Till innehåll på sidan

Mitigating Knock in Heavy Duty Spark Ignition Engines

Experiments and simulations of diluted ethanol and methanol combustion

Tid: Fr 2021-05-21 kl 14.00

Plats: Publikt via Zoom, KTH, Stockholm (English)

Ämnesområde: Maskinkonstruktion

Respondent: Senthil Krishnan Mahendar , Förbränningsmotorteknik, KTH Royal Institute of Technology

Opponent: Dr. James Szybist, Oak Ridge National Laboratory

Handledare: Prof. Anders Christiansen Erlandsson, Förbränningsmotorteknik; Univ. Adjunkt Christer Spiegelberg, Maskinkonstruktion (Inst.)

Abstract

För att effektivt kunna ersätta fossila bränslen i transportsektorn krävs en drastisk ökning av produktionen av förnyelsebara bränslen. Alkoholer med kort kolkedja, såsom etanol och metanol, är bra alternativ eftersom de har flera möjliga tillverkningsprocesser och kan produceras från de flesta kolbaserade råvarorna. På grund av deras höga motstånd mot självantändning bör etanol och metanol inte användas som drop-in bränslen i kompressionstända motorer, som är den mest förekommande typen av tunga motorer idag. Däremot kan ett stort motstånd mot självantändning vara till stor fördel om metanol och etanol används i tunga motorer som istället använder sig av tändstift som antändningskälla, så kallade ottomotor.

En stor nackdel hos tunga ottomotor är självantändning av den oförbrända gasblandningen, även kallad knack, som begränsar motorns last, kompressionsförhållanden samt verkningsgrad. Det var tidigare okänt om etanol och metanol hade kapacitet att uppnå de laster som krävs av tunga SI-motorer, och om de kunde uppnå detta med en tillräckligt hög verkningsgrad. Genom att späda luft och bränsleblandningen med ett överskott av luft eller genom avgasåterledning, så kan man öka motståndet mot knack genom att temperaturen i cylindern sänks. Även om spädning ökar last och verkningsgrad så gör det också att förbränningen blir mindre stabil och det kan i värsta fall orsaka misständning.

I den här avhandlingen har utspädd förbränning, knack begränsning och prestanda för etanol och metanol studerats i en encylindrig forskningsmotor. Den önskade lasten kunde uppnås med relativt god verkningsgrad vid mager förbränning. Dessutom så undersöktes potentialen av ytterligare ökad verkningsgrad i 1D simulering. De justeringar som behöver utföras för att användandet av en semi-prediktiv förbränningsmodell under magra förbränningsförhållanden presenteras. Simuleringen används för att diskutera hur turbulens och Miller ventiltider påverkar motorprestandan, och vilken effekt squish och kolvformen har på förbättrad turbulensen i cylindern. 

Genom Miller-timing och snabb förbränning samt kolvar som ger hög squish kan mager förbränning med etanol eller metanol ge en hög verkningsgrad i nivå med den som idag ges av kompressionstända motorer. Om  tanol- och metanolproduktionen skalas upp kan tunga ottomotor erbjuda framtida transportlösningar med hög prestanda och låga investerings- och driftskostnader.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293420