Study of the association of premixed and diffusive combustion processes on the combustion and pollutant emissions in a mid-size Diesel engine

Abstract

[EN] The main objective of this thesis is the analysis and comprehension of the association of two different combustion concepts (premixed and diffusive combustion) on the pollutant emissions and engine performance in a mid-size Diesel engine. The evaluation is performed at mid and high load conditions, where the implementation of premixed combustion is generally challenging.

The association of the two combustion modes is hard to attain in a conventional Diesel engine, especially the preparation of the premixed charge with early pilot injection. Therefore, the approach followed during the study has been divided in two main steps: first, the bibliography on the subject is reviewed and two strategies avoiding the main issues mentioned in the literature are grossly evaluated in order to estimate their potential for emission reduction. Second, a deeper study of the combustion processes and emissions formation is performed, focusing only on the partially premixed combustion strategies that actually have the potential for emissions reduction.

Along the second part of the study, the association of premixed and diffusive combustion is evaluated together with variation of conventional calibration parameters such as the intake oxygen concentration (via exhaust gas recirculation), the boost pressure and the start of the main injection timing, at different engine speed and load conditions. A cross analysis of the results obtained is performed in order to understand the key reasons that permit the reduction of the pollutant emissions with this strategy.

In a final part of the thesis, the partially premixed combustion strategies studied are confronted with the challenges they might face when really considered for their introduction in a production engine (oil-dilution, noise...) to finally conclude on their technological potential.

[ES] El objetivo principal de la Tesis es el an álisis y la comprensi ón de la asociaci ón de dos conceptos de combusti ón diferentes (combusti ón en premezcla y por difusi ón) en las emisiones contaminantes y las prestaciones en un motor Diesel de cilindrada media. La evaluaci ón se realiza en condiciones de media y alta carga, en la cuales la implementaci ón de una combusti ón premezclada es generalmente complicada.

La asociaci ón de los dos modos de combusti ón es dif cil de conseguir en un motor Diesel convencional, especialmente la preparaci ón de la carga premezclada con inyecci ón piloto adelantada. Por esa raz ón, el estudio se divide en dos partes principales: primero se revisa la bibliograf ía acerca del tema, centrando la atenci ón en dos estrategias que permiten evitar los principales problemas evocados en la literatura, determinando su potencial para la reducci ón de las emisiones contaminantes. En un segundo lugar, se realiza un estudio m as profundo de los procesos de combusti ón y de formaci ón de contaminantes, centr ándose únicamente en las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada que sí tienen el potencial para reducir las emisiones contaminantes.

En la segunda parte del estudio, se aborda la asociaci ón de combustiones premezclada y por difusi ón junto con la variaci ón de par ametros de calibraci on convencionales como la concentraci ón de ox ígeno en la admisi ón (por medio de recirculaci ón de los gases de escape), la presi ón de sobrealimentaci ón y el inicio de la inyecci ón principal, en diferentes condiciones de r egimen y de carga del motor. El an álisis cruzado de los resultados se realiza con el af án de entender las razones claves de los procesos que permiten la reducci ón de las emisiones contaminantes con esta estrategia.

Como etapa final de esta tesis, se confrontan las estrategias de combusti ón parcialmente premezclada estudiadas con los problemas a los cuales podr ían llevar si realmente se considerar a su implementaci ón y un motor de serie (diluci ón de aceite, ruido...) para finalmente concluir sobre su potencial tecnol ógico.

[CA] L'objectiu principal de la tesi es l'an alisi i la comprensi o de l'associaci o de dos conceptes de combusti o diferents (combusti o en premescla i per difusi o) en les emissions contaminants i les prestacions en un motor Di esel de cilindrada mitjana. L'avaluaci o es realitza en condicions de mitja i alta c arrega, en las quals la implementaci o d'una combusti o premesclada es generalment complicada.

L'associaci o dels dos modes de combusti o es dif cil d'aconseguir en un motor Di esel convencional, especialment la preparaci o de la c arrega premesclada amb injecci o pilot avan cada. Per eixa ra o, l'estudi es divideix en dos parts principals: primer es revisa la bibliogra a sobre el tema, centrant l'atenci o en dos estrat egies que permeten evitar els principals problemes evocats en la literatura, determinant el seu potencial per a la reducci o de les emissions contaminants. En un segon lloc, es realitza un estudi m es profund dels processos de combusti o i de formaci o de contaminants, centrant-se unicament en les estrat egies de combusti o parcialment premesclada que si que tenen el potencial per a reduir les emissions contaminants.

En la segona part de l'estudi, s'aborda l'associaci o de combustions premesclada i per difusi o junt amb la variaci o de par ametres de calibratge convencionals com la concentraci o d'oxigen en l'admissi o (per mitj a de recirculaci o dels gasos d'escapament), la pressi o de sobrealimentaci o i l'inici de la injecci o principal, en diferents condicions de r egim i de c arrega del motor. L'an alisi creuat dels resultats es realitza amb l'afany d'entendre les raons claus dels processos que permeten la reducci o de les emissions contaminants amb esta estrat egia.

Com a etapa final d'esta tesi, es confronten les estrat egies de combusti o parcialment premesclada estudiades amb els problemes als quals podrien portar si realment es consideraria la seua implementaci o en un motor de s erie (diluci o d'oli, soroll...) per a finalment concloure sobre el seu potencial tecnol ogic.