Cold Start on Low Compression Ratio Diesel Engine: Experimental and 3D RANS Computation Investigations

Démarrage à froid d'un moteur Diesel à bas taux de compression : investigations expérimentales et numériques RANS tridimensionnelles

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

Corresponding authors: olivier.laget@ifp.fr pierre.pacaud@ifp.fr herve.perrin@ifp.fr

Abstract

Diesel engines' future emission standards require greatly reducing the pollutant emissions directly at the exit of the engine before post-processing. The reduction of NOx “production” with very low levels of Particulate Matter (PM), HC and CO must be performed without damaging the drivability, and keeping fuel consumption and combustion noise under control. The reduction of the Compression Ratio (CR) is one of the most promising ways to achieve this challenge. The counterpart of reducing Diesel engine CR is the decrease in start ability. As a consequence, a stringent limitation of reducing Diesel CR is cold start requirements. Indeed, reduction of ambient temperature leads to penalties in fuel vaporization and auto-ignition capabilities, even more at very low temperature (–20°C and below). This paper presents the work performed on a HSDI Common-Rail Diesel 4-cylinder engine. Three kinds of investigations were used: experiments performed at very low temperature (down to –25°C); incylinder imaging (videoscope) and three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) computations in cold start conditions. The combustion chamber was adapted in order to reach a low compression ratio (CR 13.7:1) by modifying the piston bowl shape. First, experimental results obtained with a low CR engine are compared with those obtained with the original conventional CR engine. Then, a complete recalibration of injection settings (fuel quantity and timing, injection pressure, etc.) was carried out. It allows one to significantly reduce start delay with a low CR engine and the reference start delay with the conventional CR becomes reachable. In addition, effects of combustion chamber design such as spray position according to the glow plug were studied and show a great potential regarding behavior in cold conditions in particular, in order to reduce start delay again in such conditions. In order to complete the engine tests, CFD calculations were performed during the starting operation in ambient cold conditions (–20°C). The obtained results are in good agreement with optical observations and in-cylinder pressure measurements. Correlations between experiments and calculations give consistent explanations concerning the different phenomena occurring during cold start.

Résumé

Les futures normes d'émission concernant les moteurs Diesel imposent une réduction importante des émissions polluantes à la source, avant les dispositifs de post-traitement. La réduction de “production” de NOx en maintenant de très bas niveaux d'émission de suie, de HC et de CO doit être effectuée sans dégrader le confort de conduite et en contrôlant la consommation de carburant et le bruit de combustion. La réduction du taux de compression (CR) est l'une des voies les plus prometteuses pour atteindre cet objectif. La contrepartie liée à la réduction de taux de compression des moteurs Diesel est qu'elle induit une dégradation des capacités au démarrage. En conséquence, une importante limitation à la réduction du taux de compression des moteurs Diesel réside dans l'exigence de démarrer par de basses températures. En effet, la réduction de la température ambiante pénalise la vaporisation du carburant et les capacités à l'auto-inflammation, d'autant plus à très basses températures (–20°C et inférieures). Ce papier présente le travail réalisé sur un moteur Diesel HSDI 4 cylindres doté d'un système d'injection “Common rail”. Trois types d'investigation ont été utilisés. Des expériences ont été réalisées jusqu'à de très basses températures (–25°C) ; des visualisations dans la chambre de combustion (vidéoscope) ont été faites et des calculs de dynamique des fluides ont été effectués pour des conditions de démarrage à froid. La chambre de combustion a été adaptée afin d'abaisser le taux de compression (CR 13,7:1) en modifiant la forme du bol dans le piston. Dans un premier temps, les résultats expérimentaux obtenus avec le moteur à bas taux de compression sont comparés à ceux obtenus avec les moteurs originaux ayant un taux de compression conventionnel. Par la suite, les paramètres d'injection ont été totalement changés (masse de carburant, avance à l'injection, pression d'injection, etc.). Ceci permet de réduire de façon significative le délai de démarrage avec le moteur à bas taux de compression. Ainsi, les délais de référence obtenus avec le moteur ayant un taux de compression conventionnel peuvent être atteints. De plus, les effets liés aux différents paramètres géométriques de la chambre de combustion tels que la position des sprays par rapport à la bougie de préchauffage ont été étudiés et ont montré un large potentiel en ce qui concerne l'amélioration du comportement du moteur en conditions froides. Notamment, une réduction accrue des délais de démarrage peut être envisagée. Afin de compléter les essais moteurs, des calculs de mécanique des fluides (CFD) ont été réalisés pour des conditions de démarrage à froid (–20°C). Les résultats obtenus sont en bon accord avec les visualisations optiques et les mesures de pression cylindre. Des corrélations entre expériences et calcul fournissent des explications consistantes quant aux différents phénomènes intervenant lors d'un démarrage à froid.