Detection of knocking combustion in a spark ignition engine using optical signal from the combustion chamber

• Autorzy: Piernikarski D. , Hunicz J. , Komsta H.

Warianty tytułu

PL

Detekcja spalania stukowego w silniku o zapłonie iskrowym za pomocą sygnału optycznego z komory spalania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the presented research was to investigate spectral properties of the combustion flame with special regard to the detection and estimation of intensity of knocking combustion. Research was made using modified single cylinder test engine with spark ignition (SI) equipped with an optical sensor having direct access to the combustion chamber. Measurements were based on wideband intensity of optical radiation and chemiluminescence phenomena occurring in the combustion flame under the influence of high temperature and pressure. Spectral recordings were done for wavelengths typical for emission of intermediate products, covering the range from 250 nm to 625 nm, including typically investigated radicals like C2, CH, CN, OH. Obtained results confirmed, that occurrence and intensity of knock can be determined on the basis of further signal analysis. Comparison with in parallel recorded indicated pressure have shown that characteristics of emitted spectra is more sensitive to the changing of engine operating conditions.

PL

Celem prezentowanych badań było zbadanie widmowych własności płomienia w komorze spalania ze specjalnym uwzględnieniem możliwości detekcji i oceny intensywnosci spalania stukowego. Badania zostały wykonane na zmodyfikowanym jednocylindrowym silniku o zapłonie iskrowym (ZI), wyposażonym w optyczny czujnik z bezpośrednim dostępem do komory spalania. W pomiarach wykorzystano zjawiska szerokopasmowej emisji optycznej oraz chemiluminescencji towarzyszące spalaniu mieszanki paliwowopowietrznej. Sygnał optyczny poddawano filtracji, wyodrębniając długości fal typowe dla emsji produktów przejściowych, w zakresie od 250 do 625 nm, obejmującym typowe rodniki takie jak C2, CH, CN oraz OH. Uzyskane rezultaty potwierdziły, że pojawienie się i intensywność spalania stukowego mogą zostać ocenione na podstawie dalszej analizy sygnału zarejestrowanego zarówno w szerokim paśmie promieniowania jak i dla widma chemiluminescencji poszczególnych rodników. Porównanie z rejestrowanym równocześnie przebiegiem ciśnienia pokazało, że emitowane widmo jest bardziej wrażliwe na zmiany warunków pracy silnika.

Słowa kluczowe

EN

knocking combustion; optical measurements; spectral flame properties; chemiluminescence; fiber optics

PL

spalanie stukowe; szerokopasmowy sygnał optyczny; rodniki; chemiluminescencja

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 15, no. 3
• Strony: 214--220
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz.

Twórcy

autor

Piernikarski D.

autor

Hunicz J.

autor

Komsta H.

• Institute of Transport, Combustion Engines and Ecology Mechanical Engineering Faculty Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland,

Bibliografia

• 1. Alkidas AC. Combustion advancements in gasoline engines. Energy Conversion and Management 2007; 48: 2751–2761.
• 2. Arias L, Torres S, Sbarbaro D, Ngendakumana P. On the spectral bands measurements for combustion monitoring. Combustion and Flame 2011; 158: 423–433.
• 3. Ballais R, Gallardo-Riuz JM, Merola SS. Optical diagnostics of the cycle-to-cycle variation in the kernel development and abnormal combustion SI. Journal of KONES Powertrain and Transport 2010; 17(2): 17–25.
• 4. Brecq G, Bellettre J, Tazerout M. A new indicator for knock detection in gas SI engines. International Journal of Thermal Sciences 2002; 42:523–532.
• 5. Brewster S. Initial Development of a Turbo-charged Direct Injection E100 Combustion System. SAE Technical Paper 2007; 2007-01-3625.
• 6. Chang C, Clasen E, Song K, Campbell S, Rhee KT, Jiang H. Quantitative imaging of in-cylinder processes by multispectral methods. SAE Technical Paper 1997; 970872.
• 7. Docquier N, Candel S. Combustion Control and Sensors a Review. Progress in Energy and Combustion Science 2002; 28: 107–150.
• 8. Fansler TD, Drake MC, Stojkovic B, Rosalik ME. Local Fuel Concentration, Ignition and Combustion in a Stratified Charge Spark Ignited Direct-Injection Engine Spectroscopic, Imaging and Pressure-Based Measurements. International Journal of Engine Research 2003; 4(2): 61–87.
• 9. Fischer J, Kubach H, Tribulowski J, Spicher U. Analyse der Zylinderinnerströmung und des Verbrennungsverhaltes bei Ottomotoren mit Direktteinspritzung. 5. Internationales Symposium für Verbrennungsdiagnostik 2002: 177–192.
• 10. Gaydon AG, Wolfhard HG. Flames Their Structure, Radiation and Temperature. London: 1979.
• 11. Griffiths JF., Whitaker BJ. Thermokinetic interactions leading to knock during homogenous charge compression ignition. Combustion and Flame 2002; 131: 386–399.
• 12. Hardalupas Y, Orain M. Local measurements of the time-dependent heat release rate and equivalence ratio using chemiluminescent emission from a flame. Combustion and Flame 2004; 139: 188–207.
• 13. Heywood JB. Internal combustion engine fundamentals. McGraw–Hill, New York: 1988.
• 14. Hunicz J. Experimental research of flame kernel development and its relation to cycle-to-cycle variability of homogenous charge spark ignition engine. Archivum Combustionis 2009; 29 (1-2): 28–37.
• 15. Hunicz J, Kordos P. An experimental study of fuel injection strategies in CAI gasoline engine. Experimental Thermal and Fluid Science.2011; 35(1): 243–252.
• 16. Hunicz J, Piernikarski D. Investigation of combustion in a gasoline engine using spectrophotometric methods. Proceedings of SPIE 2001; 4516: 307–314.
• 17. Hunicz J, Piernikarski D. Transient in-cylinder AFR management based on optical emission signals. SAE Technical Paper 2004; 2004-01-0516.
• 18. Kinoshita M, Saito A, Mogi K, Nakata K. Study on ion current and pressure behaviour with knocking in engine cylinder. JSAE Review 2000; 21: 483–488.
• 19. Leppard WR. Individual cylinder knock occurrence and intensity in multicylinder engine. SAE Technical Paper 1982: 820074.
• 20. Merola SS, Vaglieco BM. Knock investigation by flame and radical species detection in spark ignition engine for different fuels. Energy Conversion and Management 2007; 48: 2897–2910.
• 21. Piernikarski D. Statistic evaluation of usability of optical radiation intensity for the knock detection. Archivum Combustionis 2006; 26(3-4): 103–120.
• 22. Piernikarski D, Hunicz J. Diagnostics of abnormal combustion in a SI automotive engine using in-cylinder optical combustion sensor. Proceedings of SPIE 2004; 5566: 211–217.
• 23. Piernikarski D. Funkcja autokorelacji szerokopasmowej emisji optycznej w detekcji spalania stukowego. Silniki Spalinowe (Combustion Engines) 2009; 1(136): 44-51.
• 24. Saminy B, Rizzoni G. Engine knock analysis and detection using time-frequency analysis. SAE Technical Paper 1996; 960618.
• 25. Shoji H, Shimizu T, Nishizawa T, Yoshida K, Saima A. Spectroscopic Measurement of Radical Behavior Under Knocking Operation. SAE Technical Paper 1996; 962104.
• 26. Smith G, Luque G, Park C, Jeffries JB, Crosley DR. Low Pressure Determinations of Rate Constants for OH(A) and CH(A) Chemiluminescence. Combustion and Flame 2002; 131: 59–69.
• 27. Sohma K., Yukitake Y, Azuhata Y, Takaku Y. Application of Rapid Optical Measurement to Detect the Fluctuations of the Air-Fuel Ratio and Temperature of a Spark Ignition Engine. SAE Technical Paper 191; 910499.
• 28. Sun Z, Blackshear PL, Kittelson DB. Spark Ignition Engine Knock Detection Using In-Cylinder Optical Probes. SAE Technical Paper 1996; 962103.
• 29. Töpfer G, Reissing J,Weimar HJ, Spicher U. Optical Investigation of Knocking Location on S.I.-Engines with Direct-Injection. SAE Technical Paper 2000; 2000-01-0252.
• 30. Tosaka Y, Shoji H, Saima A. A study of the influence of intermediate combustion products on knocking. JSAE Review 1995; 16: 233–238.
• 31. Wildman C, Scaringe RJ, Cheng WK. On the maximum pressure rise rate in boosted HCCI operation. SAE Technical Paper 2009; 2009-01-2727.
• 32. Yang J, Plee S, Remboski D. Relationship Between Monochromatic Gas Radiation Characteristics and SI Engine Combustion Parameters. SAE Technical Paper 1993; 930216.