Numerical and experimental evaluation of the concept of passive pre-chamber for future CNG spark ignition engines

Abstract

[ES] La tercera década del siglo XXI se perfila como una de las más relevantes en términos de la transición de métodos y formas de uso de diferentes fuentes de energía, con desarrollos a corto y mediano plazo en el camino hacia la descarbonización. Una de las medidas más aceptadas en este camino es la reducción de las emisiones de CO2 de los motores de combustión interna, por lo que se están estudiando diferentes conceptos para optimizar la combustión. Además, esta investigación se centra en desarrollar una configuración adecuada de motor de encendido por chispa (SI) que integre el concepto de encendido de pre-cámara pasiva (TJI), junto con una alta relación de compresión y el uso del ciclo Miller, para aprovechar los beneficios del uso de gas natural comprimido (CNG) como combustible. Por lo tanto, la novedad de esta investigación es la evaluación detallada de la mencionada arquitectura de motor SI mediante simulaciones CFD de última generación y una amplia campaña experimental, para entender las ventajas de las tecnologías combinadas frente a un motor SI convencional que funciona con gasolina. La tecnología de pre-cámara es capaz de superar los problemas asociados con las velocidades de llama laminar más bajas del CNG, y la reducción de la turbulencia causada por el cierre prematuro de la válvula de admisión con el ciclo Miller. Los resultados experimentales mostraron que la nueva definición del motor logró niveles más altos de eficiencia indicada en comparación con el motor base (alrededor de un 3% de aumento en condiciones de alta carga y alto régimen). Además, la adición de EGR permite mejorar aún más el rendimiento del motor, extendiendo el límite de carga en la región de par bajo del mapa del motor. Finalmente, se desarrolló un modelo dinámico completo en 1D de un vehículo de pasajeros actual para realizar simulaciones de ciclo de conducción transitorio, mostrando una reducción del 15% en el consumo de combustible y del 25% en las emisiones de CO2 para la nueva definición del motor en comparación con el motor base.

[EN] The third decade of the 21st century is set to be one of the most relevant in terms of the transition of methods and forms of using different energy sources, with short and medium-term developments on the road to decarbonization. One of the most widely accepted measures on this path is the reduction of CO2 emissions from internal combustion engines, which is why different concepts are being studied in order to optimize combustion. Furthermore, this research focuses on developing a suitable Spark-Ignition (SI) engine configuration integrating the passive pre-chamber ignition concept (TJI), together with a high compression ratio and the use of the Miller cycle, in order to exploit the benefits of using Compressed Natural Gas (CNG) as fuel. Thus, the novelty of this investigation is the detailed evaluation of the aforementioned SI engine architecture by state-of-the-art CFD simulations and a broad experimental campaign, to understand the advantages of the combined technologies against a conventional SI engine operating with gasoline. The pre-chamber technology is able to overcome the issues associated with the lower laminar flame speeds of CNG, and the reduction of turbulence caused by prematurely closing the intake valve with the Miller cycle. The experimental results showed that the new engine definition achieved higher levels of indicated efficiency compared to the baseline engine (around a 3% increase at high load/speed conditions). Moreover, the addition of EGR allows to further improve the engine performance, extending the load limit in the low-end torque region of the engine map. Finally, a full dynamic 1D model of a current passenger car vehicle was developed to perform transient driving cycle simulations, showing a reduction of 15% in fuel consumption and 25% in CO2 emissions for the new engine definition compared to the baseline engine.