Modelvormimg van de Gascyclus van een Closed Cycle Dieselmotor

van een Closed Cycle Dieselmotor

M.G.J. Schasfoort

Rapport 0.E.M.0 92.05

4A/1---Dcze,

17/777(77--(.71/1-/Areji__

/N

/1/t-Lc Oztt

e_

RDM

TECHNOLOGY

Rotterdam, 30 augustus 1992

x

Y-CONFIDENTIEEL

De in dit rapport gegeven beschrijving van het Closed Cycle Dieselmotor-systeem, de vermelde specificaties ervan, en de gegevens uit metingen en simulaties, vertegen-woordigen een commercieel belang voor de bij de ontwikkeling van het systeem

betrokken bedrijven. Om deze reden is de inhoud van dit rapport confidentieel. Het gebruik, de verspreiding, vermenigvuldiging of het op enigerlei wijze openbaar maken van de inhoud, geheel en/of gedeeltelijk, mag niet geschieden tenzij met de schriftelijke toestemming van de Rotterdamsche Droogdok Maatschappij.

Samenvatting

De gascyclus in het Closed Cycle Dieselmotorsysteem betreft dat gedeelte van het

systeem waarin de gasstroom circuleert. In de gascyclus vindt een behandeling pleats

van de door de motor uitgelaten gassen, die het mogelijk maakt dat deze weer als

inlaatgassen aan de motor kunnen warden toegevoerd. Achtereenvolgens worden de uitlaatgassen gekoeld d.m.v. spraykoeling, gereinigd in een absorber en tenslotte door het toevoegen van zuurstof en argon ook qua samenstelling weer op inlaatconditie

gebracht.

In de absorber warden de verbrandingsprodukten uit de uitlaatgassen opgelost in water. De effectiviteit van dit proces is afhankelijk van de druk in het systeem en van de samenstelling van de uitlaatgassen. Er bestaat derhalve een wisselwerking tussen motor en absorber welke de prestaties van de installatie beinvloedt.

Van de gascyclus is een computer-simulatiemodel gemaakt, waarmee het stationaire evenwicht dat zich instelt, als functie van verschillende parameters kan warden

onderzocht. Het model is gemaakt met behulp van het simulatiepakket Matrixx. Het hoofdmodel wordt gevormd door submodellen waarin de vier belangrijkste deelprocessen plaatshebben: motor, koeler, absorber en

zuurstof/argon-injectie.

De interactie van de motor met de gaskringloop is beschreven in een op ropstroming _gebaseerd spoelmodel. Hiermee wordt de grootte en samenstelling van de

laatgassen berekend. De koppel-ontwikkeling door de motor wordt in het model

berekend met een Seiliger-benaderingsproces.

Het absorptieproces is beschreven m.b.v. het pentratiemodel. Het penetratiemodel is gekozen omdat hiermee kort durende absorbtieprocessen zoals in het CCD-systeem goed kunnen warden beschreven.

Het model is gematcht near een gemeten bedrijfssituatie. Het matchen werd bemoeilijkt doordat sommige gegevens niet beschikbaar waren, zoals bijvoorbeeld de

doorstro-il

mingsweerstand van de motor en de gassamenstelling in het systeem. Daarnaast is het gemeten zuurstofverbruik niet in overeenstemming met het brandstofverbruik, iets wat lin het model is verrekend in de vorm van een laag verbrandingsrendement. Tenslotte is i het gemeten argonverbruik van de installatie zo groat dat dit in het model niet

gesimuleerd 'ken warden zonder dat andere grootheden onrealistische waarden krijgen. De validatie van het model is gedaan door de motorbelasting te varieren en de

gevonden resultaten met meetwaarden te vergelijken. Hieruit blijkt dat optredende verschijnselen door het model voorspeld warden, echter de numerieke waarden vertonen een afwijking van de meetwaarden. Deze afwijking neemt toe naarmate het

belasting meer verschilt van de belasting waarbij de matching is uitgevoerd.

Oorzaken van afwijkingen tussen simulatieresuitaten en meetwaarden moeten warden gezocht in:

- Het optreden van gas-entrainment (meeslepen van gasbelletjes in de

waterstroom) in de installatie; dit verschijnsel is niet in het model opgenomen. - De onbekende nauwkeurigheid van gebruikte grootheden. Een voorbeeld is de

concentratie van het ingenomen water, waarvan de invloed grater zou kunnen zijn dan tot nu toe is aangenomen.

Het felt dat een schatting gePaan voor de do-orstromingsweerstand van de

motor.

Conclusies welke worden getrokken voor wat betraft de shodelvorming zijn: Het model reageert volgens gesignaleerde trends.

Het geeft doze trends in versterkte mate weer. Om dee,,reden heeft het model

een beperkt geldigheidsgebied.

,- IL.lit de absolute waarden van simulatieresultaten Mogen geen conclusfes worden

II getrokken.,

Conclusies welke uit de simulatieresultaten over het systeem worden getrokken Net arponverbruik op de proefstand is groter dan via zuivere absorbtie in water, kan worden opgelost.

Fen hoge argonconcentratie in het systeem beinvloedt het vermogen positiet. Net verlies van zuurstof door absorbtie in water is gering.

De invloed van de zeewatertemperatuur op de stofoverdracht is groat. Het reduceren van de klepoverlap van de motor zal niet tot toename van het motorvermogen leiden zonder additionele maatregelen. Wel wocdt een bespaning op het argonverbruik bereikt..

De volgende aanbevelingen worden gedaan:

- Meer zekerheid moet worden verkregen over de juistheid van gebruikte gegeyeris.

- Indien op de proefstand blijkt dat een grote hoeveelheid gas via gas-entrainmqnt

het systeem verlaat, dan moot gas-entrainment in het model worden opgenomen.,

- Validatie van het model door middel van een analyse van de gassamenstelling.

pagina

is

zijn:

liphoudsopgave

.2

Inhoudsopgave .0, - ;a. ;J.

1 Inleiding

2 Beschrijving van de Closed Cycle Dieselmotor-installatie

2.1 Redenen voor de ontwikkeling van de Closed Cycle Dieselmotor ... . 8

2.2

Opbouw van de CCD-installatie ...

8

2.2.1 Het zeewater-systeem van de CCIlinstallatie

_

_

a 9.

2.2.2 'Het gasrecycling-systeem van de CCD-installatie . 19

2.2.3 Beoordelingscriteria bij. toepassing van de CCD in eon onderzeeer

10

2.3 Invloed van druk en samenstelling van het circulerend gasmengsell op de

working van het CCD-systeem . TO

2.3.1 Invloedsgrootheden op de werkingj van de absorber, massa-evenwicht

tussen motor en absorber 1.0

2.3.2 Ilnyloedsgrootheden op de werking van de motor . 1 1

2.4 Ontwikkelingen aan het CCD-systeem in de nabije toekomst 12.

3 Doell van. de modelvorming,, keuze van de systeemgrens, verdeling in subsystemen

3.11 Doelen van de modelvorming . . . .

. ...

. . 13'

3.2 Keuze van de systeemgrens, bepalen van in- en outputs ... 13

3.3 Opdeling in subsystemen

3.3.1 Belangrijkste subsystemen, inputs en. outputs 14

3.3.2 Blokschema van het model 1116

4 Mathematische 'beschrijving van de motor z. a. , 17

4.1 Modelvorming van het arbeidsproces in de motor

...

117

4.1.1 Aannames gedaan bij hetirekenen. aan het thermodynamisch

kring-proces 17

4.1..2 Beschrijving van lhet Seiligerproces, berekening van het motorkoppel 18

4.2 Berekening van de hoeveelheid gas in de pilinder, spodmodel j: 20

4.2.1 Aannames gaswisselingsmodel

_

_...

21

4.2.2 Gasmassa in de cilinder 211

'4.2.3 Consequenties van bet :gekozen spoelmodel 73

Samenvatting 4 7 8 13 14 .

pagina 5

5 Mathematische beschrijving van het leidingen en vatensysteem: receivers,

spraykoeling en injectie van zuurstof en argon 24

5.1 Aannames bij de modelvorming van het leiding- en vatensysteem 24

5.2 Stroming door een leidingweerstand 24

5.3 Energiebalans voor een vat: temperatuur 25

5.4 Massabalans voor een vat: samenstelling 26

5.5 Verdamping en condensatie van water 26

5.6 Regaling van gaseigenschappen: zuurstof- en argoninjectie 29

6 Mathematische beschrijving van de absorber 30

6.1 Inleidende beschrijving van de werking van de absorber 30

6.2 Aannames bij de modelvorming van de absorber 30

6.3 Basisprincipes stofoverdracht/stof transport 31

6.4 Berekening stofoverdrachtscoefficient 33

6.4.1 Berekening van de diffusiecoefficient D 33

6.4.2 Berekening van de karakteristieke contacttijd r 34

6.5 Relaties voor de oplosbaarheid van gassen in water 35

6.6 Apparaat-afhankelijke beschrijving van stofoverdracht 35

6.7 Benodigd hulpvermogen 36

6.8 De absorber als stromingsweerstand in de gasstroom, flooding condities 37

7 Computersimulaties met het model 38

7.1 Keuze van vaste parameters 38

7.2 Matchen van het model 39

7.3 Simulatie van de vier varianten van het model op de nominale

bedrijfstoestand 40

7 3.1 Bespreking van de resultaten van de vier modelvarianten 41

7 3.2 Keuze van variant voor verdere simulaties 42

7.4 Simulaties met variatie van de brandstoftoevoer, vergelijking modeluitvoer

met gemeten waarden 43

7.5 Variatie van zeewatertemperatuur en klepoverlap 45

7.5.1 Bespreking resultaten simulatie met verlaagde watertemperatuur . . 45

7.5.2 Bespreking resultaten simulatie motor zonder klepoverlap 45

7.6 Discussie over het effect van gas-entrainment op de gassamenstelling . . . 47

8 Conclusies en aanbevelingen 48 Literatuurlijst 50

..

,

... . . . . . .. . .

...

_..

.,.

,...

....

. .4%

Bijlage I: Bijlage II: Bijlage III: Bijlage IV: Bijlage V: Bijlage VI: Bijlage VII: Bijlage VIII: Bijlage IX: Bijlage X: Bijlage XI Bijlage XIII Bijlage XIII.a Bijlage XIII.b Bijlage XIII.c Bijlage XIII.d Bijlage XIV.a Bijlage XIV.b Bijlage XV.a Bijlage XV.b

Rondrekenen van de verbrandingslus van het

Seiliger-proces 52

Berekening van de arbeid uit het kringproces 55

Bepaling van de gasmassa in de cilinder en de

gasstroom door de cilinder 56

Bepaling van thermodynamische eigenschappen van

bet gasmengsel 60

Afleiding van de differentiaalvergelijking voor de

temperatuur in een vat met starre wanden 64

Berekening warmtecapaciteitsverhouding

gasstroom/waterstroom 65

Bewijs van het verwaarlozen van gasweerstand bij

stof-overdracht 66

Polynomen voor de oplosbaarheid van gassen in

water 68

Diffusiecoefficienten volgens Wilke and Chang 70

Berekening logarithmisch gemiddeld concentratieverschil 71

Parameterfile 72

Resultaten metingen proefstand CCD 75

Resultaten simulatie variant 1 op nominale punt 76

Resultaten simulatie variant 2 op nominale punt 81

Resultaten simulatie variant 3 op nominale punt 85

Resultaten simulatie variant 4 op nominale punt 89

Resultaten simulatie met brandstoftoevoer van 6 g/s 91

Resultaten simulatie met brandstoftoevoer van 10 g/s 95

Resultaten simulatie met watertempratuur van 5°C 99

Resultaten simulatie motor zonder klepoverlap 103

Symbolenlijst . 107

...

...

...

...

. . . -..

1 Inleiding

Voor onderzeeers is het van belang zo weinig en zo kort mogelijk aan de oppervlakte te varen. Daarom wordt onderzoek verricht naar toepassing van buitenlucht onafhankelijke voortstuwings-methoden. Het meest vergevorderde alternatief is de zogenaamde Closed Cycle Dieselmotor.

In het Closed Cycle Dieselmotor-systeem warden de uitlaatgassen gerecirculeerd. Dit betekent dat de gassen welke de motor uitstromen, weer op inlaatconditie moeten warden gebracht. Daarvoor is aan de motor een installatie gebouwd welke ten eerste de uitlaatgassen koelt, vervolgens de verbrandingsproducten eruit wast, en tenslotte door het toevoegen van o.a. zuurstof de samenstelling weer op inlaatconditie brengt. Dit gas wordt vervolgens weer de motor ingeleid om arbeid te verrichten bij de

verbranding.

Kennis over de gascyclus is van groot belang voor inzicht in de werking van het CCD-systeem. Tussen de motor en de absorber zal zich een massa-evenwicht moeten

instellen. De werking van zowel de motor als van de absorber is sterk afhankelijk is van de ter plaatse geldende toestandsgrootheden van het gas en de samenstelling ervan. Bij de Rotterdamsche Droogdok Maatschappij staat een CCD-installatie welke

operationeel is voor vermogens tot 150 kW. De installatie wordt verder ontwikkeld waarbij gestreefd wordt een vermogen van 400 kW te kunnen leveren. Om het effect van bepaalde maatregelen op de prestaties van de installatie te kunnen beoordelen, wit men de beschikking hebben over een simulatie van de gascyclus van het CCD-systeem. In het kader van de vierdejaars-opdracht van mijn studie aan de Technische Universiteit Delft is daarom een model van de gascyclus van de CCD-installatie ontwikkeld. Het model is bedoeld om, met behulp van een dynamische simulatie, de stationaire toestand van het systeem te berekenen als functie van verschillende parameters.

In dit rapport wordt de ontwikkeling van dit model beschreven. Daartoe wordt allereerst in hoofdstuk 2 de opbouw en werking van de Closed Cycle Diesel-installatie

beschreven.

Vervolgens worden in hoof dstuk 3 de aspecten verbonden met de modelvorming

behandeld.

De mathematische beschrijving van de verschillende deelsystemen volgt in de hoof dstukken 4 tot en met 6.

Het matchen van het model, de modelvalidatie en het uitvoeren van simulaties is beschreven in hoof dstuk 7.

De conclusies en aanbevelingen tenslotte zijn te vinden in hoofdstuk 8.

CH_{n n} ROTOR

gascyclus

_41.1SPRAY0. MG

H20

figuur 2.a: Schema CCD-systeem

ABSORBER

watercyclus

whir'

morlogornen

2 Beschrijving van de Closed Cycle Dieselmotor-installatie

Bij de Rotterdamsche Droogdok Maatschappij wordt een Closed Cycle Dieselmotor ontwikkeld met de bedoeling deze te kunnen toepassen in een onderzeeer. In dit hoofdstuk zal ten eerste besproken warden waarom de ontwikkeling van een Closed Cycle Dieselmotor interessant is voor toepassing in een onderzeeer. Vervolgens wordt in paragraaf 2.2 de opbouw van de installatie beschreven, waarbij de nadruk ligt op het

gasgedeelte van het systeem. Oak wordt besproken welke criteria van belang zijn bij

toepassing in een onderzeeer. Tenslotte wordt in paragraaf 2.3 de gascyclus procestechnisch besproken.

Een algemene introductie over een Closed Cycle Dieselmotor wordt gegeven in

WE

2.1 Redenen voor de ontwikkeling van de Closed Cycle Dieselmotor

De Closed Cycle Dieselmotor is een installatie, welke het mogelijk maakt om met een dieselmotor elektrische energie op te wekken, zonder gebruik te maken van buitenlucht. Daardoor biedt de Closed Cycle Dieselmotor de mogelijkheid om in een onderzeeer de accu's bij te laden zonder te snuiveren. Dit verkleint de kans op ontdekking van de

onderzeeer.

De RDM heeft de ontwikkeling van de Closed Cycle Diesel is verkozen boven andere vormen van buitenlucht-onafhankelijke voortstuwing, zoals Nucleaire energieopwekking, de Fuel Cell, de Hoge Druk Stirlingmotor, of de Stirlingmotor in gesloten cyclus.

Nucleaire voortstuwing is kostbaar en omstreden in zijn toepassing. De Fuel Cell en de Stirlingmotor verkeren beide in een stadium van ontwikkeling. Voor de Stirlingmotor komt er nog bij dat, net als bij de Closed Cycle Dieselmotor, een oplossing gevonden moet worden voor de afvoer van de verbrandingsgassen.

Een dieselmotor met het gewenste vermogen stelt hier tegenover het voordeel van beproefde technologie. De RDM verwacht daarom dat de Closed Cycle Diesel van de genoemde alternatieven het snelst beschikbaar kan zijn voor toepassing in de praktijk. Toepassing van een CCD-systeem in onderzeeers wordt gerechtvaardigd wanneer men de energiedichtheid ervan beschouwt. Energiedichtheid is gedefinieerd als de hoeveel-held nuttige energie welke men kan opslaan, gedeeld door de ruimte die daarvoor nodig is. De CCD-installatie inclusief opslagtanks voor o.a. brandstof en zuurstof, heeft een hogere energiedichtheid dan conventionele accu's. Om deze reden is de toepassing van de CCD als onderdeel van de voortstuwingsinstallatie aantrekkelijk.

2.2 Opbouw van de CCD-installatie

De opbouw van het CCD-systeem is schematisch weergegeven in figuur 2.a.

In de figuur zijn de belangrijkste componenten van het CCD-systeem te zien, alsmede de twee belangrijkste massastromen: het gasrecyclingsysteem en het zeewater-systeem.

Het gas- en het zeewater-systeem zijn gekoppeld via de absorber, waar de verbrandingsprodukten vanuit het circulerende gas oplossen in het zeewater.

2.2.1 Het zeewater-systeem van de CCD-instaliatie

Het zeewater-systeem heeft als taak het zeewater van buitenboorddruk terug te brengen naar de werkdruk van de absorber, vervolgens dit water gefilterd naar de absorber te leiden, en het tenslotte na gebruik weer op buitenboorddruk te brengen. Dit zogenaamde watermanagementsysteem maakt gebruik van de hoge druk van het

binnenkomende water om het gebruikte water op druk te brengen. Hierdoor is de

watervoorziening nauwelijks afhankelijk van de duikdiepte, en is bovendien het energie-verbruik van het watermanagementsysteem relatief gering.

Bij de bestudering van de gascyclus kan de zeewatervoorziening aan de absorber als een gegeven worden beschouwd; het zeewater-systeem zal bier dan ook niet verder besproken worden.

2.2.2 Het gasrecycling-systeem van de CCD-installatie

In de dieselmotor is het gas het werkend medium in een thermodynamisch kringproces. Onder toevoeging van warmte verricht het arbeid. De warmte wordt toegevoerd door middel van verbranding van dieselolie.

Niet alle warmte kan worden omgezet in arbeid. Het gas heeft derhalve aan de uitlaat van de motor een hogere temperatuur dan aan de inlaat. Om het thermodynamische kringproces te kunnen doorlopen moet het uitlaatgas derhalve worden gekoeld. Bij de verbranding van de dieselolie wordt zuurstof verbruikt en er ontstaan

verbrandingsprodukten, voornaamlijk bestaande uit kooldioxide en water. Het uitgelaten gas heeft dus ten opzichte van het ingelaten gas een lager gehalte aan zuurstof, en een hoger gehalte aan kooldioxide en water. Om het verbrandingsproces in stand te houden moet oak de samenstelling van het gas opnieuw op inlaatconditie gebracht worden. Om deze twee functies te vervullen, zijn in het gasrecycling-systeem de volgende componenten opgenomen (zie figuur 2.a):

- spraykoeling: na de motor warden de gassen gekoeld door een waterspray te

injecteren. De koeling komt naast de opwarming van het water vooral tot stand door de verdamping van het water.

absorber: in de absorber warden de gassen in tegenstroom door het water geleid. Omdat het ingelaten zeewater niet verzadigd is met de componenten waaruit het afvoergas bestaat, zullen deze componenten oplossen in het zeewater, maximaal totdat verzadiging is bereikt. In stationaire toestand zal de hoeveelheid

verbrandingsprodukten die de motor produceert, precies moeten worden

overgedragen aan het zeewater. Ook andere componenten van het rondstromende gas warden opgenomen, zoals zuurstof en argon.

In de absorber treedt verdere koeling van de gassen op, tot ongeveer de

zeewatertemperatuur. Het water in de gasstroom, ontstaan bij de verbranding en geinjecteerd bij de spraykoeling, condenseert bij de lage temperatuur en wordt met het zeewater mee afgevoerd.

- zuurstof- en argontoevoer: nadat meegestroomde waterdruppeltjes zo veel mogelijk

afgevangen zijn, wordt zuurstof toegevoegd aan de gereinigde gassen. Ook het

argon, waarvan een gedeelte geabsorbeerd was en waarvan de aanwezigheid

gewenst is, moat opnieuw toegevoerd worden.

Het gas bevindt zich nu weer op inlaatconditie en stroomt de motor in om deal te

nemen aan de verbranding.

2.2.3 Beoordelingscriteria bij toepassing van de CCD in een onderzeeer

Voor de toepassing in een onderzeeer is het van belang dat de installatie ten eerste een hoog vermogen levert, en ten tweede een gering zuurstofverbruik heeft. Het

zuurstofverbruik wordt bepaald door de hoeveelheid brandstof die ingespoten wordt en dus door het motorrendement. Verder is de hoeveelheid zuurstof die in de absorber opgenomen wordt van invloed op het zuurstofverbruik.

Een derde criterium is dat de installatie gestart moet kunnen worden in Closed Cycle confiouratie.

Andere belangrijke criteria zijn bovendien een zo gering mogelijke cornplexiteit en omvang van het systeem, en een [lege geluidsproductie.

2.3 Invloed van druk en samenstelling van het circulerend gasmengsel op de werking

van het CCD-systeem

Het gas in het CCD-systeem stroomt rond in een gesloten cyclus. Dit betekent dat de samenstelling van het circulerende gas fist geIjk aan de buitenlucht zal zijn, en dat ook de druk waarop motor en absorber werken niet vast ligt.

In de motor ontstaat bij volledige verbranding kooldioxide (CO2) en water (H20). Zoals reeds vermeld verdwijnt het water uit het systeem door middel van condensatie. Voor wat de kooldioxide betreft moet er zich een evenwicht instellen tussen de produktie in de motor en de opname in de absorber. Dit evenwicht ontstaat onder invloed van de druk in het systeem en de concentratie kooldioxide in de uitlaatgassen, lets wat.wordt besproken in paragraaf 2.3.1. De invloed van de gassamenstelling en de systeemdruk op de prestaties van de motor komt ter sprake in paragraaf 2.3.2.

2.3.1 Invloedsgrootheden op de werking van de absorber, massa-evenwicht tussen

motor en absorber

De opname van kooldioxide in water geschiedt ten gevolge van het felt dat er in de absorber de situatie heerst, waarbij er meer kooldioxide in het water ken oplossen, dan wat er bij inflame al in het zeewater zit opgelost. Wanneer de grootte van de

waterstroom en de erin opgeloste concentrates gegeven zijn, is dus de oplosbaarheid van de kooldioxide in het water bepalend voor de stofoverdracht.

De oplosbaarheid van een gas in water is ten eerste afhankelijk van de temperatuur van het water. In het CCD-systeem is dit de zeewaterternrierthtuur en is dus een vanbuiten

opgelegd gegeven.

Ten tweede is de oplosbaarheid van een gas afhankelijk van de partiele druk van dit gas, ter plaatse van het contactoppervlak. Voor een ideaal gas is deze afhan.kelijkheid line air.

enHm

1: CCDgascyclus op 2 of op 5 bcr

enHm

Cr,H,n

02 At

2: Casstroom gesplItst, cyclus op 5 bar 02 At

3: CCDgoscyclus met compressor, motor 2 bor. absorber 5 bar

enH,..___+MOTOR met

DRS/MA.1U INC

4: Motor met drukvulling, goscyclus op 2 bar

figuur 2.b: Varianten gascyclus CCD-systeem

ABSORBER °C 2 H20 Ac 02 CO 2 H20 Ac 02 CO2 H20 Ac 02

pagina 1 1

De partiele druk van de kooldioxide hangt af van de concentratie kooldioxide in het

circulerende gas, en van de totaaldruk in de absorber. Er lost dus meer kooldioxide op

wanneer de concentratie ervan in het gas toeneemt, en/of wanneer de systeemdruk

toeneemt. Hieruit kunnen twee conclusies worden getrokken:

- Het kooldioxide-evenwicht is zelfregelend. Indien niet age geproduceerde

kooldioxide wordt opgenomen, neemt de concentratie ervan toe. Daarmee neemt ook de absorbtie van kooldioxide toe, totdat zich een evenwicht heeft ingesteld.

- Een hogere kooldioxideconcentratie in het gas, evenals een hogere systeemdruk

Fleet een kleinere waterstroom toe. Dit betekent een kleinere absorber met een kleiner watermanagementsysteem, geringere geluidsproduktie, en lager

energieverbruik door de hulpsystemen.

De tweede conclusie kan men ook omdraaien: om met een kleine absorber een grote opnamecapaciteit van kooldioxide te halen, zal het gas een hoge

kooldioxideconcentratie moeten hebben. De afmetingen van een absorber, welke in een ionderzeeer kan worden toegepast, zijn beperkt. De kooldioxide-concentratie in het CCD-Isysteem ligt daarom veel hoger dan die van buitenlucht.

Het toepassen van een hoge werkdruk voor de absorber is aantrekkelijk. De hogere systeemdruk kan op twee manieren worden bereikt. Ten eerste door het hele CCD-systeem op hoge druk te laten werken, zie de tweede variant in figuur 2.b. Dit heeft consequenties voor de motor waar in de volgende paragraaf op wordt teruggekomen. De tweede mogelijkheid is het opnemen van een compressor in de cyclus, zie de derde variant in figuur 2.b. Deze gebruikt evenwel een aanzienlijk vermogen dat niet kan worden teruggewonnen en ten koste gaat van het netto uitgangsvermogen van de motor. Daar komt bij dat een compressor de complexiteit van het systeem verhoogt.

2.3.2 Invloedsgrootheden op de werking van de motor

In de vorige paragraaf is al uitgelegd dat het circulerende gas in het CCD-systeem relatief veel kooldioxide bevat. Koolstofdioxide is een drieatomig gas en heeft daarom

ten opzichte van lucht een lage verhouding van soortelijke warmter j__

kamertemperatuur ongeveer 1.31 voor kooldioxide tegenover 1.4 voor lucht. Ook de y-waarde van het circulerende mengsel zal daarom lager zijn dan die voor lucht. In onder andere lit.2 wordt aangetoond dat een lage y-waarde een laag motorrendement tot gevolg heeft.

Om de y-waarde van het gas omhoog te brengen tot ongeveer 1.4, wordt argon (Ar) in de gassamenstelling opgenomen. Argon is een een-atomig edelgas; de edelqassen hebben een temperatuur-onafhankelijke y-waarde van 1.67.

Argon neemt niet deel aan de verbranding. Wet lost er in de absorber een gedeelte van de argon op in het zeewater. Daarom moet er continu een kleine hoeveelheid argon geinjecteerd worden in het CCD-systeem.

Oak zagen we in de vorige paragraaf dat een hoge druk gunstig is voor de werking van de absorber. Men zou de installatie bijvoorbeeld op 5 bara (bara = bar absolute druk) kunnen laten werken i.p.v. 2 bara wat een realistische werkdruk is voor een moderne drukgevulde motor.

A Hcomp

Een bestaande motor kan echter niet zomaar 5 bare ingangsdruk verdragen. Door de hoge ingangsdruk zal de eindcompressiedruk zeer hoog zijn, met het risico van een te hoge top verbrandingsdruk. Dit risico wordt weer enigszins beperkt door de veel grotere hoeveelheid werkend gas die bij 5 bara ingangsdruk in de cilinder aanwezig zal zijn (het toevoeren van een gelijke hoeveelheid warmte aan een grotere hoeveelheid gas heeft een geringere druk- en temperatuurtoename tot gevolg). Ook de lage y-waarde van het circulerende gas betekent de gewenste lagere eindcompressiedruk, echter heeft zijn negatieve invloed op het rendement.

Om een hoge topdruk te voorkomen kan de compressieverhouding warden aangepast. Het verlagen van de compressieverhouding in het algemeen heeft een verlaging van het thermisch rendement ten gevolge, zoals beschreven wordt in lit 2. Hiermee gaat een verhoging van het brandstof- en zuurstofverbruik gepaard.

Bovendien is er een ondergrens aan het verlagen van de compressieverhouding omdat anders de ontstekingstemperatuur van de ingespoten brandstof niet meer wordt

gehaald.

Een meer theoretische mogelijkheid om de topdruk te beperken is een uitgespreide

verbranding.

Laatste aspect dat over de motor vermeld dient te worden is het feit dat de

uitlaatreceiverdruk hoger zal zijn dan de iniaatreceiverdruk. Dit moet zo zjin om het

gas vanuit de uitlaatreceiver via leidingsysteem en absorber weer naar de inlaatrece stroomt, waarvoor een drukverschil moet bestaan. Dit drukverschil heeft evenwel het gevolg, dat de motor negatief gespoeld zal worden.

Toepassing van een compressor in de cyclus, of een drukvulgroep, zie de vierde variant in figuur 2.b, zou de negatieve spoeling kunnen opheffen. Expansie van gas op hoog temperatuurniveau !evert meer arbeid op dan compressie van dezelfde hoeveelheid gas op laag temperatuurniveau. Dus kan drukvulling in principe arbeid opleveren (zie figuur 2.c) en bijdragen aan een positieve spoeldruk over de motor. Vanwege de complexiteit is de toepassing van een drukvulgroep voorlopig echter onwaarschijnlijk.

2.4 Ontwikkelingen aan het CCD-systeem irj_de_nabije-toekomst

De proefstand_mdeCCDTnstatlatie bij de RDM is opgezet volgens configuratie 1 van

figuur 2.bEijtests is aangetoond dat de installatie een generatorvermogen van 150

kW kan leveren. Om de installatie in de praktijk te kunnen toepassen is het nodig een vermogen van 400 kW te kunnen leveren.

Er is besloten de ontwikkelingen voort te zetten in de richting van de hoge druk motor volgens configuratie 2 in figuur 2.b.

Ten opzichte van de andere configuraties heeft deze variant het nadeel van een lager

motorrendement.

Daar tegenover staan de voordelen dat ten eerste geen vermogen benodigd is voor aandrijving van een compressor, wat het rendement weer positief beinvloedt. Ten tweede dat daze installatie het minst complex is van de getoonde varianten wat positief is voor de betrouwbaarheid, geluidsproduktie en kosten. Derde voordeel is de hoge absorbtie-effectiviteit. De bijgevolg beperkte waterstroom komt ten goede aan de geluidsproduktie en het benodigd vermogen voor hulpwerktuigen. Bovendien betekent dit dat de installatie zeer compact is en daarom beperkte inbouwruimte vraagt.

pagina 1 2

VIOtc.,./1

3 Doe van de modelvorming, keuze van de systeemgrens, verdeling in subsystemen In het vorige hoofdstuk is de opbouw van het CCD-systeem besproken, zijn de criteria genoemd waarnaar gekeken wordt bij de beoordeling van de werking van het systeem, en zijn de grootheden aangeduid welke op de werking van invloed zijn. Met die kennis kunnen we in dit hoof dstuk de modeldoelen opstellen, we kunnen een systeemgrens aanbrengen met inputs en outputs, en subsystemen definieren. In hoofdstuk 4, 5 en 6 zullen dan de behoudswetten en mathematische relaties warden afgeleid.

3.1 Doelen van de modelvorming

Het doel van het model is tweeledig.

Ten eerste willen we beschrijven hoe motorprestaties zoals vermo en, zuurstofverbruik en rendement, afhangen van het kooldioxide-evenwicht dat zich zal instellen in het

systeem.

Ten tweede willen we onderzoeken met welke parameters het kooldioxide-evenwicht beinvloed kan worden, met het oog op verbetering van de genoemde motorprestaties. Om deze doelen te bereiken is een dynamisch model opgesteld, wat zich near de stationaire toestand van het systeem toerekent.

De volgende twee opmerkingen kunnen gemaakt warden met betrekking tot de

modelvorming.

Ten eerste: voor het bepalen van het motorkoppel en de toestandsgrootheden in het CCD-systeem hoeft niet het gehele cilinderdrukverloop te worden doorgerekend. Er kan volstaan warden met een thermodynamisch benaderingscyclus, wat de rekentijd ten goede komt.

Ten tweede: het model moet de mogelijkheid hebben, te zijner tijd met een compressor of drukvulgroep te kunnen warden uitgebreid, waarmee dan de varianten 3 en 4 uit figuur 2.b kunnen warden gesimuleerd.

Het model wordt gematcht aan de bestaande CCD-installatie.

3.2 Keuze van de systeemgrens, bepalen van in- en outputs

De systeemgrens is zo gekozen dat die componenten zich binnen de systeemgrens bevinden waardoorheen zich de gasstroom beweegt. Oak bevindt zich binnen de systeemgrens de zuurstof- en argonregelkring. Binnen de systeemgrens vallen dus de cilinders en receivers van de motor, het pijpleidingsysteem, de spraykoeling, de absorber, en de zuurstof- en argontoevoer met regeling.

Inputs zijn signalen welke causaal het systeemgedrag beinvloeden (lit.6). Met de gedefinieerde systeemgrens vinden we als inputs:

- het motortoerental, de motor draait op het ingestelde toerental

- de toegevoerde brandstofstroom

- grootte en temperatuur van de watertoevoer naar de absorber, concentraties van

de erin opgeloste gassen

- grootte en temperatuur van de waterstroom near de spraykoeling

g5 water conc in Tin 02,inst gammo,inst of ,0m,Ar gamma, pt 1 conc in Tin A p rho gasconc in woterconc in water Twater Tinl concinl Pinl 16 m,fo conc uitl Puitl T uitl

SPRAY-K DEL INC

02 en Ar

TOEVOER ABSORBER

figuur 3.a: Inputs en outputs van de subsystemen

conc uit rho conc uit rho m,in 0 m,uit gasconc uit Tgas,uit Na 0m,in koppel MOTOR Tuit gamma,pt 1 conc uit 0m,uit m,in P

,e5m,uit-

T VAT conc in Tin rho Pin rho

LEIDING-

m Puit WEERSTANC conc

- het in estelde zuurstof percentage van het gas voor de motor

de instelling van de y-waarde van het ingesloten gas in de cilinder, Of hiervoor in de

pleats, de hoeveelheid argon welke wordt toegevoerd

- omgevingstemperatuur

Outputs zijn grootheden die de modelvormer van belang acht en welke als

informatiestroom de systeemgrens passeren. Als outputs van het CCD-model worden

gekozen:

geleverd generatorvermogen, zonder aftrek van het benodigde vermogen voor de

hulpsystemen

- de samenstelling en grootte van de circulerende gasstroom

- drukken en temperaturen in het systeem

- de hoeveelheid toe te voeren zuurstof per tiidseenheid

- de hoeveelheid toe te voeren argon per tijdseenheid of de resulterende gammawaarde van het gas ingesloten in de cilinder

de werkdruk van de absorber

3.3 Opdeling in subsystemen

Het CCD-model is opgebouwd uit modellen van subsystemen. Subsystemen zijn gekozen op basis van de te vervullen functie in de werking van het CCD-systeem.

3.3.1 Belangrijkste subsystemen, inputs en outputs

Als hoofdcomponenten zijn gekozen het cilindermodel van de motor, de spraykoelino, de absorber, en de zuurstof- en argontoevoer. Deze componenten worden gekoppeld met behulp van vaten en leidingweerstanden, waartoe ook de in- en uitlaatreceiver van de motor behoren.

Hieronder worden van de subsystemen per type afzonderlijk signalen besproken welke de systeemgrens ervan passeren. Terwille van de overzichtelijkheid worden de

thermodynamische eigenschappen van het gas in dit overzicht niet genoemd, hoewel zij in het model frequent als signaal voorkomen. De blokken zijn weergegeven in figuur

3.a.

Vaten

In de vaten wordt de som van de massastromen per component gentegreerd: dit levert de massaopslag in het vat op, alsmede de concentraties. De temperatuur in het vat wordt berekend door de enthalpie van de binnenstromende gassen te intepreren. Met de gaswet wordt de druk in het vat bepaald. Ook de dichtheid wordt berekend omdat dit een invoersionaal is voor de Ieidingweerstand Fen vat heeft dus de volgende in- en outputs:

inputs: in en uitgaande massastromen

- concentraties in de ingaande massastroom

- temperatuur binnenkomende massastroom

Outputs: - druk in het vat

temperatuur van de uitgaande massastroom

dichtheid Leidingen

Net drukverschil tussen de vaten, over de restricties, bepaalt de massastromen uit de

vaten. In deze berekening is ook de dichtheid van het gas een benodigd gegeven. Bij de

restricties passeren dus de volgende signalen de systeemgrens:

Inputs: - drukken voor en na de leidingwezrstand - dichtheid

Output: - massastroom door de restrictie

Spraykoeling

De spraykoeling wordt gedacht pleats to hebben in een vat, welk het volume representeert van het leidingsysteem tussen spraykoeling en absorber. De in- en outputs zijn dan ook dezelfde als die voor een vat, met dien verstande dat de hoeveelheid geinjecteerd water een ingaande massastroom is.

Inputs: - zie subsysteem 'vaten'

Outputs: - zie subsysteem 'vaten'

Zuurstof- en Argontoediening

Ook dit subsysteem is gemodelleerd als een vat. De toegevoerde hoeveelheden zuurstof is echter geen input, maar output. Het zuurstof percentage in het uitstromende gas is een geregelde grootheid welke metde toegevoerde zuurifofstroom gerecield wordt. Voor de argon zijn er twee mogelijkheden: de argontoevoer kan afhankelijk gemaakt worden van de gammawaarde van het gasmengsel in de cilinder. De ingestelde gammawaarde is dan input, de toegevoerde argonhoeveelheid output. De tweede

mogelijkheid is een bepaalde hoeveelheid argon toe te voeren, welke een gammawaarde in de motor als resultaat zal hebben. We zien dus als inputs en outputs:

Inputs: zie subsysteem 'vaten'

ingesteld zuurstof percentage

ingestelde gammawaarde Of ingestelde stroom toegevoerde argon gammawaarde van het gas in de cilinder

Outputs: - zie subsysteem 'vaten'

toegevoerde zuurstofstroom toegevoerde argonstroom

Absorber

De stofoverdracht heeft pleats in de mesh welke in het leidingsysteem fungeert als restrictie. Hierom en vanwege het felt dat het niet realistisch is in de absorber een eenduidige bepaalde toestand te veronderstellen, is de absorber gemodelleerd als restrictie. Net volume van de absorber is verdeeld over de vaten 2 en 3.

Derhalve bepalen het drukverschil over de absorber en de dichtheid de ingaande massastroom. De stofoverdracht is naast de watertemperatuur afhankelijk van het

pagina 1 5

-to in CD 3 co

0 0

3

INLAAT

RECEIVER

tont. w Tow Pint

MOTOR

mot, nit

cant, met, T. mot, tot

UIRAAT

RECEIVER

Am, mot. in

gamma. Pt -I

koPPe

T. mot. oil Ttoll contual

unl !DING-WEERSTANO 4 LEIDING-WEERSTANT.

edt4tal kr/4*mA cone, vota

rnt

isd ("at Awl kat

taiOT /54:1 mit 02 en As TOEVOER VAT4 Praia

1.14

SPRAY- KOELING VAT 1

Ten

gernmoonat 0z int

IF

rnnvatt Trott tooC.voll Mb,ratt Prot2 LEIDING ' WEER STAND 1 LEONG- EERSTAND 2 conc.vot2

ABSORBER_ cancavt2 rho vat2

Tva/3/ canc.! T 02 T 3 LEIDING- _WEERSTANC In°, "t3 3 VAT 3 I Peat3 VAT 2 nil m. to Pusil Am. rho.

E

I vot.3 t2 tm.

concentratieverloop over de mesh; derhalve van de concentraties in het

binnenstromende gas en de grootte van de waterstroom, en de temperatuur van de waterstroom. We zien dus de volgende in- en uitgangssignalen:

Inputs: - drukval over de absorber dichtheid binnenstromende gas

- concentraties binnenstromende gas

- waterstroom

watertemperatuur

concentraties van de gascomponenten in het water

Outputs: - massastroom uitstromende gas

samenstelling uitstromende gas temperatuur uitstromende gas massastroom instromend gas

overgedragen gasstromen

Motor

De motor wordt gedacht te draaien op het ingestelde toerental, wat dus een input is. Ook de toegevoerde hoeveelheid brandstof is ingangssignaal. Het geleverde koppel is een output.

Zoals de absorber is ook de motor if een weerstand in de gasstroom en

uitgangssignalen zijn derhalve massastromen in en uit._Deze hangen naast het toerental af van de receiverdrukken welke ingangssignalen zijn.

In de motor vindt een chemische reactie pleats met warmteontwikkeling: de

temperatuur en samenstelling van de instromende gassen (dus oak wanneer deze vanuit de uitlaatreceiver terug de cilinder instromen) zijn inputs, de temperatuur en

samenstelling van de uitstromende gassen zijn outputs.

Ten stone is nog een output de y-waarde welke de regeling van de argon aanstuurt. We vinden dus:

Inputs: - ingesteld toerental

- brandstofstroom

- samenstelling gassen in de in- en uitlaatreceiver

- temperatuur gassen in- en uitlaatreceiver

drukken in- en uitlaatreceiver

Outputs: - motorkoppel

- massastroom ingelaten gas - massastroom uitgelaten gas

temperatuur uitgelaten gas samenstelling uitgelaten gas

3.3.2 Blokschema van het model

De genoemde subsystemen warden gekoppeld met behulp van een vaten- en leidingensysteem, dat zodanig is opgebouwd dat in het model slechts integrale causaliteit bestaat. Het resultaat is weergegeven in figuur 3.b.

pagina 1 6 (.1

-IF

Pmax

Vc Vc+Vs

figueir 4.ar, Gemodificeerde Seiligercyclus

Pinl 1

4 Mathematische beschrijving van de motor

Voor de motor wordt een model gebruikt dat gebaseerd is op het

Seiliger-benaderingsproces. Als voorbeeld heeft gediend het model van Ter Riet, beschreven in Door Ter Riet wordt een Seiligerproces met enige modificaties gebruikt. Ten eerste is polytropische compressie en expansie aangenomen, in pleats van isentropische

compressie en expansie. Een tweede aanpassing is de spoelcyclus welke aan__de

Seiligercyclus is toegevoegd en welke meedoet in de ontwikkeIing van het motorkoppel. Het aldus verkregen benaderingsproces is weergegeven in figuur 4.a.

Het motormodel in lit.4 is bedoeld voor een beschrijving van het dynamische gedrag

van een dieselmotor. Aangezien we voor het CCD-systeem geinteresseerd zijnin de

stationaire toestand welke zich instelt, kunnen we enige wijzigingen aangebracht warden. In het CCD-model wordt bijvoorbeeld geen regulateur opgenomen.

Aanpassingen welke ten behoeve van het CCD-moderilln aangebracht zijn de volgende: ten,eerste zijn de gaseigenschappen afhankelijk gemaakt van samenstelling en

temperatuur. Bovendien is het spoelmodel aangepast om te kunnen bepalen hoeveel :passe met welke samenstelling en temperatuur er is door- of teruggestroomd hat systeem in, alsmede om te weten wat de eigenschappen zijn van de gassen in de cilinder. Tenslotte wordt in het CCD-model de arbeid berekend d.m.v. integratie van het oppervlak onder de proceslijnen, terwijI dit in lit.4 met behulp van de energiebalans over de motor gebeurt.

In dit hoofdstuk wordt eerst de arbeidsontwikkeling besproken en vervolgens de gaswisseling. Beschrijving van de receivers is een variant op die van een vat, en is te vinden onder paragrafen 5.4 en 5.3 in het volgende hoofdstuk.

4.1 Modelvorming van het arbeidsproces in de motor

4.1.1 Aannames gedaan bij het rekenen aan het thermodynamisch kringproces

Het gas gedraagt zich volgens de ideale gaswet.

Toestandsveranderingen verlopen quasi-statisch en zijn reversibel.

Compressie en expansie verlopen polytroop. Met de polytrope exponenten worden de drukken gematcht.

Verminderde warmteafgifte door onvolledige verbranding wordt in rekening gebracht met het verbrandingsrendement. Voor de massabalans over de motor wordt evenwel aangenomen dat alle brandstof volledig wordt omgezet in kooldioxide en water.

Bij de verbranding ontstaat slechts kooldioxide en water, er ontstaat geen $Oz, CO, NON, etc.

De warmteverliezen over de wanden tijdens de isobare verbranding worden verrekend met behulp van een heatcoefficient.

Het thermodynamisch rendement is constant gehouden. Voor de grotere warmteafgifte bij de isobare verbranding wordt een heatcoefficient gebruikt.

Het mechanisch rendement is constant genomen aangezien het slechts in beperkte mate afhankelijk is van de motorbelasting, en aangezien het toerental ingesteld is.

pagina 1 7

OD DO 2 1.9 1.0 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 /.2 a. 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2D _ 10 on.

RDM TECHNOLOGY

DESIGN Ac DEVELOPMENT'

WC PT, raph at 110 kW eland eye].

=3.8

.P1Tgraph at 11,0 kW close& cycle

figuur 4.h: Ofigenomen iindicateurdiagram Closed CyclePieselmotor

0.0001 0:0003 0.0005 2.2207 0.0009 0.0011i 0.0013 0.0015 0.0017 0.0019 VOLIMCD [1613] 4-0 0.6

4

3

LOG(V)

11,

pagina 18

Beschrilving van bet Seiligerproces,berekening van het.motorkoppel

Het koppeN aan de as bestaat uit een koppel ten igevolge van de verbranciiggslus, en een koppel uit de spoellus. In het model van Ter Riet is oak een wrilvingsmomerbruikt.

Dit is in dit model niet gectaari omdat er voor de op de RDMbWl irtte-cnotor-geen

gegevens over beschikbaar zijn, De wrijving wordt verrekend in het mechanisch

rendement..

Het per cilinder geleverde koppel ,aan 'de as wordt gegeven door:

°tong = 1m (Qspoel °verb)

()serer littidWverbe

4.1T

Oath, = koppel verbrandingslus iNNm11

= arbeid verbrandingslus (J)i

otha = thermodynamisch rendement N,

De mate waarin lhet oppervlak in het indicateurdiagrarn overeenkomt met het oppervlak in, bet Seiligerdiagram wordt beschreven door het thermodynamisch rendement Met het thermodynamisch rendement wordt het motorkoppell gematcht,

met = motorkopper aan de as (Nm)

= koppell spoelcyclus (Nm)

laverbr = koppel verbrandingscyclus ,(Nm)

mechanisch rendement (7) C CA-4.

Het mechanisch rendement no, beschrijft in hoeverre de arbeid uit hetopgenomen I

indicateurdiagram overeenkomt met de aan de as geleverde arbeid. Een opgenomen indicateurdiagram is weergegeven, ir2fiki ur 4.b. Met behulp, van de figuur is voor /Os

ten waarde gevonden van 0,785.

KoppeN uit de verbrandingscyclus

De arbeid uit de verbrandingscyclus \Acerb, wordt berekend uit het ingesloten oppervlak in het Seiligerproces. Het Seiligerproces wordt rondgerekend in bijlage F. (De berekening

van de arbeid uit de verbrandingscyclus Wverbr is gegeven bijlage II.

Uitgangspunten bij het rondrekenen van het proces zijn de gegeven begindruk, de toegevoerde hoeveelheid warmte per procescyclus, de maximaal optredende druk tijdens het proces, de motorgeometrie, en de waarden van de exponenten voor

polytropische compressie ne en expansie n. Deze exponenten leggen de drukken in het systeem vast en zijn in het gemeten logp-logv te vinden als richtingscoefficienten van ',de compresSie- en expansielijn. Met behulp van het logp-logv diagram van figuur 4.b is.

voor ric de waarde van 1,35 gevonden, en voor n Het verbrandingskoppel wordt gegeven door:

4.1.2 (1) spoel = in 1,30. Wverbr (2)

hid

iii : w liw Ti 1 i

litilii"

1

111110111H 11E"

i 1 1 1 i 1 i

i.;

1 1 I 1

'I

ii1111111111

1111

11

1111 illiguip

il [Ili 1 1

1

It 1

IIIIIIII

1 1

Mill

t .11

le

ill 1

1 I

I

um 1111 Islip 11 i

ii

IN

Iiim

pi !rill

1

r

1

1 11

II

11111

'Air

,

ir

.

11/11/11 1

i

Ili i

!illm

ti

wilvalp Hi

1

1r ic

1 0 i 1

01 11

il 1

111 1

IN NI min 1

Id 1 ilo ill 1 1 1

ill

1:

1

-1

1.If.

T i I i

9

ri t., :ti Ii _;11 III; _ill 11: 1! 1 11

1 11/11/1111

1 1111

1111

11 11/11/11

11111 I I

4

0 -o a) a) > :1

De toevoer van warmte aan het werkend gas geschiedt op de trajecten 2-3 en 3-4 in het Seiliger-diagram. De verdeling van de warmtetoevoer over doze trajecten gebeurt in afhankelijkheid van de optredende druk in de cilinder: wanneer weinig brandstof wordt ingespoten, zal alle brandstof isochoor kunnen verbranden, omdat er voldoende tijd is voila verdamping van de brandstof voordat de ontbranding plaatsheeft. Wanneer veal brandstof ingespoten wordt, zal door de langere inspuitduur ook een gedeelte van de Ibrandstof

isobaar verbranden. Derhalve wordt aangenomen dat de brandstof isochoor

verbrandt, zolang de waarde van niet overschreden wordt. Wanneer bij het

bereiken van pma nog niet alle brandstof verbrand is zal het restant isobaar verbranden. De toevoerde warmte kan met de volgende formule worden weergegeven:

Citoe,tot = ncomb . rilt023 + heatc mic,34). Ho (3)

met qtaa.,a, = toegevoerde warmte per cilinder per arbeidsslag (J)

inf023 = brandstofhoeveelheid per cyclus welke isochoor verbrandt (kg)

Mfo34 = brandstofhoeveelheid per cyclus welke isobaar verbrandt (kg) Ho = onderste verbrandingswaarde brandstof (J/kg)

/ha, = verbrandingsrendement (-) heatc = heatcoefficient (-)

In deze formule is ncomb het verbrandingsrendement, dat weergeeft in hoeverre de

brandstof volledig verbrandt. De waarde ervan wordt bepaald door te stellen, dat het in de CCD-installatie gemeten zuurstofverbruik maatgevend is voor de hoeveelheid

brandstof welke werkelijk verbrandt. In figuur 4.c is te zien dat het gemeten

brandstofverbruik te hoog is ten opzichte van het verbruik dat men op basis van de zuurstofconsumptie zou mogen verwachten. Deze afwijking heeft een waarde van ongeveer 1 g/s, met uitschieters naar 0,5 en 1,5 g/s. Voor het verbrandingsrendement wordt daarom geschreven:

bomb

41rn fo d -3

(4)

4,m,to

met opmja = brandstofverbruik (kg/s)

We zien in formule (3) de heatcoefficient, welke door Ter Riet (lit.4) in het motormodel wordt gebruikt. De heatcoefficient geeft aan, hoeveel energie naar de omgeving

verdwijnt in de vorm van warmteverliezen. Hij wordt alleen toegepast op het isobare traject 4-5 in het Seiliger-diagram, vanwege de dan optredende zeer hose temizeraturen,

en omdat isochore warmteafgifte theoretischgeen tijd kost.

Ter Riet gebruikt de heatcoefficient in pleats van het thermodynamisch rendement. Dit betekent echter dat warmteverliezen naar de omgeving niet zouden optreden wanneer alle brandstof isochoor verbrandt; dus wanneer in het model p,n. niet bereikt wordt.

Derhalve wordt in het CCD-model naast de heatcoefficient ook het thermodynamisch

,rendement gebruikt om het koppel te matchen.

Ter Riet heeft een relatie gevonden, die goed van toepassing is voor de SWD TM 410, en waarin de heatcoefficient afhankelijk is van het toerental:

pagina 19

-pagina 20

Ihea1c,= (5)i

n = motortoerental (1/s) referentietoerental (1 /MI

iheatc,, = heatcoefficient bij het ref erentietoerental (-)

exp = exponent welke de afhankelijkheid van het toerental vastlegt

De heatc., en exp worden gebruikt Ms matchparameters. In het CCD2model wordt ite dieselmotor gebruikt voor generatoraandrijving en draait op een vast toerental. De keuze van de waarde voor de exponent heeft vooral invloed op de dynamica van de motor, en

is derhalve minder belangrijk dan de keuze van heatcnon,

Koppel tilt de spoelcyclus

Het lage druk 'koppel Qç,0. is te vinden in bet zwakveergedeelte van het proces-diagram 1

van figuur 4.a, en wordt geleverd door de spoeldruk te vermenigvuldigen met het door

de zuiger verplaatste volume v.. Het zal positief zijn bij toepassing van een drukvulgroep

of van een aparte compressor in de CCD-gascyclus, anders representeert het echter de pomparbeid van de motor ,en is dan negatief:

Qspoel = :zw IPSS Pula') 46E

met inlaatreceiverdruk (N/m2)

= uitlaatreceiverdruk (N/m3); on,/ = zwakveerrendement (-) v. = slagvolume (m3)

1Het

zwakveerrendement fhb, geeft aan in hoeverre de arbeid in een bij metingen

opgenomen zwakveerdiagram afwijkt van de arbeid in het benaderdezwakveerdiagram.

Van de motor in het CCD-systeem is geen zwakveerdiagrath opgenomen; voor qz is

daarom een waarde gekozen, te weten '0,65.,

F4.2 Ererekening van de lhoeveelheid gas in de cilinder, spoelmodell

Voor de bereking van de motorprestaties is het nodig de massa, de mengseltemperattair bij aanvang compressie, en de samenstelling van het werkend gas in de cilinder te kennen. Daarnaast moeten we voor de massa- en componentbalans van het systeern

ook weten hoeveell gas en met welke samenstelling uit het systeem de motor binnenstroomt, of uit de motor het systeem ingaat..

heatcwm.(

nnon, =

(-)

in

-/

4.2.1 Aannames gaswisselingsmodel

Het gaswisselingsmodel is geldig onder de volgende aannames:

Het cilindervolume tijdens de klepoverlap wordt constant verondersteld en wel ter grootte van het compressievolume.

In de cilinder heerst de inlaatreceiverdruk, zowel bij positieve als bij negatieve spoeling. Dit is gedaan, omdat na het sluiten van de uitlaatklep de cilinder in open verbinding staat met de inlaatreceiver. Derhalve zal de inlaatdruk bepalend zijn voor de hoeveelheid ingenomen gas, ook bij negatieve spoeling.

Stromingsweerstand is bij positieve en negatieve spoeling even groot.

Tijdens de gaswisseling treedt geen menging op tussen de met elkaar in contact tredende in- en uitlaatgassen. De gasvolumes in de verschillende toestanden zullen elkaar doorschuiven: er wordt zuivere propstroming verondersteld.

De inlaatklep sluit wanneer de zuiger zich in het onderste dode punt bevindt. Bij negatieve spoeling naar de inlaatreceiver doorgestroomde uitlaatgassen zullen daar niet vermengen met de inlaatgassen. Deze teruggestroomde uitlaatgassen zullen na sluiting van de uitlaatklep weer aangezogen worden met temperatuur en samenstelling uit de uitlaatreceiver.

De laatste aanname verdient toelichting. Zowel de in- ale' uitlaatreceiver vormen de overgang van propstroming naar volledige menging. In principe moet dus elke (prop-) massastroom opgenonnen worden in de massa- en energiebalans van de receiver. In het geval van de uitlaatreceiver gebeurt dit ook: bij negatieve spoeling teruggestroomd uitlaatgas heeft altijd de mengtemperatuur van de uitlaatreceiver.

De laatste aanname echter impliceert dat dit in de inlaatreceiver niet qebeurt. Hiervoor de pleats wordt de hoeveelheid (bij negatieve spoeling) doorgestroomde uitlaatgassen in mindering gebracht op de aangezogen hoeveelheid inlaatgas. Daarmee wordt

voorkomen dat de uitlaatgassen de inlaatgassen kunnen opwarmen, lets wat in de praktijk ook niet gebeurt omdat het werkelijke cilindervolume tijdens de spoeling toeneemt.

4.2.2 Gasmassa in de cilinder

De berekening van het gaswisselingsproces is gebaseerd op het felt dat van alle afzonderlijk te beschouwen gasmassa's het volume wordt berekend m.b.v. de gaswet, en dat vervolgens bepaald wordt waar deze volumes terecht komen door middel van vergelijking met het cilindervolume. Een gasmassa wordt als apart volume gedefinieerd naar gelang ten eerste het proces dat de massa doorloopt (b.v. gespoeld gas of

aangezogen gas), ten tweede de samenstelling (b.v. inlaat- of uitlaatgas), of ten derde de temperatuur (b.v. restant uitlaatgas in de cilinder of uitlaatgas uit de uitlaatreceiver). Om zowel de gasmassa in de cilinder als de massastroom near de uitlaatreceiver

eenduidig te beschrijven is het noodzakelijk due verschillende situaties te

onderscheiden: 1) positieve volledige spoeling, 2) positieve onvolledige spoeling en 3)

negatieve spoeling. De uFEWthicing van het gaswiSselingsmodel is te vinden in bijlage III.

Het principe van de berekening wordt hier uitgelegd.

Gedurende de uitlaatslag zal de zuiger de verbrandingsgassen in het slagvolume de uitlaatreceiver indrijven. Aangezien zij daar worden geintegreerd, worden zij in de navolgende beschouwing niet als afzonderlijke eenheid meer genoemd.

pagina 21

1 / 0 V vereff V7 spoe v vereff 0 spoel v vereff V7 0 7 0 0 aanz _punt 7 punt 7 punt 8 spoel punt 1

SPOELING POSITIEF ONVOLLEDIG

punt 7

punt 8

SPOELING NEGATIEF

figuur 4.d: Definitie doorschuivende volumes gaswisselingsproces

0 punt 8 0

1/v°1

tjfil

ri)/

7 spoel 7 spoel V vereff v spoel V7 V7 _spoel spoel V7 0 H

Bij de berekening van de verdeling van de volumes spelen wel de volgende volumes spelen een rol (zie figuur 4.d):

dit is het aangezogen volume bij de neergaande beweging van de zuiger. Bij positieve spoeling zal v(wiz gelijk aan v, zijn. Bij negatieve spoeling is v., kleiner dan vi aangezien het teruggespoelde uitlaatgas een deel van v, inneemt.

v7: het volume van de uitlaatgassen welke zich bij het begin van de spoeling nog

in de compressieruimte van de motor bevinden (de 7 sleet op punt 7 in het Seiliger-diagram). Bij positieve spoeling is dit volume kleiner dan het

compressievolume vc, omdat m7 zich op uitlaatdruk beyond, maar bij het

openen van de inlaatklep op inlaatdruk wordt gebracht. Bij negatieve spoeling

zal na het openen van de inlaatklep m7 expanderen tot inlaatreceiverdruk; dan

is v7 groter dan vc.

v,,,,eff: dit volume representeert bij positieve drukval over de motor de hoeveelheid

verse lucht welke de cilinder ingestroomd is om dear de druk op inlaatdruk te brengen, het vereffeningsvolume. Bij negatieve spooling bestaat dit volume niet: een logisch gevolg van de aanname dat in de cilinder de inlaatreceiverdruk heerst en van het felt dat de uitlaatklep sluit terwijI de inlaatklep geopend is. Vspoel: het volume gespoelde lucht gedurende de klepoverlap. De spoelmassa wordt

op de hiernavolgende manier bepaald.

De hoeveelheid spoellucht wordt berekend uit de spoelluchtstroom. Hiervoor gebruiken we de formule voor een stroming door een restrictie (lit 11), welke er bij positieve spooling' zo uitziet:

4)m,spoel = A. . .TOE )

v/ HIS TIN!

met n = drukverhouding over de motor =(Pinl)

Putt met

IF -

2yin! ;162 -YYinhill-1 _ yr Y IN 1 2 -1 Yinl. ) Yinl +1 4 YIN YIN + I y -1 als 1 s

s(

) "" 2 Tie." ?Int + 1 als ( yinci 2

met ØmSpoe = massastroom spoellucht (kg/s)

= inlaatreceiverdruk (N1m2) = inlaatreceivertemperatuur (K) = gasconstante inlaatreceiver (J/kgK)

-= de verhouding van soortelijke warmten van het gas in de iniaatreceiver

A eff effectief doorstromingsoppervlak (m2)

pagina 22

(7)

.0042 .004 .0038 .0036 .0034 CD _-Y .0032 .003 .0028 .0026 1.4 1.416 1.414 1.412 1.41 Q. 1 1.408 1.406 1.404 1.402 1.4 -4-- gamrna_pt 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 p_inlaatreceiver bara 370 360 cr) 350 0 340 330 122 120 118 116 cy) col 114 a. 112 110 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 p_inlaatreceiver bara 15:25:25 17-AUG-92 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 p_inlaatreceiver bara

lijn welke de invloed van de druk in de inlrec aangeeft zonder effecten van negatieve spoeling

2 dp

1,414,_0;

fil-c-r?tr

15:25:25 17-AUG-92 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 p_inl ....

1

De waarde van Asti representeert het doorstromingsoppervlak van de kleppen, met daarin opgenomen een extra weerstandscoefficient am de verstoringen in de stroming

te verrekenen.

Wanneer de uitlaatreceiverdruk grater is dan de inlaatreceiverdruk (wat het gevalSun

het CCD-systeem), moet de drukverhouding worden omgedraaid, en moeten de druk, temperatuur etc. van de uitlaatreceiver gebruikt worden.

De spoelmassa wordt gevonden door de spoelluchtstroom uit formule (7) te

vermenigvuldigen met de tijdsduur van de klepoverlap. Het volume volgt dan uit de gaswet.

In bijlage III wordt aangegeven, hoe voor de drie genoemde situaties de berekening verloopt van de grootte en de verdeling van de gedefinieerde volumes.

4.2.3 Consequenties van het gekozen spoelmodel

De spoelluchtstroom is een wortelfunctie van de drukverhouding over de motor. De gassen in de in- en uitlaatreceiver zullen (vanwege temperatuur en samenstelling) een

verschil in dichtheid hebben. Derhalve heeft ook m, als functie van de druk_verbo_uding.

het-verloop van een wortelfunctie, gesuperponeerd op de aangezogen massa (welke afhankeliik is van de absolute druk). In figuur 4.e is de luchtmassa in de cilinder

weergegeven als functie van de inlaatreceiverdruk voor een met buitenlucht werkende motor, bij een constante uitlaatreceiverdruk van 1,7 bara.

Random het punt van spoeling = 0 (dus als D uttl) is de richtingscoefficient van de

spoelluchtstroomfunctie zeer hoog. Dit betekent dat wanneer de motor overgaat van positieve naar negatieve spoeling, er in een klein gebied een relatief grote verandering in de massa, temperatuur en samenstelling van de ingesloten lucht zal zijn.

In deze figuur is ook de invloed van de spoeling op het vermogen te zien. De invloed is beperkt: de arbeid hangt bovenal at van de bendruk aangezien voor n,. en ne een constante waarde is vastgesteld. De gasmassa en de samenstelling beinvloeden het arbeidsproces nog slechts via bet isochore en het (bij deze simulatie niet optredende) isobare deel van het Seiligerdiagram.

N.B: In paragraaf 7.3.1 van dit rapport zal blijken dat het argonpercentage het

vermogen sterk beinvloedt. Wellicht zal met de heersende gassamenstelling in St CCD-systeem het vermogen een sterkere afname laten zien bij overgang van positieve naar negatieve spoeling.

_

Of'

pagina 23

5 Mathematische beschrijving van het leidingen en vatensysteem: receivers, spraykoeling en injectie van zuurstof en argon

Net leiding- en vatenstelsel koppelt de subsystemen. In de vaten warden de massa- en

energiestromen geintegreerd am massa, concentraties, en temperatuur te kennen.

1

,De in- en uitlaatreceiver volgen de vergelijkingen voor een vat. Oak het submodel voor

'de zuurstof- en argontoevoer is gemodelleerd in de vorm van een vat, waar zuurstof en argon deel uit maken van de ingaande massastromen.

5.1 Aannames bij de modelvorming van het leiding- en vatensysteem

De volgende aannames zijn gedaan bij de mathematische beschrijving van bet vaten- en

leidingenstelsel:

111 de vaten van het systeem treedt volledige menging op, de druk en temperatuur zijn eenduidio bepaald.

Het gas voldoet aan de ideate gaswet. Derhalve is de wet van Dalton geldig

(totaaldruk is som van partiele drukken), en kunnen de thermodynamische eigenschappen van het mengsel warden berekend uit de eigenschappen van de

gascomponenten.

Er vinden g_een warmteverliezen pleats over de wanden van de leidingen.

- Stoming in de leidingen is volledig ontwikkeld, stationair, en incompressibel. Dan

mag de frictief actor uit het diagram van Moody gebruikt warden.

- Water dat zich in vloeibare vorm in het systeem bevindt door b.v. condensatie (bij

samenvloeien gasstroom uit de bypass en gasstroom uit de absorber) of

onvolledige verdamping (bij spraykoeling), is geen deel meer van de massastroom in het gassysteem. Net zal echter wet de ter plaatse heersende temperatuur hebben aangenomen, en dientengevolge warmte hebben opgenomen of afgestaan. Deze aanname komt overeen met de werkelijke situatie in het systeem, waar vloeibaar

water zo veel mogelijk wordt afgevangen, in de absorber en in een separatievat.

De optredende gassnelheden zijn lager dan de ter plaatse heersende geluidssnelheid: er treedt geen blokkering op van de gasstroom.

5.2 Stroming door een leidingweerstand

Ten gevoIge van het drukverschil over een leiding ontstaat er een massastroom door de

leiding. De grootte van de massastroom is afhankeliik van de w_rijving_sweerstand lanes

de wand, en de weerstand veroorzaakt door appendages.

Ten eerste de drukval ten gevolge van wrijving. De relatie tussen stroomsnelheid en de 'voor hoogteverschillen gecorrigeerde druk' luidt als volgt (lit.17):

Ap = p V2 f ( R e,

2 D

= drukval over de leiding (N/m2)

f = frictiefactor (-)

LID = lengte-diameter verhouding van de pijp (-) p = dichtheid (kg/m3)

v = gassnelheid (m/s)

De f de frictiefactor volgt uit het diagram van Moody. De factor is afhankelijk van de

relatieve ruwheid k/D en van het getal van Reynolds Re, derhalve van de massastroom, de diameter, en de viscositeit.

Voor appendages, bochtstukken, uitstroomopeningen etc. geldt de volgende relatie tussen drukverschil en stroomsnelheid (stationair, incompressibel):

Ap =

.pv2

2

1 (9)

met = weerstandsfactor (-)

In het CCD-model worden de waarden voor gebruikt om de drukken in het systeem te

A matchen.

5.3 Energiebalans moor een vat: temperatuur

De temperatuur in een vat volgt uit de integratie van de energiestromen naar bet vat. De differentiaalvergelijking voor de temperatuur wordt afgeleid in bijlage V en ziet er als

volgt uit:

dTvat 1 d Mvat ()vat

(it nivat Cv,vat d t " mvat

(Pm fry Cp in 61n (trn,utt Cp,var °vat 4)q,af) (10)

met Tv = temperatuur in het vat (K)

eva, = temperatuur in het vat (°C) mvat = massa in het vat (kg)

0,n = temperatuur van instromend gas (°C)

= soortelijke warmte bij constante druk van het gas in het vat (J/kgK) Cv,vet = soortelijke warmte bij constant volume van het gas in het vat (J/kgK)

= soortelijke warmte bij constante druk van instromend gas (J/kgK)

qaf = warmteafgifte over de wanden (W) = massastroom binnenstromend gas (kg/s) mutt = massastroom welke het vat verlaat (kg/s)

0,,a, is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen Tv.t en de omgevingstemperatuur. In het geval van de uitlaatreceiver kan voor de omgevingstemperatuur de temperatuur van het koelmiddel genomen worden. Voorlopig is warmteafgifte door de wand buiten beschouwing gelaten in het CCD-model.

pagina 25

5.4 Massabalans voor een vat: samenstelling

In de vaten warden de massastromen geintegreerd. Met de temperatuur ('zie vorige paragraaft, de gaseigenschappen, en de vatinhoud wordt de druk berekend, welke als output van het vat en als input voor de Ileidingweerstand fungeert.

In elk vat worden allereerst de componentstromen bepaald door iedere massastroom te vermenigvuldigen met de massaconcentraties.

Vervolgens warden de componentstromen geintegreerd', zodat voor iedere component

de massa in het vat bekend is. Daarmee 'is oak de totale masse en dus de .concentratie

van de componenten bekend.

De uitgaande massastromen worden vermenigvuldigd met de ,concentratiear en Ideie

uitgaande componentstromen warden teruggekoppeld 'near de integrator.

Itct. "Verdamping en condensatie van water

Op idrie plaatsen in het systeem treedt verdamping of condeosatie van water op,, te weten:

bij de spraykoeling waar water geinjecteerd wordt in de het& uitlaatgassen. Door de verdamping van het water zal de temperatuur dalen. De verdamping heeft pleats in

een vat.

- bij vat3 waar de met water verzadigde gasstroom .uit de bypass mhet Ikoele gas Lilt de absorber ontmoet. De condensatie heeft pleats in een vat..

r in de absorber. De absorber is gemodelleerd als restrictie.

Verdamping/condensatie van water in een vat

De modelvorming van condensatie in de twee vaten (spraykoeling, vat 3) is gebaseerd

op de volgende veronderstelling: in 'de massabalans wordt alleen water in gasvormige toestand opgenomen.

Dit houdt in dat in het model' nooit opsiag van vloeibaar water bestaat. Voor de spraykoeling betekent dit, dat er alleen water kan verdampen uit de geinjecteerde stroom. Voor vat 3 betekent dit, dat eencnaali gecondenseerd water niet meer kan

verdampen.

Wanneer de partiele druk van het water in de gasstroom 'lager is dan de bij die

temperatuur horende verzadigingsdruk, dan zal er water verdampen. Naarmate.'het

verschil tussen de verzadigingsdruk en de partiele druk groter is, zall de

verdampingsstroom ,groter ,zijn:

m.H20,veni = gain.i(pdan, - pa)

Om,H20,verd = verdampende stroom, waterikg/s)I = partiele druk water (N/m2)1

Pd = dampdruk van water bij geldende temperatuur (N/m2)1

'gain snelheidsfactor voor de verdamping, van het water Is/m)

L

De gain in forrraile 1111 bepaalt de snelheid van de verdarrrping of condensatie. !Dom het gebruik van de factor gain zal bij de spraykoeling niet alle water verdampen, wat

overeenkomt met de werkelijke situatie in het systeem. In vat 3, waarzoals vermeld

water zal condenseren bij geopende bypass, is de factor gain zo groot gekozen dat er geen oververzadigd gas het systeem in stroomt.

iGegevens over de dampdruklijn zijn genomen uit lit.12.

Van de geinjecteerde spray zal een gedeelte niet verdampen, Orn.H20.v1-De grootte ervan

is het verschil tussen de totaal geinjecteerde hoeveelheid water en de hoeveelheid

verdampt water uit formule (11). De niet verdampte waterstroom wordt gedacht te zikr opgewarmd tot de temperatuur in het vat.

De differentiaalvergelijking voor de temperatuur in het vat korht erriuals volgt uit te

zien:

dTvat 1

ren- rs 4)m,IntIC,p.In + Swifter ;valor ("water'-I'

'' "vat ' `-vovat

4m,ultCp,var evat 4m,H20,v1-Cwater °vat

dmvat (kat

- 4)m,H20,verd r- ',chat) -

_dt

trivia

hies = ilysprayvorm geinjecteerde massastroom water (kg Is)

twat., = warmtecapaciteit vloeibaar water (J/kgK), = verdampingswarmte water (J/kg)

Orn.H20,vard = verdampende stroom waterspray i(kg/sY, Orn,H20.vl = stroom waterspray die niet verdampt (kg/s)

con = soortelijke warmte bij constante druk van instromend gasIL/140

= massastroom binnenstromend gas tkg/s)1 Bin = temperatuur van instromend gas (°C)

cot., = soortelijke warmte bij constante druk van Ihet gas in het vat KJ/kgiC)

= massastroom uitstromend gas (kg/s) ant = temperatuur in het vat 1(°C)

= warmteverliezen over de wand i(W)

Condensatie in de absorber

Ook in de absorber zal water uit het gas tondenseren. Echter omdat in de absorber massa- en energiestromen niet geintegreerd' worden We absorber is een restrictie in het model), kan de uitgaande waterconcentratie direct worden bepaald uit de bij de

zeewatertemperatuur horende verzadiqingsdruk.

pagiha 27

(12p dt

5.6 Regeling van gaseigenschappen: zuurstof- en argoninjectie

Van het gas dat aan de verbranding deelneemt ziet men bij voorkeur dat de thermodynamische eigenschappen zoveel mogelijk overeenkomen met die van

buitenlucht. Om die reden wordt op de proef stand ten eerste het zuurstof percentage

van het gas aan de inlaatzijde van de motor afgeregeld op 21 vol%. De regeling gebeurt door met een PI-regelaar in te grijpen op de hoeveelheid toegevoerde zu rsto.f.

Ten tweede wordt de gamma-waarde van het ingesloten gas, welke bepaald is uit de compressiedruk (eigelijk meet men de polytrope exponent nc), m.b.v. de argontoevoer op 1,37 afgeregeld. Bij deze regeling wordt de argontoevoer wordt stapsgewijs

vergroot of verkleind.

In het model wordt het zuurstof percentage eveneens met eenPITregelaar_geregeld.

De argontoevoer kan in het model op twee manieren worden gesimuleerd. De reden

hiervoor is, dat wanneer de doorstromingsweerstand van de motor is gegeven, de

gamma-waarde van het ingesloten gas en de toegevoerde argonstroom afhankelijke grootheden zijn. De eerste mogelijkheid betreft derhalve een constante argontoevoer gebaseerd op meetwaarden. De andere mogelijkheid betreft een PI-regeling welke de y-waarde van het ingesloten gas regelt op een ingestelde waarde Kid.

Voor de regelingen in het model zijn PI-regelingen gekozen omdat de responsies redelijk snel zijn en geen statische afwijking vertonen.

De instelling van de versterkingsfactoren en tijdconstantes is zo gekozen dat de regeling van zuurstof percentage en y-waarde snel is in vergelijking met de insteltijd van het

massa-evenwicht tussen motor en absorber. Dit is het geval met een versterkingsfactor Zen een tijdconstante 0.1 voor beide regelingen.

BASIC ABSORBER St mEnA11C

watf3t vaLl

owt.E7 OuTIZT

LX V

r.C.J.ING

figuur 6.a: Principeschets van de absorber (lit.1)

0