The Performance of a Multi Cylinder HCCI Engine using Variable Compression Ratio and Fast Thermal Management

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Förbränningsmotor är i dagens värld den mest använda kraftkällan för fordon. Förbränningsmotorn har kontinuerligt utvecklats och förbättrats sedan Nicolaus August Ottos och Rudolf Diesels dagar, och kommer att fortsätta att utvecklas långt in i framtiden. Ingen konkurrerande teknik har ännu på allvar utmanat förbränningsmotorns ställning. Det finns en lång rad tänkbara kandidater, men de måste först visa sin verkliga kapacitet i praktiken innan de kan komma till större användning. Många nya teknologier som förbättrar förbränningsmotorns användning har dykt upp på senare år, tex. hybrider. Dessa nya teknologier utnyttjar förbränningsmotorn där den är som bäst och undviker dess nackdelar, dvs. där den har dåligt verkningsgrad. På grund av det stora antalet förbränningsmotorer i världen är inte deras miljöpåverkan acceptabel. Avancerad motorstyrning och avgasefterbehandling har minskat utsläppen av de reglerade emissionerna; NOx, CO, HC, och partiklar, till mycket låga nivåer. Kommande lagstiftning kommer att sänka emissionerna ytterligare. Trots detta är och kommer utsläppen av växthusgasen CO2 från förbränningsmotorn att vara ett problem i framtiden. Den globala uppvärmningen i världen är direkt kopplad till de ökade utsläppen av CO2 i atmosfären från mänsklig verksamhet. För att minska CO2 utsläppen från förbränningsmotorn, vid användning av fossila bränslen, måste dess bränsleförbrukning minskas. Förbränning genom kompressionsantändning av en homogen blandning (Homogeneous Charge Compression Ignition - HCCI) ger en ytterligare förbättringspotential till förbränningsmotorn. HCCI förbränning sänker bränsleförbrukningen hos bensinmotorer till nivåer jämförbara med dieselmotorer, medan HCCI förbränningen i diesel motorer eliminerar partikel och NOx utsläppen. Innan HCCI förbränningen kan börja användas storskaligt måste vissa problem lösas som t.ex. hur självantändningen vid HCCI förbränning skall kontrolleras och i hur stort arbetsområde, dvs. i varvtal och last, kan den användas. I denna avhandling undersöks potentialen att reglera HCCI förbränningen i en motor med variabelt kompressionsförhållande och dess prestanda med avseende på arbetsområde och verkningsgrad. HCCI förbränningen åstadkoms med hjälp av högt kompressionsförhållande, uppvärmning av insugsluften, och med luft som utspädning. Förbränningsfasningen regleras med det variabla kompressionsförhållandet och med snabb reglering av temperaturen på insugsluften. Förbränningsfasningen, beräknad från cylinderindividuella tryckmätningar, används som återkoppling i regleringen. En del av insugsluften värms upp med avgaser i en värmeväxlare och blandas med kall, ouppvärmd luft innan motorn. Temperaturen på insugsluften regleras med strypspjäll som kontrollerad mängden varm respektive kall luft. Både konventionella PID regulatorer och tillståndsåterkopplade regulatorer har provats för att förbättra regleringen av förbränningsfasningen. Transientreglering i en Europeisk körcykel, EC2000, har utförts för att undersöka både regler- och motorprestanda. Kompressionsförhållanden mellan 9:1 och 30:1 har provats och förhållandet mellan insugslufttemperatur och kompressionsförhållande har optimerats. Arbetsområdet med HCCI förbränning och faktorerna som påverkar arbetsområdet har också undersökts. Laster mellan -1 till 6bar BMEP, samt motorvarvtal mellan 650 och 5000rpm har åstadkommits. Prestanda vid låga laster kan förbättras genom strypning, tidig förbränningsfasning, oxiderande katalysatorer med låg antändningstemperatur, och restgaser. Maximal last kan ökas genom turboladdning, katalysator före turbin, cylinderbalansering, låga oktantal, och tändassisterad HCCI förbränning. För att täcka hela emissionskörcykeln har förbränningsmodväxlingar till vanlig otto-förbränning utförts, samt blandad HCCI och flampropagering undersökts. Prestanda har jämförts mellan tre HCCI motorer med olika slagvolym och skillnaderna i bromsad verkningsgrad undersökts.