New HCCI/CAI Combustion Process Development: Methodology for Determination of Relevant Fuel Parameters

Développement des nouveaux procédés de combustion CAI/HCCI : méthodologie de détermination des propriétés critiques du carburant

Institut français du pétrole

Corresponding author: nicolas.jeuland@ifp.fr

Abstract

To pass the simultaneous emission requirements for near zero pollutant and for low CO₂, which are the challenges of future powertrains many research studies are currently carried out over the world on new engine combustion processes, such as the Controlled Auto-Ignition (CAI^TM) for gasoline engines and the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) for diesel engines. These new processes have the potential to reduce, by a factor from 10 to 100, the NOx and articulate emissions (PM) in comparison with a typical gasoline or diesel engine. The main issue in the development of such combustion modes remains the limited range of engine speed and load that enable good engine running, according to required levels for NOx and noise emissions. One of the most promising ways to increase the CAI combustion range lies in the formulation of dedicated fuels, optimised to enhance combustion initiation by modifying and controlling the auto-ignition characteristics and/or the fuel physical and chemical properties. To select the fuels, a new procedure has been set-up that allows a better characterization of the fuel impact on engine running in CAI, for various conditions of speed and load. The use of this methodology for a large set of fuels, formulated according to their auto-ignition characteristics, volatility and chemical composition has underlined the complexity of the action of fuel and has enabled one to point out the most influent fuel characteristics to over as large as possible requirements.

Résumé

Atteindre des niveaux d'émissions de polluants de plus en plus faibles tout en limitant les émissions de CO₂ sont les 2 principaux challenges de l'industrie automobile. De nombreuses recherches sont actuellement menées sur les nouveaux modes de combustion tels que la CAI (Controlled Auto-Ignition) pour les moteurs à allumage commandé ou le HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) pour les moteurs diesel. Ces nouveaux procédés ont en effet le potentiel de réduire d'un facteur de 10 à 100 les émissions de NOx et de particules par rapport à des moteurs à allumage commandé ou diesel « classiques ». La principale difficulté freinant le développement de ces nouveaux moteurs reste leur zone de fonctionnement limitée en termes de régime/charge en raison des limitations en émissions de NOx et en bruit. Une des voies les plus prometteuses permettant d'augmenter la zone de fonctionnement CAI réside dans une formulation du carburant optimisée afin d'améliorer l'initiation de la combustion en modifiant et contrôlant les propriétés d'auto-inflammation et/ou les propriétés physiques et chimiques. Afin de sélectionner les carburants, une nouvelle procédure permettant une meilleure caractérisation de l'impact du carburant sur le fonctionnement moteur pour un grand nombre de points de fonctionnement a été mise en place. L'utilisation de cette méthode pour une large gamme de carburants, formulés en fonction de leurs propriétés d'auto-inflammation, leur volatilité et leur composition chimique a permis de souligner la complexité de l'impact carburant et a permis de mettre en avant les principales caractéristiques permettant d'optimiser la formulation de ceux-ci.