tsfs09 – modellering och reglering av motorer och ... · bensin diesel (spark ignited)...

9
TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor – F¨o 9 Motor – J¨ amf¨orelse Diesel och Bensin Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen f¨or Systemteknik Link¨opingsuniversitet [email protected] November 11, 2014 Inneh˚ allsf¨orteckning Motor Motor – Avancerade koncept Diesel- och bensinmotorer – De stora skillanderna Bensin Diesel (Spark Ignited) (Compression Ignited) Br¨ ansle Bensin Diesel Luftintag Trottel Raka r¨ or Br¨ ansleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Last¨ andring Luftfl¨ ode pi Br¨ anslem¨ angd Qi n Luft- & br¨ ansleblandning Homogen Stratifierad F¨orbr¨ anningsstart andgnista Sj¨ alvant¨ ander F¨orbr¨ annigstyp F¨orblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NOx NOx och partiklar 3-v¨ agskatalysator partikelf¨ alla de-nox-katalysator rc 8–12 12–24 λ 0.5–1.5 >1.1 F¨orbr¨ anningsprocesserna Bensin Diesel Flame front Fuel injector Rich region Air Hot combustion region Fuel and air mixture Hot post flame region Spark plug

Upload: others

Post on 23-Jan-2020

8 views

Category:

Documents


0 download

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.