Das Cookie wird verwendet um die eindeutige Session-ID eines Benutzers zu speichern und zu identifizieren um die Benutzersitzung auf der Website zu verwalten. Das Cookie ist ein Session-Cookie und wird gelöscht, wenn alle Browser-Fenster geschlossen werden.
Google Maps
Google Maps ist ein Karten-Dienst des Unternehmens Google LLC, mit dessen Hilfe auf unserer Seite Orte auf Karten dargestellt werden können.
YouTube
YouTube ist ein Videoportal des Unternehmens Google LLC, bei dem die Benutzer auf dem Portal Videoclips ansehen, bewerten, kommentieren und selbst hochladen können. YouTube wird benutzt um Videos innerhalb der Seite abspielen zu können.
Vimeo
Vimeo ist ein Videoportal des Unternehmens Vimeo, Inc., bei dem die Benutzer auf dem Portal Videoclips ansehen, bewerten, kommentieren und selbst hochladen können. Vimeo wird benutzt um Videos innerhalb der Seite abspielen zu können.
Google Analytics
Google Analytics installiert die Cookie´s _ga und _gid. Diese Cookies werden verwendet um Besucher-, Sitzungs- und Kampagnendaten zu berechnen und die Nutzung der Website für einen Analysebericht zu erfassen. Die Cookies speichern diese Informationen anonym und weisen eine zufällig generierte Nummer Besuchern zu um sie eindeutig zu identifizieren.
Matomo
Matomo ist eine Open-Source-Webanwendung zur Analyse des Nutzerverhaltens beim Aufruf der Website.