Päästötön moottoripalaminen

Transkriptio

1 Päästötön moottoripalaminen Martti Larmi, Johanna Wahlström, Kalle Lehto Polttomoottorilaboratorio, TKK Päästötön moottoripalaminen Polttomoottoritekniikan vastuualue on tulevaisuuden moottoritekniikkaan suuntautunut yliopistotason tutkimus- ja opetusyksikkö. Tieteellisen tutkimuksen kiinnostuksen kohteena ovat sylinterin sisäiset fysikaaliset ilmiöt sekä tulevaisuuden polttoaineet moottoritekniikassa. Tutkimuksen tavoitteet Uuden palamistekniikan kehittäminen suuriin dieselmoottoreihin Päästöjen, kuten typenoksidit ja pienhiukkaset, oleellinen vähentäminen Moottoritekniikan tuotekehityksen tukeminen Projektin aikajänne

2 Esisekoitus- ja matalalämpötilapalaminen Kuva: Gurpreet Singh, DOE Projektin vaiheet Kirjallisuustutkimus ja eri tekniikoiden selvitys Optisen moottorin rakentaminen Palamisstrategian valinta Palamisen toteutuksen suunnittelu CFD:n avulla PIV/LIF-mittaukset optisella moottorilla Moottorikokeet osakuormalla

3 Optinen moottori Kuva: Sandia National Laboratories Optinen moottori Kuva: Sandia National Laboratories

4 Mittauksia kaksoispulssilaserilla PIV-menetelmä Kuva: LaVision GmbH Virtauskenttien mittaus Kuva: Pekka Rantanen TKK

5 Laskennallinen virtausmekaniikka ja polttoainesuihkun simulointi Kuva: Ossi Kaario TKK/VTT Päästömääräysten kehittyminen PM g/kwh 0,30 0,36 Euro I ,25 0,20 0,15 0,10 US ,05 0,02 0, , Euro V , Euro III 2000 Euro IV Euro II NO x g/kwh kuva: H. Aatola, TKK

6 Ilmapäästöt dieselmoottoreista Hiukkaset Polttoaineen kulutus NOx-PM trade-off CO 2 -päästöt Uudet päästörajoitukset NO x -päästöt Matalalämpötilapalaminen (LTC) 1. Matalalämpötilapalaminen => typenoksidipäästöt alas 2. Esisekoituspalaminen => ei hiukkaspäästöjä 3. Puristussytytys ja dieselprosessi => korkea hyötysuhde

7 Matalalämpötilapalamisen ominaisuuksia Lähes homogeeninen seos ja matala palamislämpötila Syttyminen tapahtuu monissa pisteissä samanaikaisesti Kemialliset reaktiot ohjaavat syttymistä Ei suoraa sytytyksenkäynnistyskeinoa kuva: Caterpillar LTC palamisprosessi palaminen on kemiallisten reaktioiden ohjaamaa matalan lämpötilan reaktiot ( K) määräävät syttymisen ajoituksen palamisprosessin vaiheet: ensimmäiset palamisreaktiot kasvava kemiallinen aktiivisuus uusien syttymisydinten muodostuminen kuva: T. Ryan, SwRI

8 Seoksen muodostaminen vaatimukset: seoksen lämpötila oikea puristustahdin jälkeen tarpeeksi laimennettu täytös, jotta palamisnopeus on sopiva λ=2-6 pakokaasujen takaisinkierrätys % polttoaineen ruiskutustapa (aikainen, myöhäinen, useita ruiskutuksia) turbulenssin merkitys pienempi kuin perinteisissä moottoreissa epähomogeenisuudet seoksessa vaikuttavat sytytyksen ajoitukseen ja moottorin päästöihin Matalat NOx- ja PM-päästöt kuva: Alriksson ja Denbratt, Chalmers University of Tech.

9 Korkeat CO- ja HC-päästöt HC- ja CO päästöt kasvavat matalamman palamislämpötilan ja epätäydellisen palamisen takia kuva: Alriksson ja Denbratt, Chalmers University of Tech. Säätökeinoja pakokaasujen takaisinkierrätys imuilman lämpötilan säätäminen polttoaineen ruiskutuksen ajoitus jaksotettu ruiskutus syttymistä parantavien tai hidastavien aineiden lisäys polttoaineeseen puristussuhde säädettävä venttiilien ajoitus

10 LTC:n ongelmia syttymisen ajoitus ja palamisprosessin hallinta rajallinen käyttöalue kylmäkäynnistys ja toiminta muuttuvalla kuormalla HC- ja CO-päästöt sopiva polttoaine Erilaisia LTC-konsepteja HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition): laiha esisekoitettu seos luodaan imukanavassa MK (Modulated Kinetics): myöhäinen suoraruiskutus, jäähdytettyjen pakokaasujen takaisinkierrätys, matalampi puristussuhde, suurempi vaakapyörre PCI (Premixed Compression Ignition)/PREDIC (Premixed lean Diesel Combustion): aikainen suoraruiskutus, osittain homogeeninen seos muodostetaan puristustahdin aikana UNIBUS (Uniform Bulky Combustion): aikainen ja myöhäinen suoraruiskutus CAI (Controlled Auto-Ignition): säädettävä venttiilien ajoitus, pakokaasujen takaisinkierrätystä käytetään täytöksen sytyttämiseen, bensiinikäyttöinen

11 LEO = Low Emission Optical engine rakennetaan SisuDiesel Oy:n kuusisylinterisestä moottorista moottorin ohjaus- ja mittausjärjestelmä tehdään itse ensimmäisessä vaiheessa moottorin yhden sylinterin ja kannen väliin sijoitetaan ikkunoitu korokeosa. toisessa vaiheessa korotetaan kantta enemmän ja varustetaan myös mäntä ikkunalla, jolloin saadaan näkyvyys suurempaan osaan palotilaa LEO I version speksejä Perusmoottori Sisu 84 CTA Mittauspyörimisnopeus (600) rpm Sylinteripaine max. 120 bar Puristussuhde 14:1 Kannen korotus 70 mm, ikkunan korkeus 60 mm 5. sylinteri = mittaussylinteri Ahtoylipaine 0-3 bar Ahtoilman lämpötila C Öljykierto moottorin oma Erillinen vesipiiri, jossa lämmitys- ja jäähdytysmahdollisuus

12 LEO Kannen korotus Kuva: T. Olenius, TKK LEO Kannen korotus Kuva: T. Olenius, TKK

13 LEO Kannen korotus Kuva: T. Olenius, TKK LEO Männät Mittausmäntä Muut männät Kuva: T. Olenius, TKK

14 LEO - Kokoonpano Tasaajasäiliö Ahtoilmaputki Jarrumoottori Jäähdytys-/lämmitysvesijärjestelmä Ahtoilman lämmitin Pakoputki Kuva: H. Kuutti, TKK LEO - Tulevaa I versio ajokunnossa maaliskuussa 2007 II versio periaatekuva Ensimmäiset laser-mittaukset kesällä 2007 II versio valmiina alkuvuodesta 2008 Kuva: PSA Peugeot Citroën