The role of piston bowl shape in controlling soot emissions from heavy-duty Diesel engines.

Doctoral thesis, 2018

Kolvformens inverkan på sotemissioner från en tung lastbilsmotor.

Dieselmotorer har en hög verkningsgrad och är bränsleflexibla vilket gör dem högst lämpliga att använda i arbetet att minska det globala CO2 fotavtrycket från tunga fordon. En svårighet i detta arbete är att finna åtgärder som höjer verkningsgraden utan att åtgärden samtidigt genererar högre emissioner av kväveoxider och sot i avgaserna.

Förbränningsrummet i en dieselmotor utgörs av en fördjupning i kolvtoppen. Formen på fördjupningen tillsammans med antalet bränslesprayer, sprayernas riktning och dess rörelsenergi bildar ett sammansatt system. I denna avhandling undersöks en ny kolvform som har visat sig kunna sänka utsläppen av sot från förbränningen upp till 80%. Orsaken till denna förbättring visades med experiment och simuleringar bero på att en intensivare turbulent blandning av bränsle och luft kunde åstadkomma. Detta sker framförallt under den efterförbränning som sker efter att insprutningen av bränsle redan har avslutats. Mer intensiv blandning under efterförbränningen  innebär att sot som bildats tidigare då insprutningen pågick får en större chans att oxideras vilket leder till att nettoutsläppet av sot kan minskas för både standard- och förnyelsebara dieselbränslen.

För en motor med relativt stillastående gas i cylinder när insprutningen startar (låg swirl) kunde en speciell blandningszon identifieras (”Radial mizing zone”, RMZ). RMZ rör sig radiellt från förbränningsrummets väggar tillbaka mot dess mitt där halten av syre fortfarande kan vara hög. Avhandlingen visar att kolvens form är av stor vikt för hur effektiv blandningen i RMZ blir och att beteendet av RMZ alltså är viktig för hur sotoxidation sker.

Resonemanget om RMZ användes för att föreslå en förklaringsmodell för global blandning och sotoxidation i dieselmotorer med låg swirl. Vidare utvecklades en ny metod för att i en så kallad spray-kammare kunna undersöka grundläggande egenskaper för RMZ där en bränslespridare med två hål kombineras med olika kolvliknande väggeometrier och optiska diagnosmetoder. En sådan försöksuppställning tillsammans med olika simuleringtekniker visade sig användbar för att analysera RMZ och föreslås därför som bas för framtida forskning. 

Detta arbete finansierades delvis av Energimyndigheten inom projekten 30754-1 & 2.