Experimental and modelling studies on the impacts of fuels and lubricants on pre-ignition in spark-ignition engines
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-10-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
91 + app. 94
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 188/2025
Abstract
This dissertation focuses on the issue of pre-ignition in spark-ignition engines. Pre-ignition occurs when the fuel-air mixture ignites prematurely before the spark timing, leading to excessive pressure rise and potentially uncontrolled pressure oscillations, also known as super-knock. Pre-ignition is a challenging problem because it occurs randomly, its initiation mechanisms are varied and complex, and it can lead to engine failure. Therefore, this work focuses on analyzing how pre-ignition manifests itself and what parameters related to fuels, lubricating oils, and the engines themselves can be adjusted to combat this phenomenon. The work includes a literature review, experimental research, and chemical simulations of fuels and lubricating oils. The applications of the research include turbocharged gasoline engines for automotive use and industrial scale hydrogen engines. It was concluded that pre-ignition can occur in gasoline engines through four different mechanisms: oil-fuel droplets, carbon deposits, autoignition of the bulk fuel-air mixture, and hot surface ignition. The literature review concluded that calcium-containing additives in lubricants, higher temperatures in the fuel distillation curve, and lower coolant temperatures promote the occurrence of pre-ignition. Gasoline engine tests focused on pre-ignition mechanisms that are independent of lubricants. The experiments showed that a high research octane number (RON) fuel does not guarantee good resistance to pre-ignition, because even high-RON fuels can be sensitive to pre-ignition caused by hot surfaces, as observed in tests with a fuel containing cyclopentane. However, both the pre-ignition tests and simulations identified a first-stage heat release phenomenon, where a small fraction of heat from the fuel-air mixture is released before the final ignition. This phenomenon consistently appeared under engine conditions where pre-ignition was observed, making it a reliable indicator of conditions prone to pre-ignition. It was found from tests with hydrogen-air mixtures and injection of various lubricants that an API Group V base oil combined with a calcium and magnesium containing additive provides better resistance to pre-ignition than a traditional API Group II base oil with a calcium additive. In another comparison, the base oil group was kept constant while the calcium content of the additive was changed. This change did not significantly affect the oil's susceptibility to pre-ignition, which contradicts findings from gasoline engine studies in literature. These results indicate a better potential for alternative base oil compositions to mitigate the pre-ignition problem in hydrogen engines compared to traditional mineral oil-based lubricants. Chemical simulations indicated that the doping of 2 mole percent of mineral base oil into hydrogen is sufficient to cause pre-ignition at a 13:1 compression ratio and 0.5 equivalence ratio. A corresponding amount of lubricant was also sufficient to cause pre-ignition at leaner equivalence ratios.Tämä väitöskirja keskittyy ottomoottorien palamiseen liittyvään ongelmaan, jota kutsutaan esisyttymiseksi. Esisyttyminen ilmenee polttoaine-ilmaseoksen ennenaikaisena syttymisenä ennen sytytystulpan aiheuttamaa kipinää, mistä seuraa liiallinen paineennousu ja pahimmillaan hallitsematonta paineoskillaatiota, jota super-nakutukseksikin kutsutaan. Esisyttyminen on haastava ongelma, sillä se ilmenee satunnaisesti, sen syntymämekanismit ovat vaihtelevia sekä monimutkaisia ja sen ilmeneminen mahdollistaa moottoririkon. Tässä työssä keskitytään täten analysoimaan, miten esisyttyminen ilmenee ja mitä polttoaineisiin, voiteluöljyihin ja itse moottoreihin iittyviä parametreja voidaan muokata tämän ilmiön torjumiseksi. Työhön sisältyy kirjallisuuskatsaus, kokeellista tutkimusta ja kemiallisia simulaatioita polttoaineista ja voiteluöljyistä. Tutkimuksen sovelluskohteina ovat autojen ahdetut bensiinimoottorit sekä teollisen kokoluokan vetymoottorit. Työssä ilmeni, että bensiinimoottoreissa esisyttyminen voi tapahtua 4 eri syntymämekanismin kautta. Näihin mekanismeihin lukeutuvat öljy-polttoainepisarat, karsta, polttoaine-ilmaseoksen tsesyttyminen ja sylinterin kuumista pinnoista aiheutuva syttyminen. Kirjallisuuskatsauksesta ilmeni myös, että voiteluaineiden kalsiumpitoiset lisäaineet, polttoaineen tislauskäyrän korkeammat ämpötilat ja jäähdytysnesteen matalammat lämpötilat edesauttavat esisyttymisen esiintymistä. Bensiinimoottorikokeissa tähdättiin esisyttymismekanismeihin, jotka ovat voiteluaineista riippumattomia. Kokeista selvisi, että korkean tutkimusoktaaniluvun polttoaine ei varmista hyvää vastusta esisyttymiselle, sillä korkeankin tutkimusoktaaniluvun polttoaine voi olla herkkä kuumasta pinnasta aiheutuvalle esisyttymiselle. Tämä ilmeni syklopentaania sisältävän polttoaineen kokeissa. Sen sijaan sekä esisyttymiskokeissa että simulaatioissa havaittiin ensimmäisen vaiheen lämmönvapautumista, jossa pieni osuus polttoaine-ilmaseoksen lämmöstä vapautuu ennen opullista syttymistä. Kyseinen ilmiö esiintyi niillä moottorin käyntialueilla, joilla esiintyi myös esisyttymistä, ja näin ollen se toimii hyvänä osoittimena esisyttymiselle suotuisasta käyntialueesta. Vety-ilmaseoksella ja eri voiteluaineiden ruiskutuksella suoritetuista kokeista selvisi, että API Ryhmän V perusöljylaatu yhdistettynä kalsiumia ja magnesiumia sisältävän lisäainekoostumuksen kanssa mahdollistaa paremman vastuksen esisyttymiselle kuin perinteinen API Ryhmän II perusöljylaatu kalsiumia sisältävän lisäaineen kanssa. Toisessa vertailussa perusöljyluokka pidettiin vakiona mutta lisäaineen kalsiumpitoisuutta muutettiin. Kyseisen parametrin muutos ei vaikuttanut öljyn esisyttymisherkkyyteen merkittävästi, mikä on ristiriidassa kirjallisuudesta löytyvien bensiinimoottoritutkimuksien kanssa. Kyseiset tulokset viittaavat vaihtoehtoisten perusöljykoostumuksien parempiin mahdollisuuksiin lieventää esisyttymisongelmaa vetymoottoreissa verrattuna perinteisiin mineraaliöljyihin perustuviin voiteluaineisiin. Kemialliset simuloinnit viittasivat 2 mooliprosentin osuuden mineraaliöljyä vedyn seassa olevan riittävä aiheuttamaan esisyttymistä 13:1 puristussuhteella ja 0,5 ekvivalenssisuhteella. Tätä vastaava voiteluaineen määrä oli riittävä aiheuttamaan esisyttymistä myös laihemmilla ekvivalenssisuhteilla.Description
Supervising professor
Kaario, Ossi, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandSantasalo-Aarnio, Annukka, Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, Finland
Bhattacharya, Atmadeep, Dr., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kristian Rönn, Andre Swarts, Vickey Kalaskar, Terry Alger, Rupali Tripathi, Juha Keskiväli, Ossi Kaario, Annukka Santasalo-Aarnio, Rolf Reitz and Martti Larmi. Low-speed pre-ignition and super-knock in boosted spark-ignition engines: A review. Progress in Energy and Com-bustion Science, 95, 101064, March 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202301181228DOI: 10.1016/j.pecs.2022.101064 View at publisher
-
[Publication 2]: Kristian Rönn, Benjamin Pehlivanlar, Christoph Göbel, Stefan Pischinger, Anna Karvo, Kalle Lehto, Johannes Fryjan and Martti Larmi. Pre-ignition Behavior of Gasoline Blends in a Single- Cylinder Engine with Varying Boost Pressure and Compression Ratio. SAE Technical Paper, 2023-32-0120, September 2023.
DOI: 10.4271/2023-32-0120 View at publisher
-
[Publication 3]: Kristian Rönn, Atmadeep Bhattacharya, Benjamin Pehlivanlar, Ossi Kaario, Christoph Göbel, Stefan Pischinger, Marcus Fischer, Yuri Kroyan, Kalle Lehto, Teemu Sarjovaara, Martti Larmi. Analysis of multicomponent surrogate gasoline blends under pre-ignition conditions. Energy Conversion and Management, 341, 120031, October 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506245286DOI: 10.1016/j.enconman.2025.120031 View at publisher
-
[Publication 4]: Maryam Yeganeh, Kristian Rönn, Shervin Karimkashi, Qiang Cheng, Ponnya Hlaing, Jari Hyvönen, Ville Vuorinen, Ossi Kaario, and Martti Larmi. Experimental investigations of hydrogen pre-ignition phenomenon induced by two different lubricating oils in a rapid compression expansion machine. Proceedings of the Combustion Institute, 40, no. 1-4, 105715, July 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408285865DOI: 10.1016/j.proci.2024.105715 View at publisher
-
[Publication 5]: Maryam Yeganeh, Kristian Rönn, Shervin Karimkashi, Qiang Cheng, Ponnya Hlaing, Jari Hyvönen, Ville Vuorinen, Ossi Kaario, Martti Larmi. On the Hydrogen Pre-Ignition Phenomenon Induced by Engine Lubricating Oils with Different Calcium Contents in a Rapid Compression Expansion Machine. Applications in Energy and Combustion Science, 23, 100339, September 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506195064DOI: 10.1016/j.jaecs.2025.100339 View at publisher