In-cylinder formation and exhaust emission of particulates from a 4-stroke engine of a 2-wheel vehicle

• Autorzy: Merola S. S. , Sementa P. , Tornatore C.

Warianty tytułu

PL

Tworzenie i emisja cząstek stałych w wydechu silnika czterosuwowego pojazdów dwukołowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The efficiency of small engines in two-wheel vehicles can be further improved especially at low speeds and high loads. In these conditions fuel consumption and pollutant emission should be reduced maintaining the performance levels. This optimization can be realized only by the improvement in the basic knowledge of the thermo-fluid dynamic phenomena occurring during the combustion process. It is known that during the fuel injection phase in PFI SI engines, thin films of liquid fuel can form on the valves surface and on the cylinder walls. Successively the fuel films interact with the intake manifold and the combustion chamber gas flow. Du-ring the normal combustion process, it is possible to achieve gas temperature and mixture strength conditions that lead to fuel film ignition. This phenomenon can create diffusion-controlled flames. These flames persist well after the normal combustion event and induce the formation and then the exhaust emission of soot and unburned hydrocarbons. In this paper, experimental activities were carried out in the combustion chamber of a single-cylinder optical engine in order to investigate the in-cylinder formation and exhaust emission of particulates from a 4-stroke engine of a 2-wheel vehicle. The engine was equipped with the four-valve head of a commercial scooter engine and it was fuelled with European commercial gasoline. Cycle-resolved digital imaging and high spatial resolution visualization with two-color pirometry tool were used to follow in detail the flame front propagation and related phenomena. In particular the inception of diffusion-controlled flames near the valves and on the cylinder walls was studied. These flames induced the in-cylinder formation of unburned hydrocarbons and soot particles and the following exhaust emissions. The optical data were correlated with conventional combustion pressure measurements and particulate exhaust emission. The effect of three-way catalyst was investigated too.

PL

Sprawność małych silników pojazdów dwukołowych można poprawić, szczególnie przy dużych obciążeniach i niskich prędkościach. W tych warunkach dla utrzymania odpowiedniego poziomu pracy emisja zanieczyszczeń i zużycie paliwa powinny zostać obniżone. Taką optymalizację można było przeprowadzić tylko na podstawie wiedzy o dynamice zjawisk przepływu ciepła zachodzących podczas procesu spalania. Wiadomo jest, że w fazie wtrysku paliwa do silnika typu PFI (port-fuel-injected) z zapłonem iskrowym (SI), na powierzchni zaworów i ścianach cylindra mogą tworzyć się cienkie warstewki ciekłego paliwa. Z kolei warstewki paliwa oddziałują z przepływem gazów w kolektorze i komorze spalania. W trakcie normalnego procesu spalania możliwe jest osiągnięcie temperatury gazu i mieszanki umożliwiającej zapłon filmu paliwa. To zjawisko może prowadzić do wytwarzania płomieni sterowanych dyfuzyjnie. Takie, utrzymujące się dłuższy czas po normalnym spaleniu mieszanki, płomienie mogą być w dalszym ciągu przyczyną tworzenia i emisji sadzy oraz niespalonych węglowodorów. W pracy opisano badania doświadczalne nad tworzeniem i emisją cząsteczek stałych (PM), prowadzone metodą optyczną w komorze silnika jednocylindrowego, czterosuwowego, przeznaczonego dla pojazdów dwukołowych. Silnik został wyposażony w głowicę czterozaworową z handlowego skutera i był zasilany handlową benzyną europejską. Do dokładnej, cyfrowej analizy obrazu wykorzystano narzędzia trójwymiarowej pirometrii dwubarwnej o wysokiej rozdzielczości, przede wszystkim dla szczegółowego zbadania propagacji frontu płomienia i zachodzących przy tym zjawisk. Głównie badano powstawanie płomieni sterowanych dyfuzyjnie w pobliżu zaworów i na ściankach cylindra. Te płomienie powodują tworzenie się w cylindrze cząsteczek sadzy i pozostawanie niespalonych węglowodorów, obserwowanych następnie w wydechu. Uzyskane dane z pomiarów optycznych skorelowano z konwencjonalnymi pomiarami ciśnienia i emisji cząstek. Badano również efektywność katalizatora trójdrożnego.

Słowa kluczowe

EN

particulate emissions; PM; particulate formation; optical method; engine with spark ignition; propagation of flame

PL

emisja cząstek stałych; PM; tworzenie cząstek stałych; metoda optyczna; silnik z zapłonem iskrowym; propagacja płomienia

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 65, nr 11
• Strony: 849--856
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Merola S. S.

• Istituto Motori – CNR, Napoli Italy

autor

Sementa P.

• Istituto Motori – CNR, Napoli Italy

autor

Tornatore C.

• Istituto Motori – CNR, Napoli Italy

Bibliografia

• [1]. Han X., Naeher L.P.: A review of traffic-related air pollution exposure assessment studies in the developing world. Environmental International 32, 106-120, 2006.
• [2]. Singh S.K.: Future mobility in India: implications for energy demand and CO2 emission. Transport Policy 13, 398-412, 2006.
• [3]. Vasic A.M., Weilenmann, M.: Comparison of real-world emissions from two wheelers and passenger cars. Environmental Science and Technology 40, 149-154, 2006.
• [4]. Ntziachristos L., Mamakos A., Samaras Z., Xanthopoulos A., Iakovou, E.: Emission control options for power two wheelers in Europe. Atmospheric Environment 40, 4547-4561, 2006.
• [5]. Shin Y., Cheng W.K., Heywood J.B.: Liquid Gasoline Behaviour in the Engine Cylinder of a SI Engine. SAE Paper n. 941872, 1994.
• [6]. Zhu G.S., Reitz R.D., Xin J., Takabayashi,T.: Modelling Characteristics of Gasoline Wall Films in the Intake Port of Port Fuel Injection Engines. Int. J. of Engine Research, vol. 2, N. 4, 231-248, 2001.
• [7]. Bockhorn H. (Ed.): Soot Formation in Combustion: Mechanisms and Models. Springer, Berlin, 1994.
• [8]. Drake M.C., Fansler T.D., Solomon A.S. and Szekely G.A. Jr.: Piston fuel films as a source of smoke and hydrocarbon emissions from a wall-controlled spark-ignited direct-injection engine. SAE Paper No. 2003-01-0547, 2003.
• [9]. Heywood J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988.
• [10]. Hacohen J., Belmont M.R., Thurley R.W.F., Thomas J.C., Morris E.L.: Buckingham DJ. Experimental and Theoretical Analysis of Flame Development and Misfire Phenomena in a Spark-ignition Engine. SAE paper n. 920412, 1992.
• [11]. Merola S.S., Vaglieco B.M., Formisano G., Lucignano G., Mastrangelo G.: Flame Diagnostics in the Combustion Chamber of Boosted PFI SI Engine. SAE paper n. 2007-24-0003, 2007.
• [12]. AVL user manual, AVL Graz, Austria 2003.
• [13]. Mörsch O., Sorsche P., (DaimlerChrysler AG): Investigation of Alternative Methods to Determine Particulate Mass Emissions, http://www.oica.net/htdocs.
• [14]. Costanzo V.S., Heywood J.B.: Mixture Preparation Mechanisms in a Port Fuel Injected Engine. SAE Paper No. 2005-01-2080, 2005.
• [15]. Gold M.R., Arcoumanis C., Whitelaw J.H., Gaade J., Wallace, S.: Mixture Preparation Strategies in an Optical Four-Valve Port-Injected Gasoline Engine. Int. J. of Engine Research, vol. 1, N. 1, 41-56, 2000.
• [16]. Nogi T., Ohyama Y., Yamauchi T. and Kuroiwa H.: Mixture Formation of Fuel Injection Systems in Gasoline Engines. SAE Paper n. 880558, 1988.
• [17]. Meyer R., Heywood J.B.: Liquid Fuel Transport Mechanisms into the Cylinder of a Firing Port-Injected SI Engine During Start Up, SAE Paper No. 970865, 1997.
• [18]. Bianco Y., Cheng W., Heywood, J.: The Effects of Initial Flame Kernel conditions on Flame Development in SI Engines. SAE paper n. 912402, 1992.
• [19]. Witze P., Hall M., Bennet M.: Cycle-resolved Measurements of Flame Kernel Growth and Motion Correlated with Combustion Duration. SAE paper n. 900023, 1990.
• [20]. Nogi T., Ohyama Y., Yamauchi, T. and Kuroiwa H.: Mixture Formation of Fuel Injection Systems in Gasoline Engines. SAE Paper n. 880558, 1988.
• [21]. Witze P.O. and Green, R.M.: LIF and Flame-Emission Imaging of Liquid Fuel Films and Pool Fires in an SI Engine During a Simulated Cold Start. SAE Paper n. 970866, 1997.
• [22]. Merola S.S., Sementa, P., Tornatore C. and Vaglieco B.M.: Effect of Injection Phasing on Valves and Chamber Fuel Deposition Burning in a PFI Boosted Spark-Ignition Engine. SAE Paper n. 2008-01-0428, 2008.
• [23]. Merola S.S., Sementa P., Tornatore C., Vaglieco B.M.: Effect of the Fuel Injection Strategy on the Combustion Process in a PFI Boosted Spark-Ignition Engine. Proc. ECOS 2008 Conference, Volume I, Page 467, 2008.
• [24]. Abdul-Khalek I.S., Kittelson D.B.: Real time measurement of volatile and solid exhaust particles using a catalytic stripper. SAE Paper No. 950236, 1995.