Adapting the NADI (TM) Concept to Heavy Duty Engines

Adaptation du concept NADI (TM) aux moteurs de poids lourd

IFP-Lyon, BP 3, 69390 Vernaison - France

Corresponding author: thierry.colliou@ifp.fr

Abstract

Diesel combustion is well adapted for heavy duty engines but the challenge is twofold. On the one hand, the trade off between NOx and particulate emissions has to be improved. On the other hand, efficiency needs to be maintained and the trend is to increase specific power and torque output. If SCR technology is ready to meet Euro IV and beyond, homogeneous charge compression ignition (HCCI) or highly premixed combustion (HPC) are new technologies that also offer great potential for meeting future NOx and particulate emissions regulation targets. In response to the challenges that the Diesel engine faces, IFP has developed a combustion system which is able to achieve near zero particulates and NOx emissions while maintaining the performance standards of the D.I Diesel engine. This "dual mode" engine application called NADI^TM (Narrow Angle Direct Injection) applies Homogeneous Charge Compression Ignition at part load and switches to conventional Diesel combustion to reach high and full load requirements. Thanks to the financial support from European Commission, the "Hy-SPACE" project leaded by IFP, was launched in partnership with Daimler Chrysler, Iveco, Delphi, Volvo, Chalmers University (Contract G3RD-CT-2002-00 787) with the aim to adapt the NADI^TM concept to heavy duty engines. This paper presents the latest developments of the NADI^TM concept on a single cylinder heavy duty engine, and the associated improvements regarding HPC (Highly Premixed Combustion) operating range, CO and HC emissions, fuel consumption and combustion noise. At full load, the NADI^TM system is consistent with present Diesel performances with a slight increase in fuel consumption and smoke level. In HPC combustion mode, above mid speed of the ESC cycle, a BMEP of 13 bar was achieved with NOx emissions below 0.3 g/kWh which is 25 times lower than a conventional Diesel engine. The particulate emissions are comparable to the standard engine level. CO and HC emissions were limited and compatible with an oxidation after-treatment catalyst performance. The penalty resulting from the higher intake flow and EGR rate needed to control the HPC combustion can be predicted by air-loop 0D calculations. The cooling power for air and EGR is also important to maintain acceptable intake temperature. The way to reduce compression ratio was explored and led to a significantly increase in HCCI range. The mains drawbacks are the cold starting conditions and the increase in fuel consumption. The challenge is now to find appropriate multiple staged injection strategies to extend the HCCI range up to higher load and to be fully compatible with the turbocharger performances and cooler efficiencies.

Résumé

Le moteur diesel est particulièrement bien adapté aux motorisations de véhicules poids lourds mais doit encore être amélioré. Le compromis sur les émissions NOx/particules doit encore être amélioré tout en maintenant un rendement élevé malgré l'augmentation des puissances spécifiques. Si la technologie de post traitement SCR est prête pour atteindre les objectifs fixés par les normes Euro V et les suivantes, les combustions de type HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ou HPC (Highly Premixed Combustion) offrent également un fort potentiel pour atteindre les futurs niveaux d'émission de NOx et de particules. En réponse à ces nouveaux challenges, l'IFP a développé un système de combustion capable d'atteindre de très bas niveaux de particules et de NOx tout en maintenant un niveau de performance comparable à un moteur diesel traditionnel en combustion standard. Ce moteur bi mode appelé NADI-TM (pour Narrow Angle Direct Injection) autorise des combustions HCCI à charge partielle et commute sur des combustions conventionnelles pour atteindre les exigences des fortes charges. Ce papier présente les derniers développements de ce concept sur moteur monocylindre et les améliorations obtenues en terme de plage d'utilisation des combustions HPC, d'émissions de CO et de HC, de consommation de carburant et du bruit de combustion. À pleine charge, la chambre de combustion NADI^TM est comparable aux chambres actuelles avec cependant une légère augmentation de la consommation et des émissions de fumée. En combustion HPC une PME de 13 bar a été atteinte à mi-régime du cycle ESC avec un niveau de NOx inférieur à 0,3 g/kWh ce qui est environ 25 fois plus faible qu'un diesel classique. Les émissions de particules sont comparables avec le niveau du moteur standard. Les émissions de CO et de HC sont sensiblement supérieures mais restent compatibles avec les performances des catalyseurs d'oxydation actuels. La pénalité interne de consommation due aux débits d'admission et aux taux d'EGR supérieurs nécessaires pour le contrôle des combustions HPC peut être estimée par un code 0D de la boucle de suralimentation. La puissance de refroidissement de l'air et de l'EGR est également calculée et montre une augmentation importante par rapport au moteur de série pour maintenir la température admission à un niveau acceptable. La voie de la réduction du rapport volumétrique a également été explorée et permet d'augmenter significativement la plage de fonctionnement HCCI. Les principaux inconvénients proviennent de la difficulté de démarrage à froid et de la chute du rendement de thermodynamique. Le challenge est maintenant de définir des stratégies d'injection multiple permettant d'étendre la plage HCCI vers les fortes charges et de rendre les conditions de fonctionnement pleinement compatibles avec les performances de la boucle de suralimentation et de la puissance des échangeurs à mettre en oeuvre.