Thermodynamic optimisation of spark ignition engines under part load conditions

Abstract

The rational use of fossil fuels, the minimisation of noxious emissions and the reduction of green house gases emissions are the targets of internal combustion engines research and development activities. Several technological developments have been proposed to reduce the fuel consumption from engines. The integration of variable valve timing (VVT) systems, the use of direct injection and lean burn are the most common technologies proposed by engine manufacturers and research centres to attain these goals, in parallel with exhaust gases purification systems. Car engines are used at part load conditions most of the time and spark ignition engines have reduced thermal efficiency when working under these conditions. This is caused mainly by the use of a throttle valve to control the engine load and a consequent reduction of effective compression ratio. Thus transportation fuel consumption can be reduced if the performance of engines at part load is improved. A theoretical analysis has been developed for different internal combustion engine cycles using classical thermodynamics. The objective is to evaluate the behaviour of each cycle in terms of thermal efficiency throughout the load range of the engine. Both spark ignition and compression ignition engine cycles have been analysed. Miller cycle (over-expanded cycle), Diesel and dual cycles proved to bring improvements in relation to a conventional (Otto) spark ignition engine at part load operation. Supercharged cycles were also analysed, revealing that compression ignition engines can also be improved with it, while spark ignition engines lose efficiency with supercharging. A computer model that simulates spark ignition engines at steady-state conditions was developed and later calibrated with data from engine tests. This computer model was implemented in Matlab – Simulink. It includes sub-models for temperature and pressure calculation, gas properties calculation, combustion, heat transfer, mass exchange and friction. The model was extended to calculate the entropy generated during the engine cycle. Simulations revealed an improvement in terms of fuel consumption with the use of over-expansion and an even higher improvement when over-expansion is combined with compression ratio adjustment. At the same time, the amount of entropy generated reduces when over-expansion combined with compression ratio variation is used. Bench tests have been performed to obtain experimental data to corroborate the theoretical results. A single cylinder DI Diesel engine was tested and modified to work as a spark ignition. This allowed direct comparison between compression ignition and spark ignition engines. Different camshafts were used to perform different intake valve closure timings (to model VVT) and different pistons were used to perform different compression ratios (to model variable compression ratio - VCR). In the spark ignition version, the engine was tested as Otto, Miller (using different camshafts) and as Miller VCR (using different camshafts and different pistons) configurations.

O objectivo das actividades de investigação e desenvolvimento em motores de combustão interna são a utilização racional dos combustíveis fósseis, minimização da emissão de gases tóxicos e redução da emissão de gases de efeito de estufa. Vários desenvolvimentos tecnológicos têm sido propostos para a redução do consumo de combustível em motores. A integração sistemas de variação da abertura de válvulas (VVT), a utilização de injecção directa e queima pobre são as soluções mais comuns propostas pelos fabricantes de motores e centros de investigação para atingir aqueles objectivos, paralelamente com os sistemas de tratamento de gases de escape. Os motores de automóveis, na maior parte do tempo, são usados em condições de carga parcial e nestas condições têm um rendimento térmico baixo. Isto é causado principalmente pela utilização da válvula de borboleta para o controlo da carga do motor e uma consequente redução da taxa de compressão efectiva. Assim, o consumo de combustível em transportes pode ser reduzido se o desempenho dos motores em condições de carga parcial for melhorado. Neste trabalho foi desenvolvida uma análise teórica, a diferentes ciclos de motores de combustão interna usando a termodinâmica clássica. O objectivo é avaliar o comportamento de cada ciclo em termos de rendimento térmico ao longo da gama de carga do motor. Foram analisados quer motores de ignição comandada, quer motores de ignição por compressão. Provou-se que o ciclo Miller (ciclo sobre-expandido), o Diesel e o dual conduzem a melhorias em relação ao ciclo convencional de ignição comandada (Otto) em condições de operação a carga parcial. Foram também analisados ciclos sobrealimentados, revelando-se que os ciclos de ignição por compressão beneficiam com a utilização desta técnica, enquanto que os ciclos de ignição comandada têm o seu rendimento reduzido com a utilização da sobrealimentação. Foi desenvolvido um modelo computacional para simulação de motores de ignição comandada em regime estacionário, sendo posteriormente calibrado com os dados resultantes de ensaios de motores. Este modelo foi implementado em Matlab – Simulink. Inclui sub-modelos para o cálculo de temperatura e pressão, cálculo das propriedades dos gases, combustão, transferência de calor, transferência de massa e atrito. Este modelo foi alargado para o cálculo da entropia gerada durante o ciclo do motor. As simulações revelaram uma melhoria em termos de consumo com a utilização de sobre-expansão e uma melhoria ainda superior quando é combinada a sobreexpansão e a optimização da taxa de compressão. Ao mesmo tempo, a quantidade de entropia gerada reduz-se quando é utilizada a sobre-expansão combinada com a variação da taxa de compressão. Foram executados testes em banco para a obtenção de dados experimentais que corroborem os resultados teóricos. Foi testado um motor Diesel de injecção directa monocilíndrico que posteriormente foi modificado para trabalhar como motor de ignição comandada. Isto permitiu a comparação directa entre motores de ignição comandada e motores de ignição por compressão. Foram utilizadas várias árvores de cames para executar diferentes tempos de fecho da válvula de admissão (VVT) e vários pistões para executar diferentes taxas de compressão (variação da taxa de compressão - VCR). O motor, na versão de ignição comandada, foi testado como Otto, Miller (utilizando diferentes árvores de cames) e como Miller VCR (utilizando diferentes árvores de cames e diferentes pistões).