بررسی تجربی شمع پیش-محفظه با محدوده حرارتی متغیر با ترکیب سطح داغ کنترل شده

هولزبرگر, ساسچا; کتنر, موریس; کرچبرگر, رولند

doi:10.22034/er.2022.701024

بررسی تجربی شمع پیش-محفظه با محدوده حرارتی متغیر با ترکیب سطح داغ کنترل شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری، دانشگاه علوم کاربردی کارلسروهه

² دانشگاه علوم کاربردی کارلسروهه

³ دانشگاه صنعتی گراتس

10.22034/er.2022.701024

چکیده

در موتورهای بنزینی، سیستم‌های اشتعال جرقه ای پیش-محفظه برای دستیابی به راندمان بالا و انتشار کمتر NOx هنگام کار در شرایط مخلوط فقیر استفاده می‌شوند. در حالی که شمع پیش-محفظه سرد می تواند منجر به احتراق ناقص و خاموش شدن شعله در هنگام شروع سرد یا شرایط بخش بار شود، یک پیش-محفظه داغ میتواند منجر به پدیده های کنترل نشده پیش-اشتعال تحت بار کامل شود. این مقاله رویکردی را برای تنظیم محدوده حرارتی شمع پیش-محفظه فلذا دمای مخلوط در پیش-محفظه، با توجه به شرایط کاری ارائه می‌کند. علاوه بر این، دماهای بالاتر مخلوط در پیش-محفظه برای تسهیل احتراق در شرایط مخلوط فقیر و گسترش حد فقیری در نظر گرفته می شود. برای این منظور، یک شمع نقطه ملتهب (glow) درون پیش-محفظه قرار می گیرد که دمای آن را می توان به عنوان تابعی از نقطه کاری کنترل کرد. یک استراتژی کنترل حلقه بسته بلادرنگ با استفاده از همبستگی بین دمای نوک شمع نقطه ملتهب و مقاومت الکتریکی آن اعمال شد. المان احتراق توسعه یافته، اشتعال جرقه ای با کمک سطح داغ (HSASI) نامیده می شود. علاوه بر آزمایش عملکردی، تغییر دمای موتور روی یک موتور تحقیقاتی تک سیلندر با سوخت بنزینی در دانشگاه علوم کاربردی کارلسروهه انجام شد. در مرحله اول، تأثیر کمک شمع نقطه ملتهب بر زاویه گسترش شعله و پایداری احتراق تعیین شد. پس از آن، نسبت هم ارزی هوا-سوخت λ تغییر کرد و حد فقیری اشتعال جرقه ای بدون/با کمک شمع نقطه ملتهب تعیین شد. بررسی‌های تجربی برای نسبت هم ارزی ثابت هوا به سوخت و زمان‌بندی ثابت اشتعال نشان می‌دهد که مقاومت بالاتر شمع نقطه ملتهب در نتیجه دمای بالاتر شمع نقطه ملتهب، زاویه گسترش شعله را کوتاه و مرکز احتراق را به زوایای جلوتر میللنگ انتقال می‌دهد. علاوه بر این، تأثیر مثبت شمع نقطه ملتهب فعال بر روی زاویه گسترش شعله و پایداری احتراق با تأخیر زمان‌بندی احتراق افزایش می‌یابد. با λ = 1.5 و مرکز ثابت احتراق (8 درجه میللنگ پس از نقطه مکث بالا)، زمان اشتعال می تواند تا 4.5 درجه میللنگ به تأخیر افتد. در هنگام کار با دمای پایین تر سیال خنک کننده، یک شمع نقطه ملتهب فعال پایداری احتراق را افزایش می دهد و حد فقیری سوخت را به میزان Δλ = 0.1 افزایش می دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental investigations on a pre-chamber spark plug with variable heat range by integrating a controlled hot surface

نویسندگان [English]

Sascha Holzberger ¹
Maurice Kettner ²
Roland Kirchberger ³

¹ PhD Candidate, Karlsruhe University of Applied Sciences

² Karlsruhe University of Applied Sciences

³ Graz University of Technology

چکیده [English]

In gasoline engines, pre-chamber spark ignition systems are used to achieve high efficiency and low NOx emissions when operating under lean conditions. While a cold pre-chamber spark plug can lead to misfiring and flame quenching under cold start or part load operation, a hot pre-chamber can result in uncontrolled pre-ignition phenomena under full load operation. This paper presents an approach to adjust the heat range of a pre-chamber spark plug and thus, the temperature of the mixture in the pre-chamber, according to the operating condition. Furthermore, higher mixture temperatures in the pre-chamber are intended to enhance the inflammation under lean conditions and to extend the lean limit. For this purpose, a glow plug is integrated into the pre-chamber, whose temperature can be controlled as a function of the operating point. A real-time closed-loop control strategy was applied by using the correlation between the glow plug tip temperature and its electrical resistance. The developed ignition element is called Hot Surface Assisted Spark Ignition (HSASI). In addition to a functional test, a variation of the engine temperature was performed on a single-cylinder, gasoline fueled research engine at the Karlsruhe University of Applied Sciences. In the first step, the influence of the glow plug assistance on the flame development angle and the combustion stability was determined. Subsequently, the air-fuel equivalence ratio λ was varied and the lean limit of unassisted and glow plug assisted spark ignition were determined. Experimental investigations for a constant air-fuel equivalence ratio and a constant ignition timing show that a higher glow plug resistance and thus a higher glow plug temperature shortens the flame development angle and shifts the center of combustion to earlier crank angles. Furthermore, the positive influence of the active glow plug on the flame development angle and the combustion stability increases with retarded ignition timing. With λ = 1.5 and a constant center of combustion (8 °CA after top dead center firing), the ignition timing can be retarded by 4.5 °CA. When operating with lower coolant temperature, an active glow plug increases combustion stability and extends the lean limit by Δλ = 0.1.

کلیدواژه‌ها [English]

Pre-chamber spark plug
Glow plug
Heat range

مراجع

[1] Kettner, M. “Zündsysteme für magere Gemische”, Study for the Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen(FVV)e.V., 2004.

[2] Amirante, R., Distaso, E., Tamburrano, P. and Reitz, R.D., “Laminar flame speed correlations for methane, ethane, propane and their mixtures, and natural gas and gasoline for spark-ignition engine simulations” International Journal of Engine Research 18(9): p. 951-970, 2017, doi:10.1177/1468087417720018.

[3] Ozdor, N., Dulger, M., and Sher, E., “Cyclic Variability in Spark Ignition Engines - A Literature Survey,” 940987, SAE Technical Paper, 1994, doi:10.4271/940987.

[4] Müller C., Morcinkowski B., Schermus C., Habermann K. et al., “Development of a Pre-chamber for Spark Ignition Engines in Vehicle Applications,” in: Ignition Systems for Gasoline Engines: 4th International Conference, December 6-7: p. 261-274.

[5] Wöbke, M., Reinicke, P.-B., Rieß M., von Römer L. et al., “Characterization of the Ignition and Early Flame Propagation of Pre-Chamber Ignition System in a High-Pressure Combustion Cell” in: Ignition Systems for Gasoline Engines: 4th International Conference: p. 385-423.

[6] Wang, B. and Wang, Z., “Experimental Research on Pre-chamber Jet Ignition in Rapid Compression Machine and Natural Gas Engine,” in: Ignition Systems for Gasoline Engines: 4th International Conference: p. 424-441.

[7] Toulson, E., Schock, H.J., and Attard, W.P., “A Review of Pre-Chamber Initiated Jet Ignition Combustion Systems,” SAE International, 2010, doi:10.4271/2010-01-2263.

[8] Sens, M. and Binder E., “Vorkammerzündung als Schlüsseltechnologie für einen zukünftigen Antriebsstrang-Mix,” MTZ Motortechnische Zeit-schrift 80(02): p. 46-53, 2019.

[9] Kettner, M., “Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Optimierung der Entflammung von mageren Gemischen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung,” Ph.D. Thesis, Universität Karlsruhe, 2006.

[10] Sotiropoulou, E., Knepper S., Deeken, S., and Grewe, F., “Zero Emission-Die Evolution von Erdgas zu Wasserstoff mit Vorkammerzündkerzen,” MTZ Motortechnische Zeitschrift: p. 50-55, 2020, doi:10.1007/s35146-020-0231-y.

[11] Sotiropoulou, E. and Tozzi, L., “Active Scavenge Prechamber,” PCT/US2014/024904, 2016.

[12] Sens, M., Binder E., Benz A., Krämer L. et al., “Pre-Chamber Ignition as a Key Technology for Highly Efficient SI Engines – New Approaches and Operating Strategies,” in: 39. Wiener Motorensymposium.

[13] Takashima, Y., Tanaka, H., Sako, T., and Furutani, M., “Evaluation of Engine Performance and Combustion in Natural Gas Engine with Pre-Chamber Plug under Lean Burn Conditions,” SAE Int. J. Engines 8(1): 221–229, 2015, doi:10.4271/2014-32-0103.

[14] Marko F. and Koenig G., “Zuführungs- und Zündvorrichtung für einen Gasmotor und Verfahren zum Betrieb einer Zuführungs- und Zündvorrichtung für einen Gasmotor,” DE 10 2017 009 607 A1.

[15] Holzberger S., Kettner M., and Kirchberger R., “Hot Surface Assisted Spark Ignition (HSASI) - An Approach to Vary the Heat Range of Spark Plugs during Operation” Reports on Energy Efficient Mobility, 2021.

[16] Scholl, F., “Study of Premixed Combustion Induced by Controlled Hot Surface Ignition in Stationary Gas Engines,” Ph.D. Thesis, University of Valladolid & Hochschule Karlsruhe, 2017.

[17] Heywood, J., “Internal Combustion Engine Fundamentals,” McGraw-Hill, ISBN 0-07-028637-X, 1988.