Mixture Preparation and Combustion in an Optically-Accessible HCCI, Diesel Engine
La préparation du mélange et de la combustion dans un moteur Diesel, HCCI à accès optique
Institut français du pétrole
Corresponding author: julian.kashdan@ifp.fr
Mixture Preparation and Combustion in an optically-accessible HCCI, Diesel EnginePlanar laser-induced fluorescence (LIF) imaging techniques have been applied in order to study the mixture preparation and combustion process in a single cylinder, optically-accessible homogeneous charge, compression ignition (HCCI) engine. In particular, the influence of piston bowl geometry on the in-cylinder mixture distribution and subsequent combustion process has been investigated. A new optically-accessible piston design enabled the application of LIF diagnostics directly within the combustion chamber bowl. Firstly, laser-induced exciplex fluorescence (LIEF) was exploited in order to characterise the in-cylinder fuel spray and vapour distribution. Subsequently a detailed study of the twostage CCI combustion process was conducted by a combination of direct chemiluminescence imaging, laser-induced fluorescence (LIF) of the intermediate species formaldehyde (CH2O) which is present during the cool flame and LIF of the OH radical which is subsequently present in the reaction and burned gas zones at higher temperature. Finally, spectrometry measurements were performed with the objective of determining the origin of the emitting species of the chemiluminescence signal. The experiments were performed on a single cylinder optical engine equipped with a direct-injection, common rail injection system and narrow angle injector. The experimental results presented reveal the significant role of the combustion chamber geometry on the mixture preparation and combustion characteristics for late HCCI injection strategies particularly in such cases where liquid impingement is unavoidable. Planar LIF 355 imaging revealed the presence of the intermediate species formaldehyde allowing the temporal and spatial detection of auto-ignition precursors prior to the signal observed by chemiluminescence in the early stages of the cool flame. Formaldehyde was then rapidly consumed at the start of main combustion which was marked not only by the increase in the main heat release but also by the first detection of OH, present within the reaction and burned gas zones. In the case of the flat piston geometry, soot precursors were also detected, as indicated by the strong polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) fluorescence signal observed later in the cycle (from 375 CAD).
Résumé
Des techniques de fluorescence induite par laser (LIF) ont été appliquées afin d'étudier les procédés de préparation du mélange et de combustion dans un moteur monocylindre HCCI à accès optique. En particulier, l'influence de la géométrie de la chambre de combustion sur la répartition du mélange et sur la combustion a été étudiée. Un nouveau concept de piston à accès optique a permis l'application des diagnostics LIF à l'intérieur de la chambre de combustion. La LIF exciplex a été utilisée afin de caractériser la distribution de la phase liquide et de la phase vapeur du carburant. Par la suite, une étude détaillée des deux étapes de la combustion HCCI, flamme froide et combustion principale a été réalisée grâce à une combinaison de visualisation directe de la chimiluminescence, de LIF de l'espèce intermédiaire formaldéhyde (CH2O) qui est présent pendant la flamme froide et puis de LIF du radical OH, qui est présent dans les zones de réaction et de gaz brûlés à température élevée. Enfin, des mesures par spectromètre ont été effectuées dans le but de déterminer l'origine des espèces du signal de chimiluminescence. Les expériences ont été réalisées dans un moteur monocylindre optique, équipé d'un système d'injection directe common rail et d'injecteur à angle de nappe réduit. Les résultats présentés mettent en évidence le rôle important de la géométrie de la chambre de combustion sur la préparation du mélange et les caractéristiques de combustion pour des stratégies d'injection tardives, surtout dans les cas où l'impact des jets est inévitable. Les résultats de LIF à 355 nm ont montré la présence de l'espèce intermédiaire de formaldéhyde, ce qui a permis de localiser temporellement et spatialement les précurseurs de l'auto inflammation dans la phase précédant l'apparition du signal de chimiluminescence. Les résultats ont mis en évidence que le CH2O est rapidement consommé dès le début de la combustion principale, ce qui correspond au démarrage du dégagement d'énergie et à la première détection du radical OH.
© IFP, 2006