Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI)

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ INśYNIERII MECHANICZNEJ
I INFORMATYKI
INSTYTUT MASZYN CIEPLNYCH
Streszczenie pracy magisterskiej pod tytułem:
Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI)
Engine Development For Vehicle Application
Student:
Olga Wojdas
Numer Albumu: 30403
Specjalność:
InŜynieria Energii
Promotorzy:
Dr Dariusz Asendrych,
Recenzent: Dr Emma Briec
Częstochowa, 2004
Spis treści
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Wprowadzenie..................................................................................................................... 3
Cel i zawartość pracy. ......................................................................................................... 3
Podstawy dotyczące spalania HCCI.................................................................................... 4
Rodzaje paliw stosowanych w silnikach HCCI .................................................................. 6
Kluczowe parametry kontroli spalania HCCI ..................................................................... 6
Zaawansowane systemy kontroli HCCI .............................................................................. 7
Narzędzia stosowane do rozwoju silników HCCI............................................................... 8
Dotychczasowe osiągnięcia w zastosowaniu silników HCCI............................................. 8
Wnioski i rekomendacje na przyszłość ............................................................................... 9
2
Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine Development For Vehicle
Application po przetłumaczeniu oznacza: Rozwój Silników HCCI Dla Zastosowań Pojazdów
Samochodowych.
Silniki HCCI to nowa koncepcja spalania pozwalająca na obniŜenie emisji tlenków azotu
(NOx) jak równieŜ sadzy przy równoczesnym polepszeniu sprawności. Zasada działania takiego
silnika to połączenie dotychczas istniejącego silnika wysokopręŜnego (Diesel) oraz benzynowego, a
mianowicie spręŜana jest mieszanka paliwa z powietrzem do momentu samozapłonu. Jak wiadomo,
w silniku benzynowym mieszanka wysokooktanowego paliwa z powietrzem spręŜana jest do
bezpiecznego (kontrolo walnego) zakresu po czym następuje wyładowanie iskry powodujące
zapłon. W przypadku silników Diesla spręŜane jest powietrze do bardzo wysokich ciśnień, a zapłon
następuje w momencie wtrysku paliwa o niewielkiej liczbie oktanowej, a wysokiej liczbie
cetanowej.
PoniŜej krótkie streszczenie kaŜdego z rozdziałów znajdującego się w pracy.
1.
Wprowadzenie
Kontekst dotyczący coraz to ostrzejszych przepisów regulujących wytwarzanie emisji. We
wprowadzeniu moŜna znaleźć wykresy przedstawiające ogólną tendencję rozwoju gospodarczego, a
co za tym idzie większe zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Celem tej części jest
naświetlenie istniejącego problemu wzrostu emisji oraz przedstawienie moŜliwych metod temu
zapobiegających. Takimi metodami jest wprowadzanie kolejnych dyrektyw, standardów i norm
dotyczących zmniejszenia emisji szkodliwych związków powstających na skutek spalania.
Wprowadzenie to nawiązuje i wyjaśnia przyczyny zainteresowania silnikami HCCI.
2.
Cel i zawartość pracy.
Celem pracy było przedstawienie zasady działania silników HCCI jak równieŜ szeroki
przegląd literatury traktującej to zagadnienie oraz ustalenie poziomu obecnego zastosowania owej
koncepcji. Celem było równieŜ porównanie silników HCCI z silnikami konwencjonalnymi jakimi
są silnik benzynowy i Diesla. Porównanie to przeprowadzone zostało pod kątem analizy wszelkich
zalet i wad istniejących zastosowań i koncepcji HCCI.
Jako Ŝe, spalanie HCCI jest stosunkowo nową dziedziną, obok zalet pojawia się wiele
problemów utrudniających ich zastosowanie. Jednym z zadań pracy, było przedstawienie tych
trudności oraz analiza ewentualnych rozwiązań.
3
3.
Podstawy dotyczące spalania HCCI
Rozdział ten przedstawia najistotniejsze cechy silnika HCCI, jaka jest zasada jego działania,
jakie wykazuje zalety, a jakie wady. Rys. 1 obrazuje cztery fazy takiego silnika:
1a)
to zassanie mieszanki powietrza z paliwem
1b)
spręŜanie mieszanki znajdującej się w cylindrze,
1c)
pierwsze oznaki samozapłonu,
1d)
natychmiastowe spalanie objętościowe.
Rysunek 1. Cztery kolejne fazy występujące w silniku HCCI
Zaletami nowej koncepcji silnika są:
W porównaniu do silników benzynowych:
wyŜsza sprawność wynikająca z :
eliminacji strat związanych z dławieniem;
zastosowania wyŜszych stopni spręŜania (wartości porównywalne do tych, które stosuje
się w silnikach Diesla z bezpośrednim wtryskiem paliwa);
krótszych czasów spalania (równoczesne podpalenie ładunku w wielu miejscach płomień nie rozprzestrzenia się w cylindrze);
zredukowana emisja NOx (uboŜsza mieszanka, niŜsza temperatura spalania).
W porównaniu do silników Diesla koncepcja HCCI wykazuje następujące zalety:
4
niŜsze emisje cząsteczek sadzy1 i NOx (dzięki spalaniu ubogiego w paliwo, wcześniej
wymieszanego ładunku zapobiega koncentracji wysokich temperatur); Mieszanka moŜe być
rozcieńczona za pomocą:
powietrza,
recyrkulacji gazów wylotowych,
kombinacji obydwu;
krótszy czas spalania dzięki wcześniejszemu wymieszaniu ładunku;
obniŜenie kosztów poprzez brak konieczności uŜycia wysokociśnieniowych wtryskiwaczy
paliwa.
Inne korzyści wynikające z zastosowania silników HCCI:
duŜa swoboda pod względem stosowanego paliwa;
moŜliwa powtarzalność procesu spalania przy zoptymalizowanych warunkach;
potencjał obniŜenia kosztów związanych z systemem kontroli emisji (katalizatory);
moŜliwość zastosowania spalania HCCI do róŜnych pod względem wielkości silników
uŜywanych w sektorze transportu jak równieŜ innych, np. wytwarzania energii elektrycznej.
Wyzwania związane ze spalaniem HCCI:
kontrola momentu zapłonu oraz dalszego procesu spalania,
trudności z rozruchem w niskich temperaturach powietrza,
wysoki poziom emisji niedopalonych węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO),
praca przy wysokich obciąŜeniach.
W tej części pojawia się równieŜ wniosek, Ŝe ze względu na bardzo znacznie obniŜoną emisje NOx
i mniejsze jednostkowe zuŜycie paliwa (wysoka sprawność, obniŜona produkcja dwutlenku węgla CO2), HCCI moŜe być alternatywą dla istniejących silników.
1
Zawieszone w gazie cząsteczki sadzy nasycone węglowodorami poliaromatycznymi, które są silnie rakotwórcze. Najgroźniejsze są
tak zwane cząsteczki PM 10, które ze względu na rozmiar bardzo łatwo przenikają do płuc.
5
4.
Rodzaje paliw stosowanych w silnikach HCCI
Jak juŜ wspomniano, silniki HCCI wykazują zdolności spalania róŜnej jakości paliw. Cecha ta
wynika bezpośrednio z zasady działania takiego silnika, a mianowicie z faktu, Ŝe mieszanka
spręŜana jest do momentu osiągnięcia temperatury samozapłonu. KaŜde paliwo na swoje
charakterystyczne cechy, jak liczby oktanowe, cetanowe, temperaturę samozapłonu itp. W celu
praktycznego wykorzystania paliw do silników HCCI naleŜy w pierwszej kolejności zbadać wyŜej
wymienione cechy i dokładnie określić zachowanie się poszczególnych rodzajów paliw w danych
warunkach.
Rozdział czwarty przybliŜa nieco cechy charakterystyczne takich paliw jak:
benzyna (powszechnie uŜywana w silnikach o zapłonie iskrowym),
olej napędowy („ropa” uŜywana w silnikach Diesla),
gaz naturalny,
ciekły gaz ropy naftowej – LPG,
metanol i etanol,
wodór,
oraz tak zwane paliwa referencyjne (PRFs – Primary Reference Fuels).
5.
Kluczowe parametry kontroli spalania HCCI
W kolejnym rozdziale uwaga skupiona jest na kluczowych parametrach kontroli spalania w
opisywanym rodzaju silnika. Ze względu na brak bezpośredniego parametru kontroli, jakim jest
iskra świecy zapłonowej w silniku benzynowym czy wtrysk paliwa pod wysokim ciśnieniem w
silniku Diesla, pośrednie parametry są niezmiernie istotne. Celem tego rozdziału jest omówienie
kilku takich parametrów, takich jak:
•
typ paliwa (wpływ składu chemicznego na przebieg reakcji procesu spalania),
•
bogatość mieszanki w paliwo,
•
recyrkulacja gazów wylotowych (EGR),
•
stopień spręŜania,
•
temperatura na wlocie,
•
jednorodność mieszanki,
•
a takŜe inne parametry wpływające na pracę silnika i jego sprawność w funkcji
prędkości obrotowych.
6
6.
Zaawansowane systemy kontroli HCCI
Rozdział szósty poświęcony jest opisowi zaawansowanych systemów kontroli spalania HCCI.
Rozdział ten to rozległy przegląd literatury powstającej na bazie badań naukowców z całego świata
zajmujących się tematyką m.in. udoskonalaniem takich systemów.
Jedną z metod jest zawracanie (recyrkulacja) gazów wylotowych, EGR, do komory spalania w
celu ich powtórnego uŜycia. W rozdziale szóstym moŜna znaleźć opis metod „łapania” tych gazów
jak równieŜ idee ich praktycznego wykorzystania poprzez zastosowanie zmiennych faz rozrządu
(VVT Variable Valve Timing, Zmienny Czas Otwarcia Zaworów). Oznacza to, Ŝe moŜliwe jest
sterowanie otwieraniem i zamykaniem zaworów ssących i wylotowych. Ta technika jest juŜ coraz
powszechniej stosowana w istniejących silnikach konwencjonalnych, a jej pierwotnym celem jest
regulacja momentu współotwarcia obu (ssącego i wylotowego) zaworów. Bez uŜycia koncepcji
VVT moment ten jest jednakowy dla kaŜdej prędkości obrotowej silnika. W przypadku, gdy jest on
ustawiony dla średnich, najczęściej uŜywanych prędkości obrotowych, wówczas nie jest on dobry
dla biegu jałowego (zbyt długi czas współotwarcia, przez co mieszanka ucieka wraz ze spalinami) i
wyŜszych obrotów (krótki czas współotwarcia powoduje, Ŝe część spalin pozostaje w komorze
spalania. Najczęściej, dotychczas stosowanym jest współotwarcie umoŜliwiające równy bieg jałowy
i łatwy rozruch. Zastosowanie VVT hydraulicznie zmienia kątowe połoŜenie wału rozrządu, co
umoŜliwia przyspieszenie kąta otwarcia i zamknięcia zaworów o kąt jaki wał rozrządu został
przestawiony, bez zmiany charakterystyki samego wału. Jednym z producentów samochodowych
stosujących takowe rozwiązanie jest Toyota, a silniki wyposaŜone w tą technologię oznaczone są
symbolem VVT-i. W silnikach takich czas współotwarcia zaworów jest nieduŜy, kiedy silnik
pracuje na niskich obrotach znacznie go wydłuŜając przy pracy na obrotach wysokich.
Innym rozwiązaniem moŜe być tzw. VCR (Variable Compression Ratio) czyli Zmienny
Stopień SpręŜania. Dotychczasowe zastosowanie stałego, zazwyczaj niskiego stopnia kompresji, w
silnikach benzynowych, wynika z niebezpieczeństwa spalania stukowego, które mogłoby wystąpić
przy zastosowaniu wysokiej wartości stopnia spręŜenia na wysokich obciąŜeniach silnika (nagłe
przyspieszenie, wysokie prędkości). Pamiętaj jednak naleŜy, Ŝe większość czasy pracy silnika
odbywa się na stosunkowo niskich obciąŜeniach, co oznacza, Ŝe stała (niska) wartość kompresji jest
daleka od optymalnego działania silnika poprzez co równieŜ zmniejszona jest jego sprawność.
PowyŜsza teoria dowodzi, Ŝe zastosowanie zmiennej kompresji mieszanki w zaleŜności od
obciąŜenia jest bardzo pozytywnym zjawiskiem. Biorąc pod uwagę niewielki zakres uŜytecznej
stosowalności silników HCCI, przedstawiona technologia wydaje się bardzo interesująca dlatego
teŜ jest przedmiotem rozwaŜam wielu naukowców oraz pokrótce przedstawiona w niniejszej pracy.
7
Oprócz wyŜej wspomnianych, istnieją równieŜ inne moŜliwości kontrolowania spalania. Jedna
z nich to bezpośredni wtrysk paliwa i jego róŜnorodne koncepcje. W pracy omówione są zalety
zastosowania takiego systemu w silnikach HCCI oraz przybliŜone są dwa jego pomysły, takie jak
wtrysk wielokrotny i wtrysk dwóch rodzajów paliw (wysoko- i niskooktanowych) w zaleŜności od
potrzeby (obciąŜenia w jakim znajduje się silnik w danym momencie).
Przedstawione systemy kontroli nie są odkryciem silników HCCI, często natomiast są ich
nieodłączną częścią, stąd teŜ pomysł na rozdział szósty.
7.
Narzędzia stosowane do rozwoju silników HCCI
Ta część pracy prezentuje rozwój i rezultaty dwóch powszechnie uŜywanych narzędzi jakimi
są:
•
eksperyment
•
modelowanie numeryczne.
Wiadomym jest, Ŝe spalanie jest niezmiernie trudne do zamodelowania co wynika to z istoty
tego bardzo skomplikowanego procesu, gdzie pojawiają się turbulencje, występują ruchome części
typu zawory czy tłok. Biorąc pod uwagę silniki HCCI, gdzie zapłon następuje spontanicznie i jest
kontrolowany poprzez bardzo skomplikowane reakcje chemiczne, symulacje komputerowe wydają
się tym bardziej trudne. Z tych teŜ powodów, na chwilę obecną większość wyników badań
pochodzi z eksperymentu. Modelowanie numeryczne jest jednak źródłem zainteresowania i
ciągłego rozwoju. Przykładowe rezultaty obydwu metod (eksperymentu i modelowania
numerycznego) jak równieŜ ich moŜliwości przedstawione są w rozdziale siódmym.
8.
Dotychczasowe osiągnięcia w zastosowaniu silników HCCI
Rozdział ósmy weryfikuje obecne przykłady zastosowania koncepcji spalania HCCI. Jako
pierwszy opisany jest silnik Nissan-a (tzw. Modulated Kinetics, MK), który częściowo działa jako
konwencjonalny Diesel (rozruch w niskiej temperaturze powietrza i wysokie obciąŜenia), a
częściowo w trybie HCCI (średnie obciąŜenie). Poprzez zastosowanie trzech zabiegów, jakimi są
zwiększony stopień zawirowania, opóźnienie wtrysku i zmniejszenie koncentracji tlenu,
inŜynierowie uzyskali znaczne obniŜenie poziomu emisji niedopalonych węglowodorów (HC),
sadzy i tlenków azotu (NOx), jak równieŜ zredukowali poziom hałasu, który towarzyszy duŜym
gradientom ciśnienia występującym w spalaniu HCCI. Otrzymane wyniki były wystarczająco
dobre, aby w 1998 roku wprowadzić takowy silnik na Japoński rynek oraz jego sprzedaŜy w ilości
8
2000 sztuk miesięcznie. W ówczesnym czasie wytyczono kolejne kroki które miały na celu
poszerzenie zakresu działania silnika w trybie HCCI.
Kolejnym przykładem zastosowania koncepcji spalania HCCI jest przestawiona w pracy
Honda Active Radical (AR). Honda AR to silnik dwusuwowy o zapłonie iskrowym i stosowany w
motocyklach. Ideologia tego zastosowania to równieŜ przełączanie między dwoma trybami jakimi
są silnik benzynowy i HCCI. Podobnie jak w przykładzie wcześniejszym konwencjonalny silnik o
zapłonie iskrowym stosowany jest do podpalenia mieszanki po czym, pracując przy średnich
obciąŜeniach, uŜywa trybu HCCI, a w momencie wysokich obciąŜeń powraca do tradycyjnego
rozwiązania. Przeprowadzone testy dowiodły, Ŝe sprawność silnika AR została podniesiona w
stosunku do pierwotnego (benzynowego) prototypu, jak równieŜ w znacznym stopniu zmniejszona
została produkcja HC i CO. Poziom NOx niestety utrzymany został na podobnym poziomie, a
nawet nieco zwiększony. Natomiast olbrzymią zaleta silnika AR jest zmniejszona konsumpcja
paliwa, a co za tym idzie równieŜ i CO2.
Dodatkowo przytoczono kilka innych pomysłów spalania w trybie HCCI, jakimi są UNIBUS,
czyli zasada późnego wtrysku paliwa, silnik Toyoty wykorzystujący podwójny wtrysk, czy teŜ
francuski pomysł NADI traktujący o wtrysku paliwa pod specyficznym kątem.
9.
Wnioski i rekomendacje na przyszłość
Silniki HCCI charakteryzują się wysoką sprawnością, niską koncentracją szkodliwych
cząsteczek sadzy (jak np. cząsteczki PM) oraz bardzo niską emisją NOx. Porównując te wartości do
silników konwencjonalnych , w szczególności pracujących przy średnich obciąŜeniach,
otrzymujemy całkowicie inne rezultaty. Biorąc pod uwagę bardzo wysoko rozwinięte silniki Diesla
czy teŜ te o zapłonie iskrowym, wydaje się, Ŝe niewiele moŜna juŜ polepszyć ich sprawność,
chociaŜby z punktu widzenia fizyki. Aby spełnić rygorystyczne normy dotyczące składu spalin
naleŜy iść w kierunku rozwoju systemów takich jak katalizatory, bądź teŜ rozwijać nowe, lepsze
technologie spalania. Niniejsza praca prezentuje wiele zalet spalania HCCI, które jest w stanie z
łatwością spełnić obowiązujące normy biorąc pod uwagę średnie zakresy obciąŜenia silnika.
Niestety, obok tych zalet pojawia się wiele trudności, które ograniczają moŜliwość powszechnego
wykorzystania tej nowej koncepcji silnika. Niemniej jednak, przykłady zaprezentowane w rozdziale
ósmym dowodzą o moŜliwości choćby częściowego wykorzystania trybu spalania HCCI. Trudno
powiedzieć czy istniejące problemy związane z nową koncepcja są w pełni moŜliwe do pokonania,
naleŜy jednak pamiętać, Ŝe jest to stosunkowo nowa, warta badań dziedzina w szczególności biorąc
pod uwagę jej zalety.
9
Charakterystyczne cechy silnika HCCI to:
•
niskie zuŜycie paliwa (porównywalne do Diesla, a ok. 20% lepsze niŜ w silniku
benzynowym),
•
skrajnie niskie emisje NOx i sadzy,
•
zjawisko samozapłonu poprzez spręŜanie,
•
zapłon i proces spalania kontrolowany poprzez reakcje chemiczne.
NaleŜy pamiętać, Ŝe:
wprowadzenie silników HCCI nie będzie szczególnie rozsądne dopóki zuŜycie paliwa nie
będzie znacznie niŜsze od Diesla,
nowoczesne silniki benzynowe są coraz to lepsze, mające duŜą sprawność. Dodatkowo,
biorąc pod uwagę ich niŜszy koszt w porównaniu z silnikiem Diesla ciągle pozostają
konkurencyjne,
zastąpienie istniejących silników przez HCCI wydaję się fizycznie niemoŜliwe ze względu
na mały obszar stosowalności nowej koncepcji. NaleŜy równieŜ pamiętać, Ŝe kaŜda
dodatkowa złoŜoność (jak dwu-modułowy silnik) jest związany z kosztami,
zawsze występuje problem pogodzenia dwóch celów jakimi są niska emisja sadzy i tlenków
azotu z poziomem hałasu. W momencie kiedy emisje są bardzo niskie, hałas wzrasta do zbyt
duŜego poziomu i na odwrót,
jednym, najbardziej prawdopodobnym wyjściem wydaje się silnik działający w dwóch
trybach, tak jak omówiono na przykładach Nissana i Hondy,
więcej testów powinno być przeprowadzanych na rzeczywistych paliwach, a nie jak
najczęściej dotychczas uŜywając paliw referencyjnych,
więcej uwagi naleŜałoby poświęcić modelowaniu numerycznemu, jako Ŝe ta dziedzina ma
duŜy potencjał szybkiego rozwoju,
pomimo wszelkich trudności rozwój silników HCCI wydaje się nieunikniony, dlatego teŜ
naleŜy próbować wszelkich sposobów poprawy ich działania nawet jeśli w początkowym
etapie wydają się one mało rozsądne.
10