Förbränningsmotorer. Per Tunestål

Transkript

1 Förbränningsmotorer Per Tunestål

2 Varför hålla på med förbränningsmotorer

3 Varför hålla på med förbränningsmotorer?

4 Förbränningsmotorforskning = Aktivt miljöarbete Lokala emissioner: NOx HC CO PM Globala emissioner (växthuseffekt): CO2 dvs. bränsleförbrukning

5 Hur länge klarar vi oss utan förbränningsmotorer? Mataffärer har ett lager för några dagars försäljning som högst Efter ett par veckor är det helt tomt Efter ytterligare några veckor har vi alla dött av svält Alla leveranser till affärer sker med förbränningsmotordrivna lastbilar Max en månad utan motorer alltså

6 Varför hålla på med förbränningsmotorer?

7 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer

8 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer

9 Fyrtaktsmotorn

10 Fyrtaktsmotorns geometri Bore = Borrning Stroke = Slag Vd = Slagvolym Vt = Totalvolym Vc = Kompressionsvolym TC=TDC=ÖD= Övre Dödläget BC=BDC=ND= Nedre Dödläget

11 De fyra takterna animerat

12 Motorns arbetscykel

13 Motorkonfigurationer V-motor Radmotor Boxermotor

14 Motortyper Ottomotorn Bränsle och luft blandas innan förbränningen Antändning med gnista strax innan ÖD Relativt lågt kompressionsförhållande Vanligaste bränslet: bensin Dieselmotorn Bränslet sprutas in i cylindern strax innan ÖD Antändning sker spontant pga kompressionstemperaturen Relativt högt kompressionsförhållande Vanligaste bränslet: Dieselolja

15 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer

16 Ottomotorns förbränning Faser Gnistantändning Flampropagering Flamutsläckning Begränsad av knack Emissioner

17 Laminär flamhastighet A/F Energibalans mellan 1 atm, 300 K Värmefrigörelse från förbränning Uppvärmning av obränd blandning φ 1.1 ger högst hastighet SL vanligtvis m/s Räcker bara till ett varvtal av ca 300 rpm

18 Flamhastighet Laminär flamhastighet kemi Turbulent flamhastighet omblandning

19 Turbulent flamutbredning Strömningen i en ottomotor är långt ifrån laminär Turbulent strömning i cylindern påverkar flamutbredningen på två sätt Ökad omblandning (småskalig turbulens) Vikning och förflyttning av hela flamsegment (storskalig turbulens)

20 Inflytande av turbulensens längdskala

21 Knackning Förbränningen ges av en kapplöpning mellan flamma och självantändning Hög temperatur och tryck under tillräckligt lång tid ger självantändning framför flamman Självantändning sker samtidigt överallt Våldsam tryck-, temperaturökning Stående tryckvågor med hög amplitud

22 Cylindertryck

23 Hur skadar knack? Tryckoscillationen ger ökad värmeöverföring Förhöjd temperatur på väggar och kolv Material kan börja smälta Tryckoscillationen kan även slå sönder material direkt

24 Kompromiss komp/knack

25 Oktantal Mäts genom jämförelse med referensbränsle Iso-oktan, oktantal 100 N-heptan, oktantal 0 Två mätmetoder Research Motor Högre varvtal och insugstemperatur

26 Dieselmotoranimering

27 Klassisk modell av förbränningen 1. Tändfördröjning 2. Förblandad förbränning 3. Diffusions-förbränning

28 Cetantal Mått på ett bränsles tändfördröjning N-hexadekan (Cetantal 100) Heptametylnonan (Cetantal 15) (α-metylnaftalen, Cetantal 0) Högt oktantal Lågt cetantal

29 Klassisk diffusionsförbränning

30 Kvasistationär förbränning enligt Dec Högre insprutningstryck i moderna motorer ger mer förblandad förbränning!

31 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer

32 Emissioner Kväveoxider NOx Kolväten HC Kolmonoxid CO Partiklar PM

33 Koldioxid, CO2 Bildas vid all förbränning av kolväten Orsakar klimatförändring Minskas genom Organiskt bränsle Bränsle med mindre kol (CH4) Minskad bränsleförbrukning

34 Kväveoxider, NOx Orsakar fotokemisk smog Andningsbesvär Skador på växter Skador på material Försurar Bildas som Termisk NOx (hög temperatur) Prompt NOx (Komplicerade snabba reaktioner) Bränsle-NOx (Kväve i bränslet)

35 Obrända kolväten, HC Ofullständig förbränning genom Flamsläckning i spalter Flamsläckning och adsorption vid väggar Absorption i oljefilm Misständning vid för hög utspädning Kortslutning mellan insug och avgaser Normalt 2-10% av bränslemängden

36 Kolmonoxid, CO Bildas när förbränning sker med syrebrist Normalt när motorn körs fett Kan vara lokalt betingad (inhomogen blandning) Även en naturlig delprodukt som normalt sett oxideras vidare till koldioxid

37 Partiklar (sot) Bildas vid fet (bränslerik) förbränning, Φ>2 Binder giftiga kolväten Deponeras i lungorna och orsakar lungcancer Orsakar nedsmutsning Orsakar smog

38 Efterbehandling med katalys Ädelmetaller (Pt, Rh, Pd) gynnar ytreaktioner Används i katalysatorer för att oxidera obrända produkter (HC, CO) Kan även reducera NOx Trevägskatalysatorer gör allt på en gång Kräver stökiometrisk förbränning

39 Före och efter katalysator

40 Lambdareglering

41 Efterbehandling i dieselmotorer Kan inte använda 3vägskatalysator Kör alltid magert! DeNOx-katalysator NOx-lagrande SCR Partikelfilter (sot) Oxiderande katalysator (HC, CO)

42 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer

43 HCCI Bakgrund Ottomotorn Ren Dålig verkningsgrad på dellast Dieselmotorn Hög verkningsgrad Smutsig Pumparbete Inhomogen förbränning Sot, NOx Kombinera de goda egenskaperna

44 Hur? Verkningsgraden Partiklar Undvik väldigt feta zoner Homogen, mager blandning NOx Kör magert Ingen trottling Håll temperaturen nere Homogen, mager blandning Alltså: Homogen, mager blandning!

45 Varför inte mager Otto? Otillräcklig värmefrigörelse för flampropagering när λ>1.8 Lägsta otrottlade last 6 bar BMEP Behöver kunna köra betydligt magrare

46 Partiklar - NOx AutoTechnology Oct. 2002, p 54 HCCI USA ,01 PM * 0,00 0 0,2 NOx 0,5

47 Lösning: HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Förbränningen sker överallt samtidigt med HCCI!

48 Översikt Förbränningsmotorns uppbyggnad Förbränningsförloppen Avgaser emissioner Tredje typen av förbränningsmotor HCCI Varför ni alla skall läsa kurserna i förbränningsmotorer För att en civilingenjör i maskinteknik bör veta vad en förbränningsmotor är!