Investigation of Cycle-to-Cycle Variability of NO in Homogeneous Combustion

Enquête de la variabilité cycle-à-cycle du NO dans la combustion homogène

Aristotle University of Thessaloniki, Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT), GR54125, POB 458, Thessaloniki, Greece
e-mail: akarvout@auth.gr – leon@auth.gr

^* Corresponding author

Abstract

Cyclic variability of spark ignition engines is recognized as a scatter in the combustion parameter recordings during actual operation in steady state conditions. Combustion variability may occur due to fluctuations in both early flame kernel development and in turbulent flame propagation with an impact on fuel consumption and emissions. In this study, a detailed chemistry model for the prediction of NO formation in homogeneous engine conditions is presented. The Wiebe parameterization is used for the prediction of heat release; then the calculated thermodynamic data are fed into the chemistry model to predict NO evolution at each degree of crank angle. Experimental data obtained from literature studies were used to validate the mean NO levels calculated. Then the model was applied to predict the impact of cyclic variability on mean NO and the amplitude of its variation. The cyclic variability was simulated by introducing random perturbations, which followed a normal distribution, to the Wiebe function parameters. The results of this approach show that the model proposed better predicts mean NO formation than earlier methods. Also, it shows that to the non linear formation rate of NO with temperature, cycle-to-cycle variation leads to higher mean NO emission levels than what one would predict without taking cyclic variation into account.

Résumé

La variabilité cyclique des moteurs à allumage commandé est reconnue comme une dispersion dans les enregistrements des paramètres de combustion lors du fonctionnement réel dans des conditions stables. Des variabilités de combustion peuvent se produire en raison des fluctuations dans le développement précoce du noyau de la flamme et dans la propagation turbulente de la flamme avec un impact sur la consommation de carburant et les émissions. Cette étude présente un modèle chimique détaillé pour prévoir la formation de NO dans des conditions de combustion homogène. Le paramétrage de Wiebe est utilisé pour prévoir le dégagement de chaleur ; les données thermodynamiques calculées sont ensuite intégrées au modèle chimique pour prévoir l’évolution de NO à chaque degré d’angle de rotation du vilebrequin. Les données expérimentales obtenues à partir de l’analyse des publications antérieures ont été utilisées pour valider les niveaux moyens de NO calculés. Le modèle a ensuite été appliqué pour prévoir l’impact de la variabilité cyclique sur le taux moyen de NO formé et l’amplitude de sa variation. La variabilité cyclique a été simulée en introduisant des perturbations aléatoires qui suivent une distribution normale, aux paramètres de la fonction de Wiebe. Les résultats de cette approche montrent que le modèle proposé prédit mieux le taux moyen de formation de NO que les méthodes précédentes. Les résultats montrent également qu'une vitesse de formation non linéaire de NO avec la température et la variation cycle-à-cycle, entraîne une moyenne plus élevée des niveaux d’émission de NO que celle prédite sans prendre en compte la variation cyclique.