Analysis of combustion concepts in a poppet valve two-stroke downsized compression ignition engine designed for passenger car applications

Abstract

[EN] The research work presented on this thesis has been performed in the framework of the development and optimization of the combustion system of a novel two-stroke CI engine, with a scavenging configuration through poppet-valves, which has been specifically designed for a light-duty vehicle application. The main objective of this investigation is to improve the existing understanding about two-stroke poppet-valves engines, and assess the main relationships between the gas exchange and combustion processes in this type of architecture, with the aim of evaluating their impact on the exhaust emissions formation processes and on final engine efficiency. Then, the performance of this two-stroke engine is going to be optimized while operating in conventional diesel mixing-controlled controlled combustion; and in a second step, two advanced premixed combustion concepts will be evaluated to identify their potential for decreasing NOx and soot emissions compared to CDC as well as its main technological limitations.

The methodology proposed on this thesis combines both a theoretical and experimental approach, that allows maximizing the available information about the basic phenomena involved in the various processes under study, while also keeping an efficient optimization approach to reduce as much as possible the number of necessary experimental tests. Additionally, to analyze in detail the physical relationships between the local cylinder gas conditions (such as the oxygen concentration, the combustion temperature and the equivalence ratio) and the formation of exhaust emissions, particularly NOx and soot, it was necessary to develop and setup different theoretical tools to complement and support the experimentally measured trends.

To achieve these objectives, the research work has been divided in two sequential stages: first, the conventional diesel combustion is studied and optimized, based on a proper combination of engine settings that have a strong influence over the characteristics of the mixing-controlled combustion; and in a second step, two advanced combustion concepts are implemented and analyzed, the highly-premixed combustion (HPC) of diesel and the partially premixed combustion (PPC) using a fuel with higher resistance to autoignition (in this case it has been used a RON95 gasoline). In this phase of the research, special emphasis has been made to the gasoline PPC concept, since this combustion mode showed the highest potential and most promising results during the initial implementation studies. Accordingly, the last stage of the research was mainly focused on the detailed study of the effect of different injection settings over the characteristics of the gasoline PPC concept. Finally, the main results obtained with the gasoline PPC concept have been compared against the optimized points found in CDC, in regards to the final exhaust emissions levels, specific fuel consumption and indicated efficiency.

[ES] El trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral está enmarcado en el desarrollo y optimización del sistema de combustión de un novedoso motor de dos tiempos de encendido por compresión, que presenta una arquitectura de barrido por válvulas en culata, y que ha sido diseñado para aplicaciones de automoción dentro de la gama de coches compactos. El objetivo principal de esta investigación ha consistido en mejorar el conocimiento existente sobre los motores dos tiempos con arquitectura de barrido por válvulas, y a la vez identificar los principales vínculos entre los procesos de renovación de la carga y de combustión, con el fin de cuantificar su impacto sobre la formación de emisiones contaminantes y el rendimiento térmico del motor. Adicionalmente, se desea optimizar las prestaciones de este motor de dos tiempos operando con el proceso de combustión diésel convencional controlada por mezcla, así como evaluar el potencial de distintos conceptos avanzados de combustión de baja temperatura con fase de premezcla extendida, con el fin de reducir los niveles de emisiones contaminantes y mejorar el consumo específico de combustible del motor.

La metodología utilizada en esta tesis ha sido concebida combinando un enfoque teórico-experimental, que permite maximizar la información que se puede obtener acerca de los fenómenos físicos involucrados en los diferentes procesos objeto de estudio, y a la vez conservar un enfoque de optimización eficiente reduciendo en la medida de lo posible el número de ensayos experimentales requeridos. Con la finalidad de analizar en detalle la relación que existe entre las condiciones en el cilindro (como lo es la concentración de oxígeno, la temperatura de combustión y el dosado local) y el proceso de formación de emisiones contaminantes, especialmente de NOx y hollín, se desarrollaron y utilizaron distintas herramientas teóricas para complementar y sustentar los comportamientos y tendencias observadas mediante los ensayos experimentales, tanto para el modo de combustión diésel convencional como para los conceptos avanzados de combustión.

Para la consecución de dichos objetivos se ha seguido una estructura secuencial en la cual el trabajo de investigación ha sido desarrollado en dos grandes bloques: primero, se analizó y optimizó el proceso de combustión diésel convencional, mediante la combinación adecuada de parámetros de operación del motor que modifican apreciablemente las características del proceso de combustión controlada por mezcla; y segundo, se logró implementar y evaluar el desempeño de dos conceptos avanzados de combustión, específicamente el modo combustión altamente premezclado de tipo HPC utilizando diésel como combustible (acrónimo de "Highly-Premixed Combustion") y el modo de combustión parcialmente premezclada de tipo PPC ("Partially Premixed Combustion") utilizando un combustible con mayor resistencia a la auto-ignición (en este caso se utilizó gasolina de octanaje 95). En esta segunda fase, se hizo énfasis en el análisis del concepto de combustión PPC con gasolina, ya que este arrojó los resultados más prometedores durante la fase inicial de implementación. Consecuentemente, la última etapa de la investigación se centró en el estudio detallado del efecto de distintos parámetros de inyección sobre las características del proceso de combustión de tipo PPC. Finalmente, se ha comparado críticamente dicha operación en modo PPC con los resultados obtenidos operando con el modo de combustión diésel convencional, en cuanto al nivel final de emisiones contaminantes, al consumo de combustible y rendimiento indicado y al desempeño general del motor.

[CA] El treball d'investigació presentat en esta tesi està emmarcat en el desenvolupament i optimització del sistema de combustió d'un nou motor dos temps d'encesa per compressió, amb configuració d'escombratge per vàlvules, i que ha estat dissenyat per a aplicacions d'automoció dins de la gamma de cotxes compactes. L'objectiu principal d'esta investigació ha consistit a millorar el coneixement existent sobre els motors dos temps amb configuració d'escombratge per vàlvules, així com també identificar els principals vincles entre els processos de renovació de la càrrega i de combustió, a fi de quantificar el seu impacte sobre la formació d'emissions contaminants i el rendiment tèrmic del motor. Addicionalment, es desitja optimitzar les prestacions d'este nou motor operant amb el mode convencional de combustió dièsel per difusió, així com avaluar el potencial de noves maneres de combustió de baixa temperatura amb fase de premescla extesa, per a controlar el nivell d'emissions i el consum de combustible.

La metodologia utilitzada en esta tesi s'ha plantejat des d'un punt de vista teóric experimental, que permet maximitzar la informació que es pot obtindre sobre els fenòmens basics involucrats en els diferents processos objecte d'estudi, i al mateix temps conservar un enfocament d'optimització eficient reduïnt en la mesura del possible el nombre d'proves experimentals requerit. Amb la finalitat d'analitzar en detall la relació que existeix entre les condicions en el cilindre (com ho és la concentració d'oxigen, la temperatura de combustió i el dosatge local) i el procés de formació d'emissions contaminants, especialment de NOx i sutge, es van desenvolupar i van utilitzar distintes eines teòriques per a complementar i sustentar els comportaments i tendències observades per mitjà dels assajos experimentals, tant per al mode de combustió dièsel convencional com per als conceptes avançats de combustió.

Per a abordar eixe objectiu, s'ha seguit una estructura seqüencial, en la qual el treball d'investigació s'ha desenvolupat en en dos grans blocs: en primer lloc, es va analitzar i va optimitzar el procés de combustió dièsel convencional, per mitjà de la combinació adequada de paràmetres d'operació del motor que modifiquen apreciablement les característiques del procés de combustió controlada per difusió; i en segon lloc, es va aconseguir implementar i avaluar les prestacions de dos conceptes avançats de combustió de baixa temperatura premesclats, específicament el mode combustió altament premesclat HPC (acrònim de "Highly-Premixed Combustion") utilitzant dièsel com a combustible i el mode de combustió parcialment premesclat PPC ("Partially Premixed Combustion") utilitzant un combustible amb major resistència a l'autoignició (en aquest cas s'ha utilitzat gasolina d'octanatge 95). En esta segona etapa, es va fer èmfasi en l'anàlisi del concepte de combustió PPC amb gasolina, ja que aquest va presentar els resultats més prometedors durant la fase inicial d'implementació. Conseqüentment, l'última etapa de la investigació es va centrar en l'estudi detallat de l'efecte de distints paràmetres d'injecció sobre les característiques del mode de combustió PPC. Finalment, s'ha comparat críticament la dita operació en mode PPC amb els resultats obtinguts operant amb el mode de combustió dièsel convencional, quant al nivell final d'emissions contaminants, al consum de combustible i rendiment indicat, i a les prestacions generals del motor.