Projekt 2015/17/B/ST8/03279

Projekt badawczy Narodowego Centrum Nauki nr 2015/17/B/ST8/03279

pt.: "Znaczenie stanu termicznego oraz niejednorodności mieszaniny palnej w procesie spalania HCCI w zakresie zwiększonych obciążeń silnika”

Projekt realizowany w latach 2016-2019

Kierownik projektu: dr hab. inż. Jacek Hunicz

Wartość dofinansowania: 627 400 zł

• Spalanie niskotemperaturowe w silnikach tłokowych umożliwia osiąganie dużych wartości sprawności cieplnej oraz wyeliminowanie emisji tlenków azotu i cząstek stałych.
• HCCI (homogeneous charge compression ignition) to zaawansowana technika czystego spalania, która w połączeniu z zastosowaniem paliw odnawialnych powoduje, że silnik spalinowy jest niemal całkowicie neutralny dla środowiska.
• Wewnętrzna recyrkulacja spalin, kontrola reaktywności paliwa poprzez jego reformowanie w cylindrze oraz uwarstwienie termiczne pozwalają na sterowanie przebiegiem spalania HCCI.

Opis projektu

Tłokowe silniki spalinowe stanowią obecnie główne źródło napędu różnego typu pojazdów oraz maszyn roboczych. Są one odpowiedzialne za jedną trzecią globalnej emisji dwutlenku węgla do atmosfery, a także stanowią duże zagrożenie ze względu na występowanie w spalinach składników toksycznych. Najbardziej niebezpieczne z nich, a jednocześnie trudne do usunięcia ze spalin za pomocą reaktorów katalitycznych, czy różnego rodzaju filtrów są tlenki azotu oraz cząstki stałe. Tworzenie tych składników jest nieodłącznym procesem towarzyszącym spalaniu w silnikach o zapłonie iskrowym oraz o zapłonie samoczynnym. Możliwe jest jednak takie poprowadzenie procesu spalania, że powstawanie tych składników będzie zminimalizowane, a dodatkowo uzyskiwane będą duże wartości sprawności cieplnej silnika. Spalanie niskotemperaturowe polegające na objętościowym utlenianiu jednorodnej mieszanki paliwowo-powietrznej pozwala na spełnienie tego postulatu. System spalania HCCI (ang. homogeneous charge compression ignition) stanowi przełomowe rozwiązanie, dzięki któremu zachowana jest zaleta silnika spalinowego w postaci dużej koncentracji energii i jednocześnie zminimalizowany jest wpływ na środowisko. Spalanie HCCI paliw o dużych liczbach oktanowych takich jak benzyna można uzyskać z wykorzystaniem wewnętrznej recyrkulacji gazów spalinowych dzięki technice tzw. ujemnego współotwarcia zaworów (polegającej na zatrzymywaniu w cylindrze spalin z poprzedniego cyklu pracy). Na skutek sprężania mieszaniny spalin, powietrza i paliwa reakcje utleniania zachodzą jednocześnie w całej objętości i w niskiej temperaturze, co zapobiega powstawaniu tlenków azotu. Jednocześnie dzięki jednorodnej mieszance tworzenie cząstek stałych jest radykalnie zmniejszone.

Pomimo ogromnych zalet tej nowatorskiej techniki spalania i bezkompromisowej przewagi nad dotychczas stosowanymi rozwiązaniami, systemy spalania HCCI ciągle znajdują się w fazie badań. Praktyczne zastosowania będą możliwe po zidentyfikowaniu podstawowych zależności i opracowaniu sposobów sterowania przebiegiem procesu spalania. Jednym z problemów do rozwiązania jest duża szybkość narastania ciśnienia w cylindrze wynikająca z objętościowego charakteru spalania, ograniczająca osiąganie dużych obciążeń silnika.

Głównym celem niniejszego projektu była identyfikacja związków pomiędzy składem, reaktywnością i uwarstwieniem termicznym mieszaniny palnej, a przebiegiem procesu samozapłonu i spalania. Aby osiągnąć wyznaczony cel przeprowadzono szereg badań, które dostarczyły ilościowych danych dotyczących wpływu wyżej wymienionych parametrów na spalanie. Dzięki temu możliwe było nakreślenie sposobów kontroli szybkości wywiązywania się ciepła, aby docelowo rozszerzyć zakres spalania HCCI na cały obszar obciążeń silników.

W ramach realizacji projektu przeprowadzono szczegółowe badania procesów cieplnych związanych z przemianą fazową paliwa w cylindrze i ich wpływu na niejednorodność przestrzenną temperatury ładunku. Określono wpływ uwarstwienia temperatury na przebieg reakcji spalania i możliwości ograniczenie szybkości narastania ciśnienia w cylindrze. Poddano także ocenie wpływ uwarstwienia na emisję spalin. Uzyskane wyniki udowodniły, że za pomocą uwarstwienia termicznego ładunku można kontrolować przebieg reakcji spalania, lecz występują także pewne ograniczenia związane z intensyfikacją powstawania cząstek stałych. Badania prowadzono także w kierunku wykorzystania zmiennej reaktywności paliwa, uzyskiwanej w wyniku częściowego reformowania paliwa w cylindrze. Połączenie kontrolowanego reformowania paliwa oraz odpowiedniego sterowania fazami rozrządu umożliwiło redukcję szybkości narastania ciśnienia w cylindrze przy zachowaniu małej emisji spalin.

Realizacja projektu dostarczyła cennych danych, które wypełniły luki w obszarze badań nad systemami spalania HCCI. Uzyskane wyniki jednoznacznie wskazały sposoby kształtowania parametrów czynnika roboczego zapewniające uzyskanie stabilnego spalania, małej twardości pracy, dużej sprawności cieplnej oraz minimalnej emisji związków toksycznych.