r c λ >1.1

Transkript

1 Repetition Motor Överladdning och Turbo - och bensinmotorer De stora skillanderna (Spark Ignited) (Compression Ignited) Bränsle Luftintag Trottel Raka rör Bränsleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde p i Bränslemängd Q in 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 September 7 September 7 Perspektiv på dieselmotorer i personbilar Perspektiv på dieselmotorer i personbilar Minst två viktiga steg i teknikutvecklingen under perioden motorerna är och har länge varit den enda motortypen i tunga applikationer. Direktinsprutning, där Audi var först Innan 199 var marknadsandelen kopplad till bränslekostnaden. Efter 199 har den gått från 14 till 4 i 3 trots att den relativa skillnaden i pris mellan diesel och bensin har varit nästan konstant under samma tidsperiod. I mitten av 9-talet utvecklades common rail systemen och nådde marknaden Dessa två och andra teknologier gjorde det möjligt att öka injektionstrycket mer exakt kunna styra andelen bränsle, till och med multipla injektioner. 3 September 7 4 September 7 Huvudsakliga skillnader mellan diesel- och bensinmotorer Musseldiagram En dieselmotor och en bensinmotor Bränsleinjektion och förbränningsprincipen är helt olika. I bensinmotorerna sprutas bensinen utanför inloppsporten så att bränslet förångas och blandas ordentligt innan förbränningen. Förbränningen initieras med tändstiftet. I dieselmotorn sugs bara luft in under insugsslaget och dieseln injiceras direkt i förbränningskammaren under högt tryck. Bränslet självantänder pga den höga temperaturen efter förbränningen. Torque [Nm] Specific fuel consumption [g/kwh] Engine torque [Nm] sfc [g/kwh] 3 Det finns ingen trottel i dieselmotorn. En bensinmotor arbetar mycket nära stökiometrisk blandning, λ = 1, medans en diesel alltid körs magert λ > Engine speed [rpm] Engine speed [RPM] Jämförelse av absoluta tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive.3 liter. 5 September 7 6 September 7 Förbränningsprocesserna Enhetsinsprutare Hot post flame region Spark plug Fuel injector Flame front 111 Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture September 7 8 September 7

2 Common rail Skisser på bensin och dieselmotorer Gasoline Air filter Air filter Air flow meter Throttle Intercooler Compressor Turbine Shaft Aftercooler Intake Exhaust Compressor Turbine Shaft Turbine VG Turbine Intake Engine Waste Gate Exhaust Engine Catalyst EGR Valve EGR Cooler Exhaust Pipe Moderna motorer är alltid utrustade med turbo. 9 September 7 1 September 7 Ett pv-diagram, uppmätt på en dieselmotor 18 Pressure Volume Diagram Hur beskriver man motorns prestanda? Ingen ideal cykel! Inte konstanttryckförbränning. 11 September 7 1 September 7 Försumbara pumpförluster Lastförändringsprincip i - och motorn 15 1 Pressure Volume Diagram Momentmodell (välkänd): engine 5 W i,n = W i,g W pump W fric Low Pressure Part W i,g m f Pressure [MPa] W pump W fric = V d FMEP(N,...) September 7 14 September 7 Lastförändringsprincip i - och motorn 4 3 engine Temperature [K] Hur är det med motorns emissioner? September 7 16 September 7

3 motorns emissionsavvägning Varför har motorn höga NO x? 4 3 engine Temperature [K] Emissionerna är i huvudsak partiklar och NO x Global temperatur är inte nyckeln September 7 18 September 7 Varför har motorn höga NO x? Hot post flame region Spark plug Fuel injector Flame front 111 Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture Hur reducerar man den lokala temperaturen? T = m f q HV = m tot c v m f q HV m a + m f + m r c v Blandningen brinner vid gynnsamma förhållanden runt λ = 1 Residualgas, dvs EGR Lokala temperaturen är nyckeln. 19 September 7 September 7 Fördelar och nackdelar Effektivitet Tre fördelar för dieselmotorn motorer och ljud Högre kompression Lägre pumpförluster Mager blandning Emissioner Tre nackdelar för dieselmotorn Höga NO x emissioner Skiktad och mager blandning λ > 1 samt hög kompression Ingen effektiv efterbehandling mager blandning λ > 1 Sot- och partikelbildning stratifierad blandning 1 September 7 September 7 motorer 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. 3 September 7 4 September 7

4 Fo 1: Motor Fo 1: Motor O verladdning Principskiss av mulitpla bra nsleinsprutningar Motor - Avancerade koncept Engines are now computerized machines. Nya mekanisk design. Dessa mo jliggo rs av, och fo rlitar sig pa, styrsystemen. Nya metoder fo r signaltolkning. Tillga nglighet pa bera kningskapacitet och na tverks teknologier har o ppnat upp fo r nya mo jligheter. 5 September 7 Fo 1: Motor O verladdning 6 Motor Kompression och effektivitet Luft och bra nsle Motor - Avancerade koncept September 7 arbete och emissioner pv-diagram med standardcykler som modell av uppma tt indikatordiagram. Nya? Super charging: Turbo Cykeleffektiviteten Variable compression (vǫ) Otto: : 1, ηf,i = 1 γ 1 rc 1 β γ 1 ηf,i = 1 γ 1 (β 1)γ rc rc Gasoline direct injection GDI Knack Begra nsning vid ho ga temperaturer (ho ga laster). Styrsystem a r basen 7 September 7 Variabel kompression, vǫ Kan man go ra na got a t kompromissen? 8 September 7 V + Vc ǫ = rc = d Vc 9 September September 7 September 7 3 September 7

5 Avancerade koncept Avancerade koncept GDI - fusion av diesel och bensin Aktuell forskning Samtidig styrning av kompression och tändning Kompressorinkoppling Kompressor by-pass 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. 33 September 7 34 September 7