Udvikling af HCCI motor til DME (dimethyl ether)

Produktionen af DME foregår typisk ved, at man først producerer metanol og derefter dehydrerer metanolen til DME. Hvis man vil fremstille DME, fremstiller man altså også metanol. Det interessante ved denne sammenhæng er, at DME selvantænder meget nemt (cetantal over 55) og metanol meget vanskeligt selvantænder (oktantal over 100). To brændstoffer, der ud fra et produktionssynspunkt er nært beslægtede, er altså samtidigt mulige kandidater til et HCCI forbrændingskoncept (Homogeneous Charge Compression Ignition). Denne situation udgør motivationen for projektet. det forskningsmæssige tyngdepunkt ligger i at styre selvantændelsestidspunktet og undersøge hvor højt op i motorydelse man kan komme uden at få store cylindertryksgradienter. Store cylindertryksgradienter kan forårsage mekaniske skader på motoren og give støjgener. Støjpotentialet og mulige støjreduktionsmethoder undersøges også. TEORETISKE RESULTATER - SELVANTÆNDELSE: En reaktionskinetisk model for forbrændingen af DME og metanol er udviklet. Den er programmeret i CHEMKIN II, som er det internationalt mest anvendte program til den type beregninger. En række simuleringer er gennemført med dette program og hovedkonklusionerne er: - Lavtemperaturreaktionerne er selv-terminerende pga. et skift i balancen mellem kædereaktion og kædetermination. - DME's lavtemperaturreaktioner begrænses når der tilsættes metanol fordi metanol forbruger OH-radikaler i kædeterminerende reaktioner. - Selvantændelsestidspunktet for den primære del af varmefrigivelsen forsinkes når lavtemperaturreaktionerne begrænses ved tilsættelse af metanol. - Det er muigt at operere ved højere kompressionsforhold såvel som højere brændstof/luft forhold, når der tilsættes metanol. EKSPERIMENTELLE RESULTATER - SELVANTÆNDELSE: Hos NTSEL (National Traffic Safety and Environmental Laboratory) i Tokyo, Japan, blev der udført forsøg på en lastbilmotor med et kompressionsforhold på 14,5. Hovedkonklusionerne var følgende: - En direkte indsprøjtet kompressionstændingsmotor med et lavt kompressionsforhold kan opereres i både diffusionsflammedrift (traditionel dieseldrift) og HCCI-drift uden modifikationer udover indsprøjtningsudstyrret til brændstofindsprøjtning i manifolden (HCCI-drift). - I overensstemmelse med de teoretiske beregninger kan selvantændelse forsinkes ved tilsætning af en begrænset mængde metanol til indsugningsluften. - Den maksimalt opnåelige motorbelastning uden for kraftige cylindertryksgradienter svarer til ca. 50% af den maksimale belastning som forsøgsmotoren er konstrueret til i traditionel dieseldrift. - Motorvirkningsgraden var på samme niveau som virkningsgraden for den umodificerede dieselmotor. - EGR (Exhaust Gas Recirculation) har en forsinkende effekt på selvantændelsen. Ved anvendelse af EGR kan brændstof/luft-forholdet bringes tæt på støkiometrisk uden signifikant reduktion af forbrændingseffektiviteten. - EGR reducerer det specifikke varmekapacitetsforhold for cylindergassen og dermed det resulterende forbrændingstryk. Dette modvirker den virkningsgradsstigning, som er et resultat af det mere optimale selvantændelsestidspunkt med EGR. TEORETISKE RESULTATER - STØJ: den reaktionskinetiske model blev desuden anvendt til teoretisk at studere dannelsen af shockbølger i forbrændingskammeret. Shockbølger giver de højeste cylindertryksgradienter og dermed størst risiko for mekanisk skade og støjproblemer. Hovedkonklusionerne var følgende: - Detonationer er mulige ved forblandet forbrænding af DME ved et brændstof/luft-forhold på 2,25. Den stationære detonationsbølge har et maksimaltryk på 120 bar og en hastighed der er ca. dobbelt så høj som den lokale lydhastighed. - CFD simulationer af HCCI-forbrænding kan benyttes til at studere detonationer når den rumlige og tidsmæssige opløsning i beregningsmodellen er tilstrækkelig høj. - Detonationer optræder i CFD-simulationerne både når temperaturgradienter bliver indtroduceret i beregningsdomænet og når en flammefront breder sig efter en lokal selvantændelse. EKSPERIMENTELLE RESULTATER - STØJ: På DTU i Lyngby blev en tocylindret dieselmotor brugt til de akustiske forsøg. Hovedkonklusionerne var følgende: - Cylindertryksoscillationer kan reduceres ved at anvende flere små forbrændingskamre i stemplet. - I den aktuelle forsøgsmotor blev den største reduktion dog opnået ved at anvende en traditionel dieselmotor stempeltop (bowl-in-piston design). - Tab pga. øgede spaltevolumener forårsagede en del af reduktionen i indiceret middeltryk for stemplerne med flere forbrændingskamre. AFVIGELSER I FORHOLD TIL OPRINDELIG PROJEKTANSØGNING: I projektperioden blev to studenterprojekter afsluttet, som indikerede at det ville være muligt at konstruere DME brændselspumper, der vill kunne levere op til 150 bars tryk. Dette er i underkanten til traditionel dieseldrift, men såkaldt ''late injection HCCI'' kunne være muligt. Late injection HCCI er en proces, hvor brændstoffet ikke indsprøjtes i motorens indsugningsmanifold, men nær afslutningen af kompressionsslaget. Det betyder, at det er væsentligt nemmere at kontrollere selvantændelsestidspunktet, da brændstoffet ikke er til stede under hele kompressionsslaget. Tanken var, at den forbedrede kontrol med selvantændelsestidspunktet kunne overflødiggøre brugen af metanol og dermed simplificere brændstofsystemet. Disse forsøg med en late injection HCCI testmotor på DTU er pt. (marts 2011) igangværende