Teza de Doctorat - Calin ICLODEAN - ECU

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)

Relatore

Note di presentazione

căldura maximă eliberată scade odată cu creșterea turației din cauza reducerii eficenței procesului de amestec dintre particulele de biocombustibil și aerul disponibil din interiorul camerei de ardere, proces care prezintă particularități ce depind de parametrii funcționali ai motorului, motiv pentru care eficiența formării amestecului scade odată cu turația și odată cu timpul disponibil realizării amestecului de ardere; distribuția căldurii eliberate în cilindru crește odată cu scăderea procentului de biocombustibil din amestec, cu valori maxime obținute pentru turațiile de 2000 rot/min și 4000 rot/min, datorită caracteristicilor fizico – chimice ale amestecurilor care au o căldură specifică mai mică, dar o densitate și o viscozitate mai mare decât a combustibilului diesel și determină injectarea în camera de ardere a unui volum mai mic de combustibil în cazul biodieselului; prezența oxigenului din structura chimică a biocombustibilului, favorizează procesul de ardere al amestecului și îmbunătățește cantitatea de căldură obținută pe ciclu motor cu influențe imediate asupra parametrilor energetici ai motorului (randamentul indicat ηi);

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

]


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]


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]


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]


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]


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

Relatore

Note di presentazione

Media punctelor de măsură a temperaturii procesului de ardere pentru motorul AVL 5402: combustibilului diesel, b) biodieselului B20 la creșterea turației scade căldură eliberată avansul la injecție crește la biodiesel datorită densității și viscozității mai mari față de diesel procesul de ardere este accelerat la biodiesel datorită cifrei cetanice și concentrației de oxigen consumul crește odată cu creșterea procentului de biocombustibil datorită puterii calorice reduse Fig. 48. Media punctelor de măsură a depunerilor de funingine pentru motorul AVL 5402 : combustibilului diesel, b) biodieselului B20 depunerile de funingine cresc datorită arderii ineficente și densității mari a biocombustibililor depunerile de funingine sunt în jurul injectorului penetrația jetului de injecție este mai mare pentru biocombustibili datorită creșterii presiunii de injecție ca urmare a densității și viscozității

28

0

10

20

30

40

50

60

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Pute

rea

[kW

]


ExperimentalSimulare 0

20406080

100120140160180

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Mom

entu

l mot

or [N

m]


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]


Diesel

B10

B20

0

50

100

150

200

250

300

350

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

CO

[ppm

]


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


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


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 !

[email protected]

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.

mailto:[email protected]

Date post:	21-Jun-2015
Category:	Automotive
Upload:	iclodean-calin
View:	531 times
Download:	3 times

Teza de Doctorat - Calin ICLODEAN - ECU

Automotive