OH - Vehicular Systems
Innehållsförteckning Motor TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor – Fö 9 Motor – Avancerade koncept Motor – Jämförelse Diesel och Bensin Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se December 1, 2015 Diesel- och bensinmotorer – De stora skillanderna Bränsle Luftintag Bränsleinsprutning Laständring Luft- & bränsleblandning Förbränningsstart Förbrännigstyp Emissioner rc λ Bensin (Spark Ignited) Bensin Trottel I insugningssystemet Luftflöde pi Homogen Tändgnista Förblandad CO, HC och NOx 3-vägskatalysator Diesel (Compression Ignited) Diesel Raka rör Direkt i cylindern Bränslemängd Qi n Stratifierad Självantänder Diffussion NOx och partiklar partikelfälla de-nox-katalysator 8–12 0.5–1.5 12–24 >1.1 Förbränningsprocesserna Bensin Spark plug Flame front Diesel Hot post flame region 111111111111 000000000000 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 Fuel and air mixture 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 Fuel injector Hot combustion region Rich region 111111111111 000000000000 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 Air 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 Enhetsinsprutare Common rail Förbränning, John Dec (1997) Spray och förbränning, John Dec (1997) 140 Injection Pressure Heat release EOI SOI 100 80 30 25 20 Premixed 60 15 40 10 20 SOC 0 −30 −20 −10 0 5 Mixing controlled 10 20 Crank angle [deg] 0 30 40 50 ◮ Start Of Injection, End Of Injection ◮ Start Of Combustion, Ignition delay ◮ Premixed combustion, Diffusion (mixing) combustion −5 60 Heat release [kJ/rad] Pressure [bar] 120 Skisser på bensin och dieselmotorer Bensin Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda? Diesel Air filter 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Intercooler 000000 111111 111111 000000 000000 111111 Air flow meter Aftercooler 0000000 1111111 1111111 0000000 0000000 1111111 Compressor Intake Manifold Turbine Shaft Throttle Exhaust Manifold Engine Compressor Turbine Shaft I princip momentmodellen, som kopplar bränsle till arbete/moment. VG Turbine Turbine Intake Manifold Air filter 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Waste Gate Engine Exhaust Manifold 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 200 Diesel Pressure−Volume Diagram 180 Momentmodell (välkänd): Pressure [bar] 150 160 140 100 50 Wi,n = Wi,g − Wpump − Wfric Pressure [bar] 120 0 0 100 0.5 80 1 1.5 Volume [dm3] 2 2.5 Low Pressure Part Wi,g ∝ mf 3.5 Pressure [bar] 60 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 Wpump ≈ 0 3 Wfric = Vd FMEP(N, . . .) 2.5 2.5 3 Volume [dm ] Ingen ideal Diesel cykel! Inte konstanttryckförbränning. 2 0 0.5 1 1.5 3 Volume [dm ] 2 2.5 Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Gasoline engine Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Diesel engine 14 Gasoline engine 14 12 Diesel engine 4000 High load Low load 3000 High load Low load 3500 12 2500 3000 10 10 2000 8 8 6 6 Temperature [K] Pressure [MPa] 2500 2000 1500 1500 1000 4 4 1000 500 2 0 2 0 5 10 Normalized Volume 0 15 500 0 0 5 10 Normalized Volume 15 Musseldiagram En dieselmotor och en bensinmotor Specific fuel consumption [g/kWh] 1800 1600 1400 Torque [Nm] 195 0 20 1000 800 200 600 210 205 230 210 400 200 250 230 250 300 400 500 600 300 400 0 800 500 1000 1200 1400 5 10 Normalized Volume 15 0 0 5 10 Normalized Volume 15 Hur är det med Dieselmotorns emissioner? 2000 1200 0 1600 1800 2000 2200 Engine speed [rpm] Jämförelse av absoluta sfc-tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive 2.3 liter. Dieselmotorns emissionsavvägning Varför har Dieselmotorn höga NOx ? Gasoline engine Diesel engine 4000 3000 High load Low load 3500 2500 3000 2000 Temperature [K] 2500 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 Emissionerna är i huvudsak ◮ Partiklar (sot, rök) – Particulate Matter (PM) ◮ Kväveoxider, NOx 0 Spark plug 5 10 Normalized Volume 15 0 0 5 10 Normalized Volume 15 Global temperatur är inte nyckeln. Varför har Dieselmotorn höga NOx ? Bensin 0 Hot post flame region Flame front 1111111111111 0000000000000 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 Fuel and air mixture 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 Lokala temperaturen är nyckeln. Hur reducerar man den lokala temperaturen? Diesel Fuel injector Hot combustion region Rich region 111111111111 000000000000 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 Air 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 000000000000 111111111111 ◮ Blandningen brinner vid gynnsamma förhållanden runt λ = 1 ◮ Kan inte använda globalt lambda. ∆T = ◮ qHV mf 1 − xr qHV mf qHV = = mtot cv ma + mf + mr c v λ(A/F )s + 1 cv Residualgas, dvs EGR. EGR och VGT system Efterbehandling Air Engine C UREA Fuel T DOC DPF SCR NH3 EGR UREA system: Tank, Värmare+pump ◮ 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 Air Extra tank, UREA + vattenlösning, smältpunkt -11◦ . –Lagkrav på tid från fryst till när man måste kunna spruta in. Compressor Air flow meter Sensors p, T Intake throttle Cylinders and injectors Intercooler CR pump Fuel rail 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 & många andra system Exhaust Fördelar och nackdelar ◮ Effektivitet – Tre fördelar för dieselmotorn ◮ ◮ ◮ ◮ Dieselmotorer och ljud 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 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. Principskiss av mulitpla bränsleinsprutningar Innehållsförteckning Motor Motor – Avancerade koncept Motor – Kompression och effektivitet Luft och bränsle ⇒ och emissioner pV-diagram med standardcykler som modell av uppmätt indikatordiagram. ( 1 Otto: ηf ,i = 1 − γ−1 , rc Cykeleffektiviteten β γ −1 1 Diesel: ηf ,i = 1 − γ−1 (β−1)γ rc rc → ∞ Knack – Begränsning vid höga temperaturer (höga laster). Kan man göra något åt kompromissen? Variabel kompression, v ǫ arbete ǫ = rc = Vd + Vc Vc Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression GDI - fusion av diesel och bensin Intressanta utmaningar: ◮ Samtidig styrning av kompression och tändning ◮ Kompressorinkoppling ◮ Strategier för trottel ◮ Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass Låg last fullt öppet spjäll sen injektionstidpunkt stratifierad blandning, lokalt λ ∈ [0.5, 1.3] Hög last Delvis stängt spjäll tidig injektionstidpunkt λ = 1 (för emissionsrening) Konceptet kräver avancerade styrsystem.
© Copyright 2024