Unscavenged pre-chamber ignition system design: the governing parameters of its filling and jet ejection

Abstract

[ES] En las últimas décadas, se ha hecho un gran esfuerzo para reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna. Reducir la formación de estos gases durante el proceso de combustión, es decir dentro de la cámara de combustión, es una posibilidad para evitar el alto costo de los sistemas de postratamiento. Lean burn es una de las opciones más interesantes para aumentar la eficiencia térmica del motor y al mismo tiempo disminuir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX). El concepto de encendido por precámara es un método prometedor para iniciar la combustión de mezclas diluidas en la cámara principal debido a su poderosa y espacialmente bien distribuida fuente de ignición, que proporciona una propagación adecuada del frente de llama y una buena estabilidad de la combustión en estas condiciones adversas. Sin embargo, la mayoría de las configuraciones de precámaras que se encuentran en la bibliografía están diseñadas en base a estudios previos, que se escalan con el desplazamiento del motor o simplemente por prueba y error. Por lo tanto, este novedoso estudio surge de la necesidad de determinar los parámetros geométricos que gobiernan los procesos de llenado y formación del chorro en precámaras sin sistemas de barrido, y su relación con los parámetros del motor (por ejemplo, la velocidad del motor). Además, la emulación de un dado chorro en una condición diferente del motor y/o geometría de precámara representa una investigación innovadora. Se ha realizado un desarrollo teórico basado en la primera ley de la termodinámica, y se propone una relación entre el área de flujo efectivo, el volumen de la precámara y la velocidad del motor como el parámetro que rige el flujo másico entre las cámaras. Se realizó una validación numérica de esta hipótesis utilizando un software de cálculo de flujo unidimensional para estimar las propiedades termodinámicas y la transferencia de flujo másico entre cámaras. Además, se estimó la penetración del chorro de los productos de combustión provenientes de la cámara. Finalmente, preservando la relación del área de flujo efectiva dividida por el volumen de la precámara y la velocidad del motor para dos geometrías de precámara, se logra una tasa de aumento de presión idéntica en ambas cámaras. Además, la misma tasa de penetración del chorro, en una base angular, solo se logra si se preserva el diámetro del orificio y la velocidad del motor es la misma.

[EN] In the last decades, much effort has been made to reduce the engine out emission. Reduce the in-cylinder formation during the combustion process is one possibility to avoid the high cost of after-treatment systems. Lean burn is one of the most interesting options to increase the engine thermal efficiency and simultaneously decrease NOX emissions. The pre-chamber ignition concept is a promising method to initiate the main-chamber combustion of diluted mixtures due to its powerful and spatially well-distributed ignition source, which provides a proper flame development and combustion stability in these adverse conditions. Nevertheless, most of the pre-chamber configurations found in the bibliography are designed based on previous studies, which are scaled with the engine displacement or simply by proof and error. Therefore, this novel study arises from the necessity to determine the geometrical parameters that govern the pre-chamber filling and jet ejection processes in an unscavenged pre-chamber, and their relationship with engine parameters (e.g. engine speed). Additionally, the emulation of a given jet in a different engine condition and/or pre-chamber geometry represents an innovative investigation. A theoretical development based on the first law of thermodynamics has been performed, and a relationship between the effective flow area, pre-chamber volume and engine speed is proposed as the governing parameter to the mass flow rate between chambers. A numerical validation of this assumption was carried out using a one-dimensional flow calculator to estimate the thermodynamic properties and mass flow transfer between chambers. Besides, the penetration of the pre-chamber combustion products jets was estimated. Finally, preserving the relation of effective flow area divided by pre-chamber volume and engine speed for two pre-chamber geometries, an identical pressure rise rate is achieved in both pre-chambers. Furthermore, the same jet penetration rate, in an angular basis, solely is achieved if the nozzle diameter is preserved and the engine speed is the same.