Projekt okładki i stron tytułowych
Anna Gogolewska

Zdjęcie na okładce
Przekrój systemu spalania silnika badawczego, rys. Paweł Kordos

Wydawca
Katarzyna Rosińska

Redakcja
Anna Gardyniak

Korekta
Mirella Hess-Remuszko

Produkcja
Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.
Michał Latusek

Recenzenci
prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek
prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

Publikacja została sfinansowana w ramach projektu Politechnika Lubelska – Regionalna Inicjatywa Doskonałości ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki na podstawie umowy nr 030/RID/2018/19.

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2023

ISBN 978-83-01-22962-7
DOI: https://doi.org/10.53271/2023.017

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie II)
Warszawa 2023

Wydawnictwo Naukowe PWN SA
02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2
tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 280
infolinia 801 33 33 88
e-mail: pwn@pwn.com.pl, www.pwn.pl

Fragment

Wykaz skrótowców i oznaczeń

1. Wstęp

Bibliografia

2. Wprowadzenie do systemów spalania niskotemperaturowego

2.1. Idea spalania niskotemperaturowego

2.2. Systemy spalania niskotemperaturowego

2.3. Korzyści w zakresie sprawności silnika i emisji zanieczyszczeń

2.4. Wyzwania związane z rozwojem systemów spalania niskotemperaturowego

Bibliografia

3. Paliwa silnikowe w kontekście spalania niskotemperaturowego

3.1. Dostępne surowce, ścieżki technologiczne i właściwości paliw

3.2. Wymagania stawiane paliwom

3.3. Właściwości samozapłonowe paliw

Bibliografia

4. System spalania HCCI z wewnętrzną recyrkulacją spalin

4.1. Sposoby realizacji spalania HCCI

4.2. Ujemne współotwarcie zaworów

4.3. Obieg rzeczywisty silnika

4.4. Zakres pracy silnika HCCI z wewnętrzną recyrkulacją spalin

Bibliografia

5. Wymiana ładunku w silniku o ujemnym współotwarciu zaworów

5.1. Przebieg wymiany ładunku

5.2. Obliczanie wymiany ładunku

5.3. Doświadczalna metoda wyznaczania ilości wewnętrznie recyrkulowanych spalin

5.4. Przepływy przez zawory

5.5. Charakterystyki wymiany ładunku

5.6. Niejednorodność ładunku

Bibliografia

6. Dostarczanie paliwa i przygotowanie mieszanki

6.1. Sposoby zasilania silników HCCI w paliwo

6.2. Reformowanie paliwa

Pojęcie reformowania oraz sposoby realizacji

Teoretyczny opis procesu reformowania paliwa

Badania empiryczne efektów chemicznych reformowania paliwa

Badania modelowe efektów chemicznych reformowania

Efekty termiczne przemiany fazowej i reformowania paliwa

Badania efektów cieplnych wtrysku paliwa w czasie UWZ

6.3. Uwarstwienie mieszanki

Bibliografia

7. Procesy spalania niskotemperaturowego

7.1. Uproszczony opis spalania paliw węglowodorowych

7.2. Fenomenologiczny opis spalania w silniku HCCI

7.3. Badania empiryczne na podstawie ciśnienia indykowanego w cylindrze

7.4. Uwagi dotyczące modelowania spalania

7.5. Cele i metody sterowania spalaniem

7.6. Czynniki wpływające na proces spalania

Reaktywność paliwa

Nadmiar powietrza i reformowanie paliwa

Fazy rozrządu i współczynnik recyrkulacji spalin

Doładowanie silnika

Bezpośredni wtrysk paliwa w czasie UWZ

Uwarstwienie ładunku

7.7. Spalanie HCCI wspomagane wyładowaniem iskrowym

7.8. Szybkość narastania ciśnienia

Bibliografia

8. Emisja toksycznych składników spalin

8.1. Składniki spalin oraz czynniki sprzyjające powstawaniu związków toksycznych

8.2. Mechanizmy powstawania związków toksycznych

Tlenki azotu

Cząstki stałe

Tlenek węgla i niespalone węglowodory

8.3. Wpływ warunków pracy na emisję toksycznych składników spalin

8.4. Wpływ parametrów sterujących na emisję toksycznych składników spalin

Nadmiar powietrza i recyrkulacja spalin

Doładowanie

Reformowanie paliwa w cylindrze

Uwarstwienie ładunku

Zapłon iskrowy

8.5. Wpływ paliwa na emisję toksycznych składników spalin

Bibliografia

9. Sprawność silników HCCI

9.1. Konwersja energii w silniku i źródła strat

9.2. Sprawność spalania

9.3. Sprawność termodynamiczna

9.4. Charakterystyki wybranych strat energetycznych

Straty pompowania

Straty cieplne

Straty związane z bezpośrednim wtryskiem paliwa w czasie UWZ

Straty wynikające z przedmuchów czynnika roboczego

Bibliografia

10. Zmienność cykliczna pracy silnika

10.1. Objawy i przyczyny zmienności cyklicznej

10.2. Wskaźniki zmienności cyklicznej

10.3. Zmienność cykliczna w silnikach HCCI

10.4. Deterministyczny charakter zmienności cyklicznej

10.5. Identyfikacja mechanizmów zmienności cyklicznej

Bibliografia

11. Podsumowanie

12. Załącznik

Bibliografia

13. Wykaz rysunków

14. Wykaz tabel

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Wykaz skrótowców i oznaczeń

Skrótowce

CFD – obliczeniowa mechanika płynów (ang. computational fluid dynamics)

DME – eter dimetylowy

DMP – dolne martwe położenie (tłoka)

DNS – bezpośrednia symulacja numeryczna (ang. direct numerical simulation)

ETBE – eter tert-butylowo-etylowy

FAME – ester metylowy kwasów tłuszczowych (ang. fatty acid methyl ester)

FTIR – ang. Fourier transform infrared

GMP – górne martwe położenie (tłoka)

GTL – technologia syntezy węglowodorów (ang. gas-to-liquid)

HC – węglowodory

HCCI – zapłon samoczynny mieszanki jednorodnej (ang. homogeneous charge compression ignition)

HVO – olej hydrorafinowany (ang. hydrotreated vegetable oil)

LES – symulacja dużych wirów turbulentnych (ang. large eddy simulation)

LIF – fluorescencja wzbudzana laserowo (ang. laser induced fluorescence)

LO – liczba oktanowa

LOB – liczba oktanowa badawcza

LOM – liczba oktanowa motorowa

LPG – gaz skroplony (ang. liquified petroleum gas)

MTBE – eter tert-butylowo-metylowy

NOX – tlenki azotu

OD – otwarcie zaworu dolotowego

OI – wskaźnik oktanowy (ang. octane index)

OME – eter oksymetylowy (ang. oxymethylene ether)

ON – olej napędowy

OW – otwarcie zaworu wylotowego

OWK – obrót wału korbowego

PCCI – zapłon samoczynny mieszanki częściowo jednorodnej (ang. premixed charge compression ignition)

PCI – zapłon samoczynny mieszanki częściowo jednorodnej (ang. premixed compression ignition)

PLC – sterownik programowalny (ang. programmable logic controller)

PM – cząstki stałe (ang. particulate matter)

PPCI – zapłon samoczynny mieszanki częściowo jednorodnej (ang. partially premixed compression ignition)

PPO – olej pirolityczny z tworzyw sztucznych (ang. plastic pyrolysis oil)

RCCI – zapłon samoczynny mieszanki o uwarstwionej reaktywności (ang. reactivity controlled compression ignition)

TPO – olej pirolityczny z opon (ang. tyre pyrolysis oil)

UWZ – ujemne współotwarcie zaworów

WLTC – światowy zharmonizowany test homologacyjny (ang. worldwide harmonized light vehicles test cycle)

ZD – zamknięcie zaworu dolotowego

ZI – zapłon iskrowy

ZS – zapłon samoczynny

ZW – zamknięcie zaworu wylotowego

Oznaczenia alfabetu łacińskiego

A – współczynnik wyznaczany empirycznie

B – współczynnik wyznaczany empirycznie

c – ciepło właściwe

f – pole powierzchni

G – wskaźnik twardości pracy

h – entalpia właściwa

H – entalpia

I – gęstość mocy fali ciśnienia

K – współczynnik zależny od krzywych temperatury i ciśnienia sprężania

L – praca

m – masa, współczynnik funkcji Wiebego

n – współczynnik wyznaczany empirycznie

N – numer cyklu roboczego silnika

p – ciśnienie

Q – ciepło

R – indywidualna stała gazowa

S – współczynnik wrażliwości paliwa na parametry termodynamiczne

t – czas

T – temperatura

U – energia wewnętrzna

W – wartość opałowa

v – prędkość

V – objętość

x – udział masowy, stopień wypalenia dawki paliwa

Oznaczenia alfabetu greckiego

α – kąt, współczynnik przejmowania ciepła

β – stosunek ciśnień

η – sprawność

ηV – współczynnik napełnienia

κ – wykładnik adiabaty

λ – współczynnik nadmiaru powietrza

μ – współczynnik przepływu

ν – współczynnik zmienności

σ – odchylenie standardowe

τ – opóźnienie

Φ – współczynnik stechiometrii

Indeksy

05 – wypalenie 5% dawki paliwa

05–95 – okres od 5% do 95% wypalenia dawki paliwa

50 – wypalenie 50% dawki paliwa

95 – wypalenie 95% dawki paliwa

bb – przedmuchy

cyl – cylinder

D – dolot

ht – przejmowanie ciepła

i – indykowany

imp – impuls (elektryczny)

kr – krytyczny

ks – koniec spalania

m – mechaniczny

o – ogólny

P – produkty

pal – paliwo

par – parowanie

pow – powietrze

ps – początek spalania

s – skokowy

S – substraty

sp – spaliny

spal – spalanie

t – tłok

term – termodynamiczny

w – ścianka

W – wylot

wrz – wrzenie

z – zapłon

1

Wstęp

Według danych opublikowanych w 2020 roku silniki spalinowe wytwarzały około 25% globalnej pracy mechanicznej [6]. Stanowiły one podstawowe źródło napędu samochodów i innych środków transportu, a także różnego rodzaju maszyn roboczych. Na świecie istniało około 1,2 miliarda samochodów osobowych oraz 350 milionów samochodów ciężarowych napędzanych w 95% przez silniki spalinowe oraz w 92% zasilanych paliwami pochodzącymi z przeróbki ropy naftowej [9]. Pojazdy samochodowe były największymi, przed środkami transportu wodnego i powietrznego, odbiorcami paliw ropopochodnych. Codziennie na świecie wydobywano około 100 mln baryłek ropy naftowej [8, 10], którą w 70% przeznaczano do produkcji paliw transportowych [6].

Dostępne prognozy zużycia energii wskazują, że w najbliższych dziesięcioleciach paliwa kopalne nie przestaną odgrywać istotnej roli [11], a zużycie ropy naftowej będzie rosło w tempie około 1% rocznie [10]. Eksploatacja paliw kopalnych na tak szeroką skalę powoduje niestety proporcjonalną emisję dwutlenku węgla do atmosfery, gdyż niemal każdy atom węgla w paliwie zostanie ostatecznie przekształcony w cząsteczkę tego związku. Szacuje się, że tłokowe silniki spalinowe są obecnie odpowiedzialne za około 10% światowej emisji dwutlenku węgla [6].

Kolejnym społecznym i środowiskowym problemem jest emisja substancji toksycznych związana z wydobyciem surowców, przeróbką paliw, transportem, przechowywaniem, a w końcu ich spalaniem. Dopuszczalne poziomy emisji składników toksycznych są ambitnie ograniczane przez normy obowiązujące na całym świecie, które się co kilka lat odświeża. Normy te okazują się najbardziej rygorystyczne w stosunku do sektora transportu lądowego. Należy także zauważyć, że rzeczywiste ilości substancji szkodliwych uwalnianych do atmosfery przez silniki trakcyjne są znacząco większe niż te teoretycznie wynikające z norm. W szczególności dotyczy to cząstek stałych (ang. particulate matter, PM) i tlenków azotu (NOX) niebezpiecznych ze względu na ich toksyczność [3].

Globalne rozwiązanie problemu emisji gazów cieplarnianych oraz związków toksycznych do atmosfery powinno polegać na zrównoważonym wykorzystaniu dostępnych zasobów energii odnawialnej i nisko- lub zeroemisyjnych przetworników energii. Emisję zanieczyszczeń należy ujmować w odniesieniu do całego cyklu istnienia maszyn, uwzględniając pozyskanie surowców, produkcję nośników energii oraz przetworników energii, sam proces przetwarzania energii, a także utylizację zużytych urządzeń. W takim ujęciu silniki spalinowe nie wypadają źle i w połączeniu z paliwami odnawialnymi ich wykorzystanie stanowi realną ścieżkę w kierunku gospodarki obiegu zamkniętego. Zaskakujący może być fakt, że całkowite emisje gazów cieplarnianych przez samochody z napędem spalinowym oraz samochody elektryczne przy przebiegu 200 000 km są podobne, jeżeli weźmie się pod uwagę światowy miks energetyczny [7]. Ponadto produkcja silników spalinowych nie wiąże się z dużą uciążliwością dla środowiska, jak to ma miejsce np. w przypadku akumulatorów elektrochemicznych. Utylizacja silników jest całkowicie bezpieczna dla środowiska, a materiały stosowane do ich budowy są niemal w całości ponownie wykorzystywane. Materiały z surowców węglowodorowych niedające się ponownie przetworzyć, takie jak guma lub inne tworzywa polimerowe, mogą być przerabiane na paliwa, np. w procesach pirolizy [5]. Reasumując, synergiczne wykorzystanie paliw odnawialnych oraz niskoemisyjnych silników, również w układach hybrydowych, zwiększających efektywność energetyczną całego systemu, to jedna z dróg do minimalizacji śladu węglowego oraz ograniczenia zanieczyszczenia środowiska [1, 2, 4].

W niniejszej monografii podjęto tematykę jednej z zaawansowanych technik czystego spalania niskotemperaturowego HCCI (ang. homogeneous charge compression ignition) w silnikach tłokowych. W bezpośrednim tłumaczeniu HCCI oznacza zapłon samoczynny mieszanek jednorodnych, lecz w dalszej części opracowania będzie używany anglojęzyczny skrótowiec, gdyż jest on powszechnie rozpoznawany. W książce w szczególności przedstawiono jedną z koncepcji HCCI, a mianowicie samozapłon paliw o dużych liczbach oktanowych (LO), takich jak benzyna, w silnikach o stopniach sprężania typowych dla silników o zapłonie iskrowym (ZI), przy zastosowaniu wewnętrznej recyrkulacji spalin. Jednakże przedstawione wyniki i dyskusje mogą być uogólnione na inne systemy spalania niskotemperaturowego.

W książce opisano subiektywnie wybrane przez autora zagadnienia organizacji systemu spalania HCCI. W tym kontekście scharakteryzowano procesy zachodzące w silniku, kładąc nacisk na zjawiska, które różnią się od tych dobrze znanych z silników ZI oraz silników o zapłonie samoczynnym (ZS). Omówiono także wybrane, oryginalne metody badawcze.

Większość wyników przedstawionych w niniejszej monografii powstało w efekcie własnych badań empirycznych autora, przeprowadzonych za pomocą silnika doświadczalnego przystosowanego do spalania HCCI. Autorskie stanowisko badawcze z silnikiem umożliwiającym spalanie HCCI przy zastosowaniu wewnętrznej recyrkulacji spalin opisano w załączniku.

Wyniki badań własnych uzupełniono o dane zaczerpnięte z literatury światowej, aby rozszerzyć zakres tematyczny książki lub prowadzić dyskusję naukową. Dobierając dane literaturowe autor starał opierać się na publikacjach uznanych autorów prowadzących badania w renomowanych laboratoriach.

Bibliografia

1. Agarwal A K, Singh A P, Maurya R K. Evolution, challenges and path forward for low temperature combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science 2017; 61: 1–56.

2. Andersson Ö, Börjesson P. The greenhouse gas emissions of an electrified vehicle combined with renewable fuels: Life cycle assessment and policy implications. Applied Energy 2021; 289: 116621.

3. Andrych-Zalewska M, Chlopek Z, Merkisz J, Pielecha J. Research on exhaust emissions in dynamic operating states of a combustion engine in a real driving emissions test. Energies 2021; 14(18): 5684.

4. Taylor A M K P. Science review of internal combustion engines. Energy Policy 2008; 36(12): 4657–4667.

5. Mikulski M, Ambrosewicz-Walacik M, Hunicz J, Nitkiewicz S. Combustion engine applications of waste tyre pyrolytic oil. Progress in Energy and Combustion Science 2021; 85: 100915.

6. Reitz R D, Ogawa H, Payri R i in. IJER editorial: The future of the internal combustion engine. International Journal of Engine Research 2020; 21(1): 3–10.

7. Wang N, Tang G. A review on environmental efficiency evaluation of new energy vehicles using life cycle analysis. Sustainability 2022; 14: 3371.

8. Oil production worldwide from 1998 to 2020. [https://www.statista.com/statistics/265203/global-oil-production-since-in-barrels-per-day/]. Dostęp 20.09.2021.

9. Global bioenergy statistics. [https://worldbioenergy.org/uploads/181017 WBA GBS 2018_Summary_hq.pdf]. Dostęp 18.06.2021.

10. The need for net zero demonstration projects. [https://www.iea.org/reports/the-need-for-net-zero-demonstration-projects]. Dostęp 15.09.2022.

11. BP energy outlook. [https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2022.pdf]. Dostęp 15.09.2022.

2

Wprowadzenie do systemów spalania niskotemperaturowego

2.1. Idea spalania niskotemperaturowego

Spalanie niskotemperaturowe to „nowa nadzieja” dla silników spalinowych. Ten rodzaj spalania charakteryzuje się bardzo małymi emisjami tlenków azotu oraz cząstek stałych, a także sprzyja uzyskiwaniu dużej sprawności cieplnej. Spalanie można uznać za niskotemperaturowe, jeżeli maksymalna temperatura w komorze spalania nie przekracza wartości powodującej istotną emisję tlenków azotu, czyli około 1800 K [36]. Biorąc pod uwagę wartości temperatury spalania paliw węglowodorowych oraz wartości temperatury wynikające ze sprężania w cylindrach silników, spalanie niskotemperaturowe można uzyskać wyłącznie, jeżeli paliwo jest równomiernie rozmieszczone w komorze spalania oraz dostatecznie rozrzedzone przez powietrze lub inne gazy, np. recyrkulowane spaliny. Aby spalanie w takich warunkach było całkowite i zupełne, musi mieć ono charakter objętościowy, a więc być kontrolowane przez mechanizmy kinetyki chemicznej [34]. Niska temperatura spalania powoduje, że ilość powstających tlenków azotu jest pomijalnie mała w porównaniu z konwencjonalnymi systemami spalania ZI lub ZS. Jednorodna mieszanka spalana objętościowo nie sprzyja również formowaniu cząstek stałych [31]. Ponadto zmniejszone są straty ciepła w cylindrze na skutek konwekcji oraz większy jest wykładnik adiabaty gazu podczas spalania. Oba czynniki zwiększają sprawność cieplną. Kolejną korzystną cechą spalania kinetycznego jest jego duża szybkość, dzięki czemu realizowany obieg cieplny jest zbliżony do obiegu Otta, zapewniając dobre wykorzystanie energii w suwie pracy [12].

Spalanie w konwencjonalnych silnikach ZI lub ZS jest dalekie od opisanych powyżej warunków. Chociaż silniki ZI charakteryzują się dosyć jednorodną mieszanką paliwowo-powietrzną, paliwo nie może być w znacznym stopniu rozcieńczone ze względu na ograniczenia wynikające z cieplnego mechanizmu rozprzestrzeniania się płomienia [1]. Silniki ZS mogą pracować przy bardzo dużym ogólnym współczynniku nadmiaru powietrza, ale lokalnie, w strefach, w których rozpoczyna się spalanie, mieszanka jest bogata w paliwo, a takie spalanie wytwarza duże ilości sadzy. Z kolei tlenki azotu tworzą się na obrzeżach strugi paliwa, gdzie jest wystarczający dostęp tlenu i jednocześnie panuje odpowiednio duża temperatura [7, 29].

2.2. Systemy spalania niskotemperaturowego

Aby spełnić postulat spalania niskotemperaturowego w silnikach tłokowych, badacze po ponad stu latach rozwoju konwencjonalnych systemów spalania zaproponowali kilka nowych rozwiązań. Dotychczas opracowane systemy spalania niskotemperaturowego na tle systemów konwencjonalnych zilustrowano na rys. 2.1. Systemy PCCI (ang. premixed charge compression ignition) oraz RCCI (ang. reactivity controlled compression ignition) wywodzą się bezpośrednio z silników ZS, natomiast system HCCI jest często określany jako swego rodzaju połączenie ZI oraz ZS. Warto także podkreślić, że silniki z systemami spalania niskotemperaturowego umożliwiają spalanie szerokiej gamy paliw, począwszy od konwencjonalnego oleju napędowego i benzyny, poprzez alkohole, gaz ziemny, wodór, amoniak i biodiesel, a skończywszy na złożonych paliwach syntetycznych. Inną ważną zaletą w porównaniu z silnikami ZI i ZS jest skalowalność pozwalająca na tworzenie konstrukcji różnych wielkości, poczynając od modelarskich, a kończąc na siłowniach statków morskich.

Silnik HCCI w największym stopniu realizuje postulat spalania niskotemperaturowego. HCCI zakłada całkowite odparowanie paliwa i jego dobre wymieszanie z utleniaczem przed rozpoczęciem spalania. Spalanie jest również jednorodne przestrzennie, tzn. w skali makro zachodzi jednocześnie w całej objętości komory spalania i dzięki temu szybko ulega zakończeniu [34]. W mniejszej skali spalanie rozpoczyna się w wielu miejscach w cylindrze, lecz nie występuje rozprzestrzenianie się płomienia, typowe dla silnika ZI [2]. Spalanie jest całkowicie kontrolowane przez kinetykę reakcji chemicznych, co w zasadniczy sposób odróżnia HCCI od konwencjonalnych systemów spalania.

Rys. 2.1. Konwencjonalne systemy spalania (a, b) oraz systemy spalania niskotemperaturowego (c, d, e)

Pierwsze praktyczne zastosowanie techniki HCCI na skalę przemysłową miało miejsce pod koniec lat 70. XX wieku. Silnik HCCI został wykorzystany do napędzania generatora energii elektrycznej. W 1995 roku odnotowano pierwsze motoryzacyjne zastosowanie dwusuwowego silnika HCCI. Do napędzania motocykla marki Honda wykorzystano dwusuwowy silnik o objętości skokowej 250 cm^3 [15]. Specjalny zawór sterował ilością spalin pozostających w cylindrze, których ciepło umożliwiało samozapłon mieszanki. Głównym celem zastosowania tego rozwiązania było jednak uzyskanie całkowitego spalania, a nie zmniejszenie emisji tlenków azotu. Spalanie HCCI w czterosuwowych silnikach samochodowych zostało zaproponowane przez Najta i Fostera w latach 80. XX wieku [26] i zademonstrowane w pierwszej dekadzie XXI wieku przez głównych producentów silników i samochodów [23, 38]. Ostatnio koncern Mazda wprowadził na rynek benzynowy silnik samochodowy częściowo wykorzystujący technikę spalania niskotemperaturowego. Jest to jednak silnik ZI, w którym w pewnym zakresie obciążenia i prędkości obrotowej po wstępnej fazie spalania deflagracyjnego następuje samozapłon pozostałego ładunku i jego objętościowe spalanie [39, 40]. Silniki HCCI w czystej postaci nie są dostępne na rynku nawet dzisiaj, pomimo włożonego ogromnego wysiłku badawczego. Należy również zauważyć, że korzyści w zakresie emisji zanieczyszczeń i sprawności silników HCCI w rzeczywistych zastosowaniach motoryzacyjnych okazały się mniej spektakularne niż te wykazane w testach laboratoryjnych [28]. Jednakże jako elementy napędów hybrydowych silniki HCCI wykazują znacznie lepsze właściwości emisyjne niż ich konwencjonalne odpowiedniki [33]. Obecnie intensywnie pracuje się nad silnikami HCCI oraz silnikami o innych systemach spalania niskotemperaturowego z myślą o zastosowaniach w ciężkim transporcie drogowym i wodnym oraz w maszynach rolniczych, czyli w sektorach, które trudno będzie zelektryfikować w najbliższych latach, a także w układach zdecentralizowanego wytwarzania energii elektrycznej [22].

Niniejsza książka dotyczy głównie spalania HCCI paliw o małej temperaturze wrzenia i dużej liczbie oktanowej, takich jak benzyna. Warto jednak wspomnieć o rozwiązaniach opartych na silnikach ZS. PCCI jest krokiem naprzód w rozwoju konwencjonalnych systemów spalania ZS w kierunku spalania niskotemperaturowego. Zbliżone koncepcyjnie systemy spalania znane są również pod innymi nazwami, takimi jak premixed compression ignition (PCI) lub partially premixed compression ignition (PPCI) [9]. Rozwiązania te wykorzystują samozapłon paliwa typowy dla silników ZS, lecz mieszanka jest bardziej jednorodna, natomiast mniej jednorodna niż w silniku HCCI. Częściowo mieszanka może być tworzona w układzie dolotowym, a część paliwa wtryskiwana do cylindra ma więcej czasu na odparowanie i wymieszanie z powietrzem przed zapłonem. W związku z tym zmniejsza się udział paliwa spalanego dyfuzyjnie bezpośrednio wokół wtryskiwanej strugi. Zjawisko to powoduje mniejsze wytwarzanie sadzy, a dodatkowe obniżenie temperatury uzyskuje się poprzez zastosowanie dużych wartości współczynnika recyrkulacji spalin, często przekraczających 50%. Aby wydłużyć odstęp pomiędzy wtryskiem paliwa a rozpoczęciem spalania, konieczne jest zmniejszenie stopnia sprężania w stosunku do typowych silników ZS. Do sterowania spalaniem wymagana jest również dokładna regulacja stanu termodynamicznego powietrza dolotowego oraz recyrkulacji spalin [11]. Co ciekawe takie spalanie można uzyskać na dwa sposoby. Wyprzedzenie kąta wtrysku bezpośredniego wydaje się być naturalnym sposobem wydłużenia opóźnienia samozapłonu, co oczywiście jest stosowane. Natomiast możliwe jest również wykorzystanie kątów wtrysku paliwa typowych dla silników ZS i opóźnienie zapłonu przez sterowanie temperaturą początku sprężania. Ten drugi sposób zastosowano w silnikach firmy Nissan Motor na przełomie XX i XXI wieku [18], a system spalania został nazwany Modulated Kinetics. Silnik miał obniżony stopień sprężania oraz konstrukcję układu dolotowego i komory spalania o dużym zawirowaniu ładunku.

Chociaż systemy spalania typu PCCI wywodzą się z silników ZS i są realizowane w obiektach konstrukcyjnie przystosowanych do spalania oleju napędowego, to paliwa takie jak benzyna mają korzystne cechy z punktu widzenia przygotowania mieszanki [20]. Lotność benzyny ułatwia tworzenie jednorodnych mieszanin paliwowo-powietrznych. Nie występują problemy związane z osiadaniem paliwa na ściankach komory spalania. Ponadto dzięki większemu opóźnieniu samozapłonu benzyny można zastosować wyższe stopnie sprężania, co prowadzi do zwiększenia sprawności cieplnej. Jednakże luźniejszy staje się związek pomiędzy procesami wtrysku paliwa i spalania, co utrudnia sterowanie silnikiem [5].

Właściwości paliw, które są korzystne z punktu widzenia spalania niskotemperaturowego, są przeciwstawne, ponieważ zwykle paliwa o małej lotności mają dobre właściwości samozapłonowe, a paliwa o dużej lotności są na samozapłon bardziej odporne [3]. Aby jednocześnie wykorzystać cechy obu rodzajów paliw, opracowano wiele propozycji silników dwupaliwowych, w których zachodzi spalanie ubogiej mieszanki paliwa o małej reaktywności, a energia do zapłonu dostarczana jest przez niewielką ilość paliwa o dużej reaktywności spalaną w procesie podobnym do konwencjonalnego ZS [35]. Tego typu systemy spalania wykorzystują mechanizm deflagracyjny, przy czym uboga mieszanka skutecznie zmniejsza temperaturę, a tym samym emisję tlenków azotu. Zasilanie dwupaliwowe jest jednak niepraktyczne w pojazdach samochodowych. Natomiast technikę tę coraz częściej spotyka się w silnikach morskich i stacjonarnych. W praktycznych zastosowaniach udowodniono, że silniki zasilane olejem napędowym i gazem ziemnym umożliwiają znaczące zmniejszenie emisji tlenków azotu i niemal całkowitą eliminację emisji cząstek stałych w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami ZS [10]. Niestety charakteryzują się one dużymi emisjami tlenku węgla oraz metanu, który jest silnym gazem cieplarnianym. Emisje te oczywiście prowadzą także do zmniejszenia sprawności spalania [35].

W celu większego zbliżenia spalania dwupaliwowego do koncepcji HCCI w ostatnich latach rozpoczęto intensywne prace nad systemami RCCI, w których zachodzi spalanie kinetyczne i objętościowe dwóch paliw o różnej reaktywności. Postulat taki po raz pierwszy został przedstawiony w 2006 roku przez Inagakiego i in. [14]. Wiele badań nad spalaniem RCCI przeprowadzono na University of Wisconsin w Madison. Aby uzyskać odpowiedni rozkład reaktywności mieszanki w komorze spalania, Kokjohn i in. [21] wtryskiwali benzynę do kolektora dolotowego, a olej napędowy bezpośrednio do cylindra. Wtrysk oleju napędowego był odpowiednio wyprzedzony, aby paliwo całkowicie odparowało przed samozapłonem, lecz uzyskano jednocześnie mieszankę niejednorodną pod względem składu i reaktywności. Dzięki temu podczas spalania RCCI wywiązywanie ciepła przebiegało wolniej niż w systemie HCCI, ponieważ różne strefy w komorze spalania ulegały samozapłonowi z różnymi opóźnieniami. Ponadto wtrysk pewnej dawki paliwa bezpośrednio do cylindra umożliwił kontrolę nad początkiem spalania i gradientem reaktywności [24].

Ostatnio zaprezentowano także ciekawą propozycję jednopaliwowego systemu spalania RCCI. Dzięki temu pojawiły się realne możliwości zastosowania RCCI w sektorze motoryzacyjnym. Aby uzyskać zmienną reaktywność paliwa, część oleju napędowego wtryskiwana jest bezpośrednio do cylindra, podczas gdy drugi strumień paliwa przepływa przez reaktor, w którym zachodzi reforming parowy paliwa i spalin. W reaktorze wytwarzany jest gaz syntezowy o małej reaktywności [6]. Rozwiązanie to poprawia także sprawność silnika, gdyż zjawisko reformowania parowego zagospodarowuje energię termiczną spalin i zwiększa w ten sposób wartość opałową mieszaniny [16].

Należy zauważyć, że różne określenia oraz skrótowce systemów spalania niskotemperaturowego są używane w literaturze zamiennie. Ścisła klasyfikacja jeszcze się nie ugruntowała. Jednak niejednoznaczność klasyfikacji dotyczy tylko organizacji systemów spalania. Na przykład różne podejścia wykorzystujące jedno bądź dwa paliwa lub inne czynniki, np. wodę, określane są w literaturze za pomocą skrótowców HCCI, PCCI, PPCI lub RCCI. Niemniej jednak różnica między sposobami spalania polega na szczegółach procesów parowania i mieszania się paliwa i utleniacza, zapłonu oraz samego spalania. Różnice pomiędzy omówionymi powyżej systemami spalania można wyjaśnić na podstawie rys. 2.2 przedstawiającego zmiany współczynnika stechiometrii oraz temperatury podczas spalania. Na rys. 2.3 przedstawiono dodatkowo obrazy lokalnych warunków w komorze spalania. Spalanie w stechiometrycznym silniku ZI zachodzi w zasadzie przy stałym składzie mieszanki i temperaturze spalania. Konwencjonalne spalanie ZS bez recyrkulacji spalin zazwyczaj przebiega wzdłuż czarnej linii na rys. 2.2. Wysokotemperaturowe wywiązywanie ciepła rozpoczyna się przy dużym nadmiarze paliwa, a więc w warunkach sprzyjających powstawaniu sadzy. Wraz z upływem czasu, a w przestrzeni, dalej na zewnątrz rdzenia strugi paliwa, mieszanka dochodzi do punktu stechiometrycznego. W tych warunkach występują na tyle duże temperatury spalania, że intensywnie tworzone są tlenki azotu. Spalanie PCCI przebiega jakościowo w podobny sposób, ale duży udział recyrkulowanych spalin obniża temperaturę, natomiast dłuższy czas mieszania zwiększa nadmiar powietrza na początku spalania. Dlatego ścieżka spalania PCCI na rys. 2.2 omija strefy, w których w dużych ilościach wytwarzane są zarówno sadza, jak i tlenki azotu. Koncepcja RCCI opiera się na znacznie większym stopniu jednorodności ładunku, więc charakteryzuje się węższym zakresem współczynników składu mieszanki, dzięki czemu spalanie rozpoczyna się przy nadmiarze powietrza na tyle dużym, że wytwarzanie sadzy jest zminimalizowane. Spalanie HCCI zakłada równy rozkład par paliwa w całej komorze spalania, stąd spalanie HCCI teoretycznie przebiega wzdłuż linii poziomej na rys. 2.2. W rezultacie spalanie nie tworzy cząstek stałych, a rozcieńczenie paliwa zapewnia niską temperaturę. Jednakże spalanie niskotemperaturowe może być niezupełne. Gdy wydłuża się czas mieszania i opóźnia spalanie, co służy zmniejszeniu szybkości narastania ciśnienia, łańcuchowe reakcje spalania mogą zostać przerwane przez obniżającą się temperaturę w wyniku postępującego procesu rozprężania.

Rys. 2.2. Zakresy zmian współczynnika stechiometrii i temperatury spalania w różnych systemach spalania z zaznaczeniem obszarów tworzenia substancji toksycznych. Opracowane na podstawie prac Kitamury i in. [19], Kima i in. [17], Paykaniego i in. [30] oraz Deca [8]. Grubsza linia to typowy przebieg spalania w silniku ZS, gdzie gwiazdka wskazuje punkt rozpoczęcia reakcji wysokotemperaturowych

Rys. 2.3. Obrazy spalania w systemach: a) ZI, b) ZS, c) HCCI, d) PCCI [25]

2.3. Korzyści w zakresie sprawności silnika i emisji zanieczyszczeń

Szczegółowej analizie emisji toksycznych składników spalin poświęcono rozdział 8, a sprawności silnika rozdział 9. Poniżej przedstawiono jedynie dwa przykłady zmian emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa, aby zademonstrować potencjał spalania niskotemperaturowego w zakresie oddziaływania na środowisko. Wybrano prace, które były zrealizowane w renomowanych ośrodkach badawczo-rozwojowych pracujących na potrzeby przemysłu. Pierwszy przykład, przedstawiony na rys. 2.4, dotyczy silnika HCCI, jako alternatywy w stosunku do benzynowego silnika ZI. Osborne i in. [27] z firmy Ricardo porównali emisje składników toksycznych oraz zużycie paliwa silnika pracującego w trybie spalania HCCI mieszanki stechiometrycznej oraz w różnych wariantach ZI, które obejmowały globalnie ubogą mieszankę (λ = 1,4) uwarstwioną oraz jednorodną. Spalanie stechiometrycznej mieszanki jednorodnej przy fabrycznej kalibracji dostarczyło wartości odniesienia. Obiektem badań był benzynowy silnik samochodowy o stopniu sprężania 11,7. Badania przeprowadzono przy prędkości obrotowej 2000 1/min i obciążeniu wynoszącym 0,27 MPa średniego ciśnienia indykowanego. Najbardziej spektakularną przewagą systemu HCCI było zmniejszenie emisji tlenków azotu do poziomu 0,1 g/kW ∙ h, czyli o około 99% w porównaniu ze spalaniem konwencjonalnym. Zwiększenie emisji węglowodorów (HC) było tylko na poziomie 38%. Spalanie HCCI zapewniło również większą o 8% sprawność cieplną, jednakże w porównaniu ze spalaniem ZI ładunku uwarstwionego o ogólnie ubogiej mieszance spalanie HCCI charakteryzowało się zużyciem paliwa większym o około 10%.

Rys. 2.4. Względne zmiany emisji tlenków azotu i węglowodorów oraz zużycia paliwa przy spalaniu HCCI mieszanki stechiometrycznej i różnych technikach spalania ZI [27]

Drugi przykład dotyczy alternatywy dla silników ZS, mianowicie systemu spalania PCCI opracowanego w firmie Nissan Motor, występującego pod handlową nazwą Modulated Kinetics. Wyniki badań porównawczych silnika samochodowego przy prędkości 2000 1/min i obciążeniu 0,6 MPa średniego ciśnienia indykowanego, na podstawie pracy [18], przedstawiono na rys. 2.5. Wartości emisji obydwu najbardziej problematycznych składników spalin, czyli cząstek stałych i tlenków azotu są znacznie mniejsze, niż minimalne wartości uzyskiwane przy konwencjonalnych kalibracjach silnika służących zmniejszeniu emisji określonego składnika. Warto przy tym podkreślić, że podczas typowego spalania ZS ujawnia się współzależność emisji wyżej wymienionych składników o kształcie hiperboli [13]. Zabiegi zmierzające do zmniejszenia emisji jednego związku powodują zwiększenie emisji drugiego. Spalanie PCCI nie jest obarczone tym kompromisem. W zakresie zużycia paliwa spalanie PCCI również wykazuje przewagę, pomimo stosowanych dużych wartości współczynnika recyrkulacji spalin i względnie późnego spalania.

Rys. 2.5. Emisje tlenków azotu i cząstek stałych oraz jednostkowe efektywne zużycie paliwa przy spalaniu PCCI oraz konwencjonalnym spalaniu ZS z recyrkulacją oraz bez recyrkulacji spalin [18]

2.4. Wyzwania związane z rozwojem systemów spalania niskotemperaturowego

Pozornie utworzenie ubogiej mieszanki paliwowo-powietrznej i jej zapłon wywołany sprężaniem to łatwe zadanie, ale praktyczna realizacja spalania niskotemperaturowego w silnikach stanowi duże wyzwanie. Przeszkody utrudniające praktyczne zastosowania i najważniejsze problemy do rozwiązania zostały określone już w pierwszych latach prac nad systemami spalania typu HCCI i dziś są nadal aktualne [4, 32, 34, 37]. Najważniejsze wyzwania badawcze są następujące:

• spalanie wolumetryczne, kontrolowane przez kinetykę reakcji chemicznych, jest bardzo szybkie, co powoduje duże szybkości narastania ciśnienia w cylindrze, szczególnie przy większych obciążeniach;

• początek spalania nie jest bezpośrednio sterowany, ponieważ nie ma mechanizmu wyzwalania zapłonu takiego jak wyładowanie iskrowe w silniku ZI lub wtrysk paliwa do gorącego czynnika w silniku ZS. Chwila samozapłonu jest determinowana przez wartość temperatury sprężania oraz właściwości samozapłonowe mieszanki;

• chociaż badania laboratoryjne pokazują doskonałe wyniki w stanach statycznych, sterowanie pracą silnika w stanach dynamicznych jest trudnym zadaniem;

• korzyści ze spalania niskotemperaturowego w postaci małych emisji tlenków azotu i cząstek stałych są okupione większymi emisjami tlenku węgla i niespalonych węglowodorów. Emisje tlenku węgla i węglowodorów zmniejszają sprawność spalania;

• zalety spalania niskotemperaturowego nie mogą być w pełni wykorzystane w typowych konstrukcjach silników ZI lub ZS. Silniki ZI zasilane benzyną lub innymi paliwami o dużej liczbie oktanowej nie mają wystarczającego stopnia sprężania, aby wywołać samozapłon. Silniki ZS mają komory spalania w tłoku, które są zaprojektowane do późnego wtrysku paliwa. Przy wczesnym wtrysku paliwa w celu uzyskania mieszanki jednorodnej paliwo o dużej lepkości i temperaturze wrzenia osiada na ściankach komory spalania.

Pomimo licznych wyzwań i wymienionych wyżej problemów do rozwiązania korzyści w zakresie sprawności i emisji toksycznych składników spalin sprawiają, że rozwój systemów spalania niskotemperaturowego znajduje się w centrum zainteresowania globalnej społeczności badaczy zajmujących się silnikami spalinowymi. Potencjalne możliwości czystego spalania pozwalają na zminimalizowanie emisji zanieczyszczeń przez sektor transportowy i energetyczny. Należy również pamiętać, że źródłem emisji gazów cieplarnianych nie są silniki, lecz paliwa do nich. Istnieje jednak wiele możliwości produkcji paliw odnawialnych o zerowym śladzie węglowym.