Nature of CAI Combustion and Air/Fuel Ratio Stratification Effects

Nature de la combustion CAI et impact de stratifications de richesse

Institut français du pétrole

Corresponding author: benoist.thirouard@ ifp.fr

Abstract

The purpose of this study was to gain a better understanding of the fundamental aspects of the CAI combustion process in order to assess the possibilities of controlling CAI combustion through air/fuel mixture stratification. The experimental work was conducted on a single-cylinder gasoline engine equipped with optical accesses. Two engine configurations (NVO-Negative Valve Overlap-and EGRB-Exhaust Gas Re-Breathing) were tested. Investigation of the combustion process using optical diagnostics showed that CAI combustion is characterized by auto-ignition reactions triggering simultaneous combustion in large volumes of fresh gases. The high global heat release rate results from combustion reactions with moderate local chemical reaction rate occurring over a large volume of the burning gases. From this analysis, it was concluded that controlling the heat release rate in CAI operation implies limiting the volume of the reaction zone by charge stratification, or decreasing the reaction rate by increasing the dilution. Consequently, a significant part of the work was focused on the investigation of the correlation between the fuel/air mixture quality and the CAI combustion process. It was found that low level of fuel stratification obtained with asymmetric port fuel injection does not significantly affect the combustion phasing even though it directly influences the location of the auto-ignition zones. Indeed, single cycle observations of the fuel distribution and the combustion process showed that the location of the first auto-ignition zones is strongly correlated with the position of the fuel rich areas. Finally, direct fuel injection was found to provide a potential mean of controlling auto-ignition timing and to some extend the heat release rate. Combining multiple injections during the negative overlap period, the intake stroke and in the late compression stroke, the auto-ignition delay may be accurately adjusted to optimize the heat release phasing. It is believed that the control capability offered by multiple direct fuel injections can be used to extend the CAI operating range and further improve the fuel efficiency benefits.

Résumé

La combustion CAI (Controlled Auto-Ignition) appliquée aux moteurs essence permet un fonctionnement en mélange pauvre avec de très faibles émissions d'oxyde d'azote. De ce fait, ce procédé de combustion présente un fort potentiel pour la réduction de consommation des motorisations essence. Les travaux décrits visent à approfondir la compréhension des phénomènes physiques et chimiques qui régissent l'auto-inflammation et les différentes étapes du déroulement de la combustion en fonctionnement CAI. En particulier, l'étude s'est intéressée à la phase d'apparition des précurseurs de l'auto-inflammation qui précède la phase de dégagement de chaleur et à l'analyse de la structure de zone de combustion. Ces travaux ont été réalisés sur moteur optique à l'aide de visualisation directe de la combustion et de fluorescence induite par laser pour la détection des intermédiaires de combustion OH et formaldéhyde. Il est apparu que le fort taux de dégagement de chaleur qui est caractéristique du fonctionnement CAI est dû à une combustion qui se déroule en volume, et qui localement présente un taux de réaction modéré. Le contrôle du taux de dégagement de chaleur ne peut par conséquent être maîtrisé que par une stratification du mélange visant à diminuer la quantité de gaz en combustion à un instant donné, ou par une dilution renforcée visant à diminuer le taux de réaction. De fait, l'influence de la qualité du mélange air/carburant/gaz résiduels sur l'auto-inflammation et le déroulement de la combustion a été étudiée. Pour cela, le mélange a été caractérisé à l'aide de technique de fluorescence induite laser sur traceur et le déroulement de la combustion a été observé à l'aide d'une caméra rapide intensifiée. Une analyse cycle à cycle de la répartition des sites d'auto-inflammation et du champ de richesse locale a montré que les premières zones de réaction apparaissaient préférentiellement dans les hétérogénéités du mélange les plus riches en carburant. De plus, il est apparu que le niveau de stratification de la charge obtenu par l'utilisation d'injection indirecte dissymétrique ne permet pas de modifier le déroulement de la combustion. Enfin, l'utilisation de l'injection directe a été testée et a montré qu'il était possible de contrôler le phasage de l'auto-inflammation par l'utilisation de stratégies d'injection appropriées simples ou multiples. La création d'une zone riche à délai réduit lors d'injection tardive et la pré-décomposition du carburant lors d'injection pendant la phase de recompression sont apparus être les principaux phénomènes responsables de l'impact de la stratégie d'injection sur le phasage de la combustion.