2 Воспламенение от сжатия предварительно смешанного заряда (PCCI): усовершенствованная технология LTC
Различные технологии LTC можно дифференцировать по контролю над фазами сгорания. Применение технологии HCCI приводит к снижению NOx и PM в дизельных двигателях; однако, сгорание HCCI приводит к общему снижению тепловой эффективности, и оно также имеет ограниченные возможности контроля за фазами сгорания. В случае двигателя, работающего по технологии HCCI, сгорание, в основном, определяется кинетикой химической реакции и не зависит от момента впрыска топлива, что в дальнейшем приводит к отсутствию контроля над процессом сгорания. Исследователи отмечают либо слишком раннее, либо слишком позднее начало сгорания в случае технологии HCCI, что приводит к снижению тепловой эффективности. Сложность контроля за фазами сгорания также приводит к относительно более высоким выбросам HC и CO из-за более низких температур в цилиндре. Описанные выше проблемы побудили исследователей разработать новую стратегию LTC, известную как сгорание с воспламенением от сжатия предварительно смешанного заряда (PCCI - Premixed Charge Compression Ignition).
Сгорание PCCI является усовершенствованным по сравнению с HCCI с точки зрения стабильности горения. В PCCI контроль над сгоранием с помощью стратегии впрыска сохраняется, при этом больший процент от общего заряда предварительно смешивается в цилиндре до момента воспламенения в сравнении с обычным дизельным сгоранием. В двигателе PCCI топливо впрыскивается в промежуточное время между HCCI и обычным дизельным двигателем. Это приводит к частично предварительно смешанной топливно-воздушной смеси, которая самовоспламеняется аналогично режиму сгорания HCCI. Сгорание PCCI оказывается лучше по сравнению со сгоранием HCCI из-за лучшего контроля над сгоранием, что приводит к относительно более высоким характеристикам двигателя. Для сгорания PCCI доступны различные стратегии впрыска, но обычно используется ранний впрыск для увеличения времени смешивания топлива и воздуха.
Несмотря на то, что заряд не полностью предварительно смешан (не полностью гомогенный), для получения низких выбросов применяются те же принципы, что и в HCCI. Для приближения условий сгорания к режиму работы PCCI используются, прежде всего, управление впрыском топлива и степень рециркуляции отработавших газов. Сгорание PCCI представляет собой одноступенчатую технологию сгорания, при которой большая часть топлива сжигается в фазе предварительного смешивания. В камере сгорания остается очень мало или практически не остается топлива для диффузионного сгорания, что приводит к относительно более низкой объемной температуре внутри камеры сгорания. Двигатели PCCI при высоких нагрузках имеют относительно более высокое давление наддува, что способствует лучшему окислению топлива, что, в свою очередь, приводит к относительно более низким выбросам CO и HC. Таким образом, двигатель PCCI не только обеспечивает преимущества LTC в виде низких выбросов NOx и PM, но также приводит к значительно более низким выбросам HC и CO.
2.1 Подготовка заряда для сгорания PCCI
Подготовка заряда, т. е. смешивание топлива и воздуха, является очень важной особенностью двигателей внутреннего сгорания. Процесс сгорания и управление им во многом зависят от качества смеси и техники, используемой для подготовки заряда. Одной из главных проблем сгорания PCCI является подготовка предварительно смешанного заряда (сильно разбавленной топливно-воздушной смеси для обеспечения разумных скоростей горения) до достижения температуры самовоспламенения и начала горения в камере сгорания. В двигателях внутреннего сгорания PCCI требуется эффективная техника подготовки смеси для достижения высокой эффективности, низких выбросов HC и PM и предотвращения разбавления смазочного масла. Существует несколько методов, используемых для подготовки заряда в двигателях PCCI, в зависимости от свойств применяемого топлива и используемых стратегий управления.
Методы подготовки заряда PCCI можно разделить на три основные категории, включая внешнюю подготовку заряда (впрыск топлива во впускной коллектор), внутреннюю подготовку заряда (прямой впрыск в цилиндр) и концепции, использующие оба метода подготовки заряда (двухтопливный режим). Эти стратегии отличаются друг от друга по времени, доступному для смешивания, и по степени однородности смеси, которая достигается к моменту начала воспламенения [18].
Распространенные стратегии достижения сгорания LTC включают HCCI [19–22], LTC с одним впрыском [23–26] и воспламенение от сжатия, контролируемое реактивностью топлива (RCCI - Reactivity controlled compression ignition) [27, 28], как показано на рис. 3. Обзор конфигураций подачи топлива показан на рис. 4. Для достижения сгорания PCCI на дизельном топливе предпочтительна стратегия многократного впрыска топлива из-за ее способности генерировать почти однородную смесь топлива и воздуха [18].
![Рис. 3 Распространенные стратегии LTC для дизельных двигателей [18]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_66d85d314cfc0b3ec37d9dea_66d85db95b3ce31b6e155c29/scale_1200)
Обозначения на Рис. 3:
Cylinder pressure (bar) – давление в цилиндре (бар); Speed: 1500 rpm – частота вращения: 1500 об/мин; Pintake: 2 bas abs – давление на впуске: 2 бар абс.; IMEP: 8 bar – среднее эффективное давление: 8 бар; Motoring – прокрутка двигателя без подачи топлива; Heat release rate (1/deg CA) (Normalized) – Скорость тепловыделения (1/град. ПКВ) (нормализованное значение); Crank Angle (deg CA) – угол ПКВ (град.); Multi-Injection LTC (HCCI) – LTC с многократным впрыском; Single-Injection LTC - LTC с одним впрыском; RCCI (diesel pilot + ethanol port injection) – RCCI (пилотный впрыск дизельного топлива + впрыск этанола в коллектор); Conventional diesel (for reference) – Стандартный дизельный двигатель (для сравнения).
![Рис. 4 Конфигурации подачи топлива LTC [18]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_66d85d314cfc0b3ec37d9dea_66d85e33b9d0240fb58c9862/scale_1200)
Обозначения на Рис. 4:
Early Injections (-90 to -20 ATDC) – ранние впрыскивания в диапазоне от -90 до -20 град. после ВМТ; TDC – ВМТ; Moderate EGR – умеренный уровень EGR; Phasing Adjustment with EGR – управление фазами сгорания при помощи EGR; Injection close to TDC – впрыскивание близко в ВМТ; Heavy EGR – высокий уровень EGR; Phasing control with SOI - управление фазами сгорания при помощи момента начала впрыскивания; Port Injection or Very Early Injections – Впрыск в коллектор или очень ранние впрыскивания основного топлива в цилиндр; Diesel Pilot – пилотная доза дизельного топлива; Low to Moderate EGR – низкий или умеренный уровень EGR; Phasing Control with Diesel Pilot - управление фазами сгорания при помощи пилотной дозы дизельного топлива; Injection Timing Range - Диапазон впрыскивания топлива.
2.2 Однородность топливовоздушной смеси
Основным требованием LTC является наличие однородной топливно-воздушной смеси перед началом сгорания. В двигателе внутреннего сгорания смешивание топлива и воздуха регулируется многими параметрами, такими как свойства топлива, стратегия впрыска топлива, условия в цилиндре, характеристики распыления топлива, схемы потока в цилиндре. Эти параметры тесно связаны друг с другом, т. е. условия в цилиндре могут быть оптимизированы путем управления параметрами впрыска топлива и потоками в цилиндре. Движение воздуха перераспределяет плотное жидкое ядро топлива по всей камере сгорания. Потоки в цилиндре оказывают сильное влияние на испарение топлива; следовательно, они влияют как на физическую, так и на химическую часть задержки зажигания. В основном потоки в цилиндре вблизи впускного и выпускного коллекторов были в центре внимания при исследовании смешивания топлива и воздуха и изменений параметров смешивания от цикла к циклу. Большинство исследователей выполняли такие работы эксплуатируя двигатели в двигательном режиме. Общим наблюдением из этих исследований было то, что наблюдалось крупномасштабное рассеивание турбулентных структур потока внутри цилиндра в небольшие вихри с прогрессированием термодинамического цикла двигателя.
Среди различных структур потока, которые образуются внутри камеры сгорания, «вихрь» (swirl – вращательное движение вокруг вертикальной оси цилиндра), «кувырок» (tumble - вращательное движение вокруг оси, расположенной перпендикулярно вертикальной цилиндра) и «сжатие» (squish – внезапное образование турбулентности при приближении поршня к ВМТ) представляют особый интерес из-за их значительного влияния на смешивание топлива и воздуха. Вихрь — это организованное вращательное движение воздуха вокруг оси цилиндра. Вихрь образуется во время такта впуска из-за особой геометрии впускного канала и во время такта сжатия из-за геометрии поршня и цилиндра.
Характеристики распыления топлива также существенно влияют на смешивание топлива и воздуха внутри камеры сгорания; поэтому оно также изучалось многими исследователями с использованием экспериментов, а также численных методов [29, 30]. Они подчеркивали необходимость атомизации струи топлива, которая необходима для повышения однородности смеси топлива и воздуха в цилиндре. Они предположили, что процессы дробления струи топлива становятся более сложными из-за более высокой плотности окружающего воздуха, что приводит к доминирующим аэродинамическим и вязкостным эффектам. Поэтому для достижения компромисса между условиями в цилиндре и характеристиками топливной струи требуется оптимизация параметров впрыска топлива.
3 Характеристики сгорания технологии LTC
Для любого режима сгорания характеристики сгорания внутри камеры сгорания влияют на общие параметры производительности двигателя, такие как выходная мощность, вредные выбросы. Рассматривая механику жидкости, сгорание PCCI можно разделить на три отдельные фазы: предварительное сгорание, сгорание и последующее сгорание (рис. 5).
Обозначения на Рис. 5:
Fraction of Fuel Energy Consumed – доля израсходованной энергии топлива; Pre-combustion # Fluids dominated – Предварительное сгорание # Доминирование течения жидкости; Combustion # Very rapid heat release # No time for mixing – Сгорание # Очень быстрое выделение тепла # Отсутствует время на смешивание; Post-combustion # Little heat release # Oxidation of unreacted mixture – Последующее сгорание # Небольшое выделение тепла # Окисление непрореагировавшей смеси; Crank Angle (deg) – угол ПКВ.
(a) Предварительное сгорание: доминирует течение жидкости; небольшое изменение в составе смеси.
(b) Сгорание: доминирует химия; выделение тепла происходит так быстро и глобально, что турбулентное смешивание не успевает оказать значительное влияние.
(c) Последующее сгорание: химия и турбулентное смешивание, вероятно, имеют некоторую связь, но химического выделения тепла не происходит (рис. 6).
Обозначения на Рис. 6:
Rate of Heat Release (J/deg.CA) – Скорость тепловыделения (Дж/град. ПКВ); Low-temperature regime – низкотемпературный режим; NTC – режим с отрицательным температурным коэффициентом; High-temperature regime – высокотемпературный режим.
Из-за небольшого тепловыделения во время ранней фазы такта сжатия давление в цилиндре и температура немного увеличиваются. Низкое тепловыделение (LHR – Low Heat Release) связано с низкотемпературными химическими кинетическим реакциями. После LHR происходит высокое тепловыделение (HHR – High Heat Release), которое следует за режимом отрицательного температурного коэффициента (NTC - negative temperature coefficient) [33]. NTC является промежуточной температурной областью между LHR и HHR и рассматривается как общая характеристика полностью или частично предварительно смешанного заряда. Увеличение давления и холодного пламени приводит к меньшей продолжительности NTC, поскольку они ускоряют активацию области горячего пламени [34].
Диапазон температур области NTC составляет от 700 до 950 К [35, 36]. В режиме NTC общая скорость реакции уменьшается с ростом температуры в цилиндре, что приводит к более низкой реакционной способности смеси. Тепловыделение от низкотемпературных реакций в основном связано с топливом и условиями работы двигателя. В частности, в случае минерального дизельного топлива с относительно высокой тенденцией к самовоспламенению или цетановым числом [37], наблюдалось тепловыделение, связанное с низкотемпературными реакциями (LHR). В случае бензиноподобных топлив с низким цетановым числом (высоким октановым числом) LHR было ниже по сравнению с минеральными дизельными топливами при тех же условиях. Следовательно, тепловыделение от низкотемпературных реакций слишком мало, чтобы его можно было ожидать в профиле тепловыделения в большинстве условий для бензиноподобных топлив [38]. В случае двигателя HCCI-DI также отмечается диффузионное сгорание из-за непосредственно впрыскиваемого минерального дизельного топлива [34]. Окисление углеводородного топлива в основном происходит двумя путями, показанными на рис. 7.
Low temperature reaction path – путь низкотемпературных реакций; High temperature reaction path – путь высокотемпературных реакций; Decomposition – Разложение; Polymerization – Полимеризация; Clustering – Кластеризация; Partial oxidation – Частичное окисление; Oxidation –Окисление; Fuel – Топливо; Peroxides – Пероксиды; Alkyl radicals, Olefin - Алкильные радикалы, Олефины; PAH – Полициклические ароматические углеводороды; Soot - Сажа.
Из-за самовоспламенения углеводородов в камере сгорания начинаются низкотемпературные реакции, которые производят промежуточные компоненты (радикалы CH2O, HO2 и O) [39]. Через некоторое время начинаются реакции термического пламени, за которыми следует основное выделение тепла. Доминирование реакций высокотемпературного окисления (HTO - high-temperature oxidation) углеводородного топлива можно четко увидеть на кривой тепловыделения (рис. 6). Высокие концентрации радикалов CH, H и OH указывают на доминирование высокотемпературной химии во время объемного сгорания [40]. Эти промежуточные компоненты производятся в реакциях термического разложения, включая разрыв цепи связей C–C в топливе. Другой важной проблемой сгорания HCCI является резкая скорость роста давления, вызванная самовоспламенением почти гомогенной смеси топлива и воздуха. Температуры газа в цилиндре, при которых начинаются низко- и высокотемпературные реакции окисления, значительно различаются. Низкотемпературное окисление и высокотемпературное окисление начинаются при ~790 и ~970 К соответственно для н-пентана, и не зависят от коэффициента избытка воздуха, степени рециркуляции EGR и температуры всасываемого воздуха (Ti) [41]. Найт и Фостер [42] отмечают, что самовоспламенение однородной топливно-воздушной смеси контролировалось низкотемпературной (<1000 К) химией, а выделение основной энергии контролировалось высокотемпературной (>1000 К) химией, в которой преобладает окисление CO.
Продолжение в статье 2.3 https://dzen.ru/a/Zt8DTOyp4VFtIbp0.
Список литературы:
18. Asad U, Zheng M, Ting DSK, Tjong J (2015) Implementation challenges and solutions for homogeneous charge compression ignition combustion in diesel engines. J Eng Gas Turbines Power 137:101505
19. Asad U, Zheng M, Han X, Reader GT, Wang M (2008) Fuel injection strategies to improve emissions and efficiency of high compression ratio diesel engines. SAE Int J Eng 1:1220–1233
20. Kodama Y, Nishizawa I, Sugihara T, Sato N, Iijima T, Yoshida T (2007) Fullload HCCI operation with variable valve actuation system in a heavy-duty diesel engine. SAE Technical paper 2007-01-0215
21. Zhao H, Xie H, Peng Z (2005) Effect of recycled burned gases on homogeneous charge compression ignition combustion. Combust Sci Technol 177:1863–1882
22. Shi L, Cui Y, Deng K, Peng H, Chen Y (2006) Study of low emission homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine using combined internal and external exhaust gas recirculation (EGR). Energy 31:2665–2676
23. Asad U, Divekar P, Zheng M, Tjong J (2013) Low temperature combustion strategies for compression ignition engines: operability limits and challenges. SAE Technical paper 2013-01-0283
24. Asad U, Zheng M (2009) Efficacy of EGR and boost in single-injection enabled low temperature combustion. SAE Int J Eng 2:1085–1097
25. Kimura S, Ogawa H, Matsui Y, Enomoto Y (2002) An experimental analysis of low-temperature and premixed combustion for simultaneous reduction of NOx and particulate emissions in direct injection diesel engines. Int J Engine Res 3:249–259
26. Akihama K, Takatori Y, Inagaki K, Sasaki S, Dean AM (2001) Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature. SAE Technical paper 2001-01-0655
27. Kokjohn S, Hanson R, Splitter D, Reitz R (2011) Fuel reactivity controlled compression ignition (RCCI): a pathway to controlled high-efficiency clean combustion. Int J Engine Res 12:209–226
28. Agarwal AK, Singh AP, Maurya RK (2017) Evolution, challenges and path forward for low temperature combustion engines. Prog Energy Combust Sci 61:1–56
29. Elkotb M (1982) Fuel atomization for spray modelling. Prog Energy Combust Sci 8:61–91
30. Lee CS, Park SW (2002) An experimental and numerical study on fuel atomization characteristics of high-pressure diesel injection sprays. Fuel 81:2417–2423
31. Zhao H (2007) HCCI and CAI engines for the automotive industry. Elsevier
32. Fish A (1968) The cool flames of hydrocarbons. Angew Chem Int Ed Engl 7:45–60
33. Singh AP, Agarwal AK (2012) Combustion characteristics of diesel HCCI engine: an experimental investigation using external mixture formation technique. Appl Energy 99:116–125
34. Curran HJ, Gaffuri P, Pitz WJ, Westbrook CK (1998) A comprehensive modeling study of n-heptane oxidation. Combust Flame 114:149–177
35. Westbrook CK, Warnatz J, Pitz WJ (1989) A detailed chemical kinetic reaction mechanism for the oxidation of iso-octane and n-heptane over an extended temperature range and its application to analysis of engine knock. Symposium (international) on combustion. Elsevier, pp 893–901
36. Curran HJ, Pitz W, Westbrook C, Callahan G, Dryer F (1998) Oxidation of automotive primary reference fuels at elevated pressures. Symposium (International) on combustion. Elsevier, pp 379–387
37. Chevalier C, Pitz W, Warnatz J, Westbrook C, Melenk H (1992) Hydrocarbon ignition: automatic generation of reaction mechanisms and applications to modeling of engine knock. Symposium (International) on combustion. Elsevier, pp 93–101
38. Machrafi H (2010) HCCI combustion chemistry reduced kinetic mechanisms and controlling strategies. In: Handbook of combustion. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co
39. Li H, Prabhu SK, Miller DL, Cernansky NP (1994) Autoignition chemistry studies on primary reference fuels in a motored engine. SAE Technical paper 942062
40. Ranzi E, Faravelli T, Gaffuri P, Sogaro A (1995) Low-temperature combustion: automatic generation of primary oxidation reactions and lumping procedures. Combust Flame 102:179–192
41. Machrafi H (2008) Experimental validation of a kinetic multi-component mechanism in a wide HCCI engine operating range for mixtures of n-heptane, iso-octane and toluene: Influence of EGR parameters. Energy Convers Manag 49:2956–2965
42. Najt PM, Foster DE (1983) Compression-ignited homogeneous charge combustion. SAE Technical paper 830264