Assessment of the pre-chamber ignition concept: insights from rapid compression-expansion machine and optical engine testing

Abstract

[ES] La búsqueda por la neutralidad de carbono para mitigar los efectos del cambio climático ha impulsado la investigación de fuentes de energía alternativas, así como de formas más eficientes de utilizar la matriz energética actual y futura en todos los sectores de la economía. En el sector del transporte, que representa alrededor del 10% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero, la electrificación y el uso de combustibles libres de carbono son alternativas a largo plazo. Sin embargo, los motores de combustión interna de alta eficiencia aún siguen jugando un papel importante en la descarbonización del sector. En este contexto, el sistema de encendido por precámara es un método promisor para aumentar la eficiencia térmica de los motores para coches de pasajeros y los motores para la generación de energía debido a su fuente de ignición de alta energía, lo que permite una operación pobre y mitiga el knock en alta carga y baja velocidad. En este marco, esta tesis tiene como objetivo profundizar el conocimiento del método de encendido por precámara, centrándose en el análisis de la eyección del chorro por medio de técnicas ópticas y datos de presión de cilindro. Para cumplir con este objetivo, se ha propuesto estudiar precámaras de un solo orificio en instalaciones experimentales simplificadas como el primer paso para mejor comprender dicho método de ignición. Partiendo de la necesidad de determinar correctamente el volumen y el diámetro del orificio de esta precámara simplificada, se ha llevado a cabo un estudio teórico y numérico para identificar los principales parámetros geométricos para reproducir lo más fielmente posible las características del chorro de una geometría de PC ya existente en una geometría simplificada. En este sentido, se ha utilizado un modelo numérico termodinámico para suministrar los datos de entrada para el modelo unidimensional de spray utilizado para predecir la penetración del chorro para diferentes geometrías de PC y condiciones de operación. Una vez conocidos los parámetros geométricos clave que gobiernan la eyección del chorro, se ha rediseñada una máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) para estudios ópticos de precámaras y se ha evaluado el efecto de la geometría de la precámara, del dosado, y de la tasa de EGR en la eyección del chorro y la ignición de la cámara principal por medio de la presión en ambas cámaras y imágenes simultáneas de schlieren y quimioluminiscencia OH*. Por fin, como complemento al análisis de precámaras de un solo orificio en la RCEM, se ha evaluado el efecto del diámetro del orificio y los parámetros de operación del motor en un motor óptico. Se han utilizado imágenes de alta velocidad de quimioluminiscencia de banda ancha y datos de presión en el cilindro para evaluar las características del chorro y el desarrollo de la combustión en la cámara principal en tres geometrías de precámara bajo diferentes dosados.

[CA] La busca de la neutralitat de carboni per a mitigar els efectes del canvi climàtic ha impulsat la investigació de fonts d'energia alternatives, així com de formes més eficients d'utilitzar la matriu energètica actual i futura en tots els sectors de l'economia. En el sector del transport, que representa al voltant del 10% de les emissions totals de gasos d'efecte d'hivernacle, l'electrificació i l'ús de combustibles lliures de carboni són alternatives a llarg termini. No obstant això, mentrestant els motors de combustió interna d'alta eficiència continuen jugant un paper important en la descarbonització del sector del transport. En este context, el sistema d'encesa per precàmera és un mètode promissor per a augmentar l'eficiència tèrmica dels motors per a cotxes de passatgers i els motors per a la generació d'energia a causa de la seua font d'ignició d'alta energia, la qual cosa permet una operació pobra i mitiga el knock en operació a baixa velocitat i alta càrrega. En este marc, esta tesi té com a objectiu aprofundir el coneixement del procés d'encesa per precàmera, centrant-se en l'anàlisi de l'ejecció del doll per mitjà de tècniques òptiques i dades de pressió de cilindre. Per a complir amb este objectiu, s'ha proposat estudiar precàmeres d'un sol orifici en installacions experimentals simplificades com el primer pas per a comprendre este mètode d'ignició. Partint de la necessitat de determinar correctament el volum de la precàmera i el diàmetre de l'orifici d'esta configuració simplificada, es va dur a terme un estudi teòric i numèric per a identificar els principals paràmetres geomètrics per a reproduir tan bé com siga possible les característiques del doll d'una precàmera amb múltiples orificis en una geometria de precàmera simplificada. Una vegada coneguts els paràmetres geomètrics clau que impulsen l'ejecció del doll, s'ha redissenyada una màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) per a estudis òptics de precàmeres i s'ha avaluat l'efecte de la geometria de la precàmera, del dosatge, i de la taxa de EGR en l'ejecció del doll i la ignició de la cambra principal per mitjà de la pressió en totes dues cambres i imatges simultànies de schlieren i quimioluminescència OH*. Per fi, com a complement a l'anàlisi de precàmeres d'un sol orifici en la RCEM, s'ha avaluat l'efecte del diàmetre de l'orifici i els paràmetres d'operació del motor en un motor òptic. S'han utilitzat imatges d'alta velocitat de quimioluminescència de banda ampla i dades de pressió en el cilindre per a avaluar les característiques del doll i el desenrotllament de la combustió en la càmera principal en tres geometries de precàmera sota diferents dosatges.

[EN] The pursuit of carbon neutrality to mitigate the effects of climate change has been demanding research into alternative energy sources, as well as more efficient ways of using the current and future energy matrix in all sectors of the economy. In the transportation sector, which accounts for about 10% of the total greenhouse gas emissions, electrification and the use of carbon-free fuels are promising alternatives in the long term. In the meanwhile, however, highly efficient internal combustion engines still play an important role in the decarbonization of the transportation sector. In this context, the pre-chamber ignition system is an attractive method to increase the thermal efficiency of small engines for passenger cars and large-bore engines for power generation due to its high-energy ignition source, enabling lean operation and mitigating knock at low-speed and high-load operation. Within this framework, this present thesis aims to further understand the pre-chamber ignition concept, focusing on the jet ejection analysis by means of optical techniques and in-cylinder pressure data. In order to fulfill this objective, the study of single-orifice pre-chambers on simplified experimental facilities was proposed as the first step for understanding such ignition method. Arising from the necessity to correctly determine the pre-chamber volume and orifice diameter of this simplified configuration, a theoretical and numerical study was carried out to identify the main geometrical parameters to reproduce as much as possible the jet characteristics of an existing PC geometry into a simplified pre-chamber geometry. In this sense, an one-dimensional engine model was used to provide the input data for the one-dimensional spray model used to predict the jet penetration for different PC geometries and operating conditions. Once the key geometrical parameters that drive the jet ejection were addressed, a Rapid Compression-Expansion Machine (RCEM) was redesigned for pre-chamber optical studies, and the effect of the pre-chamber geometry, equivalence ratio, and EGR rate on the jet ejection and MC ignition was assessed by means of in-cylinder pressure on both chambers and simultaneous Schlieren and OH* chemiluminescence optical techniques. Finally, as a complement to the analysis of single-orifice pre-chambers on the RCEM, the effect of the diameter of the orifices and the engine operating parameters was assessed in a small optical engine. High-speed broadband chemiluminescence imaging and in-cylinder pressure data were used to evaluate the jet characteristics and the main chamber combustion development for three pre-chamber geometries under different mixture conditions.