Variable Valve Actuation Systems for Homogeneous Diesel Combustion: How Interesting are They?

Distribution variable et combustion Diesel homogène : quel intérêt ?

Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

Corresponding authors: bruno.walter@ifp.fr pierre.pacaud@ifp.fr bertrand.gatellier@ifp.fr

Abstract

With a high thermal efficiency and with low CO₂ (carbon dioxide) emissions, Diesel engines would become leader of tomorrow's transport market. However, the evolution of the regulatory constraints leads to a drastic reduction of their NOx (nitrogen oxide) and particulate emissions. Another interesting competitor to the NOx after-treatment systems is the use of new combustion concepts to reduce the raw emissions: homogeneous combustion (Homogeneous Charge Compression Ignition - HCCI- or Highly Premixed Combustion - HPC). Nonetheless, such concepts present non negligible drawbacks such as a limited zero NOx operating range, huge external gas recirculation (EGR) needs which forces a complete redesign of the air path circuit maintaining a high level of full load performances, and above all excessive HC (unburned hydrocarbon) and CO (carbon monoxide) emissions at low load. The emerging Variable Valve Actuation technologies (VVA) could totally change the deal of the new combustion processes especially through the internal EGR possibilities and the effective compression ratio reduction. Through the well known dual mode HCCI combustion concept NADI™ developed by IFP, this paper aims at evaluating the improvement potential of this kind of combustion concept with the use of several intake and exhaust VVA configurations and makes a comparison between these approaches. The results come from a single cylinder engine equipped with a fully variable intake and exhaust VVA (camless). After a brief description of the VVA system and the possibilities offered, two aspects of the potential are studied: – the different ways to obtain internal EGR and its main interests with the high potential to reduce HC and CO emissions at low load in homogeneous combustion (HCCI or HPC): 70% reduction on the HC emissions, 40% on CO emissions keeping same NOx emissions level; – the effective compression ratio reduction with a view to increase the maximum load with very low NOx emissions. First, the ways to reduce the effective compression ratio are presented and then, the reduced possibilities given in this field due to decrease of air flow are analysed.

Résumé

Avec un bon rendement thermique couplé à des émissions de dioxyde de carbone (CO₂) faibles, les moteurs Diesel sont aujourd'hui très bien placés pour être des possibles leaders dans le domaine des transports de demain. Toutefois, l'évolution attendue des normes nécessite que leurs émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de particules soient réduites. Une alternative intéressante à un post-traitement des NOx est liée à l'utilisation de nouveaux procédés de combustion afin de réduire les émissions à la source : combustion homogène de type HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ou combustion fortement prémélangée HPC (Highly Premixed Combustion). Cependant, ces nouveaux procédés présentent encore des inconvénients non négligeables tels qu'une plage de fonctionnement zéro NOx limitée, une forte demande en gaz d'échappement recirculés (EGR) nécessitant de revoir complètement la boucle d'air tout en maintenant des performances pleine charge de bon aloi, et surtout des émissions de HC (Hydrocarbures imbrûlés) et de CO (monoxyde de carbone) élevées à faible charge. Les technologies de distribution variable émergentes sur les moteurs peuvent changer complètement la donne concernant ces nouveaux procédés de combustion, notamment à travers les possibilités qu'elles offrent en matière d'EGR interne et de réduction du taux de compression effectif. À travers l'exemple bien connu du concept de combustion HCCI bi-mode NADI™ développé par l'IFP, ce papier s'intéresse au potentiel d'amélioration de ce type de combustion en utilisant différentes configurations de distribution variable à l'admission et à l'échappement et compare les approches. Les résultats sont obtenus sur un moteur monocylindre doté d'un système de distribution totalement variable. Après une rapide description de ce système et des possibilités qu'il offre, deux aspects du potentiel de la distribution variable sont étudiés : – d'une part les différents moyens d'obtenir de l'EGR interne et ses principaux intérêts en matière de forte réduction des émissions de HC et CO à faible charge en combustion homogène : jusqu'à 70 % de réduction sur le HC et 40 % sur le CO à même niveau de NOx ; – d'autre part les possibilités offertes par la réduction du taux de compression effectif en particulier en vue d'augmenter la charge maximale atteignable en combustion bas NOx. Le potentiel dans ce domaine reste réduit du fait des richesses très élevées engendrées par la réduction du débit d'air.