instituut voor Wegtransportmiddelen TN°
TNO-Industne
TNO-rapport OEMO 93/24 Aantal paginate 131 Aantirlybipaccen 1 Aantal tigucen, 60 Aantal tate:Olen' 11Alle rechten voorbehouden.
Nets uit daze uitgave nag warden vermenlgvuldigd en/of openbaar gemaakt
door middel van druk, fotokopie, microfilm
of op welke andere vivo clan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO.
Indien dit rapport in opdracht werdi uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichfingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen near de
'Algemene Voorwaarden voor
Onderzoeks-opdrachten aan TNO', dan wel de betreffende terzake tussen partken gesloten overeenkomst.
Het for inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
*TN°
Naderlandse (notate voor
toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek
TNO-Industrie dteel Onderzoek en verleent diensten op h0 terrain van de Industrials Technologie. Zij ncht zich &tarmac op de Industrie. de dienstenseCtor en de overheid.
todustaele teohnologre °mat gebreden ale roegepaste tysica, chemle, produktordwikkeling, produktielechnologie, meteriaalkunde, bedejtskunde, micro-elektronica, Intormatica on ielematica.
OPTIMALISATIE VAN DE CONTROLVARIABELEN VAN LEN HEAVY-DUTY DIESELMOTOR
Auteur A. van Doomn Datum
5 mei 1994
Schoemakerstraat 97 Postbus 6033 2600 JA Delft Telex 38071 zptno n1 Fax 015 - 62 07 66 Telethon 015 -69 69 00* optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
Voorvvoord
Momenteel warden motorbesturingssystemen in vrijwel elke personenauto toegepast. De ver-wachting is, dat dit oak bij heavy-duty dieselmotoren voor vrachtwagens zo gaat worden,
omdat deze motorelectronica veel extra mogelijkheden biedt om de motorafstelling te verbete-ren.
Moderne oplossingen om emissies verder te reduceren zorgen voor een relate groat aantal con-trolvariabelen, met veel onderlinge interacties, die continu een optimale afstelling moeten
hebben. Ook de toenemende aandacht van de wetgever voor de emissies en het transiente gedrag van de motor maakt het vinden van een optimale afstelling steeds ingewikkelder.
In het kader van dit probleem heb ik een literatuuronderzoek gedaan bij de afdeling vert
brandingsmotoren van TNO-Wegtransport. Dit was de invulling van mijn stage voor het hoofd-vak maritieme dieselmotoren aan de TU Delft.
Mijn dank gaat uit naar de volgende personen die mij tijdens mijn literatuuronderzoek hebben
begeleid:
Prof. Ir. D. Stapersma, hoogleraar maritieme dieselmotoren aan de TU Delft.
Ir. A.W.B. de Bie, medewerker van de sectie motorbesturingssystemen binnen de afdeling verbrandingsmotoren van TN 0-WI..
Ir. N.J. Dekker, medewerker van de sectie motorbesturingssystemen binnen de afdeling verbrandingsmotoren van TNO-WT.
* optimalisatie van de controlvariabelen van eon heavy-duty diesel motor
Samenvetting
Ten gevolge van het steeds verder aanscherpen van de emissie-eisen van de overheden, wordt het vinden van een optimale afstelling van een heavy-duty dieselmotor steeds moeilijker.
Het optimalisatie-probleem dient enerzijds goed gedefinieerd te worden, er nnoet dus vastgesteld worden welke uitgangen van de motor optimaal genoemd worden. Anderzijds is het vinden van de juiste instelling van de controlvariabelen een groot probleem.
Tot voor kort werd op iteratieve wijze m.b.v. 'directe' methoden naar een goede motorafstelling gezocht. Door de toename van het aantal in te stellen variabelen en het de scherpere emissie eisen, voldoen deze methoden echter niet meer.
Een uitkomst wordt gevonden met een meet-methodiek die in de procesindustrie veelvuldig toegepast wordt. Door een goed voorbereid meetprogramma op te zetten, kan met een beperkt aantal metingen een beschrijving van de invloed van de ingangen van de motor op de uitgangen worden verkregen (systeem identificatie). De uiteindelijke optimalisatie kan dan achteraf met
behulp van de computer geschieden. Duidelijke voordelen van deze methode zijn: Objectieve optimalisatie criteria, het gevonden optimum is een globaal optimum. - Algemene theorie, dus geschikt voor alle steady-state en transient tests.
- Optimalisatie met verschillende randvoorwaarden is mogelijk zonder nieuvve metingen. Automatisering is mogelijk.
-20 15 10 5
---- ....
1....
.. , ......
.. , .. . ... ..... .
.... ' .... ...
....
... - ...
...
... ...
... ...
. ...
....
...
...
-4
Timing
60
l[graden na BOP],
20
15 EGR 10percentage
5, 40 20VTG
Ipositie
'Figuu 'If: 3-dimensionaatc1/4.._ controldoein.m
---Figuur 2: De invloed van eon+ controlvariabele op de respons:
basai uset controlvariabela,
iv
OEMO 93/24-2
8. 48 responsDefinities - steady-state: - transient: - motorrespons: - ingang: - controlvariabele: - responsvariabele: - motormanagement-systeem:
Net electronische besturings-systeem van de motor, dat aan de hand van gemeten signalen de juiste instellingen van de con-trolvariabelen van de motor realiseert. control domeirr
Net totale domein van de controlvariabe-len '(lie figuur 1).
- niveaus:
Discrete vvaarden van de controlvariabelen waarbij wordt gemeten.
Invloed van een controlvariabele op een responsvariabele:
De wijze waarop de responsvariabele Z verandert bij een verandering van de controlvariabele A (zie figuur 2). Wanneer naar zeer kleine veranderingen worth gekeken,dan is dit dus de partiele afgeleide van de responsvariabele naar deze controlvariabele.
SZ
SA
Eerste orde interactie tussen twee controlvariabelen:
De verandering van de invloed van controlvariabele A op de responsvariabele Z t.g.v. een verandering van B (lie figuur 3).
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
Gestabiliseerde toestand.
Tijdens een snelle verandering van het
gevraagde vermogen.
De opbouw van het vermogen van de
motor als funktie van de tijd.
Door de omgeving tijdens motorbedrijf op-gelegde ingangsvariabelen (de systeem-grens ligt rond de gehele motor bestu-rings-systeem)
Ingangs-signaal van de motor Met is een uitgang van het motorbesturings-systeem, want deze ligt buiten de systeemgrens). Uitgangs-signaal van de motor.
vi
DEMO 93/24Figuur 3: Interactie: Verandering van de invloed door verandering van eon andere controlvariabele.
ce/v-x-(u)-
AnAiox--8.68 8.58respons
9.48 a.:8 8.23 11!A 1:secontrolvariabele
* optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
82z
8,48B
flit is hetzelfde als de verandering van de invloed van B t.g.v. een verandering van A, omdat de partiele afgeleiden van Z ;near A, van Z naar B en van Z naar A en B continu zijn.
Hogere orde interactie:
De invloed van de instellingscombinaties van meerdere controlvariabelen op de responsvariabele Z. De interactie ABC kan dan gezien worden als de invloed van A op de interactie BC, of de invloed van interactie AB op de invloed van C, of de invloed van AC op B. Al deze drie invloe-den zijn gelijk aan elkaar en aan de interactie ABC, omdat alle partiele afgeleiinvloe-den continu zijn.
.53.Z
8A8BESC
- vrijheidsgraden: metingen die nodig zijn om een uitspraak te kunnen doen over de invloed van een controlvariabele of interactie
- setpoint:
In een setpoint liggen in gestabiliseerde toestand alle motorparameters vast bij constante om-gevingscondities.
Tijdens bedrijf liggen steady-state alle controlvariabelen vast als funktie van twee van de vol-gende ingangen:
- de positie van het gaspedaal - ingespoten brandstofhoeveelheid
toerental van de motor
- koppel van de motor
Van de vier genoemde mogelijke ingangen van de motor, zijn er slechts twee onafhankelijk. AIle andere controlvariabelen zijn een funktie van deze twee ingangen.
Tijdens de optimalisatie zijn de controlvariabelen echter nog onafhankelijk van deze ingangen te varieren. Voor de optimalisatie van de controlvariabelen is daarom een handige keuze van de definitie van de setpoints gewenst.
Meestal worden de brandstofhoeveelheid en het motortoerental gebruikt om een setpoint vast te leggen. Dit wordt gedaan omdat de ingespoten brandstofhoeveelheid evenredig is met de gemiddelde effectieve druk en de ingespoten brandstofhoeveelheid is makkelijker bepalen dan het motorkoppel. Een groot voordeel van het gebruiken van de brandstofhoeveelheid is het feit dat dit ook een ingang van het motormanagement systeem is.
Wanneer er voortaan over een setpoint wordt gepraat, dan is dit een punt in het kenveld van het motortoerental tegen de brandstofhoeveelheid en wordt uitgegaan van een standaard
optimalisatie van de controlvanabelen van een heavy-duty diesel motor
%/Vermeer de situatie niet steady-state is, dan zijn er meer dan twee variabelen nodig om de toes-tand van de motor te beschrijven. De voornaamste extra benodigde variabelen zijn de inlaatcon-dities (inlaatdruk en -temperatuur). Deze warden bij een drukgevulde motor i.h.a. gemeten in het inlaatspruitstuk, na de tussenkoeler. In deze Manifold Absolute Temperature (MAT) en Manifold Absolute Pressure (MAP) zitten de omgevingscondities dus verwerkt.
ilnhoucleopgevel
11 INLEIDING O. + .1V 'OW r s r r r s
a 6v.
I
2
VVETTELIJKE VOORSCHRIFTEN 4., 52.1 Steady-state voorschrlften ...- rv .! 5
2.2 Transient cyclus voorschriften. ,. - ' ' 7
3' DISCRETE TRANSIENT TESTS ...
,
3.1 Hetdoel van de test
-
.3.2 Metingen van transients I ; ; ,.J) 1 3
4 IPROBLEEMSTELLING ye, t .7 w, dav '0 et 15
J
15
6 PRESPONSVARIABELEN
,,, 0,
7J TIMING EN IINSPUITDRUK .ra ... r. r
23
31
7.1.1 Wat is timing? . . . , .
. ...
. 311
7.1.2 Ilnyloed, van timing op motoreigenschappen en emissies
.. ,
- .. :317.11.3 Ilnyloed van. ontstekingsvertraging op timing ., . .
7.1.4 Wat is de inspuitdruk? .4.. . r r
, . y
35,
7.1.5 Invloed van inspuitdruk op de emisaies . . 7. . r E. . .
39
7.1.6 IEIectronische regeling van de timing en druk + oP of.
41
7.11..7 Timing en inspuitdruk strategieen, .
-
, h 437.1.7 Inspuitdruk . ]).; (a,
r..P
437.1.7.2 Timing
..
7.2 VARIABELE TURBINE GEOMETRIE WIG) ,45 1
7.2.1 Wat is VTG?
-...,,,-.,, ...
I45
7.2.2 Invloed van VTG 60de emissies . ,
-.
45it
7.2.3 Electronische regeling van de VTG 47
7.3 UITLAATGAS RECIRCULATIE
7.3.1 Wat is EGR?
...
_
-Si7.3.2 Nnvloed van EGA op de emissies - - 55
7.4 Electronische EGR regeling, . . . .1, 59I
9 DRIVEABILITY 19 7 DE CONTROLVARIABELEN 31 37 43 (EGR)
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
7.4.1 EGR strategieen 59
7.5 INGESPOTEN HOEVEELHEID BRANDSTOF 61
7.5.1 Waarom niet direct gekoppeld aan het gaspedaal? 61
7.5.2 Het effect van maximum fuelling op de emissies 63
7.5.3 Electronische regeling van maximum fuelling 67
7.5.4 Fuel control strategieen 69
8 INTERACTIES TUSSEN DE VERSCHILLENDE CONTROLVARIABELEN 73
8.1 Het motormanagement systeem 73
8.2 Thermodynamische interacties 73
9 DEFINITIE VAN HET OPTIMUM 77
9.1 De Lagrange doelfunktie 77
10 DE INSTELLING VAN DE CONTROLVARIABELEN 81
10.1 Directe methoden 81
10.1.1 Steady-state toepassingen 85
10.1.1.1 Simplex 85
10.1.1.2 Powell methode 87
10.1.2 Transient cyclus toepassingen 87
10.2 'FACTORIAL' METEN 91
10.2.1 Bepaling van het controldomein 91
10.2.2 Discretisering van het controldomein 93
10.2.3 Orthogonaliteit 93
10.2.4 'Fractional factorial' meten 95
10.2.5 Orthogonale meetreeks 97
11 METING VAN DE RESPONS 101
12 VERWERKING VAN DE MEETRESULTATEN 103
12.1 DE TAGUCHI METHODE 103
13 OPTIMALISATIE M.B.V. BESCHRIJVENDE FUNKTIES 107
13.1 Data-beschrijving d.m.v. kleinste-kvvadraten-regressie 107 13.2 Optimalisatie m.b.v. van de Lagrange doelfunktie 111
OEMO 93/24
Xi
. ....
. . . . ....
. LL. . . . ...,,. ...,.. . . . , . ,... 4.. . . . . . . . . . . . . . . . .. .13.3 Voordelen 113
14 OPTIMALISATIE PROCEDURES 115
14.1 Steady-state optimalisatie 115
14.2 Optimalisatie van transient acties 117
14.3 Transient cyclus optimalisatie 121
15 CONCLUSIE 125
16 LITERATUURLIJST 126
BIJLAGE A Toelichting bij de literatuurlijst 131
. . . .
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor *
THE CHALLENGE IN ACHIEVING
EURO rE EMISSIONS STANDARDS
_ tn 10
_c 5
-v,
130
P 4. 5 6 7 80-3
NOx (gitcWhELMO fl DeveLopment
Goals
Possible Euro IEL
,,Injection
0-1
IHeavy Duty
!Engine
3 4 5 6 7 8NOx
(g/kWh)
Figuur 4: Ontwikkelingscloelstellingen om binnen de europese limieten te blijven.
0-4
1 INLEIDING
Vandaag de dag speelt het onderwerp milieuvervuiling een grate rol in de samenleving. Door het nog steeds toenemende, grate aantal vrachtwagens dat rondrijdt in de wereld, is het logisch dat de wetgever veel aandacht heeft voor de uitlaatgasemissies hiervan. Om een goede indruk van de omvang van het probleem te krijgen is het volgende voorbeeld zeer illustratief.
Wanneer een gemiddelde heavy-duty truck (zvvare vrachtwagen) bekeken worth, zoals deze in europa rondrijdt, die honderdduizend kilometer per jaar rijdt en aan de europese emissie eisen van 1 993 voldoet dan is het volgende te zien:
Len uitstoot van ongeveer:
" optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor *
20-50 kg koolmonoxide per jaar Bij een brandstofverbruik van:
30000 kg dieselolie per Oar
Deze toch wel schokkende cijfers laten duidelijk zien vvaarom de uitlaatgas emissies omlaag moeten bij een gelijk of liever lager brandstofverbruik. De wetgeving voor emissies van heavy-duty (HD) trucks vvordt daarom de komende jaren in de gehele wereld flink aangescherpt.
De emissiewetgeving wordt bij HD-trucks betrokken op de motoren (wordt gemeten op de
motorproefstand), in tegenstelling tot de wetgeving bij auto's waar de emissies warden
betrokken op het voertuig in zijn geheel (worth gemeten op een rollenbank). Om tot eerlijke voorschriften voor de emissies te komen, moeten deze worden uitgedrukt in grammen per kilowatt-uur zodat de emissie gerelateerd worth aan het effectieve vermogen. Deze
voorschriften kunnen gelden voor een aantal van te voren vastgestelde bedrijfspunten (voorgeschreven belasting en toerental). Een andere mogelijkheid is dat de voorschriften gelden
voor een cyclus die de motor moat doorlopen, en op die manier bijvoorbeeld representatief is voor een stadsrit of een rit op de snelweg. Deze cycli zijn vastgelegd door voor iedere seconde, of een deel daarvan, het toerental en de belasting voor te schrijven. Na afloop van zorn cyclus wordt de totale emissie gemeten en gedeeld door de towel geleverde arbeid. Deze waarden moeten dan beneden de voorgeschreven limieten zitten (zie figuur 4).
Tijdens het doorlopen van een cyclus moeten de emissies dus niet alleen steady-state (in vaste bedrijfspunten) maar oak transient (tijdens een snelle verandering van het te leveren vermogen) goed zijn. Het transient gedrag maw. de respons van de motor kan tegen de emissies geoptimaliseerd warden met behulp van discrete transient tests. Dit zijn zeer korte tests van enkele seconden, waarbij bijvoorbeeld een acceleratie bij vollast van 1000 tot 2000 toeren
wordt uitgevoerd.
Vervolgens dient de motor oak een laag brandstofverbruik te hebben en de driveability We responssnelheid van de motor op veranderingen in controlvariabelen), moet zo hoog mogelijk zijn. Omdat momenteel oak in de HD-motoren wereld electronisch geregelde motormanagement-systemen hun intrede doen, geeft dit mogelijkheden voor verdere optimalisatie van de motor. Het maakt tegelijkertijd het realiseren van de juiste afstelling dan wel veel ingewikkelder. Een
(911tsv9L
OEMO 93/24
1
- 60 kg vaste deeltjes per jaar - 800 kg stikstof-oxiden per jaar
- 40 kg koolwaterstoffen per jaar (A.;*-0AZ--tAA t>) Ct;
-RESP
VARIABELEN
NS
-Atilt
iDFSE.
D
R
MIll
[o
o ig)
CONTR
VARIABELEN
0
L-Figuur 5: Schemansche voorstelling van het optimalisatie probleem.
optimalisatie van de controlvariabelen van eon heavy-duty diesel motor *
bijkomende grote complicatie is het toenemende aantal controlvariabelen dat tijdens het bedrijf continu de 'juiste' waarden moet hebben.
Alles bij elkaar leven dit de algemene optimalisatie formulerinq:
- Zoek een extreem (by. het minimum brandstofverbruik)
randvoorwaarden:
- Fysieke grenzen:
- de grenzen van de motor (by. maximum temperaturen en drukken) - driveability
Opgelegde grenzen:
wettelijke limieten (emissie eisen van de overheid)
- emissiegrenzen die de fabrikant zich zelf oplegt (by. maximum rook grens)
Bijkomende eisen die de motorfabrikant aan zichzelf stelt om een goede positie op de markt te verkrijgen (behouden) zijn bijvoorbeeld:
- een weinig geluid producerende, stifle motor
- een grote betrouwbaarheid, duurzaamheid van alle componenten
- acceptabele produktiekosten
De van dit literatuuronderzoek is als volqt:
Ten eerste moeten de problemen eenduidig geformuleerd worden. Bijvoorbeeld driveability zal moeten worden gekwantificeerd en het te bereiken doe) moet duidelijk worden geformuleerd, zonder dat hier een subjectieve interpretatie voor nodig is. Hoe verderdit doorgevoerd wordt, des te eenvoudiger wordt her om de optimalisatieprocedure te automatiseren.
Ten tweede moet een geschikte optimalisatiemethode gezocht worden om een motor met veel controlvariabelen en veel responsvariabelen (brandstofverbruik, emissies enz.; zie figuur 5) op een gestruktureerde wijze te kunnen optimaliseren.
Tot slot is het de bedoeling dat een of enkele optimalisatie procedures worden beschreven die op de volgende tests toegepast kunnen worden:
- steady-state test discrete transient test transient cyclus test
Extra aandacht zal worden gegeven aan de eerste twee tests om te kijken of deze wellicht voldoende zijn om een goed resultaat voor de transient cyclus te krijgen, zonder dat de motor apart voor de cyclus moet worden geoptimaliseerd.
OEMO 93/24 3
-I
-Weight Factor:
0,08333
,r Weight Factor
0,25
0,08
Load
100 0
75%
®
idle
intermediate
rated
,
0,10
0,02
50%---___00,02 4.1)0,08
0,02
©
°T---20,08
C)
10% 4__.4-5110,02Engine Speed
0. CI 0
,07 "
1Figure 6: 13-Mode test voor heavy-duty diesel motoren in Europa.
* optimalisatie van de controlvanabelen van een heavy-duty diesel motor
2 WETTELIJKE VOORSCHRIFTEN
Zoals in de inleiding at benadrukt is, moet de uitstoot van schadelijke stoffen van de heavy-duty dieselmotoren naar beneden. De enige wijze vvaarop dit kan worden bewerkstelligd is door wettelijke voorschriften te maken waar de vrachtwagenfabrikant zich aan moet houden. Deze
voorschriften zijn de grenzen in grammen per kilowatt-uur waar de 'missies onder moeten
blijven.
Er gelden over de gehele wereld een groat dental verschillende voorschriften, in het algemeen zijn deze in de Verenigde Staten het strengst. De voorschriften kunnen op verschillende soorten proeven warden betrokken:
11 Steady-state tests 21 Transient-cycli
31 Discrete transient tests
iN Een steady-state meting wordt uitgevoerd aan een motor die in een bepaald keypoint
(belasting en toerental zijn voorgeschreven) staat te draaien, terwijI alle motor-parameters gestabiliseerd zijn.
21 Een transient cyclus is een simulatie van een wegrit op de motorproefstand, waarbij de
belasting en het motortoerental als functie van de tijd zijn vastgelegd.
31 Discrete transients zijn acties van enkele (tientallen) seconden vvaarin belasting en/of
toerental zijn voorgeschreven als functie van de tijd.
2.1 Steady-state voorschriften
Op dit moment (1994) zijn er in de EG alleen nog voorschriften voor HD-dieselmotoren
gebaseerd op steady-state metingen. De hiervoor gebruikte voorgeschreven testmethode is de zogeheten 13-mode test. Bij deze test wordt de emissie van NOx, PM, CO en HC gemeten in 11 keypoints (in een keypoint wordt drie keer gemeten, zie figuur 6). Aan deze keypoints warden weegfaktoren toegekend die gebaseerd zijn op het verwachte belastingspatroon van de
dieselmotor tijdens het gebruik. Door de meettijd evenredig met de weegfaktor te nemen en de totale emissies bij elkaar op te tellen en te delen door de totale geleverde arbeid, wordt een eindwaarde bepaald. Deze waarde is maatgevend en most beneden de voorgeschreven linnieten zitten om een type-goedkeuring voor de motor te krijgen.
De huidige voor de EG geldende eisen voor de 13-mode test zijn de Euro I normen. In september 1995 treden de Euro II normen in werking die at vastgesteld zijn. Verwacht wordt dat de eisen
voor 1998 en 2001 vooral to doel hebben de PM en NOx emissie verder te reduceren, de
absolute waarden van de limieten zijn echter nog niet bekend.
4e 120 100 843 so
2
40 5 20 02
-20 New York Non-Freeway Description of Segments LSIS Angeles Non-Freeway Las Angeles Freeway Nero York Non-FreewayFederal Limits (g/bhp hour)
237 sec.
300s.
305 sec, 297 sec.1 Over-Run ILI
15
Con:talonsT.
INeGalive TorQue Reixesents
J1
1 1 I II
1ii,
I
a.
It
44111
11 ikliffrial11111111,11MEI
1
UM
Year Weight (lbs) Durability Mileage CO NOx Pm.1991
<14000
>14 000
All Diesels 120 000 120 000 120 000 0.9 1.7 1.2 14.4 37.1 15.5 5.0 5.0 5.0 -0.25 1994 All Diesels 120 000 1.2 15.5 5.00.10'
Figure 7: Transient cyclus yen de Verenigde Staten.
Figure 8: De emissie limieten voor de EPA-HD diesel cyclus voor de Verenigde Staten.
200 400 600 800 1000 1200
Time - Seconds
Applies to diesels only.
Averaging allowed for NOx and particulates.
For urban buses, this limit will now be introduced in 1993.
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
2.2 Transient cyclus voOrschriften
In de Verenigde Staten bestaat sinds een aantal jaar een transient cyclus voor HD-diesel
motoren die wordt aangeduid als de EPA-HD diesel cyclus (zie figuur 7). In deze cyclus zijn het toerental en het koppel als percentage van het nominale ( ongeveer maximum) koppel en toerental voorgeschreven als functie van de tijd. Deze cyclus van 20 minuten bestaat uit een
stuk freeway in Los Angeles van 5 minuten en 3 stukken stadsrit door New-York en Los
Angeles van eveneens 5 minuten. De emissie van de cyclus wordt in zijn geheel opgevangen en na at loop van de test kan de totale emissie dus worden bepaald. De geleverde arbeid door de motor tijdens de totale cyclus kan worden berekend door het geleverde vermogen over de tijd te integreren. Door de totale emissies te delen door de cyclus arbeid, wordt een maatgevende emissie voor de cyclus gevonden. Voor deze emissies in grammen per kilowatt-uur zijn de grenzen weer in de voorschriften vastgelegd (zie figuur 8). Op dit moment gelden in de VS de US 1994 normen die ook steeds verder worden aangescherpt.
In Europa is er nog geen transient cyclus voorgeschreven. Er vvordt echter wel verwacht dat in de nabije toekomst iets transients komt. Dit kan een europese rit-cyclus zijn maar het kan ook bijvoorbeeld een combinatie van discrete transient tests en steady-state metingen zijn.
Een andere moeilijkheid is dat voor het uitvoeren van een ritcyclus zeer gecompliceerde en dure apparatuur nodig is. Deze zogeheten transient motorremmen hebben met de volgende
problemen te maken:
- complexe regeling omdat tegelijkertijd de belasting en het toerental voorgeschreven zijn, deze twee variabelen hebben een zeer sterke interactie met elkaar
- de regeling van de motorrem werkt tegen de regeling van de regulateur in, dit geeft in
sommige delen van het motorkenveld problemen
- de rem moet een laag traagheidsmoment in verhouding tot de motor hebben om snelle veranderingen van de motor te kunnen volgen, zonder de motor daarbij extra te belasten - de rem werkt op wisselstroom, er moet dus een enorm vermogen via stroomstrippen toe en
afgevoerd worden, om de motor aan te drijven en te remmen
optimalisatie van de controlvanabelen van een heavy-duty diesel motor
3 DISCRETE TRANSIENT TESTS
De HD-dieselmotoren van tegenwoordig zijn vrijwel allemaal uitgerust met een drukvulgroep en koeling van de gecomprimeerde lucht. Deze drukvulgroep verzorgt de vulling van de cilinders met gecomprimeerde lucht. Het kost, tijdens een verhoging van de belasting van de motor, enige tijd voordat de drukvulgroep op toeren is en de druk kan leveren, die bij deze belasting hoort. Tijdens deze vertraging ligt de zuurstofovermaat lager dan bij dezelfde belasting steady-state. Dit probleem kan op de volgende manieren beperkt worden:
- Begrenzing van de ingespoten brandstofhoeveelheid (zie figuur 9).
- Drukvulgroep sneller op toeren laten komen (by. compressor en/of turbine met kleiner traagheidsmoment, of kleinere lagerwrijving).
- Het volume tussen compressor en cilinder verkleinen (by. door middel van een by-pass rand de tussenkoeler).
De combinatie van een dieselmotor en een drukvulgroep met vaste geometrie is slechts in een klein toerengebied optimaal. Aangezien het toerenbereik van een HD-dieselmotor vrij groot is, moeten er concessies gedaan worden:
- Wanneer de combinatie optimaal is bij een hoog toerental, dan is de vuldruk bij lage toeren te
laag.
Als de vuldruk bij lage toeren optimaal is, dan is de vuldruk bij hoge toeren Tie hoog en moet via een wastegate uitlaatgas warden rond de turbine warden geleid.
Omdat een hoge vuldruk bij lage toeren essentieel is, wordt altijd voor de laatste oplossing gekozen. Len andere overweging am een drukvulgroep bij een laag toerental te matchen is de volgende:
Het formaat van de compressor en de turbine kan dan kleiner gehouden warden. Door het kleinere formaat is het traagheidsmoment kleiner.
- T.g.v. het kleinere traagheidsmoment is de drukvulgroep respons beter.
Het gebruik maken van een wastegate is in feite weggooien van de expansie-arbeid die deze uitlaatgassen hadden kunnen verrichten. In de praktijk blijkt dit inderdaad een verlies van het totaalrendement te geven.
Van elle significante invloeden op de responsies van de motor heeft de drukvulgroep de grootste
looptijd. Het verschil tussen de gemeten inlaatcondities en de steady-state inlaatcondities
definieert daarom het verschil tussen steady-state en transients voor het motorbesturings-systeem. Bij het toepassen van een turbine met variabele geometrie (VTG), vvordt het mogelijk
om de vuldruk te regelen m.b.v. de positie van de leidschoepen. Door nu sneller naar de
gewenste vuldruk toe te regelen, wordt dus sneller de nieuwe gestabiliseerde toestand bereikt. De motorrespons kan dus met het gebruik van de VTG warden verbeterd.
OEMO 93/24 9
-rt
Tabel 1: De transients in de EPA-HD diesel cyclus. Tijd ifs] Nominee! toerental PM ivoorgeschreven% II Nominee! lkoppel I°41 ' (voorgeschreve n) I Toerental veranderingf I% per second& f (verschil tussen , 1 Ihuidige toerental en
toerental over een second&
Koppel verandering I% per second& (verschil tussen huidig koppel en koppel over een
seconde) 27 3.11 1 59.41 :, 5.98 ' 25.13 29 15.62 80 I 17.87 0 42 17.51: -10 -1) -3.32 72.52 67 80.74 43.16 11.36 30.49 213 0 0 , 0 73.41 215 0 90 31.3 244 46 -10 15.86 55.18 245 61.86 :45.18 -23.55 33.29 252 .. 12.84 43.71 -2.74 25.24 377 0 29.59 -1.5 57.87 379 8.88 100 37.16 0_ 380 46.04 100: I 30.85 0 1 396 68.84 -10 i 9.51 59.17 397 78.35 49.17 3.65 I 20.83 419 84.36 24.16 -12.2 I 55.84 436 J0.73 0 9.3 60 437 8.57 60 H 21.98 1.93 438 30.55 61.93 36.55 1.07 469 66.43 -10 I 8.78 80 491 62 -10 I -12.46 55.37 492 49.54 45.37 ; 2.95 41.62 504 95.48 24.85 2.52 25.15 557 0 0 0: 78.53 566 70.66
-
59.94 2.32 20.06 619 68 48.33 0 51.2 648 88 77.21 0 22.79 729 86 H 40.111 L 2.29 21.36 789 71.67 H 28.96 H -4.49 51.04 884 80 1: 20 ,I 4.26 31.95 929 3.111 1 59.41598
I 25.13 931 15.62 80 17.87 ' 0 944 17.51 -10 -3.32 72.52 969 80.74 43.16 11.36 30.49 1115 0 I 0 0 73.41 1117 - 0 , 90 I 31.3 -8.7 1146 46 1 -10 15.86 55.18 I 1147 61.86 45.18 -23.55 1 33.29 1154 12.84 43.71 11 -2.74 I 25.24 -8.7" optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor *
3.1 Het doel van de test
Het is de bedoeling de strategieen van de responsvariabelen zodanig te bepalen, dat de
motorrespons optimaal is binnen de grenzen van de motor en de emissies.
Een ander doel is dat men het liefst een cyclus optimaliseert door goede discrete transient acties te definieren die het transient deel van de cyclus representeren. Hierover is echter zeer weinig of niets gepubliceerd, er zal dus door de fabrikant zelf gezocht moeten vvorden naar de
representatieve transient acties.
Wanneer de motor voor een bepaalde cyclus geschikt moet zijn, dan kan in deze cyclus gekeken worden welke transient acties het meeste voorkomen. Tabel 1 is het resultaat voor de EPA-HD diesel cyclus, na een selectie van de transients op de veranderingen van het toerental en koppel in de tijd.
Deze veranderingen van het toerental tegen de tijd zijn in figuur 10 uitgezet tegen elkaar. Met de pijltjes is aangegeven dat de meeste transients een grote verhoging van het gevraagde koppel hebben bij een (age verandering van het toerental. Nadere beschouwing van tabel 1 laat
zien dat load-acceptance tests bij verschillende toerentallen een groot aantal transients
representeert.
Ook de tijdstippen 379, 380, 381 zijn zeer interessant, omdat dear een zeer grote
toerentalverandering langs de maximum koppel curve vereist is.
Er kan nu op de motorproefstand voor deze transients de optimale regelstrategie voor de
controlvariabelen wordt bepaald. Vervolgens kan met redelijke zekerheid gezegd worden, dat de transient emissies in deze cyclus goed genoeg zijn.
Het is niet de bedoeling dat de motorrespons alleen optimaal voor deze transient acties is. Daarom moet een regeling ontworpen worden die altijd een goede motorrespons geeft, maar vooral de emissies beperkt bij de veel in de cyclus voorkomende transients.
Om deze regeling te kunnen optimaliseren moeten de transients echter wel varieren van vrije acceleratie bij (age belasting, tot load acceptance (lastverhoging bij ongeveer constant toerental). Deze twee uitersten zullen namelijk een vrij groot verschil qua regelstrategie nodig hebben, om tot optimale resultaten te komen.
In de EPA-HD diesel cyclus blijken vrij weinig echte transients zitten, het totale aandeel van de emissies tijdens deze transients is dus slechts zeer klein toy. de totale cyclus emissies. Het aandeel van stationair draaien is echter groot, zoals in figuur 11 en 12 te zien is.
OEMO 93/24
-30 -20 -10
EPA-HD diesel cycius
70
---10
-10
s inter=ante transients
10 20
Toerental veranderIng (% per seconde)
30 40
Ia
De negatieve koppels geven het remmen op de motor weer, bier is dus alleen het toerental en niet het koppel voorgeschreven.
\if
\c\
1. Figure 10: De transients in de EPA-HD diesel cycles.
Optimaflasher van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel! motor
3.21V1etinoen Van transients
Em paragraaf 7.5 staat luitgelegd waarom het meten van de motorrespons en, de rook
waarschilnlijk voldoende is voor optimalisatie van het transient gedrag van de motor.
De rook kan direct tijdens de transient gemeten worden en het verloop kan dus tegen de tijd uitgezet worden. Een klein probleem hierbij is ,de vertragingstijd tussen de werkelijkel rookproduktie in de motor en het moment waarop de rook wordt gemeten. Deze tijdsvertraging
ligt in de orde van grootte van een halve .seconde en is omgekeerd evenredig met de.
volumestroom van de uitlaatgasserk
Om bet meettji kort te lhouden rnoet ,gedacht worden aan tests van bijvoorbeeld een bear
minutem,
die bestaat uit eon of: enkele stabilseren in een begin setpoint bv 100.0,omvytmin en 500 Nm)
daarna begint de transient waarin bijvoorbeeld het toenental igelijk blijften :de belasting stijgt: naar 1500 Nm met het gaspedaal volledig ingetrapt
tot slot wordt dit setpoint vast
gehouden pm het
verloop van, de verschillende motorparameters (zoals drukvulgroep toerental)., als functie van de tijd, te kunnen zien.Een test kanlienkele ,malen, uitgevoerd wordbn om daarna her gemiddelde van de waarden te
bekijken.,
(Demo. 93/24 13
minuten
--EPA-HD diesel cyclus ... 1. .
...,...
. A ....:A .0 sp.'opt a .tos i !. .
.
a %to ...1 . UN IIIGIS1111
III
.. F .i
ll
.1 era'it
.,it
Si : 1 de . - -IA.' 7.1 .1111 -:! a a.
.,.., 8 , iii &k .0 b tik t IM. 40 Lsa 4 FA II Z . 1!:, r II . ..../.. 0. ;. : 2Ezo
i , "...i I . . s Z a. g. : Its.1 . :.I.of la: il...
1.. I .t--r
lo 0.1'i
40 '60 80 100 ....4,..e.... a ,". JNIMet.1 toerentarkl Mill.1=1Figure 11: Alle voorgeschreven nominatepunten van de EPA-HDdiesel cyclus inhet ,motorkenveld (neganef koppel is remmen op de motor).
Overspeed 410
High Speed 23%1
Idle
3FIN.Remainder 161.
'Motoring
0
Engine Torque
FuLLLoad
Figure12:! Net aandeel van de verschillende gebreden in bet
motorkenveld op de emissies tijdens de EPA-HD diesell
cyclus.
.
100
4 PROBLEEMSTELLING
Er dientaltijd naar een extreem te wordetS gezocht. Deze stelling is algemeen geldig en is dan oak eigenlijk wear het optimaliseren am draait. Voor een cyclus zal bijvoorbeeld geprobeerd vvorden om bet minim ale brandstofverbruik over deze cyclus te verkrijgen.
Bij het zoeken near het extreem dienen de randvoorwaarden van het probleem in de
probleemstelling te worden opgenomen. Dit kan op twee manieren gebeuren:
11 Met behulp van kennis en verkennende metingen kunnen de grenzen uitgedrukt warden als
funktie van de controlvariabelen. Wanneer met redelijke zekerheid gesteld kan worden dat de exacte Jigging van de grens niet van invloed is op de Jigging, van het optimum, dan kan de grens op deze wijze worden gedefinieerd.
Voorbeeld van een grens:
6 * controlvariabele1 + 3 * controlvariabele2 1 54.
21 De begrenzende parameters kunnen tijdens de optimalisatie als responsvariabelen warden
opgevat. Bij de uiteindelijke optimalisatie kunnen dan de grenzen van deze parameters het uiteindelijke optimum vastleggen. Praktisch gezien kunnen de kritische grenzen het best op deze wijze worden vastgelegd. Dit zijn dus in ieder geval de wettelijke emissie eisen.
Voorbeeld van een grens: NOx 5_ 7 g/kWh.
Om het zoeken naar een optimum te vergemakkelijken zullen eerst de fysieke grenzen van de motor vastgesteld moeten warden. Bij de (meetbare) grenzen valt te denken aan bijvoorbeeld:
- maximum druk in de cilinder
- maximum druk in het uitlaatspruitstuk
maximum temperatuur in het uitlaatspruitstuk (in werkelijkheid zal waarschijnlijk de temperatuur van de uitlaatklep maatgevend zijn, maar deze is niet op eenvoudige wijze te meten)
maximum drukvulgroep toerental surge-grens van drukvulgroep
- enz.
De tweede lastige voorwaarde is dat de driveability van de motor voldoende moet zijn.
Voor een goede driveability is dus een goede regeling van de controlvariabelen nodig, daarna is
bepalen weer de motor regelmatig loopt voldoende is am het bereik van de variabelen te bepalen.
De volgende voorwaarde is dat aan de emissie eisen van de overheden in de landen waar de verwachte afzet plaatsvindt moet worden voldaan. In het algemeen zal het zo zijn dat verlaging van de emissies ten koste gaat van het brandstofverbruik. Dit geeft dus aan, dat het minimale brandstofverbruik waarschijnlijk op de emissiegrenzen gezocht zal moeten warden en niet er onder.
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
/Urns
9
OEIVIO 93/249
iy--Let..._e,
i-c4.kfr
6 :7 ,Peo 1 5 Ct./tZ el-444.4(7
* optimalisatie van de controlvariabelen yammers heavy-duty diesel motor
De overige voorwaarden legt de fabrikant zichzelf op, dit zijn bijvoorbeeld de volgende zaken: - een maximum rook grens
de maximale hoeveelheid lawaai die de motor mag maken - een minimale duurzaamheid van de motor
enz.
Deze voorwaarden verbeteren de kwaliteit van het afgeleverde produkt , hierdoor wordt de
concurrentie positie verbeterd. Een grote rookpluim uit de uitlaat, of een herrie makende motor zijn namelijk slechte verkoop- argumenten.
Samenvattend kan dus tot de volgende conclusie gekomen worden m.b.t. de algemene
optimalisatie formulering: - zoek optimum (extreem) binnen de randvoorwaarden:
emissies eisen
- driveability motorgrenzen
de zelf opgelegde limieten
OEMO 93/24 17
ohtimalisatie van de nontrolvariabelen very eon heavy-duty diesel motor *i
5 DRIVEABILITY
De term driveabildy wordt zeer veel gebruikt voorditeenlopende zaken zoalsr, hoe lekker de motor draait
hoe goed de motor oppakt hoe hard de motor trekt
grootte van het koppell ondenn:
r
enz.ZoaIs, te zien is, zijn dit allemaal zeer subjectieve, vage kreten waar weinig mee aan te vangen, is. Wanneer er met een vrachtwagen gereden wordt, of er wordt reklame voor gemaakt, dan zijn dit echter vaak de zaken waar de klant op at gaat. Voor een motorfabrikant is het dus zaak am te weten wanneer de motor lekker loopt. Het is maw. belangrijk de invloedsfaktoren op
driveability te kennen en ze te kunnen kwantificeren. Vervolgens kan dan geprobeerd worden de driveability zo goed mogelijk te tmaken, binnen de grenzen van de motor, de emissies en het, brandstofverbruik.
IDe lbelangrijkste-faktoren die een meat voorde driveability zijn, ,zijn de volgencle:
11 - lhoog koppel en lkoppel backup, flzie figuur 13)1
2 - groat toerenbereik
3 - regelmatige loop van de motor
4 - weinig, schokken van de motor en aandrijflijn kintereatiel 5 - goede transient Imotorrespons
Het maximum lkoppell bij 'leder toerental Xzie figuur 13), is afhankelijk van de grenzen van de motor. Bij het instellen van het maximum koppell moet oak gelet warden op het kunnen
van de emissie eisen. Voorall omdat de invloed van de emissies bij dit maximum op de totale emissie van de motor onduidelijk is, is het moeilijk te bepalen wat de juiste instelling is. Hier komt nog bij dat het verloop van de test-cycli en de bepaling van de 13-mode ikeypoints afhangt van de maximum, koppel-curve.
Niet alleen de absolute waarde van 'het maximum koppel bij ieder toerental is van groot belangr, maar oak de vorm van de koppelkromme. Het voertuig is namelijk makkelijker en aangenamer te berijden wanneer het maximum koppel bij een vertragende motor vanaf hoge toerentallen flink toeneemt, dit heet koppelbackup (zie figuur 13). Wanneer het voertuig bijvoorbeeld 100 km/h1 rijdt rbiji een motortoerental van 1800 omw/min en er treedt nu een verstoring van de snelheid
op door bijvoorbeeld een heuveltje in de weg, dan heeft de motor de ineiging am' idit te
rcompenseren zodat een stabiele snelheid ontstaat. 21
Een groat toerenbereik van de motor is alleen afhankelijk van de motorconfiguratie. Begreozende faktoren zijn bijvoorbeeld de krukas of de kleppentrein. Dit bereik is niet afhankelijk van de controlvariabelen en zal daarom verder n et aan bod komen.
OEMO 93/24
-halen
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
Een regelmatige loop van de motor houdt in dat de verbranding in de cilinder goad blijft en dat de gemiddelde geIndiceerde druk per cyclus steeds hetzelfde blijft. In deze regelmaat treden problemen op in de volgende gevallen:
- Zeer laat inspuiten van de brandstof.
Lage belasting (weinig ingespoten brandstof).
- Grote hoeveelheid gerecirculeerd uitlaatgas (vveinig zuurstof en een grote
onstekingsvertraging, zie hoofdstuk 'controlvariabelen'). Slijtage en vervuiling van de cilinder en de verstuivers.
Om de regelmaat van het lopen van de motor te kwantificeren is het nodig om de spreiding van de gemiddelde geIndiceerde druk (IMEP) te bepalen. Aan deze variantie is kan dan een limiet gesteld worden, die overigens proefondervindelijk moet worden vastgesteld.
Wat de berijder van de vrachtwagen als een schok voelt is eigenlijk de verandering van de versnelling. Deze derde afgeleide van de pleats naar de tijd kan alleen bekeken worden m.b.v. de gehele aandrijflijn en het voertuig zelf, of een model daarvan. Aangezien een goede transient rem deze aandrijflijn en voertuig kan simuleren, kan de verandering van de versnelling naar de tijd worden opgenomen en worden gekwantificeerd. Het stellen van een maximum hieraan is echter een zeer subjectieve zaak en zal
dus proefondervindelijk en in overleg moeten vvorden vastgesteld.
Een goede transient motorrespons is afhankelijk van een goede transient strategie voor de controlvariabelen. Vooral de VTG, de brandstofhoeveelheid en de timing spelen een hoofdrol in het verkrijgen van een goede motorrespons. Welk verloop van het koppel en de versnelling van de motor door de chauffeur gewenst is, dat is weer subjectief. In het algemeen kan wel gezegd
worden dat het gewenst is het koppel zo direct mogelijk met het gaspedaal te regelen, de
tijdsvertraging tussen intrappen van gaspedaal en het verkrijgen van het gewenste koppel moet dus zo klein mogelijk zijn.
In het algemeen ligt, bij optimalisatie van de controlvariabelen, het toerenbereik en de maximum koppelcurve vrij vast. Er blijven dan dus alleen de motorrespons, de schokken van het voertuig tijdens transients en de verbrandingskwaliteit over om te kwantificeren.
Allereerst zal dan de toelaatbare spreiding in het IMEP moeten worden bepaald. Hier ken dan een limiet aan worden verbonden. Het optimum moet dus binnen deze grens blijven.
Er zal ook een grens moeten worden gesteld voor de schokken van de vrachtwagen aan de hand van simulaties van transients. Deze grens is zeer moeilijk aan de controlvariabelen te ver-binden, maar is wel zeer sterk van de transient strategieen van de controlvariabelen afhankelijk. Deze schokken moeten dan dus als respons van de motor tijdens de optimalisatie worden
Direct Injection Engine
Turbocharged /Aftercooled
22 OEMO 93/24
" optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
6 RESPONSVARIABELEN
Brandstofverbruik (bsfc)
Het brandstofverbruik per kilowatt-uur effectieve rem-arbeid worth voortaan aangeduid met brake-specific-fuel-consumption (bsfc).
Vanuit milieu oogpunt is beperking van de CO, emissie de reden om het brandstofverbruik zo laag mogelijk te houden.
Ten tweede is een laag brandstofverbruik natuurlijk een heel goed verkoopargument.
Tot slot is het feit dat de totale olievoorraad slechts zeer beperkt is, ook een goede reden om het brandstofverbruik zo laag mogelijk te houden.
Het bsfc kan continu gemeten worden door de voorraad brandstofop een weegschaal te zetten en de verandering van het gewicht continu te meten. Het verbruik per uur gedeeld door het effectieve vermogen is het bsfc.
Vaste deelties (PM)
De vaste deeltjes die in het vervolg aangeduid worden als PM (Particulate Matter) bestaan uit de volgende bestanddelen (zie ook figuur 14 en 15):
Koolwaterstoffen, afkomstig van de brandstof en de smeerolie, deze Warden opgedeeld in twee categorieen:
- Soluble Organic Fraction (SOF) dit is het deel van de koolwaterstoffen dat beneden de 200 graden C verdampt.
- De rest, het deel van de koolwaterstoffen dat dus pas bij een hogere temperatuur verdampt.
Zwavel-oxiden (SO2, SO,, SO4, afkomstig van de zwavel in de brandstof).
Roet (koolstof, ontstaat na kraken van koolwaterstoffen in een plaatselijk rijk mengsel, bij hoge temperaturen).
Water (H2O, tijdens de metingen op het filter neergeslagen). - Restant (voornamelijk as en andere niet vluchtige stoffen).
Het vervelendste van de deeltjes emissie is de vervuiling, zowel voor het milieu als voor de motor zelf. Een bijkomend gevaar is dat er kankerverwekkende stoffen in de deeltjes kunnen zitten. Het is nog onduidelijk of het sterk vervuilende en weinig esthetische roet ook schadelijk is voor de gezondheid.
Het meten van PM gebeurt in het algemeen door de uitlaatgassen geheel of gedeeltelijk door een filter in een dillutietunnel te laten stromen. De gewichtstoename van
it filter t.g.v. de
neerslag van PM is eon maat voor de PM-emissie.Averatte Rate of Increase 0_0062 t 0.0033 WHP-hr x 0.1% art 5 G.15 Displacement. 1-1,5111, TA, er 'a :5
...ani-
6 1i
4.101
ft
Z...
...
...
e
aa
a. 0 r0 0.0 0 1 0.2 0.3S Fuel Sulfur Difference, wt %
'04
4.1 02 0_3 0.4
Fuel-Sulfur Content - %wt.
Figure 15: Do invloed van het percentage zwavel in de brandstof op do PM emissie. '24 OEMO 93/24 0.06 0.05 -81 I 0.5
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
Stikstof-oxiden (NO x)
De stikstof-oxiden warden in het vervolg als NOx aangeduid en bestaan voornamelijk uit NO en in mindere mate NO2. De NO oxideert in de loop van de tijd in de atmosfeer oak tot NO2. NOx brengt verschillende problemen met zich mee:
- Net is in lage concentratie reeds schadelijk voor de longfunktie. - Het veroorzaakt zure neerslag op de aarde (by. HNO2).
- Het kan het ozon-evenwicht verstoren door foto-chemische reacties van het type:
NO + 03
NO2 "4- 02NO2 + 0
NO + 02
Netto resulterend in:
03 + 0
02 + 02
Her speelt een belangrijke rot in de 'smog'-vorming.
Het meten van NOx gebeurd met een eventueel verwarmde ChemiLuminiscent Detector (CLOY met een NO/NO2 converter.
Koolwaterstoffen (NC)
De koolwaterstoffen zullen in het vervolg als HC aangeduid warden.
Van deze HC-verbindingen zijn vooral de Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen (PAH) gevaarlijk. Er wordt aangenomen de mutagene eigenschappen van PAH de kans op kanker vergroten.
- De tijdens de verbranding gevormde aldehyden veroorzaken een hinderlijke stank. Voorbeelden van deze aldehyden zijn:
- formaldehyde (HCHO)
- acetaldehyde (CH,CH)
Er zijn waarschijnlijk oak aldehyden met mutagene werking, wat de kans op kanker dus oak vergroot.
De HC-verbindingen spelen ook een belangrijke rot in de 'smog'-vorming. HC wordt gemeten met een Heated Flame Ionization Detector (HFID).
* optithaligatie van de controlvariabelen van mereheavy-duty diesel! motor
Koolmonweide
,Deze koolmonoxide zal in. het vervolg ,als CO aangeduid worden. Dit produkt van onvolledige, verbranding is direct schadelijk. De affiniteit tot de haemoglobine in het bloed is circa 200 maal
groter dan die van zuurstof. Kleine concentrates CO in het bloed hebben dus al een grote
invloed op het zuurstoftransport in het lichaam. De uitstoot van, dit giftige gas moot dus zo, yeelL mogelijk voorkomen worden.
CO wordtgemeten met een Non-DisperSive InfraRed (NDIR) absorptie analyser Koo!dioxide (CO)
ni het vervolg wordt de 'kooldioxide aangeduid als CO,. CO, wordt gezien als de veroorzaker van het broeikaseffect. Het brengt waarschijnlijk, door absorbering van laagfrequente zonnestraling (Infrarood), eon verhoging van de temperatuur in de atmosfeer te weeg.
CO, wordt gemeten met eon Non-dispersive InfraRed (NDIR) absorbtie analyser.
Wanneer er vanuit worth gegaan dat de CO emissie klein is, dan kan de CO, emissie 'worden berekend uit het brandstofverbruik en het [koolstofgehalte van de gebruikte brandstof.
Zwavel-oxiden 1S0X)
Tijdens de verbranding ontstaat voornamelijk zwaveldioxide (SO2). pii een voldoenge grate zuurstofovermaat ontstaan oak nog sulfiet (SW en sulfaat (SO4)!.
Het gasvormige sulfiet kan met stoom (H2O)! reageren tot zwavelzuur ,(H2SO4), dit zuur
condenseert rond de 130 graden Celcius. Bij ilagere temperaturen condenseert ook de stoomen
reageert vervolgens met het sulfiet tot zwaveligzuur (H2S03). Doze zuren hebben een sterke corrosieve working en zijn terug te vinden bij de deeltjes metingen.
De zwaveloxiden (S0x) veroorzaken zure neerslag, zijn igiftig en kunnen vaste deeltjes vormen, die de zonnestraling naar de aarde beperken.
De zwaveldioxide blijft iook op kamertemperatuur gasvormig. en sulfiet en .sulfaat condensereni en worden dus bij de deeltjes metingen teruggevonden.
De emissie van gasvormige SO, kan berekend warden uit bet percentage zwavel
in tie
brandstof, deze correlatie is even nauwkeurig als de metingen an de analyse-apparatuur, omdat alle zwavel uit de brandstof verbrandt.
Rook
!Rook is
het met het oog waar te nemen deel van de uitlaatgasemissies.
Het bestaatvoornamelijk uit zwarte roet en afhankelijk van de temperatuur is or ook gecondenseerde
waterdamp te zien. Bij een koude start, of slechte verbranding, is oak de verdampte
onverbrande brandstof (wine kleur) te zien.
Door de sterke afhankelijkheid van de omstandigheden is rook niet op eon geheel' objectieve wijze te meten, metingen geven eerder een globaall ,beeld van de roetvorming. Er is dan oak goon wetgeving op het gebied van rook.
Rook Ikan continu gemeten warden met rookmeters die de afname van de lichtintensiteit van 'eon' lampje meten t.g.v. langsstromende ultlaatgassen. Dit gebeurt op een schaal van 0 tot 10
of 0 tot 100%. Hierbij stelt 0 heldere Ilucht (geen rook)
voor en bij 10 of 100% laten de
uitlaatgassen geen licht meer door (zvvarte rook).
7 6 5 4. 3 .2
kathout arch controller..
Strategy 1, A1.3 6-4 '8
r4
sib
'nue [Cs) "SE 2001 E 175 15 3 10010 120 1 gra. 40 'cm =atm ler Strategy 2 21 4 8 10 20 10' 0 2dS
10 Time )Figure 16..: Vergelijking van de motorrespons ijclens eon gecornbinearde
acceleratie en load-acceptance. 28 iSEM-0 93124 3 2800. 2400 2000 1600 '1200 100 10 125
Motorrespons
De motorrespons kwantificeren is lastig. Hiervoor zijn verschillende oplossingen te vinden in de literatuur met hun eigen voor en nadelen:
De tijd bepalen die nodig is om een bepaald percentage van de vuldruk te halen die hoort bij de steady-state vuldruk van het nieuwe setpoint.
Een andere mogelijkheid is het bepalen van de tijd die het kost voordat het gevraagde koppel geleverd wordt, dit is dus afhankelijk van de begrenzing van de ingespoten
brandstofhoeveelheid.
- De tijd die nodig is om van oude naar het nieuwe toerental te komen, bij een
toerental])
afhankelijke belasting (zie figuur 16)
Bij een voorgeschreven toerental
als funktie van de tijd,
kan het gedurende deze tijdgeleverde koppel warden gelntegreerd over de tijd of pleats. Het resulterende oppervlak kart uitgedrukt worden als een percentage van het steady-state oppervlak bij dat toerenverloop. Dit zijn slechts enkele van de vele mogelijkheden die te bedenken zijn.
Oomerkingen
In bet vervolg gaat de meeste aandacht uit naar de responsvariabelen PM en NOx omdat deze twee schadelijke emissies het moeilijkst binnen de grenzen van de wetgeving te krijgen zijn. De
wetgeving concentreert zich verder op HC en CO, deze eisen zijn echter in het algemeen bij HD-diesel motoren redelijk eenvoudig te verwezenlijken.
Emissie eisen voor CO, zijn er niet omdat dit direct gerelateerd is aan het bsfc en de gebruikte brandstof. De motorenfabrikant heeft geen invloed op de gebruikte brandstof en het bsfc wordt, vanuit commercieel oogpunt, toch zo laag mogelijk houden.
Oak voor SOx is er geen aparte wetgeving, een deel ervan wordt echter web gemeten bij PM metingen. De SOx emissie is geheel afhankelijk van het zwavelgehalte van de gebruikte brandstof en kan daarom niet door de motoren fabrikant beinvloed worden.
Voor rook is er ook geen aparte wetgeving omdat het te veel afhangt van hie controleerbare omstandigheden.
Om de prestaties van de motor te kunnen optimaliseren, is echter optimalisatie van de
motorrespons tegen de emissies en/of het bsfc vereist. In hoofdstuk 3 'Discrete transient tests' verder wordt dit nader toegelicht.
10 16 ZOO 200
Soot-Em is ion
-2 CAAlDc Fig. B1/3Brake Spec. Fuel Consumption
With Pilot --Injoction
100 -6 -2 Begin 611.1n Injection 281...- 1* CA AT1OC SDI-2 CA Fig. B1/4 CA ATI2C Fig. B1/1
H C-Ern
Is el
on
CA ATDC Fig. B1/2NOx-Ernission
2 4 6 CA ATDC ,60 ,20 ,*0 -.. '.... ...00. -00-4 .4 -Z -inc Z 4 4Figure 17: Het effect van de timing van de injectie op de
emissies en het bet C.
3 0 OEMO 93/24
S
a
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
7 DE CONTROLVARIABELEN
7.1 TIMING EN INSPUITDRUK
7.1.1 Wat is timing?
Wanneer in het vervolg over het begrip timing wordt gesproken dan wordt daarmee het tijdstip bedoeld, waarop begonnen wordt de brandstof de cilinder in te spuiten. Dit beginvan de injectie wordt uitgedrukt in graden voor of na het bovenste dode punt van de cilinder. Wanneer de injectie in twee delen pleats vindt dan hoot het eerste deel de pilot-injectie en het tweede deel de hoofd-injectie (zie figuur 18). In het hieropvolgende deel van het hoofdstuk zal eon indruk warden gegeven van de grote invloed van de timing op de eigenschappen van een dieselmotor en in welke richtingen de optima gezocht zullen moeten warden.
7.1.2 Invloed van timing or) motoreigenschaboen en emissies
De timing in een setpoint wordt meestal gerelateerd aan de timing die optimaal is voor het bsfc.
Wanneer het bsfc optimum bij 2 graden voor het bovenste dode punt (BDP) ligt, dan is
inspuiting bij 4 graden voor BDP een vroege timing en inspuiting op het BDP zelf een late timing. Het effect van een vroege timing op de motoreigenschappen en de emissies is als volgt (zie ook figuur 17):
- hogere piekdruk (mechanische belasting)
hogere piektemperaturen (thermische belasting) grotere drukgradient (meer lawaai)
- grotere NOx emissie
- lagere HC, CO emissie
verslechtering van bsfc (drukvulgroep heeft minder profijt van de brandstof bij zelfde
ingespoten brandstofhoeveelheid, dit effect is zeer gering en treedt bij hoge belasting en/of toerentallen niet op)
een lagere PM emissie
*
-3W
... an TO-Cylinder Pressure
MIMIrrdir1111
rearas
boa
11/11/10
IMMILI
.
pr--ad
1
13 a.
2 5 ISO aLso ...SOCy
40 .. 1Heat 0Release
1. Fig. A.2/1dOlda
c... e-30 -as -10 TOO a0 20 Ca maimao ao
Fig A2/2
I I rude r P race Lira Rate etp/cla
MN
Ilikir-an
TIM
Willria
Mil
MI
laillrian
trawarais
Mil
Mill
1 0,360 0,200o.,"
.0.100Needle Lift
CA ATTIC1111
ra VIII
HE
MIMI
UM WIN
11111 -,20 -20-o
TOC WI Menet 10 20 30a
CA ATDC Plilotaniaction small PlIot-InJoetiontoo Iota Phot-injoollon Fig. A2/4
b... ... ...
With With
Figure 18: Het effect van pilot-injectie op de heat-release en de druk in de cilindert
32 OEMO 93/24
.20
Fig.
mptimalisette-vah de chhtrblvatiabalcat Vah iein heavy-duty diesel motor it
Kenmerken van eat-Clete zijn (zie ook ifiguur 17):r
ilagere NOx emissie
verslechtering van bsfc (er zal. een moor isobare verbranding zijn omdat de verbranding later lbegint, dit gaat ten koste van het rendement van, het omzetten van de verbrandingswarmte in arbeid, zoals ook duidelijk .blijkt uit het theoretische Seiliger dieselproces)
hogere HC, CO emissie i.h.a. hogere PM emissie
hogere uitlaatgastemperaturen betere transient drukvillgroep, irespans ((bij een transient respons van de motor zelf)I
Tip:lens transients is het tegelen van de timing een effectief middel, om de rookemissie in de band to houden zonder dat de respons veel invloed ondervindt van doze veranderingen. verandering van de timing spelen namelijk twee tegengestelde, elkaar iredelijk compenserende, effecten een rol. Ten eerste zal door de hogere uitlaatgastemperatuur eon grotere volumestroorn door de turbine gaan en zal doze sneller "loptoerent. Het tweede effect is het afnemen van het motorkoppell t.g.v. de lagere geindiceerde drukken. De timing kan dus optima& voor de rook gekozen worden en zal vriji dicht bij het 'optimum van bsfc liggen.
Het ideale inspuitverloop is als volgt:
Een in het begin igelijkmatig toenemende boemeelheidi 4rnm3 per krukgraad), want dit geeft minder premix verbranding:
lagere drukgradient (minder lawaai)I
lagere piekdruk lagere mechanische belasting lagere lakale piektemperaturen =minder NOx
IHet tweede deell van het verloop is het constant blijven van de ingespoten hoeveelheid per krukgraad. Dit is gunstig voor de goede verstuiving van de brandstofen eon goede bereiding van het mengsel.
- Tot slot moet de iinjektie zo snel mogelijk afgekapt worden on moeten elle vcirmen yin
ongewenste na-injectie voorkomen worden. Dit is om een slechte verstuiving, van de laatste druppeltjes to voorkomen, doze veroorzaken PM en HC emissie..
136 pilot-injektie
wordt voor de
hoofd-injektieeon relate kleine
hoeveelheid brandstofingespoten. Hierdoor kan de verbranding rustiger verlopen (zie figuur 18), in combinatie met een lagere uitstoot van NOx on I-IC en/of eon lagere bsfc. Enkele complicaties die ,naar voren komen bij, de uitvoering van pilot-injektie zijn:
- Afhankelijk van ,de tudItussen de pilot en hoofd-injektie kan de PM uitstootIgroter worden als
gevolg van injektie in eon hoot brandend mengsel (als gevolg van gebrek aan, tijd om to verdampen, kraakt de brandstof).
'Om de 'NOx uitstoot sterk to reduceren moat de boofdinjektie verlaat worden, om maXimum temperaturen, omlaag to krijgen.
Dit gaat echter weer ten ,koste van het bsfc = moat
geoptimaliseerd worden.- Bij te grote pilot injectie neemt de NOx iemisSie weer toe orfidat dit te hoge temperaturen ;tot timing -- slechtere Bij i.h.a.
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
De invloed van de timing op het maximaal koppel is aanzienlijk. De timing heeft namelijkgrote invloed op:
- De maximum temperatuur in de uitlaat
- De maximum druk in de cilinder
- De NOx emissie (hoger bij vervroegen van de timing)
'De PM emissie (voornamelijk roet)
Om een hoog koppel te kunnen halen zal voor een vrij vroege timing moeten worden gekozen. Dit geeft echter weer hoge drukken in de cilinder en een grote NOx produktie.
7.1.3 Invloed van ontstekinosvertraging OP timing
Waar in feite met de timing naar gestreefd worth, is om begin van de verbranding zo optimaal mogelijk te leggen. De tijdvertraging tussen begin inspuiting en begin verbranding zal in het vervolg als ontstekingsvertraging worden aangeduid. Deze ontstekingsvertraging is sterk
afhankelijk van condities in de cilinder, te weten: 1 - momentane cilinderdruk
2 - momentane, plaatselijke mengseltemperatuur
3 - inlaatlucht samenstelling (i.v.m. uitlaatgas recirculatie) 4 - inspuitdruk
5 - brandstofsamenstelling
11 Si] een toename van de cilinderdruk neemt de ontstekingsvertraging sterk af. Dit geeft afname van de ontstekingsvertraging bij:
Hogere inlaatdruk.
inspuiting rond het BDP i.p.v. ver voor of ver na het BDP.
Pilot-injektie, het ontstekingsuitstel van de hoofd-injektie neemt af toy. een standaard
injektie op hetzelfde tijdstip zonder pilot.
Bij verse lucht i.p.v. "Licht met gerecirculeerd uitlaatgas omdat de eindcompressie druk dan hoger ligt.
optimalisane van de controlvariabelen yen Teen heavy-duty diesel motor
2IBij toename van de iokale temperaturen in de cilinder neemt de onstekingsvertraging ook af. Olt geeft een kleinere ontstekingsvertraging in de volgende gevallen:
Bij een hogere inlaattemperatuur.
Bij inspuiting rand het BDP i.p.v. ver voor of ver na het BDP.
Biji pilot-injektie, het ontstekingsuitstel van de hoofd-injektie neemt :den af toy. een standaard injektie op hetzelfde tijdstip zonder pilot-injektie.
Bij, verse lucht i.p.v. lucht met gerecirculeerd luitlaatgas nrndat tie eindcompFessie
lemperatuur dan hoger ligt.
8) Wanneer er minder zuurstof in de inlaatlucht zit dan duurt het langer voordat de ontsteking begint omdat de brandstofmolekulen, a..h.w. langer moeten zoeken naar een zuurstofmolekuui Dit grotere onstekingsuitstel is het geval bij
Een lager zuurstofgehalte in de buitenlucht., - llitlaatgas secirculatie ,(EGFO.
4] Bij toename van de inspuitdruk neemt in het algemeen, de ontstekingsvertraging at omdat er een betere, fijnere verstuiving, van de brandstof plaatsvindt die een snellere verdamping van de
brandstofdruppeltjes tot gevolg heeft.
51 De ontstekingskwaliteit: (het ,cetaangetal) van de HD-diesel brandstof varieert vrij. weinig. Mede omdat de controlvariabelen hier oak gpen invloed op hebben, daar het 'Met gemeten wordt, wordt er hier verder niet op in gegaan.
In het algemeen valt te stellen ,dat afname van het ontstekingsuitstel een minder iheftige, Premix-verbranding tot gevolg heeft en dus een grotere diffusieve Premix-verbranding.
Oak is duidelijk, dat wanneer er un een heet brandend mengsell geinjekteerd werdt de
toetvorming en this de PM emissie toeneemt.
7.1.4 Wat is de ihsourtdrok?
Als over de inspuitdruk wordt gesproken dan is dit meestah de maximale druk van de brandstof die ingespoten worth.. Oft kan zowel bij, de pomp als Ibij de verstuiver gemeten warden en het gemiddelde, de commonrail druk, is dan een goede vergelijking van verschillende inspuit-systemen. Deze commonrail druk ligt bij conventionele lijnpompen maximaal rond de 80 MPa. Bij moderne pompverstuivers ligt de maximale druk rand de 150 Mpa en de vervvachting is dat in de toekomst de drukken richting 'de 180, a 200 Mpa gaan,
-= 1600 omw/min
p. = 340 kPa
pm. = 1360 kPa
Pc .100MPa Pc = 80MPa &a Pc 60MPa 4 -0 220 r c..) 21; 1130-190 rt, 170 U- 10 oo 0.20 0.16 0.12 0.10 0.08 0.04 0Optimized Mixture Formation with Swirl
without Swirl
I
Total Particulate iimIt USA 1994
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Peak Injection Pressure at Rated Power - bar
Figure 20: De invloed van swirl op de optimale maximale inspuitdruk.
38 OEMO 93/24 1.3 Pc. 100MF 80MF 0.3 to. 12 1 1 pc 6GMF
t 0.2
g co 1.0 0.1 0 2 0.9 0 81-r 07L 4Figure 19: Het effect van de inspuitdruk op de emissies bij hay, en loge belasting van de motor.
4 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7
NOx (g/bnp.hr) NOx (One.hr)
oo Pc.
optimalisatie van de controlvariabelen van een heavy-duty diesel motor
7.1.5 Invloed van insouitdruk oo de emissies
Verhoging van de inspuitdruk geeft het volgende te zien: - Bij gelijk blijvende timing eindigt de inspuiting eerder.
De timing kan warden verlaat bij een gelijk blijvend einde van de inspuiting.
Bij een gelijk blijvende doortocht van de verstuivers, vvordt de ingespoten hoeveelheid
brandstof per krukgraad groter.
- Voor een gelijk blijvende inspuitduur, moet de totale doortocht van de verstuivers kan worden
verkleind.
Aangezien het einde van de inspuiting niet te laat pleats mag vinden, omdat de dan ingespoten brandstof niet volledig meer verbrandt, is er een grens aan het verlaten van de timing en het verkleinen van de doortocht van de verstuivers. Verhoging van de brandstofdruk levert een
betere verstuiving, daardoor een betere verdamping van de brandstof druppeltjes en een kleinere ontstekingsvertraging. T.g.v. de grotere hoeveelheid ingespoten brandstof per krukgraad, neemt
echter de pre-mix verbranding toe. Wanneer de doortocht van de verstuivers nu verkleind
wordt, kan de pre-mix verbranding worden beperkt. Dit resulteert in een lage NOx emissie. Vervolgens wordt de rest van de brandstof weliswaar in een brandend mengsel ingespoten, maar bij voldoende hoge inspuitdrukken, verdampen de brandstofdruppeltjes voor ze kunnen
kraken t.g.v. de hoge gastemperatuur. Dan wordt dus ook weinig roet gevormd tijdens de
verbranding.
Een nadeel van de hoge inspuitdrukken is dat door de fijne brandstofverstuiving, de lokale
zuurstofovermaat als het ware grater wordt. Hierdoor zullen bij lage belasting minder druppeltjes tot ontbranding komen. De HC emissie neemt dus bij verhoging van de brandstofdruk toe (zie figuur 19).
Een bijkomend positief effect van de hoge inspuitdrukken bij hoge belastingen is dater minder swirl nodig is om een volledige snelle verbranding te verkrijgen. Dit komt doordat de brandstof verder doordringt in de verbrandingskamer. De swirl veroorzaakt bij hoge lasten NOx en HC vorming, die dan dus verminderd kan warden (zie figuur 20).
Het regelen van de inspuitdruk kan dus bijdragen tot verdere emissie-reductie van een
dieselmotor.
De inspuitdruk heeft slechts een kleine invloed op het maximum koppel. Voornamelijk de vorming van de PM (grotendeels roet) wordt beInvloed door de inspuitdruk. Omdat de
inspuitdruk bij deze hoge belasting toch zo hoog mogelijk genomen wordt, is dit verder niet te verbeteren.
In de toekomst zal dus waarschijnlijk de oplossing liggen bij regelbare inspuitdrukken en een klein doorstroomoppervlak van de verstuivers. Bij lege belasting hoort dan een lage inspuitdruk en bij hoge belasting hoort een hoge inspuitdruk. Dit resulteert in een grote inspuitduur met weinig NOx, PM en HC emissie.
-Pump control pulse Pump control valve Common rail Injector Leak One way orifice Hydraulic piston Conventional nozzle
Figure 21: Schematisering van het EC-U2 injectie systeem van Nippondenso.
40 OEMO 93/24
Three way valve Fuet
pressure sensor
