Publication details
Abstracts and keywords
Kontrolowany samozapłon mieszanki paliwowo-powietrznej (CAI) jest obecnie dominującym kierunkiem rozwoju silników benzynowych. Zastosowanie tego nowego systemu spalania pozwala na znaczną redukcję emisji tlenków azotu z cylindra oraz podniesienie sprawności cieplnej. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych silnika o kontrolowanym samozapłonie. Był on zasilany bezpośrednim wtryskiem benzyny do cylindra. W celu dostarczenia energii potrzebnej do zapłonu mieszanki zastosowano wewnętrzną recyrkulację spalin uzyskaną dzięki ujemnemu współotwarciu zaworów. Badania obejmowały procesy wymiany ładunku w cylindrze, tworzenia mieszanki oraz spalania. Analiza wymiany ładunku pozwoliła na sformułowanie wniosków dotyczących istoty działania silnika CAI i mechanizmów zapewniających stabilność cykliczną procesu roboczego. Na podstawie badań procesu tworzenia mieszanki w cylindrze określono zmiany składu frakcyjnego paliwa w wyniku jego reformowania. Dzięki częściowemu reformowaniu paliwa możliwe było rozszerzenie zakresu pracy silnika w kierunku mniejszych obciążeń przez spalanie uboższych mieszanek paliwowopowietrznych. Zwrócono także uwagę na negatywne skutki tego procesu chemicznego, do których należą podwyższona emisja metanu oraz obniżenie sprawności cieplnej, ze względu na utlenianie paliwa w trakcie ujemnego współotwarcia zaworów. Wyznaczono zakres pracy silnika w polu określonym przez współczynnik wewnętrznej recyrkulacji spalin oraz współczynnik nadmiaru powietrza. Przedstawiono także sposób sterowania układem rozrządu oraz składem mieszanki przy zmiennych obciążeniach silnika. Dla każdych warunków pracy przebadano różne sposoby sterowania bezpośrednim wtryskiem paliwa, aby zminimalizować emisję toksycznych składników spalin i jednostkowe zużycie paliwa. Na tej podstawie sformułowano zalecenia dotyczące sposobów sterowania procesem tworzenia mieszanki. Uzyskane własności obiektu badań zostały porównane z emisją spalin i sprawnością seryjnego silnika benzynowego z bezpośrednim wtryskiem paliwa do cylindra. W zakresie małych obciążeń zastosowanie kontrolowanego samozapłonu pozwoliło na osiągnięcie sprawności porównywalnej z silnikiem spalającym ładunek uwarstwiony oraz redukcję emisji tlenków azotu z cylindra w granicach 99%.
Controlled auto-ignition (CAI) of an air-fuel mixture is nowadays a leading trend in the development of gasoline internal combustion engines. The application of this novel combustion system will allow for a substantial reduction of cylinder-out nitrogen oxides emission as well as an increase in terms of thermal efficiency. Experimental results of a direct injection controlled auto-ignition engine were presented in this study. The engine was fuelled with gasoline. In order to provide the sufficient amount of thermal energy to the in-cylinder load, internal exhaust gas recirculation utilizing a negative valve overlap technique was applied. The scope of the research included gas exchange processes, mixture formation and combustion. The analysis of gas exchange allowed the author to investigate into the fundamental principle of CAI engine operation and the mechanisms providing cycle-tocycle stability. In-cylinder fuel reforming and resulting changes of its fractional composition was examined on the basis of mixture formation analysis. Partial fuel reforming allowed combustion of highly diluted air-fuel mixtures, thus expanding the engine low load limit. However, the negative effects of reforming were also observed. Among them was increased methane content in the exhaust gases and a decrease of combustion efficiency due to fuel oxidation during the negative valve overlap interval. The engine operating region, at variable air-excess ratio and variable exhaust gas recirculation rate, was identified. The method of load regulation, utilizing variable valves timings and engine fuelling, was proposed. Different in-cylinder mixture formation methods were examined at various operating conditions. It allowed the author to formulate the strategies of direct gasoline injection control, in order to reduce toxic exhaust components as well as specific fuel consumption. The obtained engine combustion characteristics were compared with emissions and thermal efficiency of a mass-produced spray-guided gasoline engine. In the low load range, the controlled auto-ignition showed benefits versus spark ignition combustion. Thermal efficiencies of both combustion systems were at similar level, while controlled auto-ignition allowed for 99% reduction of cylinder-out nitrogen oxides emission.
Additional information
contains interactive contents
