Nature of CAI Combustion and Air/Fuel Ratio Stratification Effects

Abstract

Résumé -Nature de la combustion CAI et impact de stratifications de richesse -La combustion CAI (Controlled Auto-Ignition) appliquée aux moteurs essence permet un fonctionnement en mélange pauvre avec de très faibles émissions d'oxyde d'azote. De ce fait, ce procédé de combustion présente un fort potentiel pour la réduction de consommation des motorisations essence. Les travaux décrits visent à approfondir la compréhension des phénomènes physiques et chimiques qui régissent l'auto-inflammation et les différentes étapes du déroulement de la combustion en fonctionnement CAI. En particulier, l'étude s'est intéressée à la phase d'apparition des précurseurs de l'auto-inflammation qui précède la phase de dégagement de chaleur et à l'analyse de la structure de zone de combustion. Ces travaux ont été réalisés sur moteur optique à l'aide de visualisation directe de la combustion et de fluorescence induite par laser pour la détection des intermédiaires de combustion OH et formaldéhyde. Il est apparu que le fort taux de dégagement de chaleur qui est caractéristique du fonctionnement CAI est dû à une combustion qui se déroule en volume, et qui localement présente un taux de réaction modéré. Le contrôle du taux de dégagement de chaleur ne peut par conséquent être maîtrisé que par une stratification du mélange visant à diminuer la quantité de gaz en combustion à un instant donné, ou par une dilution renforcée visant à diminuer le taux de réaction. De fait, l'influence de la qualité du mélange air/carburant/gaz résiduels sur l'auto-inflammation et le déroulement de la combustion a été étudiée. Pour cela, le mélange a été caractérisé à l'aide de technique de fluorescence induite laser sur traceur et le déroulement de la combustion a été observé à l'aide d'une caméra rapide intensifiée. Une analyse cycle à cycle de la répartition des sites d'auto-inflammation et du champ de richesse locale a montré que les premières zones de réaction apparaissaient préférentiellement dans les hétérogénéités du mélange les plus riches en carburant. De plus, il est apparu que le niveau de stratification de la charge obtenu par l'utilisation d'injection indirecte dissymétrique ne permet pas de modifier le déroulement de la combustion. Enfin, l'utilisation de l'injection directe a été testée et a montré qu'il était possible de contrôler le phasage de l'auto-inflammation par l'utilisation de stratégies d'injection appropriées simples ou multiples. La création d'une zone riche à délai réduit lors d'injection tardive et la pré-décomposition du carburant lors d'injection pendant la phase de recompression sont apparus être les principaux phénomènes responsables de l'impact de la stratégie d'injection sur le phasage de la combustion.Abstract -Nature of CAI Combustion and Air/Fuel Ratio Stratification Effects -The purpose of this study was to gain a better understanding of the fundamental aspects of the CAI combustion process in order to assess the possibilities of controlling CAI combustion through air/fuel mixture stratification. The experimental work wa...

Using large-eddy simulation and multivariate analysis to understand the sources of combustion cyclic variability in a spark-ignition engine

“…In a context of increasingly stringent constraints on fuel consumption, CO 2 production, and pollutant emissions from road transport, it becomes crucial to be able to predict and control individual engine cycles, and thus to address the occurrence and effects of CCV. Engine technologies as downsizing [6,7], direct injection (DI) [8] or controlled auto-ignition (CAI) [9,10] are examples of technologies presently explored in order to reduce the CO 2 emissions from 2 future SIE. Yet the occurrence under certain operating conditions of excessive CCV when implementing these technologies is one of the factors limiting their practical performance or range of operation.…”

Tomographic imaging of the liquid and vapour fuel distributions in a single-cylinder direct-injection gasoline engine

“…To date, the most technologically advanced of these is the gasoline direct injection (GDI) combustion system that has been shown to offer a significant reduction in fuel consumption and exhaust emissions, comparable with the efficiencies and power output of the best Diesel and hybrid systems [1,2]. However, the lean mixture combustion modes employed in such engines are sensitive to variations in the air-fuel concentration and mixture and thermal distributions in the cylinder that are manifested as fluctuations in the engine performance from one cycle to the next [3,4]. The effect is more pronounced at low engine speeds and loads, where the mixing gas velocities are reduced, and for lean operation, where inadequate mixture preparation and low temperatures can result in misfires.…”

“…1,2 However, the lean mixture combustion modes employed in such engines are sensitive to variations in the air/fuel concentration and mixture and thermal distributions in the cylinder that are manifested as fluctuations in the engine performance from one cycle to the next. 3,4 The effect is more pronounced at low engine speeds and loads, where the mixing gas velocities are reduced, and for lean operation, where inadequate mixture preparation and low temperatures can result in misfires. Fundamental knowledge of these processes is necessary in order to model, develop and implement robust combustion control strategies for engine management.…”

Analysis of mixture structure and of its influence on combustion in a CAI engine

“…12,41,47 Control over the amount of burnt gases is a key for successful implementation of CAI combustion in an engine. Two valve lift strategies are possible: NVO 4,7,41,53,54 and EGRB. 12,47,55 In the present study, we considered the NVO strategy (Figure 4), which relies on an early exhaust valve closure and a low peak valve lift to restrict the exhaust blow-down efficiency and, therefore, to directly trap the desired amount of burnt gases.…”