Post on 21-Jun-2015
description
transcript
1
TEZĂ DE DOCTORAT
STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND INFLUENȚA PARAMETRILOR GESTIONAȚI DE CĂTRE UNITATEA ELECTRONICĂ DE
CONTROL ASUPRA PERFORMANȚELOR MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ CARE FUNCȚIONEAZĂ
CU COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
Autor: Drd. Ing. Călin ICLODEAN, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
Conducător Ştiinţific: Prof. Univ. Dr. Ing. Nicolae BURNETE
Cluj-Napoca, 2013
2
CUPRINS
1. INTRODUCERE. 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR CU PRIVIRE LA INFLUENȚELE UNITĂȚII
ELECTRONICE DE CONTROL ASUPRA PERFORMANȚELOR MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ.
3. SIMULAREA FUNCȚIONĂRII UNUI MOTOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE ALIMENTAT CU BIOCOMBUSTIBILI ÎN CAZUL MODIFICĂRII PARAMETRILOR DE INJECȚIE GESTIONAȚI DE UNITATEA ELECTRONICĂ DE CONTROL.
4. CERCETARI EXPERIMENTALE PRIVIND INFLUENȚA MODIFICĂRII PARAMETRILOR UNITĂȚII ELECTRONICE DE CONTROL ASUPRA PERFORMANȚELOR MOTOARELOR CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE.
5. MODIFICAREA PARAMETRILOR DE INJECȚIE PENTRU MOTORUL CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE CE FUNCȚIONEAZĂ CU BIOCOMBUSTIBILI.
6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII PERSONALE. DIRECȚII DE DEZVOLTARE.
3
1. INTRODUCERE
IMPORTANȚA: utilizarea amestecurilor de biocombustibili în alimentarea motoarelor cu ardere internă și adaptarea managementului procesului de injecție la normele impuse de legislația europeană. SCOPUL: optimizarea injecției la motoarele cu aprindere prin comprimare alimentate cu amestecuri de biocombustibili pentru un raport optim între emisii și consum în condițiile menținerii performanțelor energetice.
4
OBIECTIVUL: pentru a crește cantitatea de căldură eliberată pe ciclu motor în situația utilizării amestecurilor de biocombustibili, s-au propus cercetări asupra modificarea parametrilor de funcționare ai unității electronice de control pentru optimizarea proceselor motoroarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu biocombustibili. METODOLOGIA: dezvoltarea prin simulare computerizată a modelelor de motoare studiate, optimizarea parametrilor de comandă și control și validarea rezultatelor obținute prin determinările experimentale.
5
Modulele componente ale unității electronice de control – schema bloc
2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR
Unitatea electronică de control (ECU)
6
Sistemul de management al motorului cu aprindere prin comprimare
prail [bar]
ti_main [µs]
vol_main [mm3]
Par
amet
rii d
e in
jecț
ie c
onsi
dera
ți
7
3. SIMULAREA FUNCȚIONĂRII M.A.C. ALIMENTAT CU BIOCOMBUSTIBILI
Algoritmul procesului de simulare
Datele inițiale pentru construirea modelului
Model TWO ZONE TABLE rezultate experimentale
Model de ardere AVL MCC (amestec controlat ardere)
Lege injecție NormROI
Lege injecție iRate
Serii de simulare main1, main2, main3
Serii de simulare main1, main2, main3
Compararea și optimizarea parametrilor procesului de injecție și
de ardere
Validarea rezultatelor simulărilor computerizate cu rezultatelele determinărilor experimentale
8
Modelul în AVL Boost pentru motorul monocilindric AVL5402: SB1... SB6 – condițiile limită, 1 ... 15 – conducte fluide, J1 – joncțiune, MP1 ... MP5 – puncte de măsură, R1 ... R4 – restricții,
I1 – injector, C1 – cilindrul (simulări NormROI), C2 - cilindrul (simulări iRate), C3 – rezultatele experimentale, PL1 ... PL3 – galerii, CAT1 – catalizator, ECU1 – unit electronică de control , E1 – elementul motor.
Optimizarea parametrilor de ardere prin algoritmi genetici
Combinare liniară Caracteristica combinată Rezultate simulări
Statistica optimizării
Caracteristica integrată ROHR pentru
27 cazuri studiate
- igndel - compar - turbpar - disspar
9
10
Compararea rezultatelor simulărilor cu rezultatele măsurătorile experimentale (înainte și după optimizare)
11
Variația căldurii eliberate în cilindru determinată prin simulare: a – căldura maximă eliberată în cilindru crește odată cu procentul de biocombustibil din amestec,
b – distribuția căldurii eliberate scade odată cu creșterea procentului de biocombustibil: B10 – 2 %, B20 – 4 %, B50 – 8 %, B100 – 16 %.
a) b)
12
Variația emisiilor de NOx determinate prin simulare: a – emisiile maxime de NOx cresc odată cu creșterea procentului de biocombustibil,
b – distribuția emisiilor de NOx crește odată cu creșterea procentului de biocombustibil: B10 – 2 %, B20 – 4 %, B50 – 7 %, B100 – 12 %.
a) b)
13
Variația emisiilor de CO determinate prin simulare: a – emisiile maxime de CO scad odată cu creșterea procentului de biocombustibil,
b – distribuția emisiilor de CO scade odată cu creșterea procentului de biocombustibil: B10 – 2 %, B20 – 4 %, B50 – 12 %, B100 – 20 %
a) b)
14
Modelul în AVL Boost pentru motorul policilindric Renault K9K: SB1... SB2 – condițiile limită, 1 ... 30 – conducte, CL1 – filtru de aer, MP1 ... MP12 – puncte de măsură, TC1 – turbocompresor,
CO1 – intercooler, R1 ... R4 – restricții, PL1 ... PL4 – galerii, I1 ... I4 – injector, C1 ... C4 – cilindrii (simulări iRate), J1 ... J5 – joncțiune, CAT1 – catalizator, ECU1 – unit electronică de control , E1 – elementul motor.
15
Variația căldurii eliberate determinată prin simulare pentru motorul policilindric: a – distribuția căldurii scade la creșterea procentului de biocombustibil (2 % - B10, 3 % - B20), b – distribuția căldurii scade în urma modificării parametrilor de injecție (1 % - B10, 2 % - B20).
0.75
0.80
0.85
0 1000 2000 3000 4000 5000
Dis
tribu
ția c
ăldu
rii [J
/°R
AC
]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
0.75
0.80
0.85
0 1000 2000 3000 4000 5000
Dis
tribu
ția c
ăldu
rii [J
/°R
AC
]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
a) b)
16
Variația emisiilor de NOx determinate prin simulare pentru motorul policilindric: a – emisiile maxime de NOx cresc la creșterea procentului de biocombustibil (1.5 % - B10 și 2.5 % - B20),
b – emisiile maxime de NOx cresc în urma modificării parametrilor de injecție (2 % - B10 și 3 % - B20).
1.40
1.45
1.50
1.55
1.60
1.65
1.70
0 1000 2000 3000 4000 5000
Emis
iile
max
ime
NO
x [m
g]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
1.40
1.45
1.50
1.55
1.60
1.65
1.70
0 1000 2000 3000 4000 5000
Emis
iile
max
ime
NO
x [m
g]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
a) b)
17
Variația emisiilor de CO determinate prin simulare pentru motorul policilindric: a – emisiile maxime de CO scad la creșterea procentului de biocombustibil (2.5 % - B10 și 5 % - B20),
b – emisiile maxime de CO scad în urma modificării parametrilor de injecție (3.7 % - B10 și 6.8 % - B20).
2.9
3.0
3.0
3.1
3.1
3.2
3.2
3.3
3.3
3.4
3.4
0 1000 2000 3000 4000 5000
Emis
iile
max
ime
CO
[mg]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
2.9
3.0
3.0
3.1
3.1
3.2
3.2
3.3
3.3
3.4
3.4
0 1000 2000 3000 4000 5000
Emis
iile
max
ime
CO
[mg]
Turația motorului [rot/min]
Diesel B10 B20
18 Variația procentuală dintre emisiile de NOx și NOxmodificat suprapuse peste CO și COmodificat
19
Principalele module constructive sunt:
modul admisie modul monocilindru modul dinamometru modul transfer termic modul evacuare modul control
Modelul motorului monocilindric în AVL
Boost RT
20
AVL Boost RT descrie modelul corespunzător motorului studiat: Modelare cu element cilindru
(valori medii pentru ecuațiile termice și mecanice);
Modelare cu elementul surogat (flux de căldură, emisii de noxe și consumul de combustibil).
Metodologia de transformare în model surogat
21
Generarea motorului surogat pentru motorul monocilindric: SB1... SB2 – condițiile limită, 1 ... 11 – conducte, J1 – joncțiuni, MP1 ... MP5 – puncte de măsură, CL1 – filtru de aer, R1 ... R2 – restricții,
PL1 ... PL3 – galerii, I1 – injector, C1 – cilindru, CAT1 – catalizator, ECU1 – unit electronică de control , E1 – elementul motor, EI1 ... EI5 – interfața cu motorul, F1 ... F2 – cititoare de formule, MNT1 ... MNT2 – element monitor.
Interfața cu motorul monitorizează și controlează sistemul de management:
EI1 – Transferul termic în cilindru EI2 – Date despre procesul de ardere EI3 – Transferul termic între cilindru și
elementele de conectare EI4 – Transferul termic prin pereții cilindrului
EI5 – Raportul de comprimare aer - combustibil
22 Modelul surogat pentru motorul monocilindric
Variația emisiilor de NOx și CO
Avantajele motorului surogat Durata medie simulare scade
AVL Boost CS ~ 70.00 sec AVL Boost RT ~ 3.00 sec
23
4. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA PARAMETRILOR ECU
Echipamentele de testare și standul experimental:
1 – dinamometrul DynoRoad 202;
2 – motorul experimental AVL 5402; 3 – placa de bază hidraulică;
4 – caseta conexiuni BoomBox; 5 – sistemul de control ECU;
6 – sistemul de răcire; 7 – unitatea AVL Visioscope;
8 – opacimetru gaze evacuare; 9 – sistemul alimentare combustibil;
10 – sistemul optic de acces în camera de ardere.
24
Evaluarea performanțelor pe baza consumului specific efectiv de combustibil
pentru motorul monocilindric.
Evaluarea performanțelor pe baza consumului specific efectiv de energie
pentru motorul monocilindric.
Consumul specific de combustibil crește la creșterea procentului
de biocombustibil.
Consumul specific de energie scade la
creșterea procentului de biocombustibil.
25 Sistemul de acces optic AVL VisioScope.
diesel
biodiesel B20
26
– 19.00 ºRAC + 2.00 ºRAC + 4.00 ºRAC + 14.00 ºRAC + 14.00 ºRAC + 14.00 ºRAC
– 19.00 ºRAC 0.00 ºRAC + 2.00 ºRAC + 12.50 ºRAC + 12.50 ºRAC + 12.50 ºRAC
Procesul de injecție și de ardere a combustibilului diesel la turația de 1000 rot/min
Procesul de injecție și de ardere a combustibilului biodiesel B20 la turația de 1000 rot/min
27
2000
2100
2200
2300
2400
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tem
pera
tura
în c
ilind
ru [K
]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC] 1000 rot/min 1500 rot/min 2000 rot/min
2000
2100
2200
2300
2400
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tem
pera
tura
în c
ilind
ru [K
]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC] 1000 K 1500 K 2000 Kdiesel
Medie puncte măsură a depunerilor de funingine
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Con
cent
ratia
de
funi
ngin
e
[pix
eli/a
ria c
ilind
ru]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC] 1000 rot/min 1500 rot/min 2000 rot/min
02000400060008000
10000120001400016000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45C
once
ntra
tia d
e fu
ning
ine
[p
ixel
i/aria
cili
ndru
lui]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC] 1000 rot/min 1500 rot/min 2000 rot/minbiodiesel B20
Medie puncte măsură a depunerilor de funingine
Medie puncte măsură a temperaturii procesului de ardere Medie puncte măsură a temperaturii procesului de ardere
28
0
10
20
30
40
50
60
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Pute
rea
[kW
]
Turația motorului [rot/min]
ExperimentalSimulare 0
20406080
100120140160180
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Mom
entu
l mot
or [N
m]
Turația motorului [rot/min]
ExperimentalSimulare
0.2
0.3
0.4
0.5
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Con
sum
spe
cific
efe
ctiv
co
mbu
stib
il [k
g/kW
h]
Turația motorului[rot/min]
DieselB10B20
9
12
15
18
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500C
onsu
m s
peci
fic e
fect
iv
ene
rgie
[MJ/
kWh]
Turația motorului[rot/min]
DieselB10B20
Variația parametrilor de performanță ai motorului policilindric
consumul de combustibil crește cu
procentul bio din amestec cu
valori 2 și 4 %
consumul de energie scade cu procentul de biocombustibil cu valori între 1
și 3 %
maxim 160Nm la 2000 rot/min consum minim de energie și combustibil
29
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
NO
x [p
pm]
Turația motorului [rot/min]
Diesel
B10
B20
0
50
100
150
200
250
300
350
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
CO
[ppm
]
Turația motorului [rot/min]
Diesel
B10
B20
Variația emisiilor de NOx determinate experimental crește B10 - 1.21 %, B20 – 2.13 %
Variația emisiilor de CO determinate experimental crește B10 - 2.10 %, B20 – 3.80 %
30
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Tens
iune
com
andă
inje
ctor
[V]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC]
1500
2000
2500
Diesel
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Tens
iune
com
andă
inje
ctor
[V]
Unghi de rotație arbore cotit [°RAC]
1500
2000
2500B20
Variația semnalului de comandă a injectoarelor pentru motorul policilindric
- injecția pilot identică la toate turațiile; - injecția principală crește cu procentul de
biocombustibil; - crește avansul la injecție pentru amestecuri
de biocombustibili.
31
y = 0.7862x + 0.6456 R² = 0.9985
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
10 20 50 100
Rap
ortu
l dis
tribu
ției c
ăldu
rii e
liber
ate
[%]
Concentrația de biocombustibil din amestec [%]
Legea de variatie a caldurii eliberate
Linear (Legea de variatie a calduriieliberate)
Variația a căldurii eliberate în funcție de procentul de biocombustibil din amestec
6456.07862.0 +×= biodieselbiodiesel
diesel VQQ
Qdiesel/Qbiodiesel raportul între distribuția căldurii, eliberate pentru diesel și amestecul considerat [%], Vbiodiesel concentrația de biodiesel din amestec [%], 0.6456 constantă determinată din variația liniară. Pe baza rezultatelor experimentale obținute s-a determinat o corespondență între raportul căldurii medii eliberate și caracteristicile energetice ale amestecului de combustibil utilizat.
32
Hărțile de injecție în urma optimizării parametrilor funcționali
a – diesel; b – B10 optimizat, c – B20 optimizat, d – B50
optimizat, e – B100 optimizat
a) b) c)
d) e)
33
5. MODIFICAREA PARAMETRILOR DE INJECȚIE AI M.A.C.
00.511.522.533.544.55
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3
Tens
iune
com
andă
[V]
Tens
iune
lam
bda
[mV
]
Timp [ms]
Tensiune Lambda Tensiune AmplificataTensiune Comanda
Sistemul de control al amestecului aer-combustibil, realizat și implementat la motorul policilindric pentru creșterea cantității de biocombustibil injectată
34
6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII. DIRECȚII DE DEZVOLTARE.
unitatea ECU controlează injecția de combustibil, performanțele de putere și emisiile de noxe; biocombustibilii reprezintă o soluție de înlocuire a combustibililor fosili pentru alimentarea MAI; consumul de combustibil a crescut odată cu procentul de biocombustibil din amestec 2 - 4 %; performanțele energetice au scăzut până la 20 % cu creșterea procentului de biocombustibil; pierderile de moment și putere au fost între 5 și 10 % și au crescut odată cu turația motorului; presiunea maximă în cilindru a crescut cu procentul de biocombustibil cu valori de 0.5 - 1.5 %; căldura eliberată a scăzut cu procentul de biocombustibil din amestec cu valori de 1.5 – 5 %; temperatura în cilindru a scăzut cu procentul de biocombustibil din amestec între 0.2 - 1.5 %; emisiile de NOx au crescut cu procentul de biocombustibil din amestec cu valori de 2 – 12 %; emisiile de CO au scăzut cu procentul de biocombustibil din amestec cu valori de 3.5 – 19 %; pentru amestecurile de biocombustibil avansul la injecție crește datorită proprietăților acestora; simulările computerizate validate prin cercetările experimentale au stabilit optimul economic; evaluând amestecurile de biocombustibili dpdv energetic, ecologic, costuri, rezultă că utilizarea
acestora reprezintă o soluție reală la înlocuirea combustibililor fosili.
35
6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII. DIRECȚII DE DEZVOLTARE.
dezvoltarea și validarea a două modele de simulare pentru motoarele existente; implementarea a două legi de injecție de combustibil în modele construite (nR, iR); optimizarea parametrilor de ardere prin algoritmi genetici ptr. validarea rezultate; dezvoltarea și integrarea în stand testare a model. MAC pentru simulări în timp real; transformarea modelului MAC în model surogat, reducerea timpului de simulare; realizarea unui modul de control a ECU prin modificarea semnal. senzor oxigen; analiza termografică a influenței amestec. de biocombust. asupra emisiilor de noxe.
36
6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII. DIRECȚII DE DEZVOLTARE.
implementarea de noi surse de energie ptr. o bună eficență în funcționarea MAC; studiul influenței parametrilor ECU asupra unor altor tipuri de emisii poluante; aplicarea algoritmului dezvoltat și validat pentru MAC alim. cu amestecuri terțiale; aplicarea algoritmului dezvoltat și validat pentru MAS alim. cu amestec bioetanol; implementarea în ECU a legilor teoretice care guvernează procesul de ardere; dezvoltare hărți de injecție de combustibil adaptate pentru particularitățile biocomb.; modificarea și adaptarea ECU conform normelor UE cu privire la poluare.
37
VĂ MULȚUMESC PENTRU ATENȚIE !
calin.iclodean@auto.utcluj.ro
NOTĂ: Această lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul " Creșterea calității studiilor doctorale în științe inginerești pentru sprijinirea dezvoltării societății bazate pe cunoaștere", contract:
POSDRU/107/1.5/S/78534, proiect cofinanțat din Fondul Social European prin Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.