An Investigation of Unburned Hydrocarbon Emissions in Wall Guided, Low Temperature Diesel Combustion

Une investigation des émissions d'hydrocarbures imbrûlés en combustion diesel à basse température avec guidage paroi

Institut français du pétrole, IFP, Division Techniques d'Applications Énergétiques, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

Corresponding authors: julian.kashdan@ifp.fr sylvain.mendez@ifp.fr gilles.bruneaux@ifp.fr

Abstract

The formation mechanisms of unburned hydrocarbons (HC) in low NOx, homogeneous type Diesel combustion have been investigated in both standard and optical access single cylinder engines operating under low load (2 and 4 bar IMEP) conditions. In the standard (i.e. nonoptical) engine, parameters such as injection timing, intake temperature and global equivalence ratio were varied in order to analyse the role of bulk quenching on HC emissions formation. Laser-Induced Fluorescence (LIF) imaging of in-cylinder unburned HC within the bulk gases was performed on the optical-access engine. Furthermore, studies were performed in order to ascertain whether the piston topland crevice volume contributes significantly to engine-out HC emissions. Finally, the role of piston-top fuel films and their impact on HC emissions was studied. This was investigated on the all-metal engine using two fuels of different volatilities. Parallel studies were also performed on the optical-access engine via in-cylinder tracer Laser-Induced Fluorescence (LIF) imaging. Results obtained in the standard and optical access engines revealed that bulk quenching represents one of the most significant sources of unburned HC for the wall guided combustion chamber geometry. Bulk quenching occurs as a result of incomplete fuel oxidation reactions in regions where the local equivalence ratio is either too fuel-lean or too fuel-rich or alternatively in excessively low temperature zones within the combustion chamber. Experimental data obtained from both the standard and optical access engines also revealed that liquid film formation occurs, and is particularly prevalent for early Start Of Injection (SOI) strategies. Furthermore, liquid films remain present at the end of combustion and are believed to represent a significant source of engine-out HC emissions. In-cylinder imaging of liquid films suggest that the film eventually detaches from the piston surface later during the expansion stroke, resembling a flash boiling phenomenon. The results appear to confirm that unburned fuel arising from piston-top fuel films contribute directly to the engine-out HC emissions.

Résumé

Les mécanismes de formation des hydrocarbures imbrûlés (HC) dans les systèmes de combustion à bas niveaux de NOx ont été investigués sur moteurs monocylindre opaque et optique fonctionnant à faible charge (2 et 4 bar de PMI). Sur moteur opaque, les paramètres tels que l'avance d'injection (AVI), la température plénum et la richesse globale ont été variés afin d'analyser le rôle du phénomène de quenching de masse sur la formation d'émissions de HC. La technique d'imagerie par fluorescence induite par laser (LIF) des HC imbrûlés à l'intérieur de la chambre a été appliquée sur le moteur optique. En outre, des essais ont été réalisés sur moteur opaque afin d'évaluer la contribution du volume mort du premier cordon sur les émissions de HC. Enfin, le rôle des films liquides et leur impact sur les émissions de HC ont été étudiés sur les deux types de moteurs. Sur moteur opaque l'investigation a consisté à comparer les résultats obtenus avec deux carburants dont les volatilités étaient différentes. En parallèle, la technique de LIF traceur a été appliquée sur moteur optique pour visualiser les films liquides. Les résultats obtenus sur les moteurs opaque et optique ont mis en évidence que le quenching de masse est une source majeure d'émission de HC dans le cas d'une géométrie de combustion avec guidage paroi. Le quenching de masse est le résultat de l'oxydation partielle du carburant dans les zones où la richesse locale est soit trop pauvre, soit trop riche et/ou la température locale n'est pas suffisamment élevée. Les données expérimentales obtenues sur les deux moteurs ont également révélé la présence de films liquides, surtout pour des stratégies d'injections précoces. En outre, les films liquides restent présents en fin de combustion, contribuant aux émissions de HC. Les images de LIF des films liquides semblent montrer que les films se détachent de la surface du piston pendant la phase de détente par un phénomène de “ flash boiling ”. Ces résultats semblent donc confirmer que le carburant non-brûlé issu des films liquides contribue directement aux émissions de HC.