Turbo Charged Low Temperature Combustion - Experiments, Modeling and Control

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Ekonomin och välfärden är starkt beroende av tillförlitlig transport och energiförsörjningsteknologi. En stor del av denna teknik bygger på användandet av förbränningsmotorer. Då dessa till antalet är så stort utgör de tillsammans en stor miljöbelastning. Därför måste det läggas stora resurser på förbättrad motorstyrning och avgasrening. En av restprodukterna från förbränningsmotorer är koldioxid. Denna är en växthusgas som fått stor medial uppmärksamhet pga dess inverkan på den globala uppvärmningen. Baserat på detta och sinande oljekällor måste åtgärder vidtas för att minska bränsleförbrukningen. HCCI- och PPC- förbränning är båda förbränningskoncept som, om de styrs på rätt sätt, kan ge låg bränsleförbrukning samtidigt med renare utsläpp. Troligen kommer förbränningen i morgondagens motorer att gå till på detta sätt. Men vad är det som skiljer motorer med denna typ av förbränning från en vanlig diesel motor? Mycket är likt, de arbetar alla enligt samma princip med de fyra takterna insug, kompression, expansion och avgas. Bränslet självantänds av den höga temperatur som uppstår under kompressionen. Den största skillnaden mellan de olika koncepten är tidpunkten då bränslet sprutas in i cylindrarna. I en dieselmotor sprutas bränslet in när förbränningen skall starta. I PPC-motorer sprutas bränslet in något tidigare och för HCCI motorer sprutas det in mycket tidigare under själva insugs takten. Detta innebär att man för PPC och HCCI får en tändfördröjning. Detta är önskvärt då det ger en jämnare Temperaturfördelning under förbränningen vilket har en positiv inverkan på utsläppen. Svårigheterna med dessa två koncept är att de är svåra att styra så att självantändningen uppstår vid önskad tidpunkt. Denna tidpunkt som ofta benämns förbränningsfasningen bör inträffa några få rotationsgrader efter att kolven har passerat sitt övre vändläge. Ett viktigt hjälpmedel är en sensor som känner av förbränningsfasningen. Sensorns signal övervakas kontinuerligt av en dator. Baserat på hur signalen beter sig styr datorn ut lämliga åtgärder som korrigerar insprutningstidpunkt, bränslemängd, spjällägen etc. Styr datorn fel kan motorn antingen misstända eller i värsta fall förstöras. En stor del av detta arbete handlar om hur denna styrning ska ske för att HCCI- och PPC-motorer ska ge den bästa kompromissen mellan prestanda, bränsleförbrukning och utsläpp. För att lyckas med styrningen har matematiska motormodeller utvecklats. Dessa ökar förståelsen av hur motorerna beter sig. Modellerna har gjort det möjligt att utforma framkopplings- och återkopplingsstrukturer. En modell av motorn beskriver hur motorn beter sig när man styr den på ett visst sätt. För framkopplingen vänder man på modellen och får alltså svaret på hur man ska styra motorn för att den ska bete sig på ett visst sätt. Återkopplingen kompenserar för felaktigheter i framkopplingen genom att jämföra det verkliga beteendet med det önskade beteendet och korrigera så att de stämmer överens. Flertalet olika förbränningssensorer kan användas till återkopplingen. Det första alternativet är tryckgivare som sitter monterade i varje cylinder. Dessa känner av varje förbränning med stor noggrannhet. Tryckgivare är det klart dyraste alternativet men också bäst. Ett annat alternativ är jonströmssensorn. Denna mäter mängden joner som bildas när förbränningen sker. Genom att lägga en elektrisk spänning över ett elektrodgap i cylindern uppstår en ström under förbränningen som kan mätas. Strömmens utseende beror på hur förbränningen går. För att kunna använda jonströmmen även vid låg belastning på motorn, då jonströmmen är mycket svag, utvecklades ett filter för att kunna undertrycka bruset. Detta gav förbättringar men det var inte möjligt att nå ända ner till tomgång. Den sista sensorn är en väldigt precis momentsensor som sitter monterad mellan utgående axel från motorn och svänghjulet. Ekvationer togs fram som gjorde det möjligt att med hjälp av momentmätningar kunna räkna ut vad som händer i varje cylinder. Resultaten från dessa experiment visade att även denna typ av sensor skulle kunna ersätta tryckgivaren, men det behövs mer prov för att kunna vara riktigt säker. Sammanfattningen är att renare förbränningsmotorer går att få fram. Styrmässigt är dock HCCI avsevärt mycket svårare jämfört med PPC, Mycket på grund av den långa tändfördröjningen. På grund av utmaningarna med HCCI ligger konceptet fortfarande långt fram i tiden innan det kommer i produktion. Bensin-PPC däremot har större potential och kommer troligen att finnas i produktion inom 5 till 10 år. Det är också troligt att antingen tryckgivare eller jonströmssensorer kommer att användas för återkopplingen av förbränningsfasningen.