Evaluación de un sistema de ignición por precámara para motores de encendido provocado de automoción

Abstract

[ES] El concepto de encendido por precámara es una estrategia atractiva para permitir el funcionamiento de motores de encendido provocado (MEP) en condiciones de mezcla pobre o con tasas de EGR medias/altas, manteniendo un proceso de combustión adecuado. Este concepto de encendido utiliza un sistema de chispa eléctrica convencional para encender una cantidad determinada de mezcla de combustible/aire en un pequeño volumen (precámara) conectado a la cámara de combustión (cámara principal) a través de un conjunto de orificios. La liberación de calor asociada a la combustión aumenta la presión en la precámara de manera que un conjunto de chorros a alta temperatura son eyectados hacia la cámara principal, forzando el inicio de la combustión en múltiples posiciones y también barriendo el volumen de la cámara principal. La mayoría de los trabajos de investigación previos reportados en la literatura se han centrado en explorar los beneficios de la versión activa, con un sistema de inyección de combustible auxiliar directamente integrado en la precámara, en una región de operación de carga/régimen limitada. De acuerdo con los resultados, los beneficios operando en condiciones de mezcla pobre incluyen el incremento de la velocidad de combustión, la mejora de la estabilidad de la combustión y el aumento de la eficiencia de la combustión mediante la reducción de las emisiones de CO y HC. Como resultado del incremento en la velocidad de combustión, la tendencia a la detonación generalmente disminuye, por lo que es concepto muy compatible con altas relaciones de compresión. Sin embargo, la versión pasiva -sin el sistema auxiliar de alimentación de combustible en la precámara- ofrece ventajas evidentes en términos de simplicidad, necesidad de espacio y coste. Así pues, el concepto de encendido por precámara en versión pasiva se presenta como una alternativa prometedora para los futuros motores de encendido provocado de aplicación a automoción. En este marco, se llevará a cabo un trabajo de investigación de corte experimental para evaluar el potencial de este concepto de ignición en un motor monocilíndrico de encendido provocado de alta relación de compresión, sobrealimentado y de inyección de combustible en colector, utilizando gasolina RON 95. Como primer paso, se generará un Modelo de Acción de Ondas (1D) para diseñar la geometría de la precámara tomando como parámetros clave el combustible disponible en la precámara al inicio de la combustión en ésta y la diferencia de presión entre la precámara y la cámara principal. En un segundo paso, estos diseños de precámara se validarán experimentalmente y los resultados se compararán con los que se obtienen operando con el concepto convencional de encendido por bujía.

[EN] The pre-chamber ignition concept is an attractive strategy to enable the operation of spark-ignition (SI) engines in lean or diluted conditions keeping a suitable combustion process. This ignition concept uses a conventional electrical spark system to ignite a given amount of fuel/air mixture in a dedicated volume (pre-chamber) connected to the combustion chamber (main chamber) through a set of orifices. Combustion increases the pressure in the pre-chamber so a set of jets are ejected towards the main chamber, forcing the onset of combustion in multiple locations and also sweeping the main chamber volume. Most of the previous research activities reported in the literature focused on exploring the benefits of the active version, with an auxiliary fuel supply system directly integrated in the prechamber, in a limited load/speed region. According to the results the benefits in lean conditions include the fastening of the combustion process, the improvement of combustion stability, the increase of combustion efficiency by lowering CO and HC emissions. As a result of the faster combustion the knock tendency generally decreases, so it is very compatible with high compression ratios. However, the passive version without the auxiliary fuel supply system provides evident advantages in terms of simplicity, packaging and cost-effectiveness. Thus, the passive pre-chamber ignition concept arises as a promising alternative for future SI engines for passenger car applications. In this framework, an experimental investigation will be carried out to evaluate the potential of passive pre-chamber ignition concept in a high compression ratio, turbocharged, port fueled single cylinder SI engine, using 95 Research Octane Number (RON) gasoline. As a first step, a 1D Wave Action Model will be generated to design pre-chamber geometry taking the fuel available at the start of pre-chamber combustion and the pressure difference between the main chamber and pre-chamber as key parameters. In a second step, these pre-chamber designs will be experimentally validated and results will be compared with those obtaining operating with the conventional spark ignition concept.