Статья 2.1 Низкотемпературное сгорание (LTC): передовая технология для двигателей внутреннего сгорания

Краткий обзор

Всеобщее беспокойство по поводу ухудшения условий окружающей среды, ужесточения законодательства о выбросах вредных веществ, истощения запасов нефти, надежности поставок топлива побудило к исследованиям в области альтернативных моделей сгорания, которые позволяют использовать возобновляемые виды топлива. Низкотемпературное сгорание (LTC – Low Temperature Combustion) — это усовершенствованная концепция сгорания, которая в последние годы привлекает внимание исследователей. LTC радикально отличается от традиционных диффузионных моделей сгорания, которые применяются в привычных нам двигателях с искровым зажиганием (SI – Spark Ignition) и двигателях с воспламенением от сжатия (CI – Compression Ignition). Технология LTC обеспечивает значительные преимущества с точки зрения одновременного снижения содержания как оксидов азота (NOx), так и твердых частиц (PM – Particulate Matter) в дополнение к снижению удельного расхода топлива. Однако контроль момента воспламенения и скорости тепловыделения (HRR – Heat Release Rate) — это основные задачи, которые необходимо решить, прежде чем технология LTC сможет быть внедрена в автомобильные двигатели на коммерческой основе. В статье рассматриваются фундаментальные аспекты разработки двигателей LTC и их эволюция, исторические предпосылки, а также происхождение концепции LTC и ее перспективы на будущее. Подробно рассматриваются вопросы подготовки однородного заряда при помощи внешних и внутренних мероприятий для дизелеподобных топлив. Также рассматриваются характеристики сгорания в двигателях LTC, включая химию сгорания, HRR и характеристики детонации. Дополнительно рассматриваются характеристики выбросов, а также информация о выбросах PM и NOx в двигателях LTC.

1 Введение

Транспорт является важным компонентом современной жизни. Для удовлетворения растущего спроса на безопасные, надежные, экологичные, экономичные и эффективные транспортные системы, разработка новых автомобильных технологий приобрела решающее значение. Эти технологии необходимы для развития и адаптации существующих транспортных средств. В условиях быстро растущего спроса, а также ожиданий потребителями более высоких стандартов безопасности, низкоуглеродное будущее активно воплощается в новых стандартах экономии топлива и строгих нормах выбросов. Согласно информационному бюллетеню Международного энергетического агентства (МЭА) ожидается,что мировой спрос на первичную энергию увеличится на третьв периодс 2010 по 2035 год, а выбросы CO2 увеличатся на 20% (до 37 гигатонн CO2 к 2035 году) [1, 2]. Еще одной серьезной проблемой для автомобильного сектора являются быстро сокращающиеся запасы нефти. Поэтому исследовательские усилия были сосредоточены на изучение альтернативных источников энергии, включая возобновляемые виды топлива, такие как биотопливо, солнечная энергия и водород.

Двигатели с непосредственным впрыском топлива с воспламенением от сжатия (DICI - diesel fueled direct injection compression ignition) и искровым зажиганием (SI) являются основными технологиями, которые зарекомендовали себя и нашли применение в автомобильном секторе. За последние несколько десятилетий дизельные двигатели стали более эффективными, долговечными, менее шумными и обладают минимальным уровнем вибронагруженности. Дизельные двигатели претерпели кардинальные изменения за последнее десятилетие с появлением технологии непосредственного впрыска топлива Common Rail (CRDI). Технология CRDI обеспечивает беспрецедентную гибкость, которая ранее была недоступна для двигателей DICI, и обеспечивает на 25% более высокую выходную мощность по сравнению с базовыми двигателями DICI. Помимо повышения производительности двигателя, для сохранения окружающей среды и здоровья человека необходим контроль за вредными выбросами, такими как оксиды азота (NOx), твердые частицы (PM)/сажа, монооксид углерода (CO) и углеводороды (HC). Дизельные двигатели являются одним из основных источников выбросов твердых частиц, которые в основном состоят из сажи с примесью полициклических ароматических углеводородов, следов металлов и сульфатов. Известно, что PM оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека через вдыхание и окружающую среду через токсичное загрязнение различных сред и снижение видимости (из-за дыма) [3].

Продолжают разрабатываться различные методы сокращения выбросов для соответствия действующим стандартам выбросов. В широком смысле эти методы можно разделить на активные и пассивные методы сокращения выбросов. При активном сокращении выбросов предотвращается образование загрязняющих веществ непосредственно в камере сгорания. Основным принципом предотвращения образования загрязняющих веществ в камере сгорания является оптимизация процесса сгорания. Процесс сгорания и образование загрязняющих веществ в дизельных двигателях зависят от условий внутри цилиндра, которые в первую очередь определяются параметрами впрыска топлива, температурой воздуха в цилиндре, давлением и движением заряда. Многочисленные технологии, такие как турбонаддув, рециркуляция отработавших газов (EGR - Exhaust gas recirculation), высокоскоростной непосредственный впрыск (HSDI - High speed direct injection), и оптимизация системы газораспределения были применены для контроля образования загрязняющих веществ во время сгорания. При пассивном снижении выбросов продукты сгорания нейтрализуются перед их выходом из выхлопной трубы в атмосферу. Эти методы включают в себя очистку отработавших газов, которые разрабатывались десятилетиями. Каталитические нейтрализаторы (TWC - Three-way catalyst), сажевые фильтры (DPF - Diesel particulate filter), катализаторы окислительного действия (DOC),технология селективного каталитического восстановления (SCR - Selective catalytic reduction) и улавливатели NOx (LNT - Lean NOx trap) – одни из самых популярных методов обработки отработавших газов. Оборудование для контроля за выбросами находится в выхлопной системе транспортных средств, где оно окисляет и уменьшает количество загрязняющих веществ перед выбросом отработавших газов в атмосферу. Существующие и перспективные методы обработки обещают значительное сокращение выбросов, однако стоимость и сложности, связанные с их внедрением, ставят под угрозу их применение в дизельных двигателях.

Кроме того, для снижения выбросов может быть рассмотрена возможность использования альтернативных видов топлива и гибридных транспортных средств. Несмотря на то, что ископаемое топливо является основой энергоснабжения, истощение его запасов и строгие нормы выбросов побудили исследователей разрабатывать современные транспортные средства, такие как автомобили на аккумуляторных батареях и топливных элементах. Другой концепцией снижения выбросов является использование гибридных транспортных средств, которые приводятся в действие электродвигателями наряду с двигателями внутреннего сгорания. Электродвигатели обеспечивают высокую мощность и экономичность, но при этом не выделяют вредных веществ. В зависимости от условий вождения, в гибридных автомобилях источник питания может переключаться между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания, что приводит к большей экономии топлива и снижению выбросов вредных веществ. Однако гибридные автомобили страдают от таких ограничений, как более высокая стоимость, нехватка сырья (редкоземельных металлов), большие габариты и вес, что привело к очень малой доле гибридных автомобилей в продажах новых транспортных средств. Ожидается, что на долю новых транспортных технологий в совокупности будет приходиться 6% продаж новых легковых автомобилей к 2020году и 19% к 2035году, основную часть которых составят гибриды. На рисунке 1 показан рост продаж новых автомобилей с использованием различных автомобильных технологий.

Рис. 1. Текущее и будущее состояние продаж автомобилей малой грузоподъемности [4]

При таком сценарии автомобильная промышленность остро нуждается в технологиях, которые были бы более чистыми и эффективными, эффективно улучшали бы качество окружающего воздуха, сокращали выбросы парниковых газов и способствовали энергетической безопасности [5-9]. Учитывая строгие нормы выбросов и нехватку первичных энергоресурсов, разработка новых высокоэффективных и экологически чистых концепций сгорания и систем, способных использовать альтернативные виды топлива в дополнение к традиционным, приобретает все большее значение. Было выполнено несколько экспериментальных исследований с целью разработки новых концепций сгорания, таких как низкотемпературное сгорание (LTC), которые демонстрируют перспективы решения проблем, с которыми сталкиваются разработчики автомобильных двигателей. В последние годы исследователи сосредоточились на разработке технологии LTC. В первую очередь из-за ее чрезвычайно низкого уровня выбросов NOx и PM, и высокого потенциала для повышения эффективности.

1.1 Передовые методы сгорания

Двигатели LTC имеют большой потенциал для достижения высокой тепловой эффективности и сверхнизких выбросов NOx и PM. Это привлекло внимание исследователей и автомобильной промышленности. Значительные усилия прилагаются для понимания физических и химических процессов, имеющих место в LTC, которые влияют на производительность двигателя и выбросы. Двигатели LTC работают по тому же фундаментальному принципу, что и четырехтактный двигатель, и используют базовые элементы двигателей CI и SI. Принцип LTC показан на рис. 2.

Рис. 2 Принцип сгорания с воспламенением от сжатия однородного заряда (HCCI) [10]

В двигателе LTC во время такта впуска подается почти однородная топливовоздушная смесь. После закрытия впускного клапана (IVC - Inlet valve close) поршень начинает сжимать топливовоздушную смесь, что увеличивает температуру и давление в цилиндре. Когда поршень приближается к ВМТ, заряд достигает условий самовоспламенения. Химическая кинетика заряда может быть ускорена за счет повышения температуры заряда в начале такта сжатия путем предварительного нагрева всасываемого воздуха или путем удержания в цилиндре части горячих выхлопных газов от предыдущего цикла двигателя. В обеих стратегиях химические реакции, происходящие в однородной топливовоздушной смеси, ускоряются из-за относительно более высокой температуры заряда и давления остаточных газов [11]. Начало сгорания (SoC - Start of combustion) в режиме LTC можно контролировать комбинацией таких переменных, как степень сжатия, температура впускного заряда и давление. Как только достигается температура самовоспламенения во время такта сжатия, топливо начинает быстро окисляться, и его химическая энергия высвобождается мгновенно. Самовоспламенение в двигателе LTC происходит одновременно в нескольких местах по всему объему цилиндра двигателя, и эти места называются горячими точками. Такое быстрое выделение тепла вызывает повышение давления за значительно более короткий промежуток времени по сравнению с обычным сгоранием, в то время как пиковая локальная и глобальная температура цилиндра по-прежнему остается значительно ниже. Температура и давление топливно-воздушной смеси, следовательно, продолжают увеличиваться во время сгорания.

Во время такта расширения работа выполняется расширяющимися газами на поршне для создания чистого положительного крутящего момента, который доступен на коленчатом валу. Цикл завершается после того, как поршень поднимается до ВМТ во время такта выпуска, вытесняя продукты сгорания из цилиндра. В итоге LTC состоит из следующих этапов:

(a) Подготовка сильно разбавленной топливовоздушной смеси с использованием EGR для управления сгоранием и скоростью тепловыделения.

(b) В конце такта сжатия температура топливовоздушной смеси приближается к температуре самовоспламенения, что приводит к одновременному самовоспламенению всего заряда в цилиндре в нескольких местах.

(c) Точный контроль скорости тепловыделения (HRR) для достижения компромисса между эффективностью сгорания и выбросами [12].

1.2 Преимущества LTC

В этом разделе описываются потенциальные преимущества и вызовы, с которым сталкиваются исследователи, при использовании концепции LTC, также известной, как концепция с воспламенением от сжатия однородного заряда (HCCI). LTC предлагает несколько преимуществ по сравнению с обычными режимами сгорания [13, 14]:

• LTC очень близко к сгоранию при постоянном объеме, которое осуществляется за очень короткий промежуток времени, и это может быть достигнуто при высокой степени сжатия; следовательно, это приводит к более высокой тепловой эффективности. Относительно более низкая пиковая температура сгорания в LTC приводит к лучшему использованию энергии из-за меньших потерь на излучение. Потери на дросселирование также отсутствуют в двигателе LTC по сравнению с двигателем с искровым зажиганием.
• LTC имеет потенциал значительно более низких выбросов по сравнению с двигателями DICI и DISI (Direct injection spark ignition) с одновременным снижением выбросов NOx и PM. При сгорании LTC нет фронта пламени, т. е. полностью отсутствуют локализованные области с чрезмерно высокой температурой и богатой смесью, что достигается за счет однородности топливно-воздушной смеси. Поэтому отсутствует образования сажи. Кроме того, более низкие локальные температуры и более равномерное распределение температуры газа в цилиндре обеспечивает сверхнизкие уровни выбросов NOx. Следовательно, отсутствует компромисс между выбросами сажи и NOx.
• Главным преимуществом LTC является его топливная гибкость. LTC может быть достигнуто с применением широкого спектра видов топлива, включая бензин, минеральное дизельное топливо, биодизельное топливо, спирты и т. д. Топливная гибкость двигателей LTC позволяет использовать различные альтернативные виды топлива [15–17].
• Двигатели LTC подходят для замены обычных двигателей SI и CI. Двигатели LTC также могут быть использованы в составе гибридных силовых установок.

1.3 Вызовы LTC

Основные вызовы, препятствующие реализации LTC, следующие:

• Трудности испарения дизельного топлива препятствуют разработке двигателя LTC, работающего на чистом дизельном топливе, поскольку начало впрыскивания топлива в цикле LTC значительно опережает начало впрыскивания в традиционном дизельном двигателе. Когда дизельное топливо впрыскивается, давление и температура в цилиндре близки к атмосферным условиям. Вязкое дизельное топливо не испаряется в этих условиях. Поэтому для испарения минерального дизельного топлива требуется предварительный подогрев всасываемого воздуха.
• LTC не обеспечивает точного контроля над началом сгорания в широком диапазоне скоростей и нагрузок двигателя. Эта проблема становится более заметной на переходных режимах работы двигателя. Хотя было сделано несколько попыток решить эту проблему с помощью методов управления на основе EGR, окончательного решения не было найдено. Все еще остается потенциал для дальнейшего улучшения в этой области.
• Режим LTC страдает от ограничений по нагрузке и может быть реализован только при низких и средних нагрузках. Для реального применения LTC режимы работы двигателя должны переключаться между режимом LTC при более низких нагрузках и обычным режимом CI при более высоких нагрузках.
• LTC характеризуется более бедными соотношениями воздуха и топлива. Однако, бедные топливно-воздушные смеси при более высоких нагрузках вызывают увеличение шума двигателя, приводят к очень быстрой скорости тепловыделения, снижению мощности двигателя и т. д.
• Более низкая температура в цилиндре в случае LTC затрудняет пост-окисление HC и преобразование CO в CO2. Таким образом, LTC в основном характеризуется высокими уровнями выбросов HC и CO.

Продолжение в статье 2.2 https://dzen.ru/a/ZthdMUz8Cz7DfZ3q.

Список литературы:

1. Association IE (2011) World Energy Outlook 2011 Factsheet → International energy agency, World Energy Outlook 2011 Factsheet

2. Statistics I. CO2 emissions from fuel combustion-highlights. IEA, Paris http:// www. iea. org/ co2highlights/ co2highlights. pdf. Cited July 2011

3. Maricq MM (2007) Chemical characterization of particulate emissions from diesel engines: a review. J Aerosol Sci 38:1079–1118

4. Birol F (2010) World energy outlook 2010. In: International Energy Agency, vol 1

5. Knothe G (2010) Biodiesel and renewable diesel: a comparison. Prog Energy Combust Sci 36:364–373

6. Web Source: https:// www. e-education. psu. edu/ egee439/ node/ 684. Accessed on 7th Mar 2016

7. Agarwal AK (1998) Vegetable oils versus diesel fuel: development and use of biodiesel in a compression ignition engine. TIDE. 8:191–204

8. Agarwal AK, Das LM (2001) Biodiesel development and characterization for use as a fuel in compression ignition engines. J Eng Gas Turbines Power 123:440–447

9. Urja A (2013) Ministry of new and renewable energy, vol 7(1). Government of India, New Delhi

10. Cozzi L, Head EMU (2012) World Energy Outlook 2012

11. Pundir BP (2007) Engine emissions: pollutant formation and advances in control technology: Alpha Science International, Limited

12. Fischer M, Werber M, Schwartz PV (2009) Batteries: Higher energy density than gasoline? Energy Policy 37:2639–2641

13. Heywood JB (1988) Internal combustion engine fundamentals. Mcgraw-hill, New York

14. Wåhlin F (2007) Experimental investigation of impinging diesel sprays for HCCI combustion. Doctoral thesis, Royal Institute of Technology, ISRN/KTHMMK/R-06/17-SE

15. Flynn PF, Hunter GL, Durrett RP, Farrell LA, Akinyemi WC (2000) Minimum engine flame temperature impacts on diesel and spark-ignition engine NOx production. SAE Technical paper 2000-01-1177

16. Van Basshuysen R, Schäfer F (2004) Internal combustion engine handbookbasics, components, systems and perspectives. SAE 2016-03-07

17. Dec JE (1997) A conceptual model of DI diesel combustion based on lasersheet imaging. SAE Technical paper 970873