TSFS05 – Fordonssystem – Fö 12 - Motor – Jämförelse Diesel och

TSFS05 – Fordonssystem – Fo 12

Motor – Jamforelse Diesel och Bensin

Lars Eriksson - Kursansvarig

Fordonssystem, Institutionen for SystemteknikLinkopings [email protected]

November 21, 2011

Innehallsforteckning

Kursinformation

Motor

Motor – Overladdning

Motor – Avancerade koncept


Kursinformation

Motor



Diesel- och bensinmotorer – De stora skillanderna

Bensin Diesel(Spark Ignited) (Compression Ignited)

Bransle Bensin DieselLuftintag Trottel Raka rorBransleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindernLastandring Luftflode pi Branslemangd Qin

Luft- & bransleblandning Homogen StratifieradForbranningsstart Tandgnista SjalvantanderForbrannigstyp Forblandad DiffussionEmissioner CO, HC och NOx NOx och partiklar

3-vagskatalysator partikelfallade-nox-katalysator

rc 8–12 12–24λ 0.5–1.5 >1.1

Forbranningsprocesserna

Bensin Diesel

��

��

��

��

Flame frontFuel injector

Rich region

Air

Hot combustion region

Fuel and air mixture

Hot post flame regionSpark plug

Huvudsakliga skillnader mellan diesel- och bensinmotorer

◮ Bransleinjektion och forbranningsprincipen ar helt olika.I bensinmotorerna sprutas bensinen utanfor inloppsporten saatt branslet forangas och blandas ordentligt innanforbranningen. Forbranningen initieras med tandstiftet.I dieselmotorn sugs bara luft in under insugsslaget och dieselninjiceras direkt i forbranningskammaren under hogt tryck.Branslet sjalvantander pga den hoga temperaturen efterforbranningen.

◮ Det finns ingen trottel i dieselmotorn. En bensinmotor arbetarmycket nara stokiometrisk blandning, λ = 1, medans en dieselalltid kors magert λ > 1.3.

Perspektiv pa dieselmotorer i personbilar

◮ Dieselmotorerna ar och har lange varit den enda motortypen itunga applikationer.

◮ Innan 1990 var marknadsandelen kopplad tillbranslekostnaden. Efter 1990 har den gatt fran 14% till 42% i2003 trots att den relativa skillnaden i pris mellan diesel ochbensin har varit nastan konstant under samma tidsperiod.

Perspektiv pa dieselmotorer i personbilar

◮ Minst tva viktiga steg i teknikutvecklingen under perioden◮ Direktinsprutning, dar Audi var forst 1989.◮ I mitten av 90-talet utvecklades common rail systemen och

nadde marknaden 1997.

◮ Dessa tva och andra teknologier gjorde det mojligt att okainjektionstrycket mer exakt kunna styra andelen bransle, tilloch med multipla injektioner.

Enhetsinsprutare Common rail

Skisser pa bensin och dieselmotorer

Gasoline Diesel

Waste

Turbine

Compressor

Turbine Shaft

Gate

Air filter

Air flow meter��

��

��

��

Catalyst

Engine

Intercooler

Throttle

ManifoldExhaust

Manifold

��

��

Intake

EGR Cooler

VG Turbine

Compressor

Turbine Shaft

EGRValve

Air filter

��

��

��

��

��

��

Engine

ManifoldExhaust

ManifoldIntake

Aftercooler

Exhaust Pipe

Moderna Dieselmotorer ar alltid utrustade med turbo.

Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda?

Ett pV-diagram, uppmatt pa en dieselmotor

0 0.5 1 1.5 2 2.50

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Volume [dm3]

Pre

ssur

e [b

ar]

Diesel Pressure−Volume Diagram

Ingen ideal Diesel cykel! Inte konstanttryckforbranning.

Forsumbara pumpforluster

0 0.5 1 1.5 2 2.50

50

100

150

200

Volume [dm3]

Pre

ssur

e [b

ar]

Diesel Pressure−Volume Diagram

0 0.5 1 1.5 2 2.52

2.5

3

3.5

Volume [dm3]

Pre

ssur

e [b

ar]

Low Pressure Part

Momentmodell (valkand):

Wi ,n = Wi ,g −Wpump −Wfric

Wi ,g ∝ mf

Wpump ≈ 0

Wfric = VdFMEP(N, . . .)

Lastforandringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn

0 5 10 150

2

4

6

8

10

12

14

Pre

ssur

e [M

Pa]

Normalized Volume

Gasoline engine

0 5 10 150

2

4

6

8

10

12

14

Normalized Volume

Diesel engine

High loadLow load

Lastforandringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn

0 5 10 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Tem

pera

ture

[K]

Normalized Volume

Gasoline engine

0 5 10 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

Normalized Volume

Diesel engine

High loadLow load

Musseldiagram

En dieselmotor och en bensinmotor

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Engine speed [rpm]

To

rqu

e [N

m]

Specific fuel consumption [g/kWh]

195

200

200

205

210

210

230

230

250250

300 300400

400500

500

600

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

220

230

240 250

260 270 280

290300 320

350

400

Engine speed [RPM]

Eng

ine

torq

ue [N

m]

sfc [g/kWh]

Jamforelse av absoluta sfc-tal ar inte riktigt rattvis pga olikamotorstorlek, 11.7 respektive 2.3 liter.

Hur ar det med Dieselmotorns emissioner?

Dieselmotorns emissionsavvagning

Emissionerna ar i huvudsak partiklar och NOx .

Varfor har Dieselmotorn hoga NOx?

0 5 10 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Tem

pera

ture

[K]

Normalized Volume

Gasoline engine

0 5 10 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

Normalized Volume

Diesel engine

High loadLow load

Global temperatur ar inte nyckeln.

Varfor har Dieselmotorn hoga NOx?

Bensin Diesel

��

��

��

��

Flame frontFuel injector

Rich region

Air

Hot combustion region

Fuel and air mixture

Hot post flame regionSpark plug

Lokala temperaturen ar nyckeln.

Hur reducerar man den lokala temperaturen?

∆T =mf qHV

mtot cv=

mf

ma +mf +mr

qHV

cv

◮ Blandningen brinner vid gynnsamma forhallanden runt λ = 1

◮ Residualgas, dvs EGR

EGR och VGT system Fordelar och nackdelar

◮ Effektivitet – Tre fordelar for dieselmotorn

◮ Hogre kompression◮ Lagre pumpforluster◮ Mager blandning

◮ Emissioner – Tre nackdelar for dieselmotorn◮ Hoga NOx emissioner – Skiktad och mager blandning λ > 1

samt hog kompression◮ Ingen enkel efterbehandling – mager blandning λ > 1◮ Sot- och partikelbildning – stratifierad blandning

Dieselmotorer och ljud Dieselmotorer och ljud

Branslereglering

Tva system i for de tva delarna i bransleregleringen.

◮ Lagtrycksdel – fuel supply system

◮ Hogtrycksdel – fuel injection system

Lagtrycksdelen forbereder branslet genom filtrering ochvattenseparation for att slutligen leverera branslet tillhogtrycksdelen.

Det finns nagra regleringsaspekter i lagttrycksdelen, sasomforvarmning i vissa fall.

Huvuddelen av regleringen ligger i hogtrycksdelen.

Principskiss av mulitpla bransleinsprutningar


Kursinformation

Motor



Motor - Avancerade koncept

“Engines are now computerized machines”.

◮ Nya mekanisk design. Dessa mojliggors av, och forlitar sig pa,styrsystemen.

◮ Nya metoder for signaltolkning. Tillganglighet paberakningskapacitet och natverks teknologier har oppnat uppfor nya mojligheter.

Motor - Avancerade koncept

Nya?Super charging:–TurboVariable compression (vǫ)Gasoline direct injection – GDIStyrsystem ar basen


Kursinformation

Motor



Motor – Kompression och effektivitet

Luft och bransle ⇒ arbeteoch emissioner

pV-diagram med standardcykler som modell av uppmattindikatordiagram.

Cykeleffektiviteten

{

Otto: ηf ,i = 1− 1

rγ−1c

,

Diesel: ηf ,i = 1− 1

rγ−1c

βγ−1

(β−1)γrc → ∞

Knack – Begransning vid hoga temperaturer (hoga laster).

Kan man gora nagot at kompromissen?

Variabel kompression, vǫ

ǫ = rc =Vd + Vc

Vc

Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression

Motor - Variabel kompression

Intressanta utmaningar:

◮ Samtidig styrning av kompression och tandning

◮ Kompressorinkoppling

◮ Strategier for trottel

◮ Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass

GDI - fusion av diesel och bensin

Lag last fullt oppet spjallsen injektionstidpunktstratifierad blandning, lokalt λ ∈ [0.5, 1.3]

Hog last Delvis stangt spjalltidig injektionstidpunktλ = 1 (for emissionsrening)

Konceptet kraver avancerade styrsystem.

Documents

TSFS05 – Fordonssystem – Fö 12 - Motor – Jämförelse Diesel och