Characterization and Control of Multi-Cylinder Partially Premixed Combustion

Abstract

In the last decade diesel combustion has developed in a new direction. Research has been carried out trying to prolong the ignition delay and enhance fuel/air premixing to avoid diffusion combustion as well as lowering the combustion temperature through use of EGR. One of these new combustion concepts is Partially Premixed Combustion (PPC). PPC is aimed to provide combustion with low smoke and NOx without sacrificing fuel consumption. This thesis presents the development of a multi-cylinder PPC concept. It reaches from the basic characterization of this new combustion strategy to the demands on hardware, control and fuels for a realizable PPC solution. In summary it contains a thorough PPC characterization where the results suggest that high EGR, early injection PPC strategies are to prefer over late injection approaches or smokeless rich diesel combustion. Further, a strong connection between mixing period, defined as the period between end of injection and start of combustion, and PPC has been ascertained. Based on this knowledge a combustion controller with feedback control of mixing period was derived. The operating range of multi-cylinder diesel PPC was then evaluated. The study showed that the PPC load range was limited covering only 25% of the operating region for conventional combustion. In order to reach higher loads for PPC the EGR system was rebuilt to a low pressure system. This system improves EGR/air mixing and cooling and enables high EGR and boost pressure simultaneously. Additionally, gasoline fuels were introduced to extend the ignition delay and mitigate soot formation. An extensive fuel comparison was carried out to find the most suitable fuel for PPC operation. With the improved set-up the operating range was reevaluated. By combining the use of a low pressure EGR system and standard gasoline the operating region of PPC has been extended to cover 50% of the engine nominal operating region. The final part of this thesis is dedicated to a novel method of cylinder individual efficiency estimation based on the cylinder pressure trace. With this method, control strategies aiming directly at fuel consumption optimization can be developed. An extremum seeking control algorithm was applied. The results show that the controller manages to find the maximum brake torque region both with and without external excitation. Finally, the estimation error in accumulated fuel consumption from the experiments is around 1% which shows the potential of using the absolute value of the efficiency estimation in other control concepts.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Kraven på bränslesnåla och rena motorer har ökat under de senaste åren. Det började med att priset på olja steg kraftigt i början av 2000-talet. Kraven växte sedan ytterligare i kölvattnet av debatten kring växthuseffekten där koldioxid, en av de dominerande produkterna vid förbränning, spelar huvudrollen. Med tanke på att sänkt bränsleförbrukning rör både ekonomiska och miljömässiga intressen så kommer forskning kring ämnet att fortsätta vara högintressant inom överskådlig framtid.



Bilindustrin har traditionellt varit dominerad av ottomotorn som i kombination med trevägskatalysatorn har ansetts vara ett miljövänligt motoralternativ med mycket låga utsläpp av giftiga förbränningsprodukter. Lastbilsindustrin å andra sidan har sedan länge dominerats av dieselmotorer av en andledning, den lägre bränsleförbrukningen. Den spelar naturligtvis stor roll inom transportindustrin där små sänkningar i bränsleförbrukning betyder stora besparingar över tiden. På grund av den lägre förbrukningen har nu även andelen personbilar utrustade med dieselmotorer ökat kraftigt, framförallt i Europa.



Det finns dock ett problem med dieselmotorn, utsläppen av kväveoxider och rök. På grund av att dieselmotorn kräver ett överskott av luft i cylindern vid förbränningen så kan en trevägskatalysator inte användas då den inte fungerar med luftöverskott. För att sänka dieselmotorns utsläpp används idag istället mer komplicerade efterbehandlingssystem som SCR för att sänka kväveoxider och partikelfilter för att minska röken. Dessa system är relativt dyra och det finns ett stort intresse för att kunna klara sig utan åtminstone ett av efterbehandlingssystemen utan att kompromissa med utsläppsnivåerna.



För att lösa detta problem gäller det att angripa själva kärnan, förbränningen i cylindern. Hela tiden studeras och testas framtida förbränningskoncept världen över på universitet, forskningsinstitut och inom industrin. Ett av de mest lovande och uppmärksammade förbränningskoncepten kallas partiellt förblandad förbränning eller på engelska: Partially Premixed Combustion (PPC). Det är forskning kring detta förbränningskoncept som den här avhandlingen fokuserar på.



PPC bygger på att man, genom att återcirkulera kylda avgaser (EGR) till motorn, kan sänka förbränningstemperaturen och på så vis också bildningen av kväveoxider. Röken undertrycks genom en förlängning av tändfördröjningen så att diesel och luft blandas innan förbränningen startar. Det är denna princip som gett förbränningskonceptet dess namn.



Den första delen av avhandlingen handlar om att kartlägga när och hur diesel-PPC uppkommer. Kopplingar mellan dieselinsprutningens tidpunkt i kombination med EGR-halten görs till tändfördröjning och förbränningens karaktär. Genom detta fastställs vilken typ av förbränning och förbränningsstyrning som är mest lämplig ur både verkningsgrads- och utsläppsperspektiv. Kunskapen användes för att utveckla en reglerstrategi som säkerställer PPC-förbränning när det är möjligt. Denna styrning åstadkoms genom återkoppling av en parameter kopplad till tiden mellan insprutning och förbränningsstart vilken i sin tur används för att automatiskt styra insprutningstidpunkten. Den framtagna regulatorn upprätthåller PPC-förbränning under både last och varvtalsändringar oberoende av yttre störningar.



Följande fas är en undersökning av det praktiska driftssområdet för PPC i en flercylindrig motor. Det visar sig att PPC bara fungerar på låga laster och att driftsområdet endast täcker 25% av motorns nominella driftsområde. Genom undersökningen kan ett antal begränsande faktorer identifieras. Fördelningen av EGR skiljer mellan cylindrarna vilket gör att en cylinder riskerar hög rökbildning samtidigt som en annan har hög kväveoxidbildning. Detta komplicerar optimeringen. Temperaturen i insugssystemet är betydligt högre än önskat på grund av underdimensionerad EGR-kylare. Ytterligare förlängning av tändfördröjningen är önskvärd då rökbildningen är den begränsande faktorn för PPC i denna studie.



För att lösa ovanstående problem görs följande; Motorns EGR-system modifieras för att förbättra EGR/luft-blandningen samt öka kylkapaciteten. Vidare introduceras nya bränslen med högre oktantal vilket förlänger tändfördröjningen. För att konstatera vilken typ av bränsle som är mest lämpat för PPC görs en omfattande undersökning mellan diesel, låg- och högoktanig bensin där verkningsgrad, utsläpp och förbränningsstabilitet jämförs. Resultatet är att den ökade tändfördröjningen med högoktanig bensin minskar rökutsläppen drastiskt utan att kompromissa med kväveoxidutsläppen. Denna minskning kommer dock på bekostnad av försämrad förbränningsstabilitet på lägre laster. Baserat på resultatet i denna undersökning görs sedan en ny utvärdering av PPCs driftsområde där den maximala lasten nu ökas till 70% av dieselmotorns maxlast på lägre varvtal. Sammantaget så täcker PPC-konceptet nu 50% av motorns nominella driftsområde.



Den avslutande delen av avhandlingen behandlar en metod att skatta verkningsgraden i motorn cylinderindividuellt för att kunna använda reglerstrategier som optimerar förbränningen och sänker bränsleförbrukningen under drift. Metoden, som baseras på tryckmätningar från cylindrarna, är den första i sitt slag och den öppnar upp för många nya typer av motorreglering både gällande optimering under stationär drift och under varierande last och varvtal. Metoden är användbar för både konventionell dieselförbränning och PPC.

• author: Lewander, Magnus
• supervisor: Per Tunestål; Bengt Johansson
• opponent: Dr. Willems, Frank, TNO, Technical University Eindhoven, The Netherlands
• organization: Combustion Engines
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: Efficiency estimation, Closed-loop control, EGR, Diesel engine, Partially Premixed Combustion, Combustion control
• pages: 166 pages
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-08-19 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-148-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f072a909-5dda-44b3-844a-8d21fdeae898 (old id 1969911)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:05:33
• date last changed: 2018-11-21 20:12:11