Low-speed pre-ignition and super-knock in spark-ignition engines

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-06-15
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
82+1
Series
Abstract
The effort to reduce CO2emissions and fuel consumption of light-duty vehicleshas driven the trend of downsizing spark-ignition engines during the 21st century.The reduction of engine displacement while simultaneously maintaining or increasingpower output has given rise to engines with break mean effective pressures (BMEP) exceeding 20 bar. This increase in power density has been promoted by applying direct-injection and turbocharging in modern engines. As a result of switching to higher power densities, the automotive industry has faced an abnormal combustion phenomenon known as super-knock. Super-knock is an issue during low-speed and high-load operation and is characterized by violent pressure oscillation within the cylinder, thus posing a high risk of damaging the engine. It is a rare event and is attributed to low-speed pre-ignition (LSPI) of the fuel-air mixture. LSPI and super-knock have been increasingly more popular as a research area during the last decade, but yet many questions about causing mechanisms and impacting parameters remain unanswered. This master's thesis addresses LSPI and super-knock through a literature review, in which the underlying mechanisms and impacting factors are investigated. Furthermore, it functions as a plan for an upcoming measurement campaign, which studies the impact of heat of vaporization, lower heating value and octane sensitivity on LSPI and super-knock using six surrogate fuel blends. The literature review shows that LSPI is primarily considered to be a result of oil droplets or deposits entering the combustion chamber, while the formation of super-knock appears to be dictated by the development of deflagration to developing detonation after autoignition of end-gases. Furthermore, it is determined that LSPI can be mitigated by using optimized injection strategies, fuels with high volatility and low aromatic contents and engine oil detergents with low calcium contents.

Insatsen för att begränsa biltrafikens koldioxidutsläpp och bränsleförbrukning har under 2000-talet drivit en trend på att minska på ottomotorers storlekar. Trots att motorernas slagvolymer är mindre, har deras effekter förblivit konstanta eller till och med ökat, vilket har gett upphov till specifierade genomsnittliga bromstryck som överskrider 20 bar. Denna ökning har möjliggjorts genom att tillämpa direktinsprutning och turboaggregat i nutida motorer. Som en följd av högre effektdensiteter har bilindustrin uppmärksammats av ett nytt avvikande förbränningsfenomen i formen av superknack. Superknack förekommer under låga varvtal och höga bränsleflöden och kännetecknas av mycket intensiva tryckförändringar inom cylindern, vilket kan förorsaka stora skador i motorn. Superknack är ett sällsynt fenomen och har sitt urprung i bränsleblandningens förantändning. Både förantändning och superknack har ökat popularitet som forskningsämnen under det senaste årtiondet, men ändå behövs det svar på flera frågor angående orsakande mekanismer och inverkande parametrar. Detta diplomarbete behandlar förantändning och superknack via en literaturöversikt, som utreder underliggande fenomen och faktorer. Därtill omfattar den en plan på kommande experiment, där sammanbandet mellan förantändning och superknack samt sex surrogatbränslens ångbildningsvärmen, effektiva värmevärden och oktankänslighet forskas. Literaturöversikten visar att förantändning anses orsakas främst av oljedroppar eller beläggningar som uppenbaras i förbränningskammaren, medan superknack utvecklas som en följd av detonering efter bränslets självantändning. Ytterligare konstateras det att förantändning kan motarbetas via optimerad insprutning, bränslen med hög volatilitet och låg koncentration av aromatiska kolväten samt motorolja med låg koncentration av kalcium.
Description
Supervisor
Larmi, Martti
Thesis advisor
Kroyan, Yuri
Wojcieszyk, Michal
Keywords
low-speed pre-ignition, super-knock, direct-injection spark-ignition engines, gasoline properties, mega-knock
Other note
Citation