Design and Commissioning of a Novel Optical Prechamber for Combustion Studies in Medium-bore engine conditions

Abstract

The ongoing decarbonization of the transportation and energy sector has led to strong research and development efforts into cleaner and more efficient energy sources. Significant electrification of powertrains has been observed, but this technology suffers from poor scalability and low energy density. Increased utilization of renewable energy sources, such as wind and solar, in power generation has also increased the need for power grid stabilization. This is due to the intermittent nature of power generation from such renewable energy sources. The internal combustion engine still proves to be a critical component in energy generation and transportation and is continuously developed and optimized for improved performance and lower emissions. Alternative combustion strategies, such as lean combustion, allow higher efficiencies and reduced NOx and soot emissions for spark ignited engines. The trade-off is lowered ignitability of the air-fuel mixture and increased combustion variability. Prechamber combustion, also known as turbulent jet ignition, offers an effective enhanced ignition solution for lean combustion conditions. However, the events occurring inside the prechamber during engine operation are currently not well understood. This makes optimization of prechamber combustion systems difficult, creating a need for more extended research into the details of prechamber combustion.

To enable this type of research, the goal of this thesis work was to design and commission an optical prechamber test rig based on the geometry of a Wärtsilä medium bore engine. The optical prechamber test rig was built up of a novel optically accessible prechamber that was mounted onto a rapid compression expansion machine. The optical prechamber featured mul-tiple optical access points, to enable visualization of the events inside the prechamber, and the rapid compression expansion machine was used to create highly controlled engine relevant flow and combustion conditions inside the optical prechamber. The optical prechamber was equipped with a set of temperature and pressure sensors, which were logged on a computer through a data acquisition system. Optical diagnostics utilizing natural chemiluminescence and schlieren were applied at high framerates, utilizing highspeed cameras. The assembled optical prechamber test rig was subjected to an extensive commissioning process, validating the set targets for operational safety, and functionality.

The thesis proves that the designed optical prechamber test rig can visualize the subsequent events inside of the prechamber, providing a solid tool for extensive prechamber combustion research. Natural chemiluminescence and Schlieren images of prechamber flow, ignition, and combustion were captured successfully, which could be used in prechamber combustion mod-elling validation and to increase the understanding of prechamber combustion in general.

Den pågående avkarboniseringen av transport- och energisektorn har lett till omfattande forsknings- och utvecklingsinsatser för att uppnå renare och effektivare energikällor. Betydande elektrifiering av drivlinor har observerats, men denna teknik lider av dålig skalbarhet och låg energitäthet. Ökat utnyttjande av förnybara energikällor, såsom vind och sol, vid elproduktion har också ökat behovet för stabilisering av elnätet. Detta beror på den intermittenta naturen relaterat till kraftproduktion med sådana förnybara energikällor. Förbränningsmotorn visar sig fortfarande vara en kritisk komponent i energiproduktion och transporter, och utvecklas kontinuerligt samt optimeras för högre prestanda och lägre utsläpp. Alternativa förbränningsstrategier, såsom mager förbränning, ger högre verkningsgrad och minskade NOx- och sotutsläpp. Nackdelar med mager förbränning är lägre tändbarhet av luft-bränsleblandningen och ökad förbränningsvariabilitet. Förkammar-förbränning utgör en effektiv tändningslösning vid magra förbränningsförhållanden. Förbränningsförloppet inuti förkammaren vid motordrift är dock för närvarande inte väl förstått. Detta försvårar optimering av förbränningssystem försedda med förkammare, vilket skapar ett behov av mer omfattande forskning kring detaljerna vid förkammar-förbränning.

För att möjliggöra denna typ av forskning var målet med detta examensarbete att konstruera och idriftsätta en testrigg med en optisk förkammare, baserad på geometrin från en medelstor Wärtsilä motor. Testriggen med optisk förkammare består av en konstruerad optisk förkammare som monterades på en rapid compression expansion machine. Den optiska förkammaren hade optisk åtkomst in till förkammren, för att möjliggöra visualisering av händelserna inuti förkammaren. Rapid compression expansion machine användes för att skapa motorrelevanta flödes- och förbränningsförhållanden inuti den optiska förkammaren. Den optiska förkammaren var utrustad med temperatur- och trycksensorer, som lästes av på en dator genom ett datainsamlingssystem. Optisk diagnostik, så som natural chemiluminescence och schlieren, tillämpades med höghastighetskameror. Testriggen genomgick en omfattande idriftsättningsprocess, som bekräftade målen gällande driftsäkerhet och funktionalitet.

Examensarbetets resultat visar att den konstruerade testriggen kan visualisera förbränningsförloppet inuti förkammaren, och fungera som ett verktyg för fördjupad forskning inom förkammar-förbränning. Natural chemiluminescence och Schlieren-bilder av förkammarens flöde, tändning och förbränning fångades framgångsrikt. Dessa bilder kan användas vid optimering av modeller av förkammar-förbränning och för att öka förståelsen av förkammar-förbränning i allmänhet.