Low Temperature Combustion - Päästötön moottoripalaminen Johanna Wahlström ja Kalle Lehto TKK Polttomoottoritekniikka Tekes - teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskus Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiö Sisu Diesel Oy
Päästötön moottoripalaminen TKK Polttomoottoritekniikka 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 2006 2008
Projektin vaiheet Kirjallisuustutkimus ja eri tekniikoiden selvitys Optisen moottorin rakentaminen Palamisstrategian valinta Palamisen toteutuksen suunnittelu CFD:n avulla Moottorikokeet osakuormalla LIF-mittaukset optisella moottorilla (OH ja NO)
Päästömääräysten kehittyminen PM g/kwh 0,30 0,36 Euro I 1992 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,02 0,0134 0 US 2010 0,268 0 1 Euro V 2008 3,5 2 3 4 Euro III 2000 Euro IV 2005 5 Euro II 1998 6 7 8 NO x g/kwh kuva: H. Aatola, TKK
Ilmapäästöt dieselmoottoreista Hiukkaset Polttoaineen kulutus CO 2 -päästöt NOx-PM trade-off Uudet päästörajoitukset NO x -päästöt
Matalalämpötilapalaminen tavoitteet 1. Matalalämpötilapalaminen => typenoksidipäästöt alas 2. Esisekoituspalaminen => ei hiukkaspäästöjä 3. Puristussytytys ja dieselprosessi => korkea hyötysuhde
LTC-prosessin ominaisuuksia Lähes homogeeninen seos ja matala palamislämpötila Syttyminen monissa pisteissä samanaikaisesti Kemialliset reaktiot ohjaavat syttymistä Ei suoraa sytytyksenkäynnistyskeinoa
LTC palamisprosessi matalan lämpötilan reaktiot (700-1000 K): eteneminen riippuu lämpötilasta, paineesta, polttoaineesta ja seoksen koostumuksesta määräävät syttymisen ajoituksen korkean lämpötilan reaktiot alkavat n. 1000-1100K:ssa palamisprosessin vaiheet: ensimmäiset palamisreaktiot kasvava kemiallinen aktiivisuus uusien syttymisydinten muodostuminen kuva: T. Ryan, SwRI
Seoksen muodostaminen vaatimukset: seoksen lämpötila oikea puristustahdin jälkeen tarpeeksi laimennettu täytös, jotta palamisnopeus on sopiva pakokaasujen takaisinkierrätys polttoaineen ruiskutustapa (aikainen, myöhäinen, useita ruiskutuksia) turbulenssin merkitys pienempi kuin perinteisissä moottoreissa epähomogeenisuudet seoksessa vaikuttavat sytytyksen ajoitukseen ja moottorin päästöihin
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): kaksi suoraa ruiskutusta: ensimmäisellä muodostetaan homogeeninen seos ja toista käytetään sytytykseen CAI (Controlled Auto-Ignition): säädettävä venttiilien ajoitus, pakokaasujen takaisinkierrätystä käytetään täytöksen sytyttämiseen, bensiinikäyttöinen
LTC:n haasteita syttymisen ajoitus ja lämmönvapautumisen hallinta säätö jokaisella moottorisyklillä korkeat HC- ja CO-päästöt sekoittumisen parantaminen ruiskutuksen optimointi ilmakertoimen ja EGR:n määrän optimointi rajallinen käyttöalue LTC pienillä kuormilla ja tavallinen palaminen suuremmilla kuormilla kylmäkäynnistys ja toiminta muuttuvalla kuormalla sopiva polttoaine
LTC diesel-polttoaineella diesel-polttoaine sopii huonosti ltc-prosessiin ongelmat: polttoaineen ja ilman sekoittuminen, sytytyksen ajoitus ja lämmönvapautumisnopeuden hidastaminen tärkeimmät parametrit: tunkeuma, seoksen muodostaminen ja laimennus EGR pääasiallinen keino pienentää palamisnopeutta ja alentaa lämpötiloja EGR-aste yleensä 40-60%
Ruiskutuksen ajoitus aikainen ruiskutus aikaa homogeenisen seoksen muodostamiseen suihku osuu helposti sylinterin seiniin myöhäisempi aikainen ruiskutus korkeampi lämpötila ja paine -> höyrystyminen nopeampaa myöhäinen ruiskutus (lähellä yläkuolokohtaa) homogeenisen seoksen muodostaminen vaikeampaa-> epähomogeenisuuksia palamisen ajoitus voidaan säätää paremmin, mm. MK useita ruiskutuksia parantaa sekoittumista vähentää polttoaineen osumista sylinteriin seiniin jaettu ruiskutus: ensimmäisellä ruiskutuksella luodaan homogeeninen seos ja toisella säädetään syttymisen ajoitusta
Keinoja parantaa sekoittumista Kapeampi suutinkulma Suurempi ruiskutuspaine Suuttimen reikien määrän lisäys
LTC-tutkimus optisella moottorilla Palamisprosessi kuvataan LIF-menetelmällä kuva: Lundin yliopisto kuva: P. Monkhouse, Nijmegenin yliopisto kuva: Kirchweger et al. 2007
LEO = Low Emission Optical engine Yksisylinterinen optinen tutkimusmoottori rakennettu SisuDieselin kuusisylinterisestä moottorista moottorin ohjaus- ja mittausjärjestelmä tehty/tehdään itse ensimmäisessä vaiheessa moottorin yhden sylinterin sylinteriputkea on jatkettu kvartsilasirenkaalla 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) 1000-1400 rpm Sylinteripaine max. 120 bar Puristussuhde 14:1 Kannen korotus 70 mm, ikkunan korkeus 60 mm Erilaisia polttoaineen ruiskutussuuttimia Ahtoylipaine 0-3 bar Ahtoilman lämpötila 30-90 C Säädettävä EGR (typpi) Öljykierto moottorin oma Erillinen vesipiiri, jossa lämmitys- ja jäähdytysmahdollisuus
LEO - ikkunointi ja sylinterinkannen korotus
LEO - ikkunointi ja sylinterinkannen korotus
LEO - kokoonpano
Ikkuna- ja metallirengas kvartsilasinen ikkunarengas voidaan korvata jäähdytetyllä metallisella renkaalla
LEO Männät Mittausmäntä Muut männät Kuva: T. Olenius, TKK
LEO - Tulevaa LTC-kokeita alkuvuodesta 2008 II versio periaatekuva optisia mittauksia alkaen keväällä 2008 II versio Kuva: PSA Peugeot Citroën