Moottoripalaminen fysiikkaa vai kemiaa?

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Moottoripalaminen fysiikkaa vai kemiaa?"

Reijo Nurmi
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Moottoripalaminen fysiikkaa vai kemiaa? Teknologiateollisuus ry Moottoritekniikan seminaari Professori Aalto-yliopisto

2 Fysiikkaa... Lähde: Vuorinen Slide 2

3 vai kemiaa? Kemiallisen reaktion nopeus v = k( ) k = Ae n C A ) ( CB E a RT m Lähde: Warnatz Slide 3

4 Kemiallinen tasapaino Lähde: Heywood Slide 4

5 Moottoripalaminen Ottomoottorit: turbulenttinen esisekoituspalaminen, seos sytytetään y yleisimmin kipinällä. Kuva optisesta moottorista männän läpi. Kuva: Gurpreet Singh, DOE Slide 5

6 Moottoripalaminen Dieselmoottorit: turbulenttinen sekoittumisen ohjaama palaminen, puristussytytys. Kuva optisesta moottorista männän läpi. Kuva: Gurpreet Singh, DOE Slide 6

7 Ottomoottoripalaminen Stökiömetrinen tai laiha seossuhde Laaja kuormitettavuus Huono hyötysuhde pienen puristussuhteen vuoksi ja erityisesti osakuormilla imuilman kuristamisesta johtuvien pumppaushäviöiden vuoksi Korkea palamislämpötila -> NOxpäästöjä Vaatii korkeaoktaanisen polttoaineen (vastustaa itsesytytystä), joka myös höyrystyy helposti. Kolmitoimikatalysaattori puhdistaa päästöt tehokkaasti. Kuva: Heywood Slide 7

vuoksi Korkea palamislämpötila -> NOxpäästöjä Vaatii korkeaoktaanisen polttoaineen (vastustaa

8 Ottomoottoripalaminen Viisi peräkkäistä työkiertoa ja suurta vaihtelua sylinteripaineissa? Palamisen kulku vaihtelee. Mistä on kyse? Turbulenssi ja seossuhteen vaihtelu erityisesti i ti tulpan lähellä llä selityksenä. Kuvat: Heywood Slide 8

9 Ottomoottoripalaminen Palamisen kulku 10% ja 90% selkeästi mitattavissa Palaminen kammenkulmissa kasvaa vain vähän pyörimisnopeuden suhteen Kuvat: Heywood Slide 9

10 Ottomoottoripalaminen (ms) pyörimisnopeuden (r/min) funktiona Palaminen nopeutuu selvästi pyörimisnopeuden kasvaessa Slide 10

11 Liekin etenemisnopeus ottomoottorissa Liekin etenemisnopeus seisovassa kaasussa luokkaa m/s 3000 r/min, 90% seoksesta palanut noin 3.5 ms aikana Laminaarinen liekkirintama etenisi noin 1.2 mm. Todellinen liekkirintaman etenemisnopeus on noin 40- kertainen tässä tapauksessa. Suurempi pyörimisnopeus => enemmän turbulenssia => nopeampi palaminen. Kuva: Heywood Slide 11

5 ms aikana Laminaarinen liekkirintama etenisi noin 1.2 mm.

12 Ottomoottoripalaminen dm dt e = ρ unburned A flame( u + SL ) SAE Palamisen nopeus (massa joka siirtyy palamattomasta vyöhykkestä palaneeseen vyöhykeeseen) riippuu turbulenssin intensiteetistä ja laminaarisen liekin nopeudesta (nopeus seisovassa kaasussa). Kuva: Heywood Slide 12

vyöhykkestä palaneeseen vyöhykeeseen) riippuu turbulenssin

13 Ottomoottoripalaminen ja nakutus Nakutus ei ole koko seoksen itsesyttymistä, vaan loppuseoksen syttymistä liekkirintaman ja jo palaneen vyöhykkeen ahdistamana. Nakutusta voi välttää säätämällä palamista myöhäisemmälle eli sytytysennakkoa pienennetään. Kuva: Heywood Slide 13

14 Ottomoottoripalaminen ja nakutus Nakutus,,paineaaltoja jotka aiheuttavat särinää ja painepiikkejä Kuva: Heywood Slide 14

15 Dieselpalaminen Korkeapaineinen polttoainesuihku => Suihkun pisaroituminen => Polttoaineen höyrystyminen => Polttoainehöyryn sekoittuminen => Syttyminen ja palaminen Laiha seos, ilmaylimäärä Korkea hyötysuhde Ei pumppaushäviöitä osakuormilla Vaatii polttoaineelta hyvää syttyvyyttä ttä ja sopivaa viskositeettia Typenoksidi ja hiukkaspäästöjä (Hyvin suunnitellulla palamisella voidaan päästöjä merkittävästi pienentää.) Kuva: Gurpreet Singh, DOE Slide 15

pumppaushäviöitä osakuormilla Vaatii polttoaineelta hyvää syttyvyyttä ttä ja sopivaa viskositeettia Typenoksidi

16 Dieselpalaminen Palamista ohjaa pääosin polttoainesuihku sekä myös sylinterin virtauskenttä. Palamisolosuhteet kuten tiheys ja lämpötila myös vaikuttavat. Nopeakäyntisissä moottoreissa vaakapyörre swirl tehostaa sekoittumista i t ja estää polttoainesuihkua törmäämästä palotila seinämiin. Kemia vaikuttaa ensisijaisesti syttymisvaiheessa. Palamista rajoittaa polttoainehöyryn ja ilman sekoittuminen. Kuva: Heywood Slide 16

Nopeakäyntisissä moottoreissa vaakapyörre swirl tehostaa sekoittumista i t ja estää polttoainesuihkua

17 Dieselpolttoainesuihku Kuva: Hillamo Slide 17

18 Dieselpolttoainesuihku Kuva: Stiesch Slide 18

19 Dieselpalaminen Keskinopea dieselmoottori osakuormalla Lämmön vapautuminen eli palamisen kulku Seos palaa sitä mukaan kuin sitä syntyy. Värähtely mittasignaalissa johtuu pääosin mittaustekniikasta. Kuva: Imperato Slide 19

20 Dieselpalaminen, palamisen simulointi Keskinopea dieselmoottori Palamisen simulointi: leikkauskuva yhdestä palotilan sektorista Tummansininen väri noin 900 K Punainen väri noin 2800 K Kuva: Kaario Slide 20

yhdestä palotilan sektorista Tummansininen väri

21 HCCI palaminen (tutkimusvaiheessa) Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) Partially Premixed Charge Compression Ignition (PCCI. PCI) Low Temperature Combustion (LTC) Korkea hyötysuhde, alhaiset päästöt Palamisen hallinta on vaikeaa. Mikä on sopiva polttoaine? Kemiallisen kinetiikan rajoittama palaminen. Pakokaasun takaisinkierrätysaste erittäin korkea, esim. 65% Kuva: Johansson, Lund Universitet Slide 21

22 Kemiaa Typenoksidien muodostuminen CO:n hapettuminen CO2 O + N N + O 2 2 = NO + N = NO + O N + OH = NO + H Slide 22

23 Kemiaa ja fysiikkaa, hiukkasten muodostuminen Slide 23

24 Päätelmiä ja pohdintaa Moottoreiden palamistekniikan kannalta fysiikka on keskeisessä asemassa - erityisesti virtausmekaniikka: ottomoottoreissa turbulenssitaso ja dieselmoottoreissa polttoainesuihku ja sekoittuminen. Turbulenssi on keskeisessä roolissa sekoittumisen edistäjänä. Myös uusissa suorasuihkutusottomoottoreissa tt tt i seoksen muodostus on oleellinen lli moottorin toiminnan kannalta. Kemiaa emme voi unohtaa erityisesti syttymisen ja päästöjen muodostumisen kannalta. Syttymiskemia ja syttymisolosuhteet liittyvät kiinteästi toisiinsa. Polttoaineiden fysikaaliset ominaisuudet ovat tärkeitä. (Tiheys, höyrynpaine, tislauskäyrä, viskositeetti, pintajännitys, lämmönjohtavuus,ominaislämpö, ym.) Kemiallinen kinetiikka (reaktionopeus) on palamisen säätelyn kannalta keskeisin tekijä vain nk. HCCI palamisessa, jota on aivan viime aikoina alettu kutsua nimellä Kinetically Controlled Combustion. Tällöin kemiaa on hidastamassa esim. 65% EGR aste. Slide 24

25 Lähteet ja kiitokset Warnatz: Combustion Heywood: Internal Combustion Engine Fundamentals Stiesch: Modeling Engine Spray and Combustion Processes Gurpreet Singh, DOE, USA Bengt Johansson, Lund Universitet Ville Vuorinen, Aalto-yliopisto Harri Hillamo, Aalto-yliopisto Matteo Imperato, Aalto-yliopisto Ossi Kaario, Aalto-yliopisto Robert Gary Prucka et al. SAE Slide 25

Samankaltaiset tiedostot

Päästötön moottoripalaminen

Päästötön moottoripalaminen Martti Larmi, Johanna Wahlström, Kalle Lehto Polttomoottorilaboratorio, TKK Päästötön moottoripalaminen Polttomoottoritekniikan vastuualue on tulevaisuuden moottoritekniikkaan