New Hcci/Cai Combustion Process Development: Methodology for Determination

Développement des nouveaux procédés de combustion CAI/HCCI : méthodologie

Institut français du pétrole

Corresponding author: nicolas.jeuland@ifp.fr

Abstract

To pass the simultaneous emission requirements for near zero pollutant and low CO2 levels, which are the challenges for future powertrains, many research studies are currently carried out over the world on new engine combustion processes, such as controlled auto-ignition (CAITM) for gasoline engines and homogeneous charge compression ignition (HCCI) for Diesel engines. These new processes have the potential to reduce, by a factor of 10 to 100, NOx (Nitric Oxide emissions) and particulate (PM) emissions 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 correct engine running, with acceptable levels of NOx and noise emissions. One of the promising ways to increase the CAI combustion range lies in the research of more adapted fuels, optimized to enhance combustion initiation by modifying and controlling their auto-ignition characteristics and/or their physical and chemical properties. A new procedure is set-up to select fuels, which 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 with a wide range of fuels, formulated according to their auto-ignition characteristics, volatility and chemical composition, underlines the complexity of the action of fuel and points out the most influent fuel characteristics for a wide range of running conditions.

Résumé

Afin de satisfaire les impératifs simultanés de diminution des niveaux de pollution et des émissions de CO2, qui sont les deux principaux défis des motorisations futures, de nombreux travaux de recherche sont actuellement menés de par le monde sur de nouveaux modes de combustion, tels que l'auto-inflammation contrôlée (CAITM) pour les moteurs à essence, et combustion homogène de type HCCI (homogeneous charge compression ignition) pour les moteurs Diesel. Ces nouveaux procédés permettent de réduire d'un facteur 10 à 100 les émissions de particules et de NOx par rapport aux moteurs à essence ou Diesel standard. Le problème principal dans le développement de tels modes de combustion reste la gamme restreinte de régime et de charge compatible avec un fonctionnement correct du moteur, aux niveaux acceptables d'émissions de NOx (Nitric Oxide emissions) et de bruit. Une des voies prometteuses permettant d'étendre la gamme de fonctionnement de la combustion CAI est la recherche de formules de carburants mieux adaptées, optimisées par la modification et le contrôle de leurs propriétés d'auto-inflammation et/ou leurs propriétés physiques et chimiques afin d'améliorer le démarrage et le déroulement de la combustion. Dans cet article, nous présentons une nouvelle procédure de sélection de carburants, offrant une meilleure caractérisation de l'impact du carburant sur le fonctionnement en CAITM, selon diverses conditions de régime de moteur et de charge. L'utilisation de cette méthodologie pour une large gamme de carburants, formulés en fonction de leurs propriétés d'auto-inflammation, de volatilité et de composition chimique, souligne la complexité de l'influence du carburant et permet d'identifier les caractéristiques du carburant ayant une influence notable sur le fonctionnement du moteur et l'élargissement de la zone de fonctionnement CAI.