3. Verbranding in Dieselmotoren 3.1. Mengselvorming 3.1.1. …fvthuyn/dieselmotorslide.pdf · 2006....

3. Verbranding in Dieselmotoren 3.1. Mengselvorming 3.1.1. Injectieverloop 1. totale hoeveelheid brandstof QB per cyclus B

→ bepaalt vermogen; diesel heeft geen gasklep Pe geregeld door λ

λ van 1,4 tot λ = … 7 – 10 bij diesel toch ontsteking bij λ = 10 in tegenstelling ottocyclus 2. distributie van brandstof injectie qB/°kh → bepaalt verbrandingsverloop → p(α) → ηi

→ bepaalt zachte werking QB (totaal) ; garagetestbank qB (α) te bepalen met o.a. cellenrad cellenrad methode Invloedsfactoren injectieverloop

- nokprofiel - geometrie leiding (lengte), pomp, injector (aantallen en

afmetingen gaatjes) - werkingsparameter motor (n, belasting) - viscositeit brandstof

dieselmotoren slide 1.

Injectiekarakteristieken

- plunjerheffing - injectieverloop • injectievertraging ◦ samendrukbaarheid brandstof

◦ uitzetting (elasticiteit) leiding ◦ lekverliezen

• injectiebegin ◦ openingsdruk popen · (d1-d2) = Fveer = k·x bv 200 bar • einde injectie ◦ sluitingsdruk psluit · d1 = Fveer = k·x bv 150 bar ◦ presidueel

ontlastingsventiel presid bv 100 bar ◦ nadruppelen – na-injectie

♦ weerbotsen naald ♦ drukgolven verkoking ! - drukverloop - naaldheffing - cilinderdruk


3.1.2. Brandstofstraal naast QB (totaal) en qB (α) zijn voor verbrandingsverloop ook van belang : - verdeling brandstof over lucht - verstuiving (uiteenvallen) in druppels - mengen - verdampen - verder mengen a) brandstofstraal in de lucht in rust (als dcil >> 200 mm) - brandstof gesloten straal uit injector openingen - verdeling brandstof over lucht afhankelijk van : 1. richting en indringdiepte • aantal injectorgaten • indringdiepte : ↑ met pΔ en diameter injectorgaten ↓ D lucht

2 . opbreken in druppels (verstuiven - uiteenvallen) 3 . verstuiven (uiteenvallen) van straal en menging • overdracht van momentum mv (hoeveelheid van beweging) aan mantel straal veroorzaakt meenemen (aanzuigen) van lucht (entrainment proces) waardoor ook brandstofdruppels afzonderen en menging ontstaat (en stroming van lucht in richting van straal) • zware (grote) druppels vallen verder uiteen in kleinere zolang aërodynamische krachten >> oppervlaktespanningkrachten

σπ=⋅π

×⋅ρ dkc4

d

2

cx

22

l

W = getal van Weber

10Wck8dc

x

2

>==σ

⋅ρ


- verstuiving • gekarakteriseerd door distributie druppelafmetingen • Sauter Mean Diameter ds d.i. druppelafmeting die dezelfde opp/vol verhouding heeft als ganse straal druppels. opp. bol = 2dπ

vol. bol 6d3π

=

3n

3 3ns n n

s2 2n n s n

dd d6 d

d 6 d d

π∑ π ∑

= ⇒ =∑ π π ∑ 2

n

• druppelafmetingen i.f.v. : ◦ injectiedruk ◦ geometrie injectorgaten ◦ densiteit lucht ◦ viscositeit en opp. spanning brandstof • voorbeeld van radiale distributie druppeldiameter

4. verdampen verstuiving in kleine druppels belangrijk voor opwarming en verdamping als d << │• opp/vol ↑ → meer warmtetoevoer │• warmteoverdrachtscoëff. ↑


b)Luchtbeweging in dieselmotoren

→ belangrijke ontwerpparameter

1. Motoren met Directe Injectie (D.I.) - als dcil >> 200 mm “quiescent chambers “→ (zie a) - als dcil < 200 mm dan luchtwervel (swirl) creëren om goede menging • onderstel ééngatsinjector

dan moet lucht één omwenteling maken tijdens injectieperiode (bv. 30 °kh) om optimale verdeling van brandstof over lucht ◦ bij viertakt een wervel (swirl) creëren door tangent. inlaatleiding ◦ bij tweetakt door vorm van inlaatpoort swirlzuigercilin ccc

rrr +=

• te grote swirlcr

geeft pΔ ~ cilc21ρ >> → slechte vulling

daarom bij D.I. steeds meergatsinjectoren

(4 gaten → 41

cswirl ×r

)

• dikwijls daarna ook nog “squish” (toroidale stroming)



2. Motoren met InDirecte Injectie (I.D.I) - brandstof ingespoten in voorkamer of wervelkamer - uitstroming mengt partiële oxidatieproducten met lucht in cilinder • uitstroomsnelheid functie van : ◦ volumeverhouding kamers ◦ insnoeringssektie, injectieverloop, druk en temperatuur lucht • wervelkamer tot 50% van Vc

de wervelkamer helpt zeer sterk bij menging • voorkamer tot 30% van Vc (dus minder werveling in kamer !) c) Model verstuiving in wervelende lucht zie figuur

3.2. Normale verbranding 3.2.1. ontstekingsuitstel : - definitie : ∆t tussen begin injectie en explosie vlam - fysische en chemische verschijnselen tijdens ∆t fysische : chemische : • verstuiving • uiteenvallen moleculen • verwarming en verdamping • voorreacties • interdiffusie - voorreacties : zie zelfontsteking KWS (peroxiden, aldehyden) - fysisch en chemisch deel ∆t overlappen chemisch > fysisch (ook aan te tonen met Wolfer vgl.) → als ontstekingsuitstel in °kh groot is ⇒ HARDE WERKING (cfr kloppen) maak berekening : in bom 1x10-3s → │1000 tpm 6 °kh ⇒ │3000 tpm 18 °kh ⇒ - harde werking : → pmax >> → lawaai; trillingen; mechanische belasting → Tmax >> → NOX ↑; thermische belasting



ontstekingsuitstel : f(p,T) experimenteel (bom) Wolfer vergelijking : ∆t = k p-n eE/RT

∆t in ms → 0,5 à 4 ms bewegende druppel verdampt opwarming door omgeving niet stationair verdampingsproces brandstofdamp in zog druppel ontsteking buitenste rand brandstofstraal 2 à 3 cm van injector

Invloedsfactoren ontstekingsuitstel a) luchttemperatuur gemeten in - bom - motor invloed vooral belangrijk tussen 300 °C en 600 °C b) injectieogenblik T belangrijkste invloedsfactor Tlucht in cilinder = f(α)

- drukverloop bij compressie werking van ideale motor (symmetrisch t.o.v. BDP) - p en T vallen samen als adiabat. transform. en geen blow – by (pmax en Tmax op BDP)

injectiepunt IP – ontstekingspunt OP om te ontsteken moet bepaalde hoeveelheid warmte ∆Q toegevoerd worden met ∫

αΔα≈Δ dTkQ lucht

warmtetoevoer naar brandstof met dα = ωdt is ( )∫ ∫ −= dtTTkdQ brlucht

ond. benodigde lucht

1 1

Q k T d′Δα −

Δ = α∫

dezelfde ∆Q kan ook bij ∫∫

−αΔ−αΔα=α=

'33lucht

'22lucht dTkdTk

dan zien we dat ∆α1-1’ steeds < ∆α2-2’ of ∆α3-3’

d.w.z. ontstekingsuitstel dat minimaal is ligt symmetrisch


t.o.v. het BDP (voor deze ideale motor)

dus IP en OP symmetrisch t.o.v. BDP

In werkelijkheid (werkelijke realistische motor) ligt IP waarvoor het ontstekingsuitstel minimaal is nog iets vroeger. Dit omdat in reële motor pmax wegens koeling en lekken naar voor geschoven is.

⇒ invloed van IP op ontstekingsuitstel zie proefondervindelijk opgenomen diagrammen controle : in figuur is gemeten minimaal ontstekingsuitstel bij 3000 tpm = 10-3 sec fig. 69

d.w.z. kh18kh360tps60

3000sec

10001

°=°××

→ voor ideale motor IP = -9 °kh OP = +9 °kh → voor werkel. motor 2 à 3 °kh vroeger → -11 à -12 °kh → klopt met figuur Opmerking : de afstelling van injectieogenblik in werkelijke motor is niet zo dat men het minimaal ontstekingsuitstel (en dus zachtste werking) heeft. Het rendement is dan te slecht! Men neemt dus meer voorinjectie, met groter ontstekingsuitstel → gunstig p,α verloop c) densiteit van de lucht O.U. daalt met stijgende densiteit (of druk bij T = cte) - meer warmte overdracht naar brandstof door grotere luchtwrijvingskrachten - meer warmte inhoud per volume lucht


d) motorsnelheid volgas ( injectiehoeveelheid cte ) O.U. daalt met stijgend toerental - grotere werveling - minder tijd voor koeling van lading + hogere wandtemperatuur → Tlucht ↑

e) mengselvormingssystemen IDI DI 1. bij n = 1000 tpm DI beter dan IDI bij laag toerental is de wand voorkamer (en verbrand. kamer) relatief koud bij het stromen van de lucht door koude, dunne openingen → sterke afkoeling (niet bij DI) 2. bij n = 2000 tpm is IDI reeds beter dan DI bij n > zal (ongekoelde) wand voorkamer sneller opwarmen → lucht door dunne openingen wordt nu bijkomend opgewarmd 3. bij IDI blijft O.U. in °kh niet onbeperkt dalen

in figuur : O.U. in °kh → kh1836060

1000103 3 °=××⋅ −

kh6,1536060

2000103,1 3 °=××⋅ −

kh1836060

3000101 3 °=××⋅ −

kh2,1936060

4000108,0 3 °=××⋅ −

→ max. toerental van IDI motoren beperkt (harde werking) (praktisch ± 5000 tpm) (idem voor DI)

f) aard van de brandstof paraffinen beter dan aromaten kleine druppels, kleine densiteit, grote vluchtigheid ⇒


3.2.2. Verbranding in motoren met directe injectie DI brandstofstraal - arme vlam gebied • daar eerste ontstekingskernen • verbranding is compleet, en concentraties volgens reactie-evenwichten • bij vollast veel NO in dit gebied - te arme vlam gebied • te arm om voortplanting • veel partieel en onverbrande KWS - tussen arme vlam gebied en kern • vlammen planten zich voort in richting kern • door de vlammen zullen meeste druppels verdampen • afhankelijk van plaatselijke 8, volledige of onvolledige verbranding - kern • bij deellast → voldoende lucht ⇒volledige verbranding met veel NO • bij vollast → op sommige plaatsen onvolledige verbranding, met part. oxid., roet, weinig NO - injectiestaart • onvoldoende indringdiepte bij vollast part. oxid. (aldehyden), roet - cilinderwanden • voor kleine motoren (d << en n >>) kan brandstofstraal op wand komen • onvolledige verbranding op wand (limietlaag) - “squish”beweging beweging gesuperponeerd op wervel om betere menging 3.2.3. Verbranding in motoren met indirecte injectie IDI


- ontsteking en voorreacties zie DI

3.3. Rookgassamenstelling - CO2, CO, H2O, H2 ,O2, N2 : met globale evenwichtsvergelijkingen CO << en H2 << ( >>) λ - NOX, KWS, partieel geoxideerde KWS : moeilijk te berekenen - roet (roetpartikels) : meer dan benzinemotoren 3.3.1. NOX - functie van O2 – concentratie en temperatuur - figuur : • NO voor DI motor in functie van λ • NO omgerekend naar = 1 of gram/ekWh λ - IDI minder NO vorming NOX: - geïnjecteerde brandstof: atomiseert, verdampt, vermengt zeer brede range aan rijkheden kern: vloeibare brandstof in druppelvorm rand: 1λ - voornamelijk tijdens voorgemengde verbrandingsfase (T ) - NOX als ontstekingsuitstel maar partikels (diffusieverbrandingsperiode ) NOX - partikels trade-off invloedsfactoren: - n klein: NOX tijd voor reactie - NOX met minder agressieve verbranding uitstel klein (hoog cetaangetal) tΔ - VIO zal NOX maar brandstofverbr. en partikels


3.3.2. Onverbrande en onvolledig verbrande KWS - onverbrande : • brandstof op wanden • smeerolie op wanden - onvolledig verbrande : vooral aldehyden : als tussenproduct bij zelfontsteking komen vooral van : • te arme vlamgebied • kern • wanden 3.3.3. Partikels PM Particulate Matter samenstelling: - roet (koolstofhoudend materiaal) - organisch materiaal: onverbrande KWS, esters, ether, organische zuren, PAH polycyclische aromatische KWS - anorganische stoffen: SO2, NO2, sulfaten productie:

- heterogeen verbrandingsproces - roet: gebrek aan O2 en T kern brandstofstraal ( )λ

diffusieverbrandingsfase - oxidatie tijdens expansie maatregelen (beperking): - verminderen periode diffusieverbranding - snellere menging lucht-brandstof - vervroegen injectie (meer tijd voor oxidatie) wetgeving: - limiet max massa uitstoot (g/kWh) - kleine partikels meer schadelijk


- toekomst: beperking aantal deeltjes

3.3.4. SO2

- SO2 in uitlaatgassen = f(S in brandstof) - SO2 SO3 zwavelige zuren zure regen - S in brandstof: verstoppen filters en katalysatoren efficiëntie katalysatoren - opm.: ontzwavelingsproces duur en energieverslindend 3.3.5. Dieselreuk

- kerosinereuken ( brandstofreuken) ≡ alkyl -benzenen (± 5% in mazout, niet in benzine) aromatische delen onverbrande KWS - verbrandingsreuken partiele oxidatie vorige KWS meten van reuken - uiterst kleine fracties : zeer sterke geur zeer moeilijk te meten - nog dikwijls panel proefpersonen subjectieve vgl met reukstandaarden door verschillende dillutiegraden v/d reukverwekkende stof TIA (Total Intensity of Aroma) : 0,5 – 1 – 1,5 – 2 – 2,5 – 3 - tegenwoordig ook gaschromatograaf DOAS (Diesel Odor Analytical System)


3.3.6 Rookvorming

meerdere soorten rook in diesel 1. H2O, brandstof, fractie smeerolie en part. oxidatieprod. door condensatie witte dampen bij koude start : witte dampen verdwijnen als belasting ↑ eventueel blauwe damp als diam. druppels << → deze rook (of damp) ook bij ottomotoren 2. blauwe rook bij regimetemperatuur door olieverbruik → meer typisch voor ottomotoren ⇒3. specifieke zwarte dieselrook - bevat geagglomereerde fijne partikels bestaande uit : • roetkern (koolstof); minder dan 30% • brandstof- en smeeroliecomponenten • as • sulfaten • water • …. - gevormd bij vollast wegens hoge T en O2<< pyrolyse van zware moleculen → C vorming - veel smeerolieverbranding – veel zwavel – veel benzeen verhogen partikelhoeveelheid - verminderen roetvorming en zwarte rook 1. grote luchtfactor 2. hoog toerental 3. groot cetaangetal 4. grote voorinjectie 5. kleine diam. injectieopeningen 6. hoge injectiedruk


- soort brandstof en additieven ook invloed


3.4. Luchtpollutie door dieselmotoren 3.4.1. Schadelijkheid gassen - CO en NOX : zie ottomotoren - KWS : • onverbrande KWS : dieselreuk • partieel verbrande KWS : dieselreuk aldehyden: luchtwegen, slijmvliezen • zwarte rook : - vuil

- beperken zichtbaarheid - vaste partikels dragers van PNA

3.4.2. Anti-pollutie maatregelen - oplading (voldoende lucht voor volledige verbranding) - tussenkoeling van oplading → T↓ om NOX ↓ Unit Injection - hoge druk injectie (> 1500 bar) en elektronische regeling injectieogenblik → betere verstuiving en correcter IP → minder pollutie en lager verbruik - oxidatie katalysatoren → verdere oxidatie CO en KWS → omzetting KWS op partikels - uitlaatgasrecirculatie (E.G.R.) → om NOX ↓ - minder smeerolieverbruik - andere dieselbrandstof • minder aromaten • minder zwavel • hoger cetaangetal - partikelfilter: partikels grootste probleem


Anti-pollutiemaatregelen: overzicht (diesel) - oxidatiekatalystor DOC - partikelfilter DPF - Selective Catalytic Reduction SCR - NOX-opslagkatalysator - lean-NOX catalyst Nieuwe technologieën: - injectietechnologie - ladingswisseling • oplading: Variable Nozzle Turbines VNT • tweetrapsoplading • wervelklep • turbo compouding - uitlaatgasrecirculatie EGR

Oxidatiekatalysator: (1) DOC Diesel Oxidation Catalyst vermindert oplosbare fractie van de deeltjesuitstoot (SOF: Soluble Organic Fraction = onverbrande brandstof en smeerolie) oxideert CO en HC elimineert kenmerkende dieseluitlaatgeur vermindert aldehyden en polycyclische KWS

n m 2 2 2

2 2

C H (n m/ 4)O nCO m/ 2H O

CO 1/ 2O CO

+ + → +

+ → DOC opbouw vergelijkbaar met TWC - metalen behuizing - kern (substraat) - matrix kanalen - functie: groot oppervlak in contact met uitlaatgassen - washcoat: basische metaaloxides (silica, alumina) + edele metalen (Pt, Pd, Rh) - steeds met zuurstofovermaat - sinds 1996: verplicht personendiesel voertuigen - ook vermindering partikeluitstoot (25 - 50 % massa)


- nadeel: bij hoge T: SO2 SO3 (sulfaten)

Oxidatiekatalysator: (2) - voorwaarden: • hoge activiteit voor HC, CO en SOF (alle T) • resistentie tegen sulfaatvorming (hoge T) • weinig hindering gastroom (be tegendruk)


Fig. 76: Vb. van omzettingsgraden CO en HC i.f.v. de temperatuur

Fig. 77: HC omzettingsgraad voor oxidatiekatalysator met HC-trap

Oxidatiekatalysator: (3) - light-off T: 200 °C ± • temperatuurvenster opgewarmde dieselmotor: 100 - 700 °C (benzinemotor 300 - 1000 °C) • koude start grote uitstoot kleine close-coupled catalyst - probleem: uitlaatgastemperatuur na turbo • ontwikkeling kleine pre-turbo-charger catalyst • passagiersvoertuigen: gemiddeld lage motorbelasting lage T: DOC niet in functie • opvangen KWS: gedurende periodes lage temperatuur washcoat: zeolieten (moleculaire zeven) • T > ± 250 °C KWS vrijgelaten geoxideerd in katalysator


Partikelfilter (1) DPF Diesel Particulate Filter - filteren vaste en vloeibare deeltjes - zelf regeneratie vermijden hoge uitlaatgasdrukken (be ) vernietiging filter (T ) - regeneratie: roet CO2 min. T: 600 à 650 °C of hulpmiddelen - wall-flow type afzetting deeltjes op poreuze wanden keramische monolieten en - schuim, draadmaas opslag tot 90 % totale deeltjesmassa - passieve systemen regeneratie • CRT Continuously Regenerating Trap Tontst met NO2 + oxidatiekatalysator: NO NO2 eist zwavelarme brandstoffen (S < 15 ppm) • katalytische coating (platinum) (retrofit) Tontst ± 100 °C • brandstofadditieven koper of cerium oxides Tontst fuel-borne catalysts oxidatie begint bij 250 °C


beter 350 - 450 °C

Partikelfilter (2) - actieve systemen regeneratie: • origineel op nieuwe voertuigen OEM Original Equipment Manufacturer regeneratie onder alle bedrijfsomstandigheden continue meting over filter, en T filter pΔ TΔ

- oplossingen • brandstofadditief + late inspuiting (na-injectie) + oxidatiekatalysator (exotherme reactie) duur regeneratie 3 à 4 min (oxidatie met O2) • katalytisch gecoate filter NO2 als oxidatiegas na-injectie, smoorklep in inlaat, vuldruk- en EGR regel. duur regeneratie (met NO2): 3 à 4 x langer brandstofverbruik (tot 55 % extra) zwavelgevoelig (S < 50 ppm)


Fig. 78: Partikelfilter met actieve regeneratie voor

personenwagen (Audi)

Selective Catalytic Reduction SCR (1) NH3 ammoniak is een reducerende stof ureumoplossing: 32,5 % NH3 + 67,5 % H2O (AdBlue) (gekend in kolen- en oliecentrales, grote stationaire motoren) Ureumoplossing + lucht: ingespoten als aërosol in uitlaatgas


2

2

24 6

2 4 3 6

NO NO NH N H O

NO O NH N H O

NO O NH N H O

+ + ⎯⎯→ +

+ + ⎯⎯→ +

+ + ⎯⎯→ +

2002 2 3

2 3

[ ] > °⎯⎯⎯→ +

+ ⎯⎯→ +

CNH CO NH HNCO

HNCO H O NH CO

In SCR katalysator

4 4

2 3 2

2 3 2

2 2 3 2 2

2 2 3

Fig. 79: Componenten SCR-systeem

Selective Catalytic Reduction SCR (2) - voorschakeling oxidatiekatalysator: NO NO2 - naschakeling “ oxidatie schadelijk NH3 (ammonia slip) - efficiëntie tot 90 % • nauwkeurige dosering ureum • beperking concentraties NH3 in uitlaat: 15 ppm • teveel ureum: N2O distikstofoxide: zeer schadelijk - nadelen: • infrastructuur AdBleu • meerkost “ • bijkomend volume SCR systeem: 2 x volume Vs

• fraude (tampering of fraude) - voordelen: (t.o.v. EGR) • lager brandstofverbruik (± 5 %) • NOX heel het belastingsbereik


• kleinere belasting koelsysteem

NOX opslagkatalysator (NOX adsorber, NOX- trap) adsorberen en opslaan NO2 bij 1λ > oxidatiekatalysator (dicht bij motor) NO NO2 + Pt coating opslagelement: Ba (alkaline aardmetaal) regeneratie: bij maximale opslagcapaciteit NO2 NO N2 bij 1λ ≤ vrijgelaten als NO

arm 2NO + O2 2NO⎯→⎯Pt

2 oxidatie

2NO2 + BaO “Ba(NO⎯→⎯ 3)2” opslag

rijke puls Ba(NO3)2 BaO + 2NO + 2O⎯→⎯ 2 vrijlating

NO + HC/CO CO⎯⎯ →⎯ RhPt /2 + (H2O) + N2 reductie

complexe sturing (geen koppel opstoot) - controle regeneratieproces - reductiereactie CO meest efficiënt motor 1λ ≤ CO 3 à 5% met Tuitlaat niet te hoog (turbo) partikeluitstoot, be smoring inlaatlucht regeling EGR controle waste-gate of VNT extra na-injectie - vergiftiging door S max 50 ppm in 2005 Europa


max 10 ppm in 2009

Lean-NOX catalyst of DeNOX-katalysator - geavanceerde structurele eigenschappen katalytische coating rijk “microklimaat” - KWS: reducerende stof - reactie:


2

2

x 2 2 2HC NO O CO H O N+ + → + + - selectiviteit van reactie: katalysatormateriaal belet volgende 2 2HC O CO H O+ → +

- inspuiting extra brandstof (anders te weinig HC) voor voldoende efficiëntie (actief systeem) - probleem: geschikt katalysatormateriaal

Nieuwe technologieën (dieselmotoren) problemen dieselmotoren: NOX en partikeluitstoot reeds ± 10 jaar: oxidatiekatalysator voor CO en HC Euro IV (2005) geen extra uitlaatgasbehandeling voor voertuigen ≤1600 kg strengere normen partikelfilters + NOX-katalysator trade-off: partikels + rendement ↔ NOX hoge Tmax (pmax)


Fig. 81: Noodzaak uitlaatgasbehandeling

Injectietechnologie (1) - uitsluitend directe injectie (DI) met common rail (CR) uitgezonderd: VW/AUDI unit injectoren (UI) - nieuwe CR-systemen: • inspuitdruk 1600 - 1800 bar • bij DI mengselvormingsenergie laag (rel. snelheid) oververrijking ( 0,6λ = lokaal), roet • hoge injectiedruk - fijne gaatjes (tot 0,12 mm) betere verneveling brandstof partikels be vermindering injectieduur (n ) betere atomisatie: swirl


Fig. 82: Betere atomisatie met hoge injectiedrukken

Injectietechnologie (2) - piezo-elektrische injectoren (spoel/piezo-kristallen) sneller openen en sluiten; korte reactieduur 5 en meer injecties/cyclus (injection rate shaping)

- pilootinjectie (voorinspuiting) verbrandingsgeluid en NOX ontstekingsuitstel hoofdinjectie - na-injectie partikels (meer partikels oxideren) zelfs tweede na-injectie: schoonbranden roetfilter - regelklep in inlaat hoge-drukpomp: alleen ingespoten brandstof op druk - toekomstige technologieën: • modulatie injectornaaldlift (piezo) • variabele geometrie injectoropeningen • verhoging inspuitdruk aan injector


Fig. 83: Injection rate shaping Fig. 84: Voorbeeld injection rate shaping

(Fiat 1.3 JTD Multi-Jet)

Ladingswisseling (1) turbo oplading: Variable Nozzle Turbine (VNT) oplading: veel lucht in verbrandingskamer vermogen met hogere luchtfactor roet η compromis: - hoog topvermogen en koppel - turbo lag - en klein koppel bij n klein turbo met variabele leidschoepen verstelling schoepen: vacuüm (via gestuurde magneetklep) elektrisch servo-mechanisme ECU bepaalt stand schoepen probleem: - hoge T (boven 800 °C): weerstand verstelmechanisme - robuustheid (blokkeren door roet)


Fig. 85: Verstelmechanisme VNT

Ladingswisseling (2) twee-traps oplading (register oplading) in serie: grote lage-druk turbo met kleine hoge-druk turbo

Oplossing bij downsizing tot drukken groter dan 2 bar (relatief) Pe 70 kW/l (55 kW/l bij 1-traps) ≥ BMEP ≥ 25 (BMW!) Invloed luchtfactor λ - “full load” prestaties beperkt door: • roet uitstoot • pmax

• T inlaat turbine • n turbo - λ laag ( maar > 1) Pe (minder lucht nodig voor zelfde Pe) pmax en Tmax pmax kritisch: nu 180 bar (binnenkort ≥ 200 bar) alu motorblokken niet bruikbaar roet , T-uitlaat , T-turbine inlaat verlagen : beperkt door (koude) start + roet koude ε start CR met hoge inspuitdruk bij starten + krachtige gloeibougies


Fig. 86: 2-traps drukvulling (Opel)

Ladingswisseling (3) wervelkleppen 4 kleppen/cilinder wervelklep afzonderlijk inlaatkanaal (swirl control) wervelklep sluit bij lage n en belasting (in 2 stappen of continu) turbo-compounding (voor HD) Pe maar emissies g/uur = richtlijnen geven specifiek waarden g/kWh plaatsing vermogensturbine krukas el. vermogen dynamo


Fig. 87: Wervelklep in inlaat (Audi 4.0 V8-TDI)

Uitlaatgasrecirculatie (EGR) (1) EGR: vermijden uitlaatgasbehandeling ruwe motor-uit emissies beperken - teruggevoerde uitlaatgassen: inert T NOX (ook minder O2 moleculen) specifieke warmte CO2 en H2O > lucht - verbrandingssnelheid λ densiteit mengsel partikels, HC, CO η cyclische spreiding


Fig. 88: effect van EGR op NOx, CO en HC

Uitlaatgasrecirculatie (EGR) (2) - meestal hoge druk EGR: Als druk voor turbine > oplaaddruk tegendruk verhogen of verlagen oplaaddruk (VNT !)

- afhankelijkheid belasting: hoge belasting: veel CO2 EGR lage belasting : EGR - EGR belangrijk bij HCCI voorgemengde verbanding met zelfontsteking hogere vorm van homogenisatie verminderen “onbehandelde” NOX en PM PREDIC PREmixed lean Diesel Combustion


Fig. 89: High-Pressure-Loop (HPL) EGR

Fig. 90: Trade-off tussen NOx en opaciteit (rook)

3.6. Abnormale werking diesels

3.6.1. Harde werking

→ ONTSTEKINGSUITSTEL in °kh bepalend voor harde werking → daarbij heeft injectieverloop meebepalende invloed is gunstiger dan → factoren besproken bij benzinemotoren een tegengestelde invloed bij diesels dan bij benzinemotoren (vb aromatische ↔paraffines) dit omdat : gemakkelijk zelfontsteken - tot kloppen leidt bij ottomotoren - tot geen kloppen leidt bij dieselmotoren 3.6.2. Beoordeling neiging tot ontstekingsuitstel van (diesel) brandstoffen 1. cetaangetal (CN Cetane Number) is % cetaan (C16H34) in mengsel cetaan en α - methylnaphtaleen (C11H10) in CFR-diesel dezelfde ontstekingsuitstelkarakteristieken als te onderzoeken brandstof InjectiePunt = 13 °kh voor BDP; ε laten variëren tot OntstekingsPunt = BDP ε laten variëren : bv x brandstof εx = 19,2 uit tabellen CN⇒ x ≈ 53 mengsel 52 % cetaan ⇒ ε52 = 20

⇒ ε54 = 19 54 ״ % ∆ε = 1 geeft ∆CN = 2 dus ∆ε = 0,2 geeft ∆CN = 0,4 ⇒

dieselmotoren slide 36. CNx = 54 – 0,4 = 53,6

2. Dieselindex : D.I.

100

densiteitAPIFintAnilinepun.I.D

×°=

- anilinepunt : aniline is aromaat, als brandstof veel aromaten dan ontmenging bij lage temperatuur - API densiteit : als ρ in kg/m³ >> dan API <<; maarρ >> → C/H >>, dus veel benzeen, aromaten, asfaltenen zeer zware scheepsdieselbrandstoffen anilinepunt niet te bepalen ( mengsel wordt nooit doorschijnend) → nieuwe nog niet genormal. karakt. (CCAI, CII)

141,5

densiteit API 131,5densiteit bij15 C

= −°

3.6.3. Toevoegstoffen CN ontstekingsuitstel : thermische stabiliteit aromaten (sterke binding): CN paraffinen (lange kettingstructuur): CN - anilinenitraat, ethylnitraat (uiteenvallen, inleiden verbranding) - CN te groot : ongunstig → roetvorming

dieselmotoren slide 37. zachte werking, starten koude toestand

3. Verbranding in Dieselmotoren 3.1. Mengselvorming 3.1.1. …fvthuyn/dieselmotorslide.pdf · 2006....

Documents

Transcript of 3. Verbranding in Dieselmotoren 3.1. Mengselvorming 3.1.1. …fvthuyn/dieselmotorslide.pdf · 2006....