Förbränningsmotorer. Per Tunestål

Förbränningsmotorer Per Tunestål per.tunestal@energy.lth.se

Varför hålla på med förbränningsmotorer

Varför hålla på med förbränningsmotorer?

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

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

Varför hålla på med förbränningsmotorer?

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

Fyrtaktsmotorn

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

De fyra takterna animerat http://www.hk-phy.org/energy/transport/vehicle_phy/flash/petrol_e.swf

Motorns arbetscykel

Motorkonfigurationer V-motor Radmotor http://auto.howstuffworks.com/question366.htm Boxermotor

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

Ottomotorns förbränning Faser Gnistantändning Flampropagering Flamutsläckning Begränsad av knack Emissioner

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 0.30-0.45 m/s Räcker bara till ett varvtal av ca 300 rpm

Flamhastighet Laminär flamhastighet kemi Turbulent flamhastighet omblandning

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)

Inflytande av turbulensens längdskala

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

Cylindertryck

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

Kompromiss komp/knack

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

Dieselmotoranimering http://www.hk-phy.org/energy/transport/vehicle_phy/flash/diesel_e.swf

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

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

Klassisk diffusionsförbränning

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

Emissioner Kväveoxider NOx Kolväten HC Kolmonoxid CO Partiklar PM

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

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)

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

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

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

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

Före och efter katalysator

Lambdareglering

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

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

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!

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

Partiklar - NOx AutoTechnology Oct. 2002, p 54 HCCI USA 2007 0,01 PM * 0,00 0 0,2 NOx 0,5

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

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!