Optical Engines as Representative Tools in the Development of New Combustion Engine Concepts Moteurs transparents comme outils représentatifs dans le développement de nouveaux concepts des moteurs à combustion interne

• Main Authors: Kashdan J., Thirouard B.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2011-11-01
• Series: Oil & Gas Science and Technology
• Online Access: http://dx.doi.org/10.2516/ogst/2011134

Single cylinder optical engines are used for Internal Combustion (IC) engine research as they allow for the application of qualitative and quantitative non-intrusive, diagnostic techniques to study in-cylinder flow, mixing, combustion and emissions phenomena. Such experimental data is not only important for the validation of computational models but can also provide a detailed insight into the physical processes occurring in-cylinder which is useful for the further development of new combustion strategies such as gasoline Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Diesel Low Temperature Combustion (LTC). In this context, it is therefore important to ensure that the performance of optical engines is comparable to standard all-metal engines. A comparison of optical and all-metal engine combustion and emissions performance was performed within the present study. The objective was to investigate the principal differences between optical and all-metal engines and understand how these differences ultimately affect mixing, combustion and emissions formation processes. Experimental results reveal the significant impact of differences in combustion chamber wall temperatures between optical and standard engine piston bowls on combustion phasing and engine-out emissions. Quantitative measurements of piston wall temperatures using a laser-induced phosphorescence technique were performed which allowed the subsequent definition of appropriate engine operating strategies so as to compensate for differences in heat transfer properties. Furthermore, differences in combustion chamber geometry were also studied. Geometrical differences can arise as a result of dynamic (compressive/tensile) and thermal loading of the extended piston-liner assembly on the optical engine, potentially leading to changes in the effective Compression Ratio. In addition, intake charge dilution in optical engines is often achieved via the use of simulated Exhaust Gas Recirculation (EGR). A comparison has been made between simulated EGR (using pure nitrogen) with real EGR under Diesel LTC conditions. Finally, “pure”, single component fuels are often employed in optical Diesel engines due to laser diagnostic constraints. However, these fuels generally differ from standard Diesel fuel in terms of cetane number and fuel volatility which can significantly influence the combustion and emissions characteristics in optical engines. These aspects have also been investigated within the present study. An improved understanding of the differences between optical and all-metal engines has allowed us to develop appropriate strategies to compensate for these differences on the optical engine. It is shown here that combustion phasing (and engine-out emissions) matching between optical and all-metal engines can be achieved even for advanced LTC Diesel combustion strategies. The ability to ensure fully representative combustion and emissions behaviour of optical engines ultimately increases the value of optical engine data, highlighting the importance of using such engines as research tools for the further development of innovative, low emission combustion concepts. <br> Les moteurs monocylindres transparents sont employés comme outils de recherche et de développement des moteurs à combustion interne. Ils permettent l’utilisation de techniques de diagnostics non-intrusifs (qualitatifs et quantitatifs) pour étudier des phénomènes comme l’aérodynamique interne, la préparation du mélange, la combustion et la formation de polluants. Ces données expérimentales sont importantes pour la validation des modèles numériques et permettent également d’obtenir une compréhension détaillée des phénomènes physiques se déroulant dans la chambre. Les données recueillies aident au développement des nouvelles stratégies de combustion telles que la combustion homogène (HCCI) et la combustion Diesel à basse température (LTC). Dans ce contexte, il est important de s’assurer que le fonctionnement des moteurs transparents est tout à fait comparable et représentatif de celui des moteurs standards (opaques). Une comparaison du comportement de la combustion et des émissions des moteurs transparents et opaques a été réalisée. L’objectif était d’étudier les différences principales entre le moteur transparent et le moteur opaque et de comprendre comment ces différences peuvent influencer les phases de préparation du mélange, la combustion et la formation de polluants. Les résultats expérimentaux révèlent l’influence significative des différences liées à la température des parois de la chambre de combustion. Des mesures de la température des parois ont été effectuées par la technique de phosphorescence induite par laser. Ces mesures ont permis de définir des stratégies de fonctionnement moteur permettant de compenser les différences de température de paroi entre les deux moteurs. En outre, l’impact des différences géométriques des chambres a été investiguée. La réhausse piston peut subir soit un chargement mécanique dynamique (effets de compression ou de traction) soit une expansion thermique. Ces effets peuvent faire varier le taux de compression effectif. La charge admise dans les moteurs transparents est souvent diluée par de l’EGR simulé au lieu d’utiliser l’EGR réel. Dans les conditions de Diesel LTC, une comparaison a été effectuée entre l’utilisation d’EGR réel et d’EGR simulé par un gaz diluant pur. Enfin, les carburants mono-composants (carburants purs) sont souvent utilisés dans les moteurs Diesel transparents en raison des contraintes imposées par l’utilisation de techniques de diagnostics optiques. Cependant, les carburants purs diffèrent quelque peu des carburants Diesel réels, en particulier au travers de leur indice de cétane et de leur volatilité. Ces différences peuvent influencer fortement le comportement de la combustion et des émissions dans les moteurs transparents. Ces aspects ont été également traités dans cette étude. Une meilleure compréhension des différences de comportement entre les moteurs monocylindres transparents et moteurs standards (opaques) a permis de développer des stratégies de fonctionnement permettant de compenser ces différences entre les deux moteurs. Il a été démontré dans cette étude qu’un recoupement du calage de la combustion et des émissions polluantes est possible même dans les conditions correspondant à la combustion Diesel LTC. La capacité d’assurer un comportement représentatif des moteurs transparents en termes de combustion et d’émissions augmente la valeur ajoutée des données expérimentales acquises soulignant alors l’importance de ces moyens comme outils de recherche dans le développement de nouveaux concepts de combustion.