Benziną ir dujų mišinius naudojančio hibridinio automobilio variklio efektyvumo tyrimas

Abstract

Šioje disertacijoje nagrinėjamas alternatyviųjų degalų (gamtinių dujų ir vandenilio) naudojimas, siekiant padidinti kibirkštinio uždegimo variklio efektyvumą. Nustatytas ir įvertintas skirtingų degalų bei variklio valdymo algoritmų poveikis degimo procesui, energiniams ir ekologiniams rodikliams, analizuojant kylančius technologinius apribojimus, susijusius su hibridine mišriąja (nuosekliąja-lygiagrečiąja) pavara. Disertacijoje atlikta mokslinės literatūros apžvalga, kurioje analizuojamos vidaus degimo variklių tobulinimo kryptys, dujinių degalų savybės ir jų panaudojimo iššūkiai bei automobilių hibridinių pavarų veikimo principai. Stendiniais bandymais ištirtas vėlyvo įsiurbimo vožtuvų uždarymo momento poveikis varikliui, veikiančiam gamtinėmis dujomis, ir vandenilio priedų poveikis degimo bei detonacijos valdymo procesams. Skaitinė variklio degimo proceso analizė atlikta naudojant AVL BOOST™ programinę įrangą, hibridinio automobilio energiniai ir ekologiniai rodikliai įvertinti atlikus eksperimentinius tyrimus ir skaitinį modeliavimą AVL CRUISE™ programoje. Disertacijoje gauti šie svarbiausi rezultatai: vėlinant įsiurbimo vožtuvų uždarymo momentą, padidėja efektyvusis naudingumo koeficientas ir NOx emisijos bei sumažėja anglies dvideginio emisijos varikliui, veikiant gamtinėmis dujomis. Nustatyta, kad vandenilio priedas degaluose pagerina variklio energinius rodiklius, tačiau padidina azoto emisijas ir detonacinio degimo riziką, kuri efektyviai valdoma vėlinant uždegimo paskubos kampą. Skaitinio modeliavimo rezultatai patvirtina, kad šie dėsningumai išlieka taikant pasaulinį suderintą lengvųjų transporto priemonių bandymų ciklą: naudojant vandenilį sumažėja degalų sąnaudos ir anglies dvideginio emisijos, padidėja azoto oksidų emisijos. Disertacijos rezultatai atskleidžia technologijų potencialą ir jų taikymo strategijas. Gauti duomenys gali būti pritaikyti kuriant ir parenkant pažangius variklių valdymo algoritmus bei formuojant technologiškai pagrįstus aplinkosaugos standartus. Disertacijos tema paskelbti 9 moksliniai straipsniai: 6 – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę su citavimo rodikliu; 1 – mokslo žurnale, įtrauktame į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, neturinčiame citavimo rodiklio; 1 – Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazės Conference Proceedings Citation Index referuojamame konferencijų darbų leidinyje; 1 – recenzuojamame konferencijų darbų leidinyje, nereferuojamame tarptautinėse duomenų bazėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti 3 mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir Lenkijoje.

This dissertation investigates the use of alternative fuels (natural gas and hydrogen) to increase the efficiency of a spark-ignition engine. The impact of different fuels and engine control algorithms on the combustion process and on energy and ecological indicators was determined and evaluated by analysing the emerging technological constraints within the context of a power-split (series-parallel) hybrid powertrain. The dissertation presents a review of scientific literature, analysing the directions for internal combustion engine improvement, the properties of gaseous fuels and the challenges of their application, along with the operating principles of automotive hybrid powertrains. Bench tests were conducted to investigate the effect of late intake valve closing timing on an engine operating on natural gas, and the influence of hydrogen additives on the combustion process and knock control. The numerical analysis of the engine’s combustion process was performed using AVL BOOST™ software, while the energy and ecological indicators of the hybrid vehicle were evaluated through experimental research and numerical simulation in the AVL CRUISE™ software. The following main results were obtained in the dissertation: retarding the intake valve closing timing increased the brake thermal efficiency and NOx emissions while reducing carbon dioxide emissions when the engine operates on natural gas. It was determined that a hydrogen additive in the fuel improves the engine’s energy indicators, but increases nitrogen oxides emissions and the risk of engine knock. Engine knock is effectively managed by retarding the ignition advance angle. Numerical simulation results confirmed that these trends persist during the Worldwide Harmonized Light-duty Vehicles Test Cycle: the use of hydrogen reduces fuel consumption and carbon dioxide emissions, but increases nitrogen oxides emissions. The dissertation results revealed the potential of these technologies and strategies for their application. The obtained data can be applied in the development and selection of advanced engine control algorithms and in the formulation of technologically sound environmental standards. Nine scientific articles have been published on the topic of the dissertation: six in scientific journals indexed in the Clarivate Analytics Web of Science database with an impact factor, one in a scientific journal indexed in the Clarivate Analytics Web of Science database without an impact factor, one in conference proceedings indexed in the Clarivate Analytics Web of Science Conference Proceedings Citation Index, and one in peer-reviewed conference proceedings not indexed in international databases. The research results were presented at three scientific conferences in Lithuania and Poland.