Processes in Optical Diesel Engines - Emissions Formation and Heat Release

Abstract

This project deals with questions related to generic diesel combustion research and optically accessible engines are used to study the combustion process. Images of the combustion are analyzed together with in-cylinder pressure and exhaust gas emission measurements. The results can be divided into two main categories: one about evaluations of optically accessible engines and one about studies of emissions and heat release. The focus is on the link between the combustion event and engine-out emissions. The reason for putting efforts on the first category is to get more reliable information from the second one.

First, the mechanical behaviour during operation of optical engines is discussed. Optical engines may suffer from distortion of the in-cylinder volume trace due to mechanical deformation from mass, pressure and thermal forces. This distortion causes errors in heat release calculations. A method to account for the errors is therefore developed which makes the calculations insensitive to mechanical deformations.

The optical access also affects the engines heat transfer properties which can cause differences in heat release and engine-out emissions compared to all-metal engines. Fortunately, it is possible to compensate for the differences and achieve realistic engine-out emissions and combustion phasing by adjusting the charge temperature.

The engine-out soot emissions are the result of a complex series of events including fuel air mixing, premixed combustion, mixing controlled combustion, and late soot oxidation. The first part of the emission section in this thesis deals with factors that are known to be important for the soot formation and estimates how they affect the engine-out soot emissions. The goal is to identify characteristics of the soot formation that are important for the engine-out smoke level and thereby the soot particle mass. Two studies are included in this chapter, one about air entrainment and one about early soot formation. It is indicated that the rate of soot-formation during the quasi-steady jet-phase has a rather weak relation to the level of engine-out soot. This is despite the usage of few, small, nozzle holes leading to a long injection duration with a large portion of the combustion taking place during the fuel injection period. The observation is explained as follows: First, a large fraction of the soot is formed in the transition between the premixed and spray-driven combustion which weighs down the importance of the quasi-steady jet-phase. Second, factors that enhance the soot formation during the jet phase in some cases also enhances the soot oxidation during this phase. Third, correlations to emissions of CO and UHC further point to the importance of the oxidation process and characteristics of the heat release indicates that this is partly related to the late cycle.

The second part of the emission section deals with the sources of CO and UHC during low temperature combustion. It is suggested that the squish volume is crucial for the engine-out CO and UHC levels during low load. Two combustion concepts with different injection strategies are investigated, one with very early start of injection (SOI) and one with SOI close to TDC. The squish volume is indicated to be the major source of not fully oxidized products in both cases which shows that the importance of this source is not easily erased.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Dieselmotorn, uppkallad efter sin uppfinnare Rudolf Diesel, patenterades 1892 och har sedan dess bidragit väsentligt till utvecklingen av samhället. Den viktigaste användningen är som kraftkälla i fordon och detta användningsområde ökar fortfarande. Andelen dieselmotorer i nyregistrerade personbilar i Västeuropa har nyligen passerat 50 %. För kommersiella fordon som lastbilar, fartyg och arbetsmaskiner har dieselmotorn varit den viktigaste kraftkällan i många decennier.

Dieselmotorn är dock ännu inte fullt utvecklad och kraven på förbättringar är fortfarande höga. I början låg fokus på prestanda och hållbarhet, numera är det emissionslagstiftningar och efterfrågan på högre verkningsgrad som driver utvecklingen. Fokus är att utveckla rena dieselmotorer med minimal miljöpåverkan. De lagstadgade emissionerna från dieselmotorer är partiklar (PM), kväveoxider (NOx), oförbrända kolväten (UHC) och kolmonoxid (CO). En femte emission som inte är lagstiftad men i vissa länder uppmuntras att sänkas med skatter är koldioxid (CO2). De fyra lagstiftade emissionerna påverkas till stor del av hur förbränningen sker i motorn medan CO2-utsläppen står i proportion till bränsleförbrukningen.

Målet med detta arbete är att få nya insikter om dieselförbränning. Fokus ligger på kopplingen mellan förbränningens karakteristik och utsläppen ut ur motorn. Det experimentella arbetet utförs på optiska motorer vilket helt enkelt är motorer där delar av förbränningsrummet ersätts med glas. I en optikmotor kan förbränningen studeras passivt med en kamera eller aktivt, det vill säga att vissa ämnen accentueras med hjälp av en laser.

Det första ämnet som diskuteras i avhandlingen är hur ombyggnaden för att få optisk access påverkar motorns mekaniska beteende. Motorn utsätts för mekaniska deformationer från tryckkrafter, accelerationskrafter och termisk expansion. Förutom att detta påfrestar de olika motordelarna så påverkar det också cylindervolymen vid en given vevvinkelgrad. Ett problem som uppstår på grund av detta är att analys av tryckdata såsom värmefrigörelseberäkningar är beroende av ett noggrant volymspår. Vidare så påverkar också den optiska accessen värmeöverföringen från motorn vilket ändrar både förbränningsfasningen och emissionerna ut ur motorn. I avhandlingen beskrivs metoder för att eliminera både felen som är relaterade till motorns dynamik och dess värmeöverföringsegenskaper. Vilket gör att data från optikmotorer blir mer tillförlitliga.

Motorns sotutsläpp är resultatet av en komplex serie av händelser, t.ex. blandning mellan bränsle och luft, förblandad förbränning, blandningskontrollerad förbränning, sotoxidation både under huvudförbränningen och sent i cykeln. I avhandlingen studeras hur faktorer som är kända för att vara viktiga för sotbildning påverkar motorns sotutsläpp. Målet är att identifiera egenskaper hos sotbildningen som är viktiga för motorns röknivå och därmed sotpartikelmassan. Två undersökningar studerar detta ämne; en där lufttillblandningen i jeten studeras med ramanspektroskopi och en där den tidiga sotbildningen studeras med tidsupplöst laserinducerad inkandescens. Undersökningarna visar att sotbildningen under den kvasistationära jetfasen av förbränningen har en ganska svag relation till sotnivån i avgaserna. Detta trots att det studerade körfallet använder en ganska lång insprutningsduration, 27 vevvinkelgrader. Det förklaras med att mycket av sotbildningen sker innan jetten är stationär och att faktorer som ger gynnsamma förutsättningar för sotbildning under jetfasen i vissa fall även gynnar sotoxidationen.

Ett sätt att effektivt minska bildningen av sot och NOx är att sänka förbränningstemperaturen med hjälp av inblandning av recirkulerade och kylda avgaser. Ett problem med sådana lågtemperatur förbränningskoncept är förhöjda nivåer av CO och UHC. Källor till CO och UHC undersöks med hjälp av laser inducerad fluorescens för två koncept med olika insprutningsstrategier. Inflytandet av last och syrgashalt studerades också. Resultaten visar att volymen mellan kolvtoppen och cylinderhuvudet utanför kolvgropen, squish volymen, är den viktigaste källan till CO och en viktig källa till UHC. Detta beror främst på att temperaturen i squish zonen är för låg för en effektiv slutoxidation.

Sammanfattningsvis presenterar denna avhandling nya insikter om 1) hur optiska motorer skall köras för att få realistisk förbränningsfasning och emissioner ut ur motorn, 2) hur dynamiken hos olika motordelar under drift påverkar cylindervolymen och hur detta skall beaktas för att få en korrekt tryckanalys, 3) relationen mellan karakteristik hos sotbildningen och sotutsläppen ur motorn och slutligen 4) källor till CO och UHC under lågtemperaturförbränning

• author: Aronsson, Ulf
• supervisor: Öivind Andersson
• opponent: Associate Professor, PhD Pastor, José, CMT Motores Térmico, Universidad Politécnica de Valencia, Spain.
• organization: Combustion Engines
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Mechanical Engineering
• keywords: Diesel Engines, Optical Engines, Heat Release, Combustion, Emissions Formation, Mechanical Deformation
• pages: 214 pages
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering.
• defense date: 2011-04-29 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-116-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 24bfb20a-d0e6-46e0-8f73-c3e1aef07d10 (old id 1883158)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:50:18
• date last changed: 2018-11-21 21:11:02