Processes in Optical Diesel Engines - Emissions Formation and Heat Release

Abstract: Popular Abstract in Swedish Dieselmotorn, uppkallad efter sin uppfinnare Rudolf Diesel, patenterades 1892 och har sedan dess bidragit väsentligt till utvecklingen av samhället. Den viktigaste användningen är som kraftkälla i fordon och detta användningsområde ökar fortfarande. Andelen dieselmotorer i nyregistrerade personbilar i Västeuropa har nyligen passerat 50 %. För kommersiella fordon som lastbilar, fartyg och arbetsmaskiner har dieselmotorn varit den viktigaste kraftkällan i många decennier. Dieselmotorn är dock ännu inte fullt utvecklad och kraven på förbättringar är fortfarande höga. I början låg fokus på prestanda och hållbarhet, numera är det emissionslagstiftningar och efterfrågan på högre verkningsgrad som driver utvecklingen. Fokus är att utveckla rena dieselmotorer med minimal miljöpåverkan. De lagstadgade emissionerna från dieselmotorer är partiklar (PM), kväveoxider (NOx), oförbrända kolväten (UHC) och kolmonoxid (CO). En femte emission som inte är lagstiftad men i vissa länder uppmuntras att sänkas med skatter är koldioxid (CO2). De fyra lagstiftade emissionerna påverkas till stor del av hur förbränningen sker i motorn medan CO2-utsläppen står i proportion till bränsleförbrukningen. Målet med detta arbete är att få nya insikter om dieselförbränning. Fokus ligger på kopplingen mellan förbränningens karakteristik och utsläppen ut ur motorn. Det experimentella arbetet utförs på optiska motorer vilket helt enkelt är motorer där delar av förbränningsrummet ersätts med glas. I en optikmotor kan förbränningen studeras passivt med en kamera eller aktivt, det vill säga att vissa ämnen accentueras med hjälp av en laser. Det första ämnet som diskuteras i avhandlingen är hur ombyggnaden för att få optisk access påverkar motorns mekaniska beteende. Motorn utsätts för mekaniska deformationer från tryckkrafter, accelerationskrafter och termisk expansion. Förutom att detta påfrestar de olika motordelarna så påverkar det också cylindervolymen vid en given vevvinkelgrad. Ett problem som uppstår på grund av detta är att analys av tryckdata såsom värmefrigörelseberäkningar är beroende av ett noggrant volymspår. Vidare så påverkar också den optiska accessen värmeöverföringen från motorn vilket ändrar både förbränningsfasningen och emissionerna ut ur motorn. I avhandlingen beskrivs metoder för att eliminera både felen som är relaterade till motorns dynamik och dess värmeöverföringsegenskaper. Vilket gör att data från optikmotorer blir mer tillförlitliga. Motorns sotutsläpp är resultatet av en komplex serie av händelser, t.ex. blandning mellan bränsle och luft, förblandad förbränning, blandningskontrollerad förbränning, sotoxidation både under huvudförbränningen och sent i cykeln. I avhandlingen studeras hur faktorer som är kända för att vara viktiga för sotbildning påverkar motorns sotutsläpp. Målet är att identifiera egenskaper hos sotbildningen som är viktiga för motorns röknivå och därmed sotpartikelmassan. Två undersökningar studerar detta ämne; en där lufttillblandningen i jeten studeras med ramanspektroskopi och en där den tidiga sotbildningen studeras med tidsupplöst laserinducerad inkandescens. Undersökningarna visar att sotbildningen under den kvasistationära jetfasen av förbränningen har en ganska svag relation till sotnivån i avgaserna. Detta trots att det studerade körfallet använder en ganska lång insprutningsduration, 27 vevvinkelgrader. Det förklaras med att mycket av sotbildningen sker innan jetten är stationär och att faktorer som ger gynnsamma förutsättningar för sotbildning under jetfasen i vissa fall även gynnar sotoxidationen. Ett sätt att effektivt minska bildningen av sot och NOx är att sänka förbränningstemperaturen med hjälp av inblandning av recirkulerade och kylda avgaser. Ett problem med sådana lågtemperatur förbränningskoncept är förhöjda nivåer av CO och UHC. Källor till CO och UHC undersöks med hjälp av laser inducerad fluorescens för två koncept med olika insprutningsstrategier. Inflytandet av last och syrgashalt studerades också. Resultaten visar att volymen mellan kolvtoppen och cylinderhuvudet utanför kolvgropen, squish volymen, är den viktigaste källan till CO och en viktig källa till UHC. Detta beror främst på att temperaturen i squish zonen är för låg för en effektiv slutoxidation. Sammanfattningsvis presenterar denna avhandling nya insikter om 1) hur optiska motorer skall köras för att få realistisk förbränningsfasning och emissioner ut ur motorn, 2) hur dynamiken hos olika motordelar under drift påverkar cylindervolymen och hur detta skall beaktas för att få en korrekt tryckanalys, 3) relationen mellan karakteristik hos sotbildningen och sotutsläppen ur motorn och slutligen 4) källor till CO och UHC under lågtemperaturförbränning