Förbränningsmotorer
Per Tunestål
[email protected]
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
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
Översikt
●
Förbränningsmotorns uppbyggnad
●
Förbränningsförloppen
●
Avgaser – emissioner
●
Tredje typen av förbränningsmotor – HCCI
●
Varför ni alla skall läsa kurserna i
förbränningsmotorer
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!
Översikt
●
Förbränningsmotorns uppbyggnad
●
Förbränningsförloppen
●
Avgaser – emissioner
●
Tredje typen av förbränningsmotor – HCCI
●
Varför ni alla skall läsa kurserna i
förbränningsmotorer
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)
Översikt
●
Förbränningsmotorns uppbyggnad
●
Förbränningsförloppen
●
Avgaser – emissioner
●
Tredje typen av förbränningsmotor – HCCI
●
Varför ni alla skall läsa kurserna i
förbränningsmotorer
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!