Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12. Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna

Transkript

1 nnehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 1 Motor Jämförelse Diesel och Bensin Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, nstitutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Motor Diesel vs Bensin Diesel Fuel njection and Combustion Performance Torque Performance Emissions Motor Avancerade koncept Framtida ngenjörsutmaningar November 8, 16 Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Förbränningsprocesserna Bensin Diesel (Spark gnited) (Compression gnited) Bränsle Bensin Diesel Luftintag Trottel Raka rör Bränsleinsprutning insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde p i Bränslemängd Q i n Luft- & bränsleblandning Homogen Stratifierad Förbränningsstart Tändgnista Självantänder Förbrännigstyp Förblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NO x NO x och partiklar 3-vägskatalysator partikelfälla de-nox-katalysator r c λ. 1. >1.1 Bensin Spark plug Hot post flame region Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture Diesel

2 Enhetsinsprutare Common rail Förbränning, John Dec (1997) Spray och förbränning, John Dec (1997) SO + SO + Pressure [bar] SO EO Premixed SOC Mixing controlled njection Pressure Heat release Crank angle [deg] Heat release [kj/rad] SO + SO + SO + SO + SO + SO + Start Of njection, End Of njection Start Of Combustion, gnition delay Premixed combustion, Diffusion (mixing) combustion SO + SO +

3 Skisser på bensin och dieselmotorer Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda? Bensin Air filter Diesel Air filter Throttle Fuel injectors ntake Manifold ntercooler Engine Exhaust Manifold Compressor Turbocharger Turbine Wastegate Exhaust System Aftercooler ntake Exhaust Manifold Manifold EGR Valve Engine EGR Cooler Compressor Turbine Shaft VG Turbine Exhaust Pipe Momentmodellen Utgår från den teromdynamiskt baserade momentmodellen, som kopplar bränsle till arbete/moment. Analysera komponenterna. Börjar med pv-diagrammet. Moderna Dieselmotorer är alltid utrustade med turbo. Ett pv-diagram, uppmätt på en dieselmotor Försumbara pumpförluster Diesel p V diagram 3. Enlargement of gas exchange Diesel Pressure Volume Diagram Pressure [bar] Volume [dm 3 ] Volume [dm 3 ] Pressure [bar] 1 8 Momentmodellen (välkänd) 6 W i,n = W i,g W pump W fric Volume [dm 3 ] ngen ideal Diesel cykel! nte konstanttryckförbränning. W i,g m f W pump W fric = V d FMEP(N,...)

4 Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn 1 Gasoline engine 1 Diesel engine High load Low load Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load Pressure [MPa] Temperature [K] Musseldiagram Hur är det med Dieselmotorns emissioner? En dieselmotor och en bensinmotor Specific fuel consumption [g/kwh] BSFC [g/kwh] Torque [Nm] Engine speed [rpm] Engine speed [RPM] Jämförelse av absoluta sfc-tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive.3 liter. BMEP [bar]

5 Dieselmotorns emissionsavvägning Varför har Dieselmotorn höga NO x? Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load 3 3 Temperature [K] Emissionerna är i huvudsak Partiklar (sot, rök) Particulate Matter (PM) Kväveoxider, NO x 1 1 Global temperatur är inte nyckeln. 1 1 Varför har Dieselmotorn höga NO x? Hur reducerar man den lokala temperaturen? Bensin Diesel Spark plug Hot post flame region Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture Blandningen brinner vid gynnsamma förhållanden runt λ = 1 Kan inte använda globalt lambda. T = m f q HV m tot c v = Residualgas, dvs EGR. m f m a + m f + m r q HV c v = 1 x r q HV λ(a/f ) s + 1 c v Lokala temperaturen är nyckeln.

6 EGR och VGT system Efterbehandling Air Engine C.16 VNT=1. UREA Fuel T.1 VNT=.8 DOC DPF VNT=.6.1 SCR NH3 Corrected flow [kg/s] VNT=. EGR.1 VNT=..8 VNT=.1.6. EGR/VGT Diesel insprutning Diesel Oxidizing Cat (DOC), Diesel Particulate Filter (DPF) nsprutning av Urea CO(NH3 ) lo sning (Urea+vatten) Selective Catalytic Reduction (SCR), Ammonia Slip Catalyst (NH ) La gre bra nslekostnad, ho gre efterbehandlingskostnad VNT= Expansion ratio Πt [ ] UREA system: Tank, Va rmare+pump Dieselmotor Totalt System Air Extra tank, UREA + vattenlo sning, sma ltpunkt -11. Lagkrav pa tid fra n fryst till na r man ma ste kunna spruta in. Compressor Air flow meter ntercooler CR pump Fuel rail Sensors p, T ntake throttle Cylinders and injectors LP EGR system Air filter EGR Cooler Exhaust brake (HD) Exhaust valve VGT DOC+DPF HP EGR system EGR Valve NOx absorber/ SCR with NH3 Cat EGR Cooler EGR valve Long and short route EGR & ma nga andra system Exhaust

7 Fördelar och nackdelar Dieselmotorer och ljud Effektivitet Tre fördelar för dieselmotorn Högre kompression Lägre pumpförluster Mager blandning Emissioner Tre nackdelar för dieselmotorn Höga NO x emissioner Skiktad och mager blandning λ > 1 samt hög kompression ngen enkel efterbehandling mager blandning λ > 1 Sot- och partikelbildning stratifierad blandning Dieselmotorer och ljud Bränslereglering 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 Fuel njector Characteristics Principskiss av mulitpla bränsleinsprutningar m f [mg/inj] S Engine Port njector Measurement Model 1 1 t inj [ms] m f [mg/inj] 1 1 C Engine Common Rail njector 1 bar 1 bar 8 bar 6 bar bar bar 1 bar t inj [ms] njection rate Pre injection Main injection Post injection Acoustic measures Combustion optimization Emission control measures Time Exempel på mulitpla bränsleinsprutningar nnehållsförteckning Peak current Motor Diesel vs Bensin njector current 3 1 Hold current Motor Avancerade koncept Variabel Kompression Direktinsprutning 8 1 pre injection pre injections Framtida ngenjörsutmaningar Pressure [bar] 6 Pressure rise gives sound Crank Angle [deg] Även strömreglering till injektorn.

9 Motor Kompression och effektivitet Variabel kompression, v ɛ Luft och bränsle arbete och emissioner ɛ = r c = V d + V c V c pv-diagram med standardcykler som modell av uppmätt indikatordiagram. { Otto: ηf,i = 1 1, rc Cykeleffektiviteten γ 1 Diesel: η f,i = 1 1 β γ 1 rc γ 1 (β 1)γ r c Knack Begränsning vid höga temperaturer (höga laster). Kan man göra något åt kompromissen? Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression E k r c N ṁ fi θ ign p im, T im Bypass throttle u bp ṁ at ntercooler Compressor Clutch Main throttle u th Gearbox u cl

10 Motor - Variabel kompression Annan Teknisk Lösning Samma Grundprincip NFNT VC-TURBO ENGNE COMPARSON OF VC-TURBO TECHNOLOGY N HGH AND LOW COMPRESSON RATOS ntressanta utmaningar Samtidig styrning av kompression och tändning Kompressorinkoppling Strategier för trottel Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass gnition angle [deg btdc] gnition angle [deg btdc] kpa & rpm Compression ratio 1 kpa & rpm Compression ratio gnition angle [deg btdc] gnition angle [deg btdc] kpa & 1 rpm Compression ratio 13 kpa & rpm Compression ratio Ratio 1:1 EFFCENCY HGH Difference in piston height between compression ratios LOW 3 Ratio 8:1 POWER 1 Piston Upper-link Multi-link Crank Shaft Harmonic Drive Control Shaft Actuator arm Understanding VC-Turbo technology 1 When a change in compression ratio is needed, the Harmonic Drive turns and moves the actuator arm The actuator arm rotates the control shaft 3 As the control shaft rotates, it acts upon the lower-link, which changes the angle of the multi-link The multi-link adjusts the height the piston can reach within the cylinder, thus changing the compression ratio GD - Fusion av Diesel och Bensin nriktat på att förbättra dellastverkningsgraden Låg last fullt öppet spjäll sen injektionstidpunkt stratifierad blandning, lokalt λ [., 1.3] Hög last Delvis stängt spjäll tidig injektionstidpunkt λ = 1 (för emissionsrening) Konceptet kräver avancerade styrsystem. nnehållsförteckning Motor Diesel vs Bensin Motor Avancerade koncept Framtida ngenjörsutmaningar WLTP RDE Utmaningar Efterbehandlingssystem för NO x, (lösning NO x -fällor). Sot/partiklar har traditionellt inte varit något problem för bensin. Partikelräkning.

11 Nya krav från myndigheter Cycle Beating to RDE Design av fordon och drivlina Nu Styrd at körcyklerna. Standard. Systematisk design. Nu Körcykler byts ut. NEDC WLTP Framtid Real Driving Emissions (RDE) Hur skall vi designa, kalibrera och validera för RDE.