Ho ení v PSM

Karel Páv#8/14

KATEDRA VOZIDEL A MOTOR

2 / 20

Rychlost reakcí, chemická rovnováha:

FfEeDdCcBbAafk

rk

)(

)(

fedr

cbaf FEDkCBAka

dtAd ][][][][][][][

)()(

FfEeDdCcBbAa fk )( cbaf

f CBAkadtAd

][][][][

)()(

TREa

TAk e

[A] - Koncentrace složky A [mol/m3]k - Rychlostní konstanta

fedcbacC

bB

aA

fF

eE

dD

cba

fed

r

fc TR

pppppp

CBAFED

kk

K][][][][][][

)(

)(

i chemické rovnováze platí:

cbafed

cC

bB

aA

fF

eE

dDfedcba

cC

bB

aA

fF

eE

dDTR

G

p pp

xxxxxxp

ppppppK

Tp

00

,0

e

Gp0,T - molární volná entalpie (Gibbsova volná energie) reakce p i tlaku p0 a teplot THodnoty Kp jsou tabelizovány jako f(T) pro jednotlivé reakce.Referen ní stav je obvykle volen p0=1atm.

Chemická kinetika ho ení

A - Konstanta úm rnosti v Arrheniov vztahuT - Teplota [K] (A T 1012÷1015)

- Teplotní faktor (m že být i záporný)Ea - Aktiva ní energie (20÷400 MJ/kmol)R - Univerzální plynová konstanta

0][dtAd

(Arrheni v vztah)

k

T

as

Ene

rgie

Reaktanty

Produkty

Ea

H

T Ea

(8314,46 J/kmol.K)

3 / 20

1

2

3

4

5

6

7

Spaliny= 1

p = 100barpalivo C8H18

SpalinyT = 2000Kp = 20barpalivo C8H18

Chemická kinetika ho ení5,1

0

5,0

12

2)(pp

xxx

TKCO

OCOp

5,0

05,02

22

2)(pp

xxx

TKOH

OHp

5,05,0322

)(OH

OHp xx

xTK

5,0

05,042

)(pp

xxTK

H

Hp

5,0

05,05

2

)(pp

xxTKO

Op

5,0

05,062

)(pp

xxTK

N

Np

5,05,0722

)(NO

NOp xx

xTK

22 O21COCO

OHO21H 222

OHO21H

21

22

HH21

2

OO21

2

NN21

2

NON21O

21

22

Pro úplné ešení jsou nutné ještbilan ní rovnice pro C, H, N a O

4 / 20Skute ný pr h spalování

Po p ekonání ur ité energetické hladiny molekul (dané aktiva ní energií) docházík et zové tvorb reaktivních aktivovaných ástic (volných radikál ):

Rozpad na reaktivní radikály OOH a R odtrženímkrajního atomu H (nap . C7H15)Zkracování dlouhých et zc CxHy na meziprodukty (alkeny)

et zová tvorba peroxid ROOH (nap . C7H15 OOH) z RRozpad ROOH na formaldehyd HCHO, OH a Rx-1 (nap .C6H13) tvorba dalších peroxid

Oxidace HCHO za vzniku CO a H2OTvorba hydroxylových radikál OHOxidace CO pomocí O2 a OH

Spalování neprobíhá podle jednoduchých sumárních chemických rovnic

edplamenné reakce s p ípadnýmvýskytem „studeného“ plamene

H O C

22 COO21CO

OOHOH

HCOOHCO

OH2OHO

OCOOCO

2

2

2

22

CxHy

OOH, OH, H, O

C3H6 , C2H4, C2H2HCHO, CH3CHO, H2

CO

H2OCO2

Teplota

as

Kon

cent

race

- úvodní reakce jsou endotermické, vevýsledku se však teplo mírn uvol uje

… nutná ú ast H2O jako katalyzátoru

5 / 20Zapálení sm siZapálení sm si Vznícení (zážeh) od externího zdroje tepla

Samovznícení

RTE

a-a

.p.K= e

Zápalnost sm si a udržitelnost et zových reakcí je ovlivn na:

Druhem paliva a sou initelem p ebytku vzduchuTeplotou a tlakem sm si (vyšší hodnoty p sobí pozitivn )Ví ením sm si v okolí ohniska zážehu (b žné intenzity ví ení p sobí pozitivn )Odvodem tepla z ohniska zážehuObsahem inertních plyn

- nutná ur itá induk ní doba pro vzn t (vytvo ení dostate ného po tu radikál )- složitá závislost na tlaku a teplot

Teplota

Pr

tah

vzní

cení

Aromáty

žšíalkany

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 6 8p [bar]

t [°C

]

Studený plamen uhasnutí (nízká teplota)

2. fáze (hlavního) vzn tu

2

Vyšší pravd podobnostinterakce stejnýchradikál

Hranice samovznícení

Nízkoteplotní oblast

1

6 / 20Ho ení p ipravené sm si – zážehové motory1. Iniciace ho ení:

Pr tah zážehu:

Vysokonap ový výboj (elektrická jiskra) – teplota 104 CHorké místo ve spalovacím prostoruHo ící pomocné palivo

n = 1400 ot/minpsací = 500mbar

[°KH]

p i[b

ar]

x h[-]

2. Vlastní ho ení: bO

apal

TRE

pHO CCTA

dCd

wa

][][e][

2Rychlost reakcí:

Rychlost deflagra ního plamene: HOp

LPL wc

wLaminární plamen:

Turbulentní plamen: LPLTPL ww 202

i nízkých teplotách – rozhoduje rychlost chemických reakcí(chemická kinetika - kinetické ho ení)

i vysokých teplotách – rozhoduje vedení teplaRychlost ší ení plamene je podporována difúzí radikál

Nehomogenní rozloženíteploty spalin (u sví kynejvyšší teplota)

m/s)(H45,0 2LPLw

rychlé úvodní p edplamenné reakce (tvorba volných radikál ) s následným rozvojemohniska zážehu po rozpoznatelný vývin tepla

Intenzivní difúze a vedení tepla vlivem turbulencíVlivem expanze spalin je rychlost ela plamene ješt vyšší(na po átku ho ení až 4x, poté vliv expanze spalin klesá)

T , p wPL-L

7 / 20

Laminární plamenTurbulentní plamen

Rozpad fronty plamene do malých turbulentních vírVýrazné zvýšeni rychlosti p enosu tepla a hmotyLaminární ho ení pouze uvnit jednotlivých vír

Ho ení p ipravené sm si – zážehové motory

Ve spalovacím motoru se prakticky nevyskytuje

Zóna p edplamennýchreakcí a ho ení

Konc

entra

cePalivo

Spaliny

Tepl

ota

erst

vá s

ms

wplamen Spaliny

Difúze sm siDifúze spalin

enos proud ním avedením tepla

Relativní sou adnice zastaveného ela plamene

Fluktuaceteploty

Fluktuacekoncentrací

Difúze spalin

Zóna ho ení (~10-1 mm)Zóna p edplamennýchreakcí

Konc

entra

ce

Palivo

Spaliny

Tepl

ota

Mez p edplamennýchreakcí

erst

vá s

ms

wplamen Spaliny

Difúze sm si

Difúze spalin a radikál

Vedení tepla

Relativní sou adnice zastaveného ela plamene

enos tepla proud ním

8 / 20Ho ení tvo ící se sm si – vzn tové motory

2. Iniciace ho ení: Kompresní teplotou

RTE

a-a

.p.K= ePr tah vznícení:

Fyzikální endotermní proces, vytvo ení ho lavélokáln homogenní sm si

1. Odpa ení vst íknutého paliva:

3. Kinetická fáze ho ení: Rychlost reakcí:

4. Difúzní fáze ho ení:Ho ení na ploše = 1Difúze spalin na ob strany od plochy ho eníPlocha ho ení rozší ena turbulencíRychlost ho ení dána rychlostí p ívodu paliva a O2do zóny plamene (turbulentní difúze)Uvnit plamene dochází ke krakování paliva a knáslednému vzniku sazí (Velká ást sazí následn oxiduje v oblastechProdukce i oxidace sazí jsou urychlovány s teplotou

Iniciace plamene v p ipravené sm si 1Rychlé proho ení lokáln homogenní sm si dané oblastízápalnostiZvýšená produkce oxid dusíku

chemický proces p edplamenných reakcí, p i kterých semusí vytvo it dostate ná koncentrace volných radikál

bO

apal

TRE

pHO CCTA

dCd

wa

][][e][

2

9 / 20

p

Ho ení tvo ící se sm si – vzn tové motory

ímý vst ik

Nep ímý vst ik - kom rkový spalovací prostor (tlaková nebo vírová kom rka)- Vyšší kompresní pom r motoru ( =20÷22), objem kom rky 0,3÷0,5Vk (tlaková), resp. 0,5÷0,8Vk (vírová)- Rychlé odpa ení paliva a krátký pr tah vznícení díky naakumulovanému teplu v kom rce- Následný intenzivní výtok odpa eného paliva a meziprodukt spalování do válce- Difúzní spalování ve válci v „chladném“ vzduchu- Menší kou ivost i emise NOx- Menší nároky na vst ikovací za ízení- Menší hlu nost motoru- Ztráty škrcením, v tší tepelné ztráty

- Nižší kompresní pom r ( =15÷18)- Díky vysokým vst ikovacím tlak m

(250MPa) lze dosáhnout p ijatelných hladinhluku a emisí

- Vyšší ú innost motoruU vzn tového motoru je díky zá ícím ho ícím sazímdob e viditelný plamen:

10 / 20

M

BF

[-]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

MB

F [1

/°K

H]

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

[°KH]-20 0 20 40 60 80 100 120

Ho ení – disociace, zamrzání

Konec ho ení:Klesá koncentrace O2 i paliva, nízká expanzní teplota zpomaluje p edplamenné reakce.U chladných st n a v št rbinách sklon k hasnutí plamene.Kolem teplot 1700 K dochází k zamrzání produkt disociace.

Disociace b hem ho ení:Vlivem vysokých teplot dochází k rozkladu produkt spalování na látky, které jsou ještspalitelné (H2, H, O, OH, NO, CO i p i > 1).Koncentrace t chto látek se neustále m ní podle složení, teploty a tlaku ve válci(chemická kinetika).Z hlediska ú innosti ob hu je to nevýhodné – k uvol ování disocia ního tepla docházípozd ji p i nižších teplotách až do „zamrznutí“ (zpomaluje se rychlost uvol ování tepla).

(týká se zážehového i vzn tového motoru)

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 [-]

Tepl

ota

plam

ene

[K]

max

. wP

L-L

11 / 20Teplota plamene

Pro izochorické spalování:

spalhoTupalsm s UHmU ref

spalsm sspal

sm ssm ssm s

umUumU

refrefT

TvrefT

Tp rTTTcrTTTcu

rThpvhu

refref

vvtpalsm s Lmm 1

plamenspalrefplamen

T

Tpspalsm shoTupalsm ssm srefsm s

T

Tpsm ssm s TrTTcmHmTrTTcm plamen

ref

refsm s

ref

plamen

ref

T

Tpspalc … nutno ešit itera zeznámé závislosti na teplot(závisí však i na složení spalin)

ho … ú innost ho ení je rovn žzávislá na teplot plamene(vliv disociace)

ho

refT

Tpspalvvt

hoTu

sm ssm srefsm sT

Tpsm s

spalT

Tpspal

plamen TcL

HTrTTcrc

T plamen

ref

refsm s

refplamen

ref

11

ref

T

Tp TTchref

mrTpV

12 / 20Teplotní nehomogenita spalin

i deflagra ním ho ení je nejvyšší teplota spalin v míst ohniska zážehu sm si.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

340 350 360 370 380 390 400 410

[°KH]

T [K

]

Modelová situace:1) P ívod tepla QP = ½ Q + adiabatická vratná komprese levé ásti2) P ívod tepla QL = ½ Q + adiabatická vratná komprese pravé ásti

Teplota spalin

Teplota sm si

p

VVP1VP2VL1 VL2 VL0 = VP0

p1

p0

p2

QP

QL

L1 P1

L2 P2

L0 = P0

TP2TL2

11 LCP VVV

dpVdQ CP 1

dpVdQ CL 1

rmVpTL

LL

111

1

1

001 p

pVV LL

1

2

112 p

pVV PP

QL QP

pTLVLmL

pTPVPmP

13 / 20Pr h uvol ování tepla b hem ho ení

Vzn tový motor Zážehový motor

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm2000

IMEPbar

22.14

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm2000

IMEPbar5.58íliš nízká

teplotapro vzn t

Snaha o zkrácení pr tahuvznícení a tím o potla eníkinetické fáze ho ení

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm2000

IMEPbar

11.17

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm4000

IMEPbar

12.58

Rychlost ho ení se srostoucími otá kamizvyšuje

Odpa ovánípaliva

Následnkratší pr tah

vznícení

Pilotní dávka:

14 / 20Pr h uvol ování tepla b hem ho ení

Ho ení je pozitivn ovlivn no ví ením nápln válce (VM i ZM).U ZM je pr h ho ení významn ovlivn n polohou zapalovací sví ky.

2-ventilová hlava se stranovumíst nou sví kou

4-ventilová hlava s centrickyumíst nou sví kou

Delší dráha plamene a pomalé ho ení zvyšujepravd podobnost výskytu klepání.Existují konstrukce s ízenou tvorbou turbulence(využívá se nár stu tlaku p i ho ení v kom rce).Z hlediska ú innosti je snahou dosažení conejrychlejšího a nejdokonalejšího sho ení náplnválce.

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm2000

IMEPbar

10.20

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[%/d

eg]

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8SPEED

rpm2000

IMEPbar

10.62

15 / 20Mezicyklová variabilita

Vzn tový motor

-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180 225 270 315 360Crank Angle [deg]

PC

YL

[bar

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Cycle

IMEP

[bar

]

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

PM

AX

[bar

]30

40

50

60

70

80

-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180 225 270 315 360Crank Angle [deg]

PC

YL

[bar

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Cycle

IMEP

[bar

]

23.5

24.0

24.5

25.0

25.5

PM

AX

[bar

]

140

150

160

170

180

190

Zážehový motor

= 0,7 bar* = 0,4 %

= 0,1 bar* = 0,4 %

= 4,2 bar* = 7,2 %

= 0,1 bar* = 1,0 %

16 / 20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1Rel. Volume [-]

p [b

ar]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Poruchy spalování

p [b

ar]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Crank Angle [deg]-10 0 10 20 30 40

MBF

[%]

0

20

40

60

80

100

n = 1850 min-1, pi = 10,3 barKlepání:

Spontánní vzn t dosud nesho elé sm sied frontou plamene.

Nebezpe í:- Vysoký tlak (mechanické namáhání)- Lokální vysoký p estup tepla

K]bar,[ms,3800exp100

86,17 7,1402,3

Tp

Douaud-Eyzat v vztah ( as nutný pro vznícení):

11

0

dvznícení

závisí na historii stav( vznícení se eší itera )

Samozápal:Ne ízený (samovolný) zážeh sm si od

eh átých míst ve spalovacím prostoru:ásti zapalovací sví ky

• p eh áté ventily• úsady

2750 min-1, 100%Etanol

0,01

0,1

1

10

100

1000

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

[ms]

1000/T [1/K]

as do vznícení iso-oktanu

2500 min-1, 100%Benzín RON 87

17 / 20Nekonven ní zp soby ho ení

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition

RCCI - Reactivity Controlled Compression Ignition

PCCI - Premixed Charge Compression Ignition

PPCI - Partially Pre-mixed Charge Compression Ignition

Kompresní vzn t velkého objemu chudé sm si (benzín, nafta, plynná paliva)Vyžadován vysoký kompresní pom r

Vysoké spalovací tlaky, resp. gradienty tlaku (hluk)Komplikované ízení vznícení sm si (prom nné , EGR, asování)Omezený rozsah zatížení motoru (vzn tlivost chudých sm sí, vysoké tlaky)Vyšší emise CO a HC vlivem velmi rychlého ho ení a nižších spalovacích teplot

Odpadá škrtící klapka v sáníNízké emise NOx (nižší špi kové teploty, krátká expozice)

Použití dvou paliv s rozdílnou reaktivitou (nap . benzín a nafta) pro ízení vzn tuŠiroký rozsah zatížení motoru

18 / 20Inverzní p ístup – Analýza zm eného pr hu tlaku(SW AVL IndiCom)

dmmTdV

mrpdp

mrVdT

=0

v

p

cc

rcc vp

ddpV

ddVp

ddQ

11

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

[°KH]

dQ/d

[J/°

KH]

Zjednodušený výpo et dle vztahuVýpo et zahrnující odvod tepla i

prom nlivost termodynamickýchvlastností nápln válce

= 1,32

= 1,32 / 1,27

ddpV

ddVp

ddQ

11

HÚ

Použití pro kompresi pro expanzi

Zážehové motory svn jším tvo ením sm si 1,32 1,27

Zážehové motory símým vst ikem paliva 1,34 1,27

Plynové motory 1,35 1,27

Vzn tové motory 1,37 1,30

Doporu ené hodnoty :

n = 2000 min-1, pe = 0,2 MPa

pdVdTmcpdVdUdQ v

pdVpdVrcVdp

rcdQ vv

pdVVdpdQ11

1

… 1. zákon termodynamiky pro uzav ený systém(zanedbávají se úniky p es pístní kroužky)

19 / 20ležité integrální parametry zákona ho ení

[°KH]

dQ/d [J/°KH]

Q [J]

HÚ

50%

90%5%

0

Qp

0,9 Qp

0,1 Qp

0,05 Qp

0,95 Qp

95%

10%

0,5 Qp

Poloha vyho ení 50% nápln válce 50%Úhlová délka ho ení 95% 5% ( 90% 5%)Celkov uvoln né teplo Qp siln závisí na zp sobu výpo tu

20 / 20

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0/ k [-]

x [-] m=0.1

0.3

m=1m=0.5 m=2 m=5 m=10

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0/ k [-]

w [-

]

m=0.1

m=0.3

m=1

m=0.5m=2

m=5

m=10

Modelování ho eníVibeho zákon ho ení:

kxC 1ln1

1

1

e1

m

h

hC

hox1

1

e11

m

h

hCm

h

h

hho

mCw

-20 -10 -0 10 20 30 40 50 60 70 80Crank Angle [deg]

Hea

t Rel

ease

[kJ/

m3d

eg]

-30

0

30

60

90

120

150

Zážehový motorVzn tový motorTypický rozsah

parametrum = 2 ÷ 3,5

91,6999,0

1Cxki