tsfs09 – modellering och reglering av motorer och ... · bensin diesel (spark ignited)...
TRANSCRIPT
TSFS09 – Modellering och Reglering av Motoreroch Drivlinor – Fo 9
Motor – Jamforelse Diesel och Bensin
Lars Eriksson - Kursansvarig
Fordonssystem, Institutionen for SystemteknikLinkopings [email protected]
November 11, 2014
Innehallsforteckning
Motor
Motor – Avancerade koncept
Diesel- och bensinmotorer – De stora skillanderna
Bensin Diesel(Spark Ignited) (Compression Ignited)
Bransle Bensin DieselLuftintag Trottel Raka rorBransleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindernLastandring Luftflode pi Branslemangd Qin
Luft- & bransleblandning Homogen StratifieradForbranningsstart Tandgnista SjalvantanderForbrannigstyp Forblandad DiffussionEmissioner CO, HC och NOx NOx och partiklar
3-vagskatalysator partikelfallade-nox-katalysator
rc 8–12 12–24λ 0.5–1.5 >1.1
Forbranningsprocesserna
Bensin Diesel
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������Flame front
Fuel injectorRich region
Air
Hot combustion region
Fuel and air mixture
Hot post flame regionSpark plug
Enhetsinsprutare Common rail
Forbranning, John Dec (1997)
−30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 60
0
20
40
60
80
100
120
140
Crank angle [deg]
Pressure[bar]
−30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 60−5
0
5
10
15
20
25
30
Heatrelease[kJ/rad]Pressure
Injection
Heat release
SOI EOI
SOC
Premixed
Mixing controlled
◮ Start Of Injection, End Of Injection
◮ Start Of Combustion, Ignition delay
◮ Premixed combustion, Diffusion (mixing) combustion
Spray och forbranning, John Dec (1997)
�����
�����
����� �����
����� �����
����� �����
�����
�����
Skisser pa bensin och dieselmotorer
Bensin Diesel
Waste
Turbine
Compressor
Turbine Shaft
Gate
Air filter
Air flow meter������
������
������
������
Catalyst
Engine
Intercooler
Throttle
ManifoldExhaust
Manifold
���������������������
���������������������
Intake
EGR Cooler
VG Turbine
Compressor
Turbine Shaft
EGRValve
Air filter
������
������
������
������
���������������������
���������������������
Engine
ManifoldExhaust
ManifoldIntake
Aftercooler
Exhaust Pipe
Moderna Dieselmotorer ar alltid utrustade med turbo.
Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda?
I princip momentmodellen, som kopplar bransle till arbete/moment.
Ett pV-diagram, uppmatt pa en dieselmotor
0 0.5 1 1.5 2 2.50
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Volume [dm3]
Pre
ssur
e [b
ar]
Diesel Pressure−Volume Diagram
Ingen ideal Diesel cykel! Inte konstanttryckforbranning.
Forsumbara pumpforluster
0 0.5 1 1.5 2 2.50
50
100
150
200
Volume [dm3]
Pre
ssur
e [b
ar]
Diesel Pressure−Volume Diagram
0 0.5 1 1.5 2 2.52
2.5
3
3.5
Volume [dm3]
Pre
ssur
e [b
ar]
Low Pressure Part
Momentmodell (valkand):
Wi ,n = Wi ,g −Wpump −Wfric
Wi ,g ∝ mf
Wpump ≈ 0
Wfric = VdFMEP(N, . . .)
Lastforandringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn
0 5 10 150
2
4
6
8
10
12
14
Pre
ssur
e [M
Pa]
Normalized Volume
Gasoline engine
0 5 10 150
2
4
6
8
10
12
14
Normalized Volume
Diesel engine
High loadLow load
Lastforandringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn
0 5 10 150
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Tem
pera
ture
[K]
Normalized Volume
Gasoline engine
0 5 10 150
500
1000
1500
2000
2500
3000
Normalized Volume
Diesel engine
High loadLow load
Musseldiagram
En dieselmotor och en bensinmotor
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Engine speed [rpm]
To
rqu
e [N
m]
Specific fuel consumption [g/kWh]
195
200
200
205
210
210
230
230
250250
300 300400
400500
500
600
Jamforelse av absoluta sfc-tal ar inte riktigt rattvis pga olikamotorstorlek, 11.7 respektive 2.3 liter.
Hur ar det med Dieselmotorns emissioner?
Dieselmotorns emissionsavvagning
Emissionerna ar i huvudsak
◮ Partiklar (sot, rok) – Particulate Matter (PM)
◮ Kvaveoxider, NOx
Varfor har Dieselmotorn hoga NOx?
0 5 10 150
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Tem
pera
ture
[K]
Normalized Volume
Gasoline engine
0 5 10 150
500
1000
1500
2000
2500
3000
Normalized Volume
Diesel engine
High loadLow load
Global temperatur ar inte nyckeln.
Varfor har Dieselmotorn hoga NOx?
Bensin Diesel
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������Flame front
Fuel injectorRich region
Air
Hot combustion region
Fuel and air mixture
Hot post flame regionSpark plug
Lokala temperaturen ar nyckeln.
Hur reducerar man den lokala temperaturen?
◮ Blandningen brinner vid gynnsamma forhallanden runt λ = 1
◮ Kan inte anvanda globalt lambda.
∆T =mf qHV
mtot cv=
mf
ma +mf +mr
qHV
cv=
1− xr
λ(A/F )s + 1
qHV
cv
◮ Residualgas, dvs EGR.
EGR och VGT system Efterbehandling
EGR
DOCDPF SCR
UREA
NH3
Engine
C
T
Fuel
Air
◮ EGR/VGT
◮ Diesel insprutning
◮ Diesel Oxidizing Cat (DOC), Diesel Particulate Filter (DPF)
◮ Insprutning av Urea CO(NH3)2 losning (Urea+vatten)
◮ Selective Catalytic Reduction (SCR), Ammonia Slip Catalyst(NH2)
◮ Lagre branslekostnad, hogre efterbehandlingskostnad
Dieselmotor – Totalt System
EGR valveEGR Cooler
Compressor
Inte
rcoo
ler
DOC+DPF
Cooler
EGRp, T
Intakethrottle
VGTvalve
Exhaust
CR pump
Fuel rail
SensorsEGR Valve
Air flow meter
Cyl
inde
rs a
nd in
ject
ors
system
(HD)
HP EGR
ExhaustNOx absorber/
Exhaust brake
SCR with NH3 Cat
LP EGRsystem
Air
Air filter
◮ Long and short route EGR & manga andra system
Fordelar och nackdelar
◮ Effektivitet – Tre fordelar for dieselmotorn
◮ Hogre kompression◮ Lagre pumpforluster◮ Mager blandning
◮ Emissioner – Tre nackdelar for dieselmotorn◮ Hoga NOx emissioner – Skiktad och mager blandning λ > 1
samt hog kompression◮ Ingen enkel efterbehandling – mager blandning λ > 1◮ Sot- och partikelbildning – stratifierad blandning
Dieselmotorer och ljud Dieselmotorer och ljud
Branslereglering
Tva system i for de tva delarna i bransleregleringen.
◮ Lagtrycksdel – fuel supply system
◮ Hogtrycksdel – fuel injection system
Lagtrycksdelen forbereder branslet genom filtrering ochvattenseparation for att slutligen leverera branslet tillhogtrycksdelen.
Det finns nagra regleringsaspekter i lagttrycksdelen, sasomforvarmning i vissa fall.
Huvuddelen av regleringen ligger i hogtrycksdelen.
Principskiss av mulitpla bransleinsprutningar
Innehallsforteckning
Motor
Motor – Avancerade koncept
Motor – Kompression och effektivitet
Luft och bransle ⇒ arbeteoch emissioner
pV-diagram med standardcykler som modell av uppmattindikatordiagram.
Cykeleffektiviteten
{
Otto: ηf ,i = 1− 1
rγ−1c
,
Diesel: ηf ,i = 1− 1
rγ−1c
βγ−1
(β−1)γrc → ∞
Knack – Begransning vid hoga temperaturer (hoga laster).
Kan man gora nagot at kompromissen?
Variabel kompression, vǫ
ǫ = rc =Vd + Vc
Vc
Motor - Variabel kompression
Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression
Intressanta utmaningar:
◮ Samtidig styrning av kompression och tandning
◮ Kompressorinkoppling
◮ Strategier for trottel
◮ Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass
GDI - fusion av diesel och bensin
Lag last fullt oppet spjallsen injektionstidpunktstratifierad blandning, lokalt λ ∈ [0.5, 1.3]
Hog last Delvis stangt spjalltidig injektionstidpunktλ = 1 (for emissionsrening)
Konceptet kraver avancerade styrsystem.