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 December 14, 17 1 / 43 / 43 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 8 1 1 4 λ. 1. >1.1 Bensin Spark plug Hot post flame region Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region 11111 11111 Air Fuel and air mixture Diesel 3 / 43 4 / 43
Enhetsinsprutare Common rail / 43 6 / 43 Förbränning, John Dec (1997) Spray och förbränning, John Dec (1997) SO + SO + Pressure [bar] 14 1 1 8 6 4 SO EO Premixed SOC Mixing controlled njection Pressure Heat release 3 1 1 3 4 6 Crank angle [deg] 3 1 1 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 + 7 / 43 8 / 43
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. 9 / 43 1 / 43 Ett pv-diagram, uppmätt på en dieselmotor Försumbara pumpförluster Diesel p V diagram 3. Enlargement of gas exchange 1 18 16 Diesel Pressure Volume Diagram Pressure [bar] 1 3. 14 1. 1 1.. Volume [dm 3 ]. 1 1.. Volume [dm 3 ] Pressure [bar] 1 8 Momentmodellen (välkänd) 6 4 W i,n = W i,g W pump W fric. 1 1.. Volume [dm 3 ] ngen ideal Diesel cykel! nte konstanttryckförbränning. W i,g m f W pump W fric = V d FMEP(N,...) 11 / 43 1 / 43
Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn 14 Gasoline engine 14 Diesel engine High load Low load 4 Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load 1 1 3 1 1 3 Pressure [MPa] 8 6 8 6 Temperature [K] 1 1 1 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13 / 43 14 / 43 Musseldiagram Hur är det med Dieselmotorns emissioner? En dieselmotor och en bensinmotor Specific fuel consumption [g/kwh] BSFC [g/kwh] Dieselmotorns emissions avvägning 18 14 1 16 1 1 14 Torque [Nm] 1 1 8 6 4 1 3 4 6 19 3 8 1 1 14 16 18 Engine speed [rpm] 1 3 4 3 1 8 6 4 7 3 4 9 3 4 1 1 3 3 4 4 Engine speed [RPM] Jämförelse av absoluta sfc-tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive.3 liter. BMEP [bar] 6 8 3 3 Emissionerna är i huvudsak Partiklar (sot, rök) Particulate Matter (PM) Kväveoxider, NO x 1 / 43 16 / 43
Varför har Dieselmotorn höga NO x? Varför har Dieselmotorn höga NO x? Temperature [K] 4 3 3 1 1 Gasoline engine 3 1 1 Diesel engine High load Low load Bensin Diesel Spark plug Hot post flame region Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region 11111 11111 Air Fuel and air mixture 1 1 Global temperatur är inte nyckeln. 1 1 Lokala temperaturen är nyckeln. 17 / 43 18 / 43 Hur reducerar man den lokala temperaturen? EGR och VGT system.16 Blandningen brinner vid lokalt 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 Corrected flow [kg/s].14.1.1.8.6.4. VNT=1. VNT=.8 VNT=.6 VNT=.4 VNT=. VNT=.1 VNT=. 1 3 4 Expansion ratio Π t [ ] 19 / 43 / 43
Efterbehandling UREA system: Tank, Va rmare+pump Air Engine C UREA Fuel Extra tank, UREA + vattenlo sning, sma ltpunkt -11. Lagkrav pa tid fra n fryst till na r man ma ste kunna spruta in. T DOC DPF SCR NH3 EGR 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 1 / 43 Dieselmotor Totalt System / 43 Fo rdelar och nackdelar Air Compressor Air flow meter Sensors p, T ntake throttle Cylinders and injectors ntercooler CR pump Fuel rail LP EGR system EGR Valve Cooler Exhaust brake (HD) Effektivitet Tre fo rdelar fo r dieselmotorn Air filter EGR Exhaust valve NOx absorber/ SCR with NH3 Cat Exhaust EGR Cooler EGR valve Ho gre kompression La gre pumpfo rluster Mager blandning Emissioner Tre nackdelar fo r dieselmotorn VGT DOC+DPF HP EGR system Ho ga NOx emissioner Skiktad och mager blandning λ > 1 samt ho g kompression ngen enkel efterbehandling mager blandning λ > 1 Sot- och partikelbildning stratifierad blandning Long and short route EGR & ma nga andra system 3 / 43 4 / 43
Dieselmotorer och ljud Dieselmotorer och ljud / 43 6 / 43 Bränslereglering Fuel njector Characteristics 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. m f [mg/inj].1.8.6.4. S Engine Port njector Measurement Model m f [mg/inj] 1 1 C Engine Common Rail njector 1 bar 1 bar 8 bar 6 bar 4 bar bar 1 bar Det finns några regleringsaspekter i lågttrycksdelen, såsom förvärmning i vissa fall. Huvuddelen av regleringen ligger i högtrycksdelen. 1 1 t [ms] inj..4.6.8 t [ms] inj 7 / 43 8 / 43
Principskiss av mulitpla bränsleinsprutningar Exempel på mulitpla bränsleinsprutningar 4 Peak current njection rate Pre injection Main injection Post injection Acoustic measures Combustion optimization Emission control measures Time njector current Pressure [bar] 3 1 8 6 4 Hold current Pressure rise gives sound 1 pre injection pre injections 4 3 1 1 3 4 Crank Angle [deg] Även strömreglering till injektorn. 9 / 43 3 / 43 nnehållsförteckning Motor Kompression och effektivitet Motor Diesel vs Bensin Motor Avancerade koncept Variabel Kompression Direktinsprutning Framtida ngenjörsutmaningar 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: 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? 31 / 43 3 / 43
Variabel kompression, v ɛ Motor - Variabel kompression ɛ = r c = V d + V c V c 33 / 43 34 / 43 Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression N E k Bypass throttle u bp ṁ at ṁ fi p im, T im ntercooler Compressor Clutch r c θ ign 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] 4 kpa & rpm 3 3 1 1 8 1 1 14 Compression ratio 1 kpa & rpm 3 1 1 8 1 1 14 Compression ratio 18 16 14 1 1 1 1 9 9 8 8 7 gnition angle [deg btdc] gnition angle [deg btdc] 1 1 1 kpa & 1 rpm 8 9 1 11 1 Compression ratio 13 kpa & rpm 3 1 1 8 9 1 11 1 Compression ratio 1 9 9 8 14 13 13 1 1 11 11 1 Main throttle u th Gearbox u cl 3 / 43 36 / 43
Annan Teknisk Lösning Samma Grundprincip GD - Fusion av Diesel och Bensin NFNT VC-TURBO ENGNE COMPARSON OF VC-TURBO TECHNOLOGY N HGH AND LOW COMPRESSON RATOS Ratio 14:1 EFFCENCY HGH Difference in piston height between compression ratios LOW 4 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 4 The multi-link adjusts the height the piston can reach within the cylinder, thus changing the compression ratio 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. Utmaningar Efterbehandlingssystem för NO x, (lösning NO x -fällor). Sot/partiklar har traditionellt inte varit något problem för bensin. Partikelräkning. 37 / 43 38 / 43 nnehållsförteckning Motor Diesel vs Bensin Motor Avancerade koncept Framtida ngenjörsutmaningar WLTP RDE CAFE Nya krav från myndigheter Design av fordon och drivlina Nu Styrd at körcyklerna. Standard. Systematisk design. Nu Körcykler byts ut. NEDC WLTP Framtid Real Driving Emissions (RDE) 39 / 43 4 / 43
Cycle Beating to RDE CAFE - Corporate average fuel economy The nternational Council of Clean Transportation - theicct.org Hur skall vi designa, kalibrera och validera för RDE. Grams CO per Kilometer normalized to NEDC 6 4 18 16 14 1 1 8 6 Solid dots and lines: historical performance Solid dots and dashed lines: enacted targets Solid dots and dotted lines: proposed targets Hollow dots and dotted lines: target under study S. Korea 1: 13 Mexico 16: 173 Canada 16:17 China : 117 Japan : 1 EU : 9 4 1 1 [1] China's target reflects gasoline vehicles only. The target may be lower after new energy vehicles are considered. [] US, Canada, and Mexico light-duty vehicles include light-commercial vehicles. US :17 US-LDV Canada-LDV EU Japan China S. Korea Australia Mexico 41 / 43 4 / 43