Spray Processes in Optical Diesel Engines - Air-Entrainement and Emissions

Abstract

Internal combustion engines have been an important technological field for more than a century. It has had an important impact on society through improved transportation and industrial applications. However, concerns about environmental effects of exhaust gases and utilization of oil resources have pushed development of combustion engines towards cleaner combustion and higher efficiencies.



The diesel engine is today an interesting solution in terms of fuel economy. However, emissions of pollutants such as soot particles are still a major concern for diesel engines. The combustion process in diesel engines is far from fully understood and there are many to questions to be answered about emissions formation and oxidation within the combustion chamber. The objective of this work is it to gain knowledge on in-cylinder processes related to engine-out emissions. More specifically, the focus is set on understanding the connections between spray processes and the formation of pollutants such as soot particles and unburned hydrocarbons by using optical diagnostics. Engines modified for optical studies allowing optical access inside the combustion chamber have been used in the different investigations presented in this thesis. The types of engines concerned here are four-stroke heavy- and light-duty diesel engines. Even though engines are complex systems with interacting sub-systems, such as turbochargers and after-treatment devices, the focus of this work is solely on the in-cylinder processes. The focus of this thesis is fuel-jet mechanisms related to air-entrainment and emission formations. The different investigations conducted in this work can be divided in two main categories. First, air-entrainment in fuel jets and its coupling to emissions formation were studied in different optical engines. Previous results in the field, often obtained in constant volume combustion vessels, were used for prediction calculations and comparison between free jets and jets in engine environment. Second, multiple injection strategies were investigated to reduce engine-out emissions of soot and unburned hydrocarbons and also to stabilize combustion in cold conditions.



The results presented in this thesis can be divided in two main categories; air entrainment in fuel jets and multiple injection strategies. The first part regards air entrainment both upstream the lift-off length and in the interaction between adjacent jets. The second part presents multiple injections strategies as a tool for combustion stabilization in cold conditions and emissions reduction

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Att kunna resa och transportera gods är en del av människors vardag i dagens samhälle. De flesta av dessa transportmedel använder förbränningsmotorer på grund av dess flexibilitet, låg global kostnad och lång körsträcka. Utsläpp i olika former är en oönskad biprodukt av förbränningsmotorer som är skadlig både för människor och för miljön. Diesel motorer är idag bland de mest energi-effektiva motorer och har relativt låg well-to-wheel koldioxid utsläpp. Motorer har utvecklats under mer än hundra år och blivit betydligt renare när det gäller avgasutsläpp. Ändå så finns det fortfarande skadliga ämne som kväveoxid, obrända kolväten, sotpartiklar, kolmonoxid och koldioxid i dagens avgaser. Dagens utveckling strävar med att få ner dessa föroreningar samtidigt som bränsleförbrukningen måste minskas. Vetenskap om förbränning i dieselmotorer är bredd men det finns fortfarande mycket kvar att förstå kring vad som händer i de minsta detaljer när bränslet brinner i förbränningsrummet på en motor. Genom att aktivt forska i det område och förstå alla mekanismer bakom förbränningen så kan rätt framtidslösningar tas fram och mer effektiva, renare motorer kan utvecklas.

Den avhandlingen syftar med att bidra till förståelse av dieselförbränning och koppla olika av dess aspekter till bildning av utsläpp. Ett av huvudområde som täcks är bildning av sotpartiklar under förbränningen. Tidigare forskare har bevisat vikten av att blanda mycket luft i bränslet som sprutas in i förbränningsrummet för att minska sotbildning. Det är förhållandet mellan bränsle och luft som avgör om sot ska bildas eller inte. Avhandlingen beskriver hur moderna insprutningssystem kan öka luftinblandning och därför inte släppa ut mätbara sotpartiklar i avgaserna. I två andra studier visas det hur nära bränsle-sprayer kan påverka varandra och bidra till minskat luftinblandning eller inblandning av varma brända gaser. Detta resulterar i att chanserna att bilda sot ökar markant.

Användning av flera insprutningar under samma förbränning har visat sig kunna bidra till minskat utsläpp av både sot och obrända kolväten. Genom att spruta in lite extra bränsle mot slutet av förbränningen så kan man öka temperatur samt bilda hydroxid vilket kan hjälpa till att oxidera det sotet som har bildats tidigare under förbränningen. Dessutom så kan bränsle-luft förhållande bli för låg under vissa förutsättningar och då brinner inte bränslet helt, vilket ger obrända kolväten i avgaserna och orsakar sämre bränsle-effektivitet. Här kan en extra insprutning användas också men för att göra bränsle-rikare blandningar där bränsle-luft förhållandet var för låg. Resultat visar en tändning av dessa områden efter den andra insprutningen samt en 20 % minskning i obrända kolväten i de studerade fallen. Till slut så har en studie i denna avhandling visat hur multipla insprutningar kan förbättra start av dieselmotorer i kalla vinterkonditioner signifikant. Genom att dela bränsle mängden på flera insprutningar så blir förångningsprocessen inte för energikrävande och temperaturen i förbränningsrummet kan hållas vid en rimlig nivå för förbränningen.

• author: Chartier, Clement
• supervisor: Öivind Andersson
• opponent: Payri, Raúl, CMT, Universidad Politécnica de Valencia, Spain
• organization: Combustion Engines; Lund University, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Mechanical Engineering
• keywords: Diesel, Combustion, Soot, UHC, Injections, Lift-off length, air-entrainement
• pages: 189 pages
• defense location: Room MH:A, Matematikhuset, Sölvegatan 18, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-05-16 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-297-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 11364a6d-bc6d-472f-9e83-216c47c943ce (old id 2440925)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:54:04
• date last changed: 2018-11-21 21:17:04