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
Innehallsforteckning
Kursinformation
Motor
Motor – Overladdning
Motor – Avancerade koncept
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
Innehallsforteckning
Kursinformation
Motor
Motor – Overladdning
Motor – Avancerade koncept
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
Innehallsforteckning
Kursinformation
Motor
Motor – Overladdning
Motor – Avancerade koncept
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.