Forbruket av drivstoff har sterke miljømessige konsekvenser, og er knyttet til valg av drivstoff og de driftsbetingelser som motoren gir.
Viktige parametre for forbrenningen i en forbrenningsmotor kan grupperes på følgende måte: Først kommer drivstoffkvaliteten, så kommer tenningen, som jo er veldig forskjellig i en bensin- og en dieselmotor. Deretter konstruktive parametre, og til slutt driftsparametre. I denne artikkelen er de to første punktene fokusert – drivstoffet og tenningsfasen.
Utvikling av drivstoff
Når nye drivstoffer utvikles, må de gjennom en rekke testrutiner, både i kjemiske laboratorier og i motorer. Når drivstoffkvalitet i motorer sammenlignes vitenskapelig, vil en viktig begrensning være sykliske variasjoner i forbrenningen fra slag til slag. Mange ønsker derfor å kunne teste nye drivstoffer i en testrigg som ligner en vanlig motor, men hvor man kan ha bedre kontroll på bevegelsen av forbrenningsstempelet, for å redusere de nevnte variasjonene.
Dette har vært i fokus for et nytt forskningsarbeid ved NTNU. Målet var å utvikle en metode for visualisering av forbrenning, for å kunne utvikle bedre drivstoffer, både til bensin-, diesel- og gassmotorer.
Forskerens drøm
En dynamisk forbrenningsrigg ble utviklet som en del av et dr.ing.-arbeid ved Institutt for marint maskineri ved NTNU, med professor Terje Almås som veileder. Forbrenningsriggen er hydraulisk styrt, og ligner på en av sylindrene vi har i en vanlig stempelmotor – for eksempel i bilen vår. Den kan simulere både bensin-, diesel- og gassmotorer. Utfordringen har ligget i å simulere meget raske stempelsykler, med høy presisjon og repetérbarhet.
For å få forbrenningsstempelet til å bevege seg opp eller ned, er det direkte koblet til et hydraulisk stempel med to kammer. Disse kamrene er igjen koblet til et hydraulisk system som leverer hydraulisk olje under trykk, og med svært nøyaktig presisjon: Når oljen leveres til det ene kammeret, går stempelet oppover, og i motsatt fall går stempelet nedover.
Schlieren-teknikken
To like systemer for visualisering av forbrenningen inne i motoren er plassert vinkelrett på hverandre. Hensikten med visualiseringsmetoden som blir brukt, er å kunne ta bilder av flammer inne i motoren rett etter tenning, og før de blir synlig av egenlys. Det betyr at man må benytte seg av en teknikk som kan avdekke forskjeller i temperatur, og ikke egenlys fra forbrenningen. Dette kan gjøres ved hjelp av schlieren-teknikken, som ble brukt på denne testriggen.
Schlieren-teknikken gir en god beskrivelse av posisjonen til flammen.
Det vi ser, er veggene i forbrenningsrommet, tennpluggen, flammekjernen, stempelet som kommer opp nedenfra. Bildene er tatt av støkiometriske blandinger av metanluft og etanluft, henholdsvis til venstre og til høyre. Resultatene illustrerer det faktum at flammehastigheten for støkiometrisk etanluft er større enn for støkiometrisk metanluft ved dette trykket.
På bakgrunn av den utviklede metoden for å visualisere forbrenningen i to retninger, ble det utviklet en algoritme for å rekonstruere den tredimensjonale flammen fra de to bildene av flammen som ble tatt samtidig i to ortogonale retninger.
Aktuelt for naturgass
Forbrenningsriggen og metoden som ble utviklet, ble blant annet benyttet til å teste tenningsegenskapene til naturgassblandinger som inneholder den inerte gassen nitrogen. Dette er en aktuell problemstilling relatert til bruk av naturgass i motorer i dag; nemlig hvordan man i motorer kan benytte naturgass blandet med ulike ikke-brennbare gasser.
Metoden ble også benyttet til å visualisere fordampingsegenskapene til ulike dieselkvaliteter som et ledd i utviklingen av nye additiver til autodiesel.
Mulighetene til å utnytte denne testriggen videre er mange, og bør utnyttes – både i akademisk og kommersiell sammenheng.
