Motorkoncept 2 20160406 Nhut Lam, doktorand Avd. för förbränningsmotorer, Lunds Universitet
Projektinformation Projektnamn: Motorkoncept 2 (etapp 1) Projekduration: 2013-01-01 till 2016-01-31 Huvudstödmottagare: Lunds Universitet Program: FFI Stödsumma: 2 350 000 kr 2
Presentationsprogram Motiv Existerande motorkoncept Motorkoncept 2 Simuleringsresultat Sammanfattning 3
Motivering till projektet Framtida utsläppskrav beträffande koldioxid kommer att bli ännu hårdare. Ett exempel: -År 2020 tillåter EU maximalt 95 g/km för personbilar (130 g/km år 2015) Ständig efterfrågan att reducera kostnaden för drivmedel för brukaren Förbränningsmotorer med högre bromsad verkningsgrad behövs. 4
Bromsad verkningsgrad -produkten av fyra delverkningsgrader Brake Combustion * Thermodynamic * GasExchange * Mechanical Bränsleenergi Värmeenergi Indikerat arbete (gross) Värme- & avgasförluster Indikerat arbete (net) 5 Bromsat arbete Förbränningsförluster Pumpförluster Friktionsförluster
6 Existerande motorkoncept
2 existerande motorkoncept med olika egenskaper Naturally aspirated SI-engine CR ~10:1 Scania D12 PPC, research CR ~ 17:1 Müller, D.-I.R., et al., Der neue 6-l-W12-Motor im Audi A8, in MTZ. 2004 7 SAE INTERNATIONAL Manente, V. et. al. SAE 2009-01-2668
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 8 0% SAE INTERNATIONAL Combustion efficiency SI jämfört med PPC -Delverkningsgrader 22.0% units Thermo. efficiency Gas exchange efficiency 5.3% units Mechanical efficiency 17.5% units Brake efficiency Naturally aspirated SI-engine PPC (8 bar IMEPg)
Sammanfattning av delverkningsgrader: -Motortyperna har olika egenskaper! NA-SI engine Bra Gasväxling Mekanisk PPC engine Bra Förbränning Termodynamisk Dålig Dålig Förbränning Gasväxling Termodynamisk Mekanisk 9 SAE INTERNATIONAL
Motorkoncept 2 DCEE -Double Compression-Expansion Engine 10
Högtryckscylinder CR=11.5:1 Konceptlayout CAC Lågtryckscylinder CR=100:1 Inlet valve B Exhaust valve B Outlet valve Inlet port from cross-over Inlet valve A Exhaust valve A 11 Crossover channel Obs! Ej skalenllig!
Simuleringsmodell & resultat Simuleringar utförda i GT-power 12
DCEE-simuleringar - 2 simulerings modeller Unit DCEE λ=1.2 DCEE λ=3.0 Slagvolym, högtryckscylinder dm 3 0.71 Kompressionsförhållande, Högtryckscylinder - 11.5:1 Slagvolym, lågtryckscylinder dm 3 7.9 4.9 Kompressionsförhållande, lågtryckscylinder - 100:1 EGR % 0 Temperatur, mellankylare K 350 Simulerad motorvarvtal rpm 1900 Ingen mellankylning 13 SAE INTERNATIONAL
Simuleringsresultat: Verkningsgrader (Förbränningsverkningsgraden antas vara 100%) 14 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Termodynamisk Gasväxling Mekanisk Bromsad DCEE, λ=1.2 57.7% 98.2% 96.1% 54.5% DCEE, λ=3.0 61.9% 97.5% 92.8% 56.0% SAE INTERNATIONAL
15SAE INTERNATIONAL Simulerat cylindertryck, DCEE
Låga värme- och friktionsförluster bidrar till den höga verkningsgraden Låg kompression Hög kompression Lågt kompressionsförhållande (förbränningscylindern) ger en fördelaktig geometri där väggarea/volym-förhållandet reduceras. Detta resulterar i minskade värmeförluster. Reducerat maxtryck i lågtryckcylindern möjliggör en design med kraftigt reducerad FMEP. Mekanisk verkningsgrad förbrättras avsevärt. V c V c 16 SAE INTERNATIONAL
Sammanfattning, termodynamisk verkningsgrad Simuleringarna visar att DCEE-konceptet vid λ = 3.0 förbränning ger en termodynamisk verkningsgrad 61.9 %. -Låga värmeförluster är huvudskälet. Gynnsam geometri på förbränningsrummet gör att väggarean är mindre i DCEE konceptet jämfört med en konventionell motor. 17 SAE INTERNATIONAL
Sammanfattning: Gasväxling, mekanisk samt bromsad verkningsgrad Pumpförlusterna i DCEE konceptet är mellan 2.5 och 5 gånger större jämfört mot en konventionell motor. -På grund av begränsningar i ventilarea. Höga cylinder-topptryck kräver en mekanisk design med hög friktion. -DCEE konceptet lider inte av detta eftersom den höga friktionen är isolerad till högtryckscylindern. DCEE konceptet ger 56.0% bromsad verkningsgrad med λ =3.0 förbränning. Detta kan jämföras med 47.0% som uppnås i dagens moderna lastbilsmotorer. -Bränsleförbrukningen reduceras med 16%. 18 SAE INTERNATIONAL
Tillkännagivanden Tack till våra projektfinansiärer: -Volvo AB -Energimyndigheten 19 SAE INTERNATIONAL
Mer info om konceptet & kontaktuppgift: Paper: Double Compression-Expansion Engine Concepts: A Path to High Efficiency SAE Paper: 2015-01-1260 E-post: nhut.lam@energy.lth.se 20