Moottoripalaminen fysiikkaa vai kemiaa? Teknologiateollisuus ry Moottoritekniikan seminaari Professori Aalto-yliopisto
Fysiikkaa... Lähde: Vuorinen Slide 2
vai kemiaa? Kemiallisen reaktion nopeus v = k( ) k = Ae n C A ) ( CB E a RT m Lähde: Warnatz Slide 3
Kemiallinen tasapaino Lähde: Heywood Slide 4
Moottoripalaminen Ottomoottorit: turbulenttinen esisekoituspalaminen, seos sytytetään y yleisimmin kipinällä. Kuva optisesta moottorista männän läpi. Kuva: Gurpreet Singh, DOE Slide 5
Moottoripalaminen Dieselmoottorit: turbulenttinen sekoittumisen ohjaama palaminen, puristussytytys. Kuva optisesta moottorista männän läpi. Kuva: Gurpreet Singh, DOE Slide 6
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
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
Ottomoottoripalaminen Palamisen kulku 10% ja 90% selkeästi mitattavissa Palaminen kammenkulmissa kasvaa vain vähän pyörimisnopeuden suhteen Kuvat: Heywood Slide 9
Ottomoottoripalaminen (ms) pyörimisnopeuden (r/min) funktiona Palaminen nopeutuu selvästi pyörimisnopeuden kasvaessa Slide 10
Liekin etenemisnopeus ottomoottorissa Liekin etenemisnopeus seisovassa kaasussa luokkaa 0.3 0.4 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
Ottomoottoripalaminen dm dt e = ρ unburned A flame( u + SL ) SAE 2010-01-0175 Palamisen nopeus (massa joka siirtyy palamattomasta vyöhykkestä palaneeseen vyöhykeeseen) riippuu turbulenssin intensiteetistä ja laminaarisen liekin nopeudesta (nopeus seisovassa kaasussa). Kuva: Heywood Slide 12
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
Ottomoottoripalaminen ja nakutus Nakutus,,paineaaltoja jotka aiheuttavat särinää ja painepiikkejä Kuva: Heywood Slide 14
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
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
Dieselpolttoainesuihku Kuva: Hillamo Slide 17
Dieselpolttoainesuihku Kuva: Stiesch Slide 18
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
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
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
Kemiaa Typenoksidien muodostuminen CO:n hapettuminen CO2 O + N N + O 2 2 = NO + N = NO + O N + OH = NO + H Slide 22
Kemiaa ja fysiikkaa, hiukkasten muodostuminen Slide 23
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
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 2010-01-0175 0175 Slide 25