Evaluation of combustion concepts and scavenging configurations in a 2-Stroke compression-ignition engine for future automotive powerplants

Abstract

[ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis es el resultado de varios años dedicados al desarrollo, la implementación y la optimización de dos tecnologías combinadas: un concepto de combustión innovador y una arquitectura de motor de nuevo diseño. Esta investigacion se ha realizado en el marco de una colaboración con Renault SA, como continuación de las actividades realizadas en el proyecto europeo POWERFUL (POWERtrain for FUture Light-duty vehicles) por un lado,y en el marco del proyecto europeo REWARD (Real World Advanced technologies foR Diesel engines), devenido como continuación del proyecto POWERFUL en el marco del programa de investigación Horizonte 2020, por otro lado. Los principales objetivos de estos estudios eran evaluar el potencial del concepto de combustión parcialmente premezclada (PPC) operando con gasolina como combustible en un innovador motor de 2 tiempos de válvulas en culata, y luego diseñar una nueva geometría de motor de 2 tiempos utilizando la arquitectura Uniflujo para superar los principales problemas y limitaciones observados durante la primera etapa, que se pueden resumir principalmente en el rendimiento de barrido (especialmente trabajando en cargas elevadas).

La metodología diseñada para este trabajo de investigación sigue un enfoque teórico-experimental. La evaluación del concepto de combustión PPC operando con gasolina se llevó a cabo principalmente con un enfoque experimental con el apoyo del análisis en línea directamente en el banco de ensayo, seguido de un exhaustivo tratamiento posterior de los datos y de un análisis detallado del proceso de combustión utilizando herramientas de diagnóstico. Por el contrario, el desarrollo del nuevo motor Uniflujo de 2 tiempos consistió principalmente en iteraciones sobre modelado 3D-CFD, si bien las actividades experimentales fueron fundamentales para validar las diferentes soluciones propuestas y evaluar su sensibilidad ante diferentes parámetros de interés utilizando una metodología de Diseño de Experimentos (DoE).

La primera parte del trabajo se ha dedicado a la comprensión de los procesos termodinámicos involucrados en la combustión operando con el concepto PPC en un motor de 2 tiempos de válvulas en culata utilizando gasolina como combustible, y a evaluar su potencial en términos de emisiones contaminantes, consumo de combustible y ruido. Por último, se ha realizado un trabajo de exploración para ampliar en la medida de lo posible el rango de funcionamiento de este concepto de combustión en esta configuración específica del motor, investigando especialmente el rendimiento en cargas bajas en todo el rango de regímenes de giro del motor, y estableciendo también las principales limitaciones para la operación en cargas altas.

La segunda parte de la tesis se ha centrado en el desarrollo y optimización teórica de un motor Uniflujo de 2 tiempos de nuevo diseño, incluyendo su fabricación y validación experimental. El objetivo principal era optimizar, utilizando principalmente simulaciones 3D-CFD, el rendimiento de barrido de esta arquitectura de 2 tiempos mediante el diseño de nuevas geometrías de puertos de admisión, permitiendo un gran control sobre el flujo de aire hacia y a través del cilindro para barrer al máximo los gases quemados y minimizar el cortocircuito de aire fresco hacia el escape. Las soluciones óptimas se evaluaron experimentalmente siguiendo la metodología DoE, antes de comparar finalmente los resultados de rendimiento de barrido con la anterior arquitectura de motor de 2 tiempos con válvulas en culata.

[CA] El treball de recerca presentat en aquesta tesi és el resultat de diversos anys dedicats al desenvolupament, la implementació i l'optimització de dues tecnologies combinades: un concepte de combustió innovador i una arquitectura de motor de nou disseny. Aquesta recerca s'ha realitzat en el marc d'una col·laboració amb Renault SA, com a continuació de les activitats del projecte europeu *POWERFUL (*POWERtrain *for *FUture Light-*duty *vehicles) d'una banda, i en el marc del projecte europeu *REWARD (Real *World *Advanced *technologies *foR Dièsel *engines), es devingut com a continuació del projecte *POWERFUL en el marc del programa d'investigació Horitzó 2020, d'altra banda. Els principals objectius d'aquests estudis eren avaluar el potencial del concepte de combustió parcialment premesclada (PPC) operant amb gasolina com a combustible en un innovador motor de 2 temps de vàlvules en culata, i després dissenyar una nova geometria de motor de 2 temps utilitzant l'arquitectura Uniflux per a superar els principals problemes i limitacions observats durant la primera etapa, que es poden resumir principalment en el rendiment d'escombratge (especialment treballant en càrregues elevades).

La metodologia dissenyada per a realitzar aquests treballs de recerca segueix un enfocament tant experimental com teòric. L'avaluació del concepte de combustió PPC operant amb gasolina es va dur a terme principalment amb un enfocament experimental, però sempre amb el suport de l'anàlisi en línia directament en el banc d'assaig, seguit d'un exhaustiu tractament posterior de les dades combinat amb una anàlisi detallada del procés de combustió utilitzant eines de diagnòstic. Per contra, el desenvolupament i el disseny del nou motor Uniflux de 2 temps va consistir principalment en iteracions sobre modelatge 3D-CFD, si bé les activitats experimentals van ser fonamentals per a validar les diferents solucions proposades i avaluar la seua sensibilitat davant una sèrie de paràmetres d'interés utilitzant una metodologia de Disseny d'Experiments (DoE).

La primera part del treball s'ha dedicat a la comprensió dels processos termodinàmics involucrats en la combustió operant amb el concepte de combustió PPC en un motor de 2 temps de vàlvules en culata utilitzant gasolina com a combustible, i a avaluar el seu potencial en termes d'emissions contaminants, consum de combustible i també de soroll. Finalment, s'ha fet un treball d'exploració per a ampliar en la mesura que siga possible el rang de funcionament d'aquest concepte de combustió utilitzant eixa configuració específica del motor, investigant especialment el rendiment en càrregues baixes en tot el rang de règims de gir del motor, i establint també les principals limitacions per a l'operació en càrregues altes.

La segona part de la tesi s'ha centrat en el desenvolupament i optimització teòrica d'un motor Uniflux de 2 temps de nou disseny, incloent la seua fabricació i validació experimental. L'objectiu principal era optimitzar, utilitzant principalment simulacions 3D-CFD, el rendiment d'escombratge d'aquesta arquitectura de 2 temps mitjançant el disseny de noves geometries de ports d'admissió, permetent un gran control sobre el flux d'aire cap a i a través del cilindre per a escombrar al màxim els gasos cremats i minimitzar el curtcircuit d'aire fresc cap a l'escapament. Les solucions òptimes es van fabricar i van avaluar experimentalment seguint la metodologia DoE, abans de comparar finalment els resultats de rendiment d'escombratge amb l'anterior arquitectura de motor de 2 temps amb vàlvules en culata.

[EN] The research work presented in this thesis is the result of several years dedicated to the development, implementation and optimization of two combined technologies: an innovative combustion concept and a newly designed engine architecture. These investigations have been performed in the framework of a research collaboration with Renault SA following up the activities performed along the European POWERFUL project (POWERtrain for FUture Light-duty vehicles) on the one hand, and in the framework of the European REWARD project (REal World Advanced technologies foR Diesel engines), brought as a continuation of the POWERFUL project in the frame of the Horizon 2020 research program, on the other hand. The main objectives of these studies were to evaluate the potential of the Partially Premixed Combustion (PPC) concept operating with gasoline fuel in an innovative 2-Stroke poppet-valve engine, and then to design a new 2-Stroke engine geometry using the Uniflow architecture to overcome the main problems and limitations observed during the first stage, which can be mainly summarized to the scavenging performance (especially at high loads).

The methodology designed for performing these investigation is based on both experimental and theoretical approaches. The evaluation of the gasoline PPC concept was carried out mainly experimentally, but always supported by online analysis directly on the test-bench and followed by a thorough post-processing of the data combined with a detailed analysis of the combustion using combustion diagnostic tools. On the contrary, the development and design of the new 2-Stroke Uniflow engine consisted mainly of 3D-CFD iterations, but experimental testing was crucial to validate the different solutions proposed and evaluate their sensitivity to a set of parameters of interest using a Design of Experiments (DoE) methodology.

The first part of the work has been dedicated to the understanding of the thermodynamical processes involved in the combustion in a poppet-valve 2-Stroke engine operating with the gasoline PPC concept, and to evaluate its potential in terms of pollutant emissions, fuel consumption and also noise. Finally, a wide exploration has been performed to extend as much as possible the operating range of this combustion concept using that specific engine configuration, especially investigating the low loads performance throughout the full range of engine speeds, and also laying out the main limitations for high-to-full load operations.

The second part of the thesis has been focused on the development and theoretical optimization of a newly designed 2-Stroke Uniflow engine, leading to manufacture and experimental validation. The main objective was to optimize, using mainly 3D-CFD modeling simulations, the scavenging performance of this 2-Stroke architecture by designing new intake ports geometries and to enable a great control over the air flow into and through the cylinder in order to scavenge the burnt gases as much as possible while minimizing the fresh air short-circuit to the exhaust. The optimum solutions were then manufactured and experimentally tested following a DoE methodology, before finally comparing the results of the scavenging performance to the previous 2-Stroke poppet-valve engine architecture.