Analysis of the potential of SI lean combustion and CAI combustion in a two-stroke spark-assisted gasoline engine

Abstract

[EN] Internal combustion engines are in a situation in which they must be cleaner and more efficient than they have ever been. This change is motivated by the global and continuous evolution of the emissions regulations linked to their commercialization, which try to establish the path to protect the human health, and move towards more sustainable energetic models. Framed in this context, the research work developed in this PhD thesis has focused on the way to continue improving the spark ignition engines. To this end, a prototype two-stroke engine has been used, with the idea of studying the Spark Ignited combustion in lean conditions ('lean SI') and the Controlled Auto-Ignition combustion 'CAI'). In this way, the traditional 'SI' operation in stoichiometric conditions of this type of engines is replaced, looking for an improvement in fuel efficiency, and a reduction, at the same time, of the pollutant emissions. This work has been approached mainly from an experimental point of view. Firstly, different works have been performed on the engine: operation of the different combustion modes, definition of the operating strategies, and compilation of experimental data coming from the engine operation in the different regions of the engine map. And, secondly, all this data has been analyzed and studied in detail to define the strengths and weaknesses of each combustion mode applied to the different engine operating conditions. The combination of these two works has led to obtain a large amount of data about the achievable efficiencies and the emissions values obtained in each combustion mode. And, in addition, the influence on the combustion of the burned gases recirculation in the engine ('EGR'), has also been studied as a strategy to reduce emissions, and control the combustion at high loads in both combustion modes. Regarding the analytical part of the work, several problems have been detected. Firstly, the high combustion variability in this engine, and secondly, the coupling of two completely different combustion modes. These issues have generated the need to analyze the data obtained in a more detailed way, in order to get more information about the combustion process. To solve these two aspects, first, a different point of view has been raised when dealing with the combustion diagnosis, the cycle to cycle analysis, and secondly, a combustion analysis methodology has been proposed in order to allow the combustion analysis from a more detailed point of view. In this way the combustion development is studied, and thus, the differentiation between the different combustion events that take place in the engine can be studied. All this work has been useful to define the strategies to operate the whole engine map by combining the 'lean SI' and 'CAI' combustion modes. This solution, compared to the current Euro VI engines, has presented higher efficiency values complying with the established emissions limits, showing in this way, the high potential of these combustion modes applied to 'SI' engines, as well as a real possibility of its implementation in future vehicles.

[ES] Los motores de combustión interna viven un momento en el que deben ser más limpios y eficientes de lo que han sido hasta la fecha. Este cambio viene dado por el endurecimiento global y continuado de las normativas anticontaminación vinculadas a su comercialización, que tratan de establecer el camino para proteger la salud de las personas que conviven con éstos, y avanzar hacia unos modelos más sostenibles de uso de las energías disponibles. Enmarcado en este contexto, el trabajo de investigación desarrollado en esta tesis se ha centrado en continuar avanzando en el camino para la mejora de los motores de encendido provocado. Para este fin se ha empleado un motor prototipo de dos tiempos con la idea de estudiar la combustión por encendido provocado en mezclas pobres 'lean SI') y la combustión mediante el autoencendido controlado de la mezcla ('CAI'). De esta forma la operación tradicional en condiciones estequiométricas de este tipo de motores es reemplazada, en busca de una mejora en la eficiencia energética, y una reducción, al mismo tiempo, de las emisiones contaminantes. Este trabajo se ha abordado desde un punto de vista principalmente experimental. En primer lugar se ha trabajado sobre el motor, operando los diferentes modos de combustión, fijando las estrategias de operación, y obteniendo gran cantidad de datos sobre el funcionamiento del motor en las diferentes regiones del mapa motor. Y, en segundo lugar, estos datos han sido analizados y estudiados en detalle para detectar los potenciales y las debilidades de cada modo de combustión aplicado a las diferentes condiciones de funcionamiento del motor. La combinación de estos dos trabajos ha servido para obtener gran cantidad de datos sobre las eficiencias alcanzables y los valores de emisiones obtenidos en cada modo de operación. Y, adicionalmente, se ha estudiado también la influencia de la recirculación de gases quemados en el motor ('EGR') sobre la combustión, como estrategia para reducir las emisiones y controlar la combustión a altas cargas en ambos modos de operación. En cuanto a la parte analítica del trabajo, se han detectado diversos problemas. En primer lugar, lidiar con la alta variabilidad de la combustión en este motor, y en segundo lugar, el acople de dos modos de combustión totalmente diferentes. Esto ha generado la necesidad de analizar los datos obtenidos de forma que nos den algo más de información sobre la forma en que se ha desarrollado la combustión. Para dar solución a estos dos aspectos, se ha planteado un punto de vista diferente a la hora de afrontar el diagnóstico de la combustión (análisis ciclo a ciclo) y se ha propuesto una metodología de análisis de la combustión que nos permita estudiar, desde un punto de vista más detallado, la forma en que se ha desarrollado la combustión, y tratar de diferenciar así los diferentes eventos de combustión que se desarrollan en el motor. Todo este trabajo ha dado sus frutos en forma de la definición de las estrategias para operar el motor en su totalidad mediante la combinación de los modos 'lean SI' y 'CAI'. Esta solución, en comparación con los motores actuales Euro VI, ha presentado unos valores de eficiencia superiores cumpliendo con los límites establecidos de emisiones, mostrando de esta forma un elevado potencial de estos modos de combustión aplicados a los motores de encendido provocado, así como una posibilidad real de implementación en los vehículos venideros.

[CA] Els motors de combustió interna alternatius es troben a un moment en el que deuen ser mes nets i eficients que mai. Aquest canvi ve motivat per l'augment de l'exigència de les normatives reguladores d'emissions contaminants vinculades a la seua comercialització, que tracten d'establir el camí per a protegir la salut de les persones que conviuen amb aquests, i avançar cap a uns models mes sostenibles d'aprofitament de les energies disponibles. Dins d'aquest context, el treball d'investigació realitzat en aquesta tesi, ha girat al voltant de la millora dels motors d'encesa provocada. Per a aquesta finalitat, s'ha emprat un prototip de motor de dos temps amb l'idea d'estudiar la combustió per encesa provocada amb dosatges pobres 'lean SI') i la combustió mitjançant una auto-encesa provocada per les condicions termodinàmiques de la cambra de combustió ('CAI'). D'aquesta manera l'operació tradicional en condicions estequiomètriques d'aquest tipus de motors és substituïda, buscant una millora en l'eficiència energètica i una reducció al mateix temps de les emissions contaminants. Aquest treball s'ha abordat des d'un punt de vista fonamentalment experimental. En primer lloc s'ha treballat sobre el motor, operant els diferents modes de combustió, fixant les estratègies d'operació, i obtenint gran quantitat de dades sobre el funcionament del motor en les diferents regions del seu mapa d'operació. I en segon lloc, aquestes dades han sigut analitzades i estudiades en detall per a detectar els potencials i les debilitats de cada mode de combustió aplicat a les diferents condicions de funcionament del motor. La combinació d'aquests dos treballs ha servit per a obtindre gran quantitat de dades sobre les eficiències assolibles i els valors d'emissions obtinguts en cada mode d'operació. I, a més, s'ha estudiat la influència de la recirculació de gasos d'escapament al motor ('EGR') sobre la combustió, com a estratègia per a reduir les emissions contaminants i controlar la combustió a altes càrregues en els dos modes de combustió. Quant a la part analítica del treball, s'han detectat diversos problemes. En primer lloc, tractar amb l'alta variabilitat de la combustió en aquest motor, i en segon lloc, l'acoblament de dos modes de combustió totalment diferents. Açò ha generat la necessitat d'analitzar les dades obtingudes de forma que ens donen més informació sobre la forma en que s'ha desenvolupat la combustió. Per a donar solució a aquests dos aspectes, s'ha plantejat un punt de vista diferent a l'hora de realitzar el diagnòstic de la combustió (un anàlisis cicle a cicle) i s'ha proposat una metodologia d'anàlisi de la combustió que permeta estudiar, des d'un punt de vista més detallat, la forma en que s'ha desenvolupat la combustió, i tractar de diferenciar així, les diferents combustions al motor. Tot aquest treball ha donat uns resultats en forma de la definició de les estratègies per a operar el motor en la seva totalitat mitjançant la combinació dels modes de combustió 'lean SI' i 'CAI'. Aquesta solució, en comparació amb els actuals motors Euro VI, ha ofert uns valors d'eficiència superiors, acomplint amb les limitacions establertes d'emissions, mostrant d'aquesta manera un elevat potencial d'aquests modes aplicats als motors d'encesa provocada, així com una possibilitat real d'implantació en els vehicles que estan per vindre.