Cold Start on Low Compression Ratio Diesel Engine: Experimental and 3D RANS Computation Investigations

Abstract

Résumé -Démarrage à froid d'un moteur Diesel à bas taux de compression : investigations expérimentales et numériques RANS tridimensionnelles -Les futures normes d'émission concernant les moteursDiesel imposent une réduction importante des émissions polluantes à la source, avant les dispositifs de post-traitement. La réduction de "production" de NOx en maintenant de très bas niveaux d'émission de suie, de HC et de CO doit être effectuée sans dégrader le confort de conduite et en contrôlant la consommation de carburant et le bruit de combustion. La réduction du taux de compression (CR) est l'une des voies les plus prometteuses pour atteindre cet objectif. La contrepartie liée à la réduction de taux de compression des moteurs Diesel est qu'elle induit une dégradation des capacités au démarrage. En conséquence, une importante limitation à la réduction du taux de compression des moteurs Diesel réside dans l'exigence de démarrer par de basses températures. En effet, la réduction de la température ambiante pénalise la vaporisation du carburant et les capacités à l'auto-inflammation, d'autant plus à très basses températures (-20°C et inférieures). Ce papier présente le travail réalisé sur un moteur Diesel HSDI 4 cylindres doté d'un système d'injection "Common rail". Trois types d'investigation ont été utilisés. Des expériences ont été réalisées jusqu'à de très basses températures (-25°C) ; des visualisations dans la chambre de combustion (vidéoscope) ont été faites et des calculs de dynamique des fluides ont été effectués pour des conditions de démarrage à froid. La chambre de combustion a été adaptée afin d'abaisser le taux de compression (CR 13,7:1) en modifiant la forme du bol dans le piston. Dans un premier temps, les résultats expérimentaux obtenus avec le moteur à bas taux de compression sont comparés à ceux obtenus avec les moteurs originaux ayant un taux de compression conventionnel. Par la suite, les paramètres d'injection ont été totalement changés (masse de carburant, avance à l'injection, pression d'injection, etc.). Ceci permet de réduire de façon significative le délai de démarrage avec le moteur à bas taux de compression. Ainsi, les délais de référence obtenus avec le moteur ayant un taux de compression conventionnel peuvent être atteints. De plus, les effets liés aux différents paramètres géométriques de la chambre de combustion tels que la position des sprays par rapport à la bougie de préchauffage ont été étudiés et ont montré un large potentiel en ce qui concerne l'amélioration du comportement du moteur en conditions froides. Notamment, une réduction accrue des délais de démarrage peut être envisagée. Afin de compléter les essais moteurs, des calculs de mécanique des fluides (CFD) ont été réalisés pour des conditions de démarrage à froid (-20°C). Les résultats obtenus sont en bon accord avec les visualisations optiques et les mesures de pression cylindre. Des corrélations entre expériences et calcul

Ignition and combustion development for high speed direct injection diesel engines under low temperature cold start conditions

“…• C [4] and for future applications with reduced compression ratio ( [4,5,6,7]) these aids are necessary below 10…”

“…Studies performed on climatic chambers ( [3,8,9,10]) have certainly delivered valu-able information but several measurement uncertainties and the incapability of using extra diagnostic tools have prevented from making a detailed explanation of this combustion process. Laget et al [6] show a more systematic approach to the problem in which in-cylinder analysis, endoscopic visualization and CFD modeling are coupled in order to identify the pre-glowing glow plug duration, nozzle tip protrusion, injector spray angle and cranking speed as key parameters with influence on startability. Later, a more detailed analysis of the combustion sequence have been presented by Perrin et al [11], in which the location of the first ignition spots are shown to appear in the vicinity of the glow plug, together with the influence of some other parameters like swirl motion and injection pressure.…”

The Effect of Diesel-Alcohol Blends on the Cold-Start Combustion of a Compression Ignition Engine

“…Desantes et, al., [7] conducted a full description of the processes associated with engine ignition using in-cylinder high speed imaging. Laget, Pacaud and Perrin [8] also have used video imaging in addition to regular in-cylinder experimentation, and computational analysis for describing the diesel engine cold start at low compression ratio. The effect of low compression on the diesel engine cold start behavior was the main objective of the work conducted by MacMillan [9].…”

Influence of nozzle geometry on ignition and combustion for high-speed direct injection diesel engines under cold start conditions

“…As a reference to poor ignition conditions, Broatch et al [5] report that a lightduty diesel engine (CR 18:1) can start without aid at temperatures as low as −11 • C. At lower temperatures, ignition aids become necessary. In future applications, in which compression ratio is reduced [6,7,8] to comply with the near future emissions standards [9,10], starting aids will be necessary at ambient temperatures below 10 • C (tested in a 14:1 CR engine [5]). These facts evidence the necessity of improving knowledge about combustion under low temperature cold start conditions in order to overcome present and future limitations of diesel engines for passenger cars.…”

“…Recently, more systematic approaches aiming at engine cold start optimization have been reported. For example, Laget et al [7] combined in-cylinder pressure analysis, endoscopic visualization and CFD modeling in order to identify the pre-glowing period, nozzle tip protrusion, injector spray angle and cranking speed as key parameters with influence on startability. [15] presented a more detailed analysis of the combustion sequence in which the location of the first ignition spots are shown to appear in the vicinity of the glow plug, together with the influence of some other parameters like swirl motion and rail pressure.…”