Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 9 Motor Jämförelse Diesel och Bensin. Förbränningsprocesserna

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 9 Motor Jämförelse Diesel och Bensin Motor Motor Avancerade koncept Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November 11, 24 Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Förbränningsprocesserna Bensin Diesel (Spark Ignited) (Compression Ignited) Bränsle Bensin Diesel Luftintag Trottel Raka rör Bränsleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde pi Bränslemängd Qin Luft- & bränsleblandning Homogen Stratifierad Förbränningsstart Tändgnista Självantänder Förbrännigstyp Förblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NOx NOx och partiklar 3-vägskatalysator partikelfälla de-nox-katalysator Bensin Hot post flame region Spark plug Fuel injector 1 Flame front Hot combustion region Rich region Air 1 Fuel and air mixture Diesel rc λ >1.1

2 Enhetsinsprutare Common rail Förbränning, John Dec (1997) Spray och förbränning, John Dec (1997) Pressure [bar] 14 Injection 12 SOI EOI 3 Pressure 1 Heat release Premixed SOC 5 Mixing controlled Crank angle [deg] Heat release [kj/rad] Start Of Injection, End Of Injection Start Of Combustion, Ignition delay Premixed combustion, Diffusion (mixing) combustion

3 Volume [dm 3 ] Diesel Pressure Volume Diagram Low Pressure Part Volume [dm 3 ] Skisser på bensin och dieselmotorer Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda? Bensin Air filter Diesel Air filter Intercooler Air flow meter Aftercooler Throttle Compressor Turbine Shaft Intake Exhaust Manifold Manifold Compressor Turbine Shaft I princip momentmodellen, som kopplar bränsle till arbete/moment. Turbine VG Turbine Waste Gate Engine Intake Exhaust Manifold Manifold Engine Catalyst EGR EGR Cooler Valve Exhaust Pipe Moderna Dieselmotorer är alltid utrustade med turbo. Ett pv-diagram, uppmätt på en dieselmotor Försumbara pumpförluster Diesel Pressure Volume Diagram Pressure [bar] Momentmodell (välkänd): 12 Wi,n = Wi,g Wpump Wfric Pressure [bar] Pressure [bar] Wi,g mf Wpump Wfric = VdFMEP(N,...) Volume [dm 3 ] Ingen ideal Diesel cykel! Inte konstanttryckförbränning.

4 Gasoline engine Specific fuel consumption [g/kwh] Engine speed [rpm] Diesel engine High load Low load Gasoline engine Diesel engine High load Low load Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Pressure [MPa] Temperature [K] Musseldiagram Hur är det med Dieselmotorns emissioner? En dieselmotor och en bensinmotor Torque [Nm] Jämförelse av absoluta sfc-tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive 2.3 liter.

5 Dieselmotorns emissionsavvägning Varför har Dieselmotorn höga NOx? 4 Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load Temperature [K] Emissionerna är i huvudsak Partiklar (sot, rök) Particulate Matter (PM) Kväveoxider, NOx Global temperatur är inte nyckeln Varför har Dieselmotorn höga NOx? Hur reducerar man den lokala temperaturen? Bensin Diesel Hot post flame region Spark plug Fuel injector 1 Flame front Hot combustion region Rich region Air 1 Fuel and air mixture Blandningen brinner vid gynnsamma förhållanden runt λ = 1 Kan inte använda globalt lambda. mf qhv mf qhv 1 xr qhv T = = = mtot cv ma +mf +mr cv λ(a/f)s +1 cv Residualgas, dvs EGR. Lokala temperaturen är nyckeln.

6 EGR och VGT system Efterbehandling Engine EGR C T Air Fuel DOCDPF UREA SCR NH3 EGR/VGT Diesel insprutning Diesel Oxidizing Cat (DOC), Diesel Particulate Filter (DPF) Insprutning av Urea CO(NH3)2 lösning (Urea+vatten) Selective Catalytic Reduction (SCR), Ammonia Slip Catalyst (NH2) Lägre bränslekostnad, högre efterbehandlingskostnad Dieselmotor Totalt System Fördelar och nackdelar Intercooler Sensors p, T Intake throttle HP EGR system CR pump Fuel rail Cylinders and injectors EGR Cooler EGR valve Compressor VGT LP EGR system Exhaust brake (HD) DOC+DPF Air flow meter EGR Valve EGR Cooler Exhaust valve NOx absorber/ SCR with NH3 Cat Air Air filter Exhaust Effektivitet Tre fördelar för dieselmotorn Högre kompression Lägre pumpförluster Mager blandning Emissioner Tre nackdelar för dieselmotorn Höga NOx emissioner Skiktad och mager blandning λ > 1 samt hög kompression Ingen enkel efterbehandling mager blandning λ > 1 Sot- och partikelbildning stratifierad blandning Long and short route EGR & många andra system

7 Dieselmotorer och ljud Dieselmotorer och ljud Bränslereglering Principskiss av mulitpla bränsleinsprutningar Två system i för de två delarna i bränsleregleringen. Lågtrycksdel fuel supply system Högtrycksdel fuel injection system Lågtrycksdelen förbereder bränslet genom filtrering och vattenseparation för att slutligen leverera bränslet till högtrycksdelen. Det finns några regleringsaspekter i lågttrycksdelen, såsom förvärmning i vissa fall. Huvuddelen av regleringen ligger i högtrycksdelen.

8 Innehållsförteckning Motor Kompression och effektivitet Motor Motor Avancerade koncept Luft och bränsle arbete och emissioner pv-diagram med standardcykler som modell av uppmätt indikatordiagram. { Otto: ηf,i = 1 1, rc Cykeleffektiviteten γ 1 Diesel: ηf,i = 1 1 β γ 1 rc γ 1 (β 1)γ rc Knack Begränsning vid höga temperaturer (höga laster). Kan man göra något åt kompromissen? Variabel kompression, vǫ Motor - Variabel kompression Vd +Vc ǫ = rc = Vc

9 Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression Intressanta utmaningar: Samtidig styrning av kompression och tändning Kompressorinkoppling Strategier för trottel Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass GDI - fusion av diesel och bensin Låg last fullt öppet spjäll sen injektionstidpunkt stratifierad blandning, lokalt λ [.5, 1.3] Hög last Delvis stängt spjäll tidig injektionstidpunkt λ = 1 (för emissionsrening) Konceptet kräver avancerade styrsystem.