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1 Matlab EXPO Optimierung des Instationärverhaltens aufgeladener Großmotoren mit Model-Based Design Dr. Mathias Moser, MAN Diesel & Turbo SE Advanced Engineering / Thermodynamics < 1 >

2 Disclaimer All data provided on the following slides is for information purposes only, explicitly non-binding and subject to changes without further notice. < 2 >

3 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 3 >

4 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 4 >

5 MAN Gruppe Firmenstruktur MAN Guppe Commercial Vehicles Power Engineering MAN Truck & Bus MAN Latin America MAN Diesel & Turbo RENK (76 %) < 5 >

6 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 6 >

7 MAN Diesel & Turbo Motorpalette Viertaktmotoren Mittelschnellläufer kw Zweitaktmotoren Langsamläufer kw < 7 >

8 Viertakt Zweitakt MAN Diesel & Turbo Motorpalette Motor Anwendung Betriebsart Dyn. Anf. Diesel bis kw Diesel kw Gas kw DF kw Tanker Containerschiffe etc. Fähren Kreuzfahrtschiffe Kabelleger Offshoreversorger Bohrschiffe Hilfsmotor Stationär Stationär Schiffsantrieb, Hilfsmotor, Stationär Propulsionsantrieb rpm direkt an Propeller Dieselmechanisch Dieselelektrisch rpm Dieselelektrisch Genaratorbetrieb Genaratorbetrieb Kompressorbetrieb Dieselelektrisch Genaratorbetrieb Mittel Mittel Hoch Mittel bis Hoch Mittel bis Hoch Mittel bis Hoch < 8 >

9 MAN Diesel & Turbo Diesel-/ Gasmotorenbeispiel Motordaten: 6L32/44 CR TS Hub 440 mm Bohrung 320 mm Leistung kw Drehzahl 750/720 rpm ND / HD-Turbolader TCR 20 / TCR 18 L/B/H 6.3/2.2/4.2 Masse 40 t Motordaten: 20V35/44 G Hub 440 mm Bohrung 350 mm Leistung kw Drehzahl 750/720 rpm Turbolader TCR 22 L/B/H 9.7/3.8/4.5 m Masse 145 t < 9 >

10 MAN Diesel & Turbo Lastanforderungen Klassenanforderungen Lastaufschaltungen 3x33% Ausregelzeit: 5 s Drehzahlabweichung: max. 10% ISO Ausführungsklasse G2 Lastaufschaltung: Spezifikation Ausregelzeit: 5 s Drehzahlabweichung: max. 10% < 10 >

11 MAN Diesel & Turbo Lastanforderungen - Dieselmotor Schiffstypen Kabelleger Bohrschiffe Offshoreversorger Aggregate Bugstrahlruder Thruster MW Bohren bis m Wassertiefe m im Erdreich Positioniergenauigkeit: 1.5 m 4 Dynamic Positioning Mode s < 11 >

12 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) HPcompressor LP-compressor charge air cooler intercooler Blowby valve EGR-Blower M HP-turbine Shutoff valve HP-WG LP-turbine AT WMC LP-WG HT-cooler LT-cooler < 12 >

13 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) Turbolader Ladeluftkühler charge air cooler HPcompressor intercooler LP-compressor Blowby valve EGR-Blower M HP-turbine Shutoff valve HP-WG LP-turbine AT WMC LP-WG HT-cooler LT-cooler < 13 >

14 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) ND, HD Turbolader Ladeluftkühler Zwischenkühler charge air cooler Blowby valve HPcompressor intercooler LP-compressor EGR-Blower M HP-turbine Shutoff valve HP-WG LP-turbine AT WMC LP-WG HT-cooler LT-cooler < 14 >

15 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) ND, HD Turbolader Ladeluftkühler Zwischenkühler Jet Assist Wastegate (WG) charge air cooler Blowby valve HPcompressor HP-turbine intercooler LP-compressor EGR-Blower M Variabler Turbinenleitapparat (VTA) Shutoff valve HP-WG LP-turbine AT WMC LP-WG HT-cooler LT-cooler < 15 >

16 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) ND, HD Turbolader Ladeluftkühler Zwischenkühler Jet Assist Wastegate (WG) charge air cooler Blowby valve HPcompressor HP-turbine intercooler LP-compressor EGR-Blower M Variabler Turbinenleitapparat (VTA) Umblasen Abblasen Shutoff valve HT-cooler HP-WG LT-cooler WMC LP-turbine LP-WG AT < 16 >

17 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) ND, HD Turbolader CR Ladeluftkühler Zwischenkühler Jet Assist Wastegate (WG) Variabler Turbinenleitapparat (VTA) Umblasen Abblasen Common Rail Shutoff valve charge air cooler Blowby valve HT-cooler HPcompressor HP-turbine HP-WG intercooler LT-cooler WMC LP-compressor Einspritzzeitpunkt, Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen Variabler Ventiltrieb (VVT) VVT LP-turbine LP-WG EGR-Blower M AT < 17 >

18 MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile EGR-valve Kraftstoff (Diesel, Gas, DF) ND, HD Turbolader CR Ladeluftkühler Zwischenkühler Jet Assist Wastegate (WG) Variabler Turbinenleitapparat (VTA) Umblasen Abblasen Common Rail Shutoff valve charge air cooler Blowby valve HT-cooler HPcompressor HP-turbine HP-WG intercooler LT-cooler WMC LP-compressor LP-turbine LP-WG EGR-Blower M AGN AT Einspritzzeitpunkt, Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen Variabler Ventiltrieb (VVT) Abgasnachbehandlung Temperaturmanagement, Regenerierungsstrategien VVT < 18 >

19 MAN Diesel & Turbo Motoren Anwendung, Varianten und Einschränkungen Breites Anwendungsspektrum der Motoren Mehrere Kraftstoffarten Baseload - Anwendungen vs. hoch transiente Betriebsweisen Dieselelektrisch, Propellerantrieb, Stationäranlagen Unterschiedliche Abgasgesetze (zb.: IMO, TA Luft) Hohe Variantenvielfalt Zweistufige Aufladung, JA, CR, Abgasnachbehandlung, WG Funktionen / Aggregate zur Verbesserung des transienten Verhaltens Einschränkungen Max. ein Versuchsträger je Motortyp Kosten pro Versuchsmotor Betriebskosten Versuchsmotor Randbedingungen am Prüfstand (zb.: Umgebungsbedingungen) Hohe Simulationsqualität erforderlich < 19 >

20 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 20 >

21 Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen Externe Einflussgrößen (zb.: Lastwechsel) Sollwert Rückkopplung Motorsteuerung Thermodynamik < 21 >

22 Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen Externe Einflussgrößen (zb.: Lastwechsel) Sollwert Rückkopplung Motorsteuerung + Thermodynamik < 22 >

23 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 23 >

24 Anforderung Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Kunde Gesetzgebung < 24 >

25 Anforderung Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Idee A,B,C Vorselektion A,B,C < 25 >

26 Anforderung Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Motorhardware Idee A,B,C Software Konstruktion Funktionsbeschreibungen Errorhandling, HMI Konzept < 26 >

27 Anforderung Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Motorhardware Motoranbau bzw. Neubau Idee A,B,C Software Softwareintegration Fertigung Softwaretest < 27 >

28 Anforderung Prüfstand Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Motorhardware Motoranbau bzw. Neubau Idee A,B,C Software Softwareintegration Validierung Kalibrierung < 28 >

29 Anforderung Prüfstand Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Motorhardware Motoranbau bzw. Neubau Nein Idee A,B,C Software Softwareintegration Ja OK? Freigabe Späte Fehlererkennung Zeit- und Kostenintensiv < 29 >

30 Anforderung Gekoppelte Simulation Prüfstand Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess Motorhardware Motoranbau bzw. Neubau Nein Idee A,B,C Software Softwareintegration Ja OK? Freigabe Frühe Iterationsschleife Zeit- und Kostenideal < 30 >

31 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 31 >

32 Drehzahl [1/min] Kraftstoffmasse Last [%] Instationärverhalten Lastaufschaltung CR-Dieselmotor: 15% - 65% in 1s Zeit [s] Transiente Einflussgrößen Massenträgheit Motor LambdaV Limiter Kraftstoffmasse = f (Ladedruck) Verbrennung Zeit [s] Ladedruckverlauf Stationär Zeit [s] < 32 >

33 Instationärverhalten Einflussgrößen Motorhardware Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Zylinderleistung / pme Massenträgheit Motor Epsilon Zylinderanzahl Kraftstoff Raildruck Verbrennung Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Ladedruckverlauf Regelorgan ATL < 33 >

34 Last [%] Drehzahl [1/min] Drehzahl [1/min] Kraftstoffmasse QHE Instationärverhalten Funktion: Injection Boost Zeit [s] Motorgrößen Transiente Einflussgrößen LambdaV Limiter Kraftstoffmasse Zylinderleistung / pme Epsilon Massenträgheit Motor Zylinderanzahl Kraftstoff Zeit 35 [s] 40 Raildruck Zeit [s] 780 Einspritzzeitpunkt ohne IB Einspritzmenge mit IB Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Regelorgan 35 ATL Zeit [s] 730 Verbrennung Ladedruckverlauf Zeit [s] < 34 >

35 Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung Regler Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Drehzahlregler Injection Boost Lambda Limiter VVT Ladedruckregelung Jet Assist Ladedruck vor LAS Zylinderleistung / pme Epsilon Zylinderanzahl Kraftstoff Raildruck Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Massenträgheit Motor Verbrennung Ladedruckverlauf Regelorgan ATL < 35 >

36 Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung Regler Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Drehzahlregler Injection Boost Lambda Limiter VVT Ladedruckregelung Jet Assist Ladedruck vor LAS Zylinderleistung / pme Epsilon Zylinderanzahl Kraftstoff Raildruck Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Massenträgheit Motor Verbrennung Ladedruckverlauf Regelorgan ATL < 36 >

37 Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung Regler Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Drehzahlregler Injection Boost Lambda Limiter VVT Ladedruckregelung Jet Assist Ladedruck vor LAS Zylinderleistung / pme Epsilon Zylinderanzahl Kraftstoff Raildruck Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Massenträgheit Motor Verbrennung Ladedruckverlauf Regelorgan ATL < 37 >

38 Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung Regler Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Drehzahlregler Injection Boost Lambda Limiter VVT Ladedruckregelung Jet Assist Ladedruck vor LAS Zylinderleistung / pme Epsilon Zylinderanzahl Kraftstoff Raildruck Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Massenträgheit Motor Verbrennung Ladedruckverlauf Regelorgan ATL < 38 >

39 Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung Komplexe Zusammenhänge Regler Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Ausmaß der einzelnen Effekte und Interaktionen je nach Grundlast Drehzahlregler Zylinderleistung / pme Massenträgheit Motor und Lastsprunghöhe unterschiedlich (z.b.: VVT, Limiter) Injection Boost Epsilon Zeitliche Abfolge nicht immer gleich Lambda Limiter Zylinderanzahl Zu/ abschalten einzelner Funktionen notwendig Kraftstoff VVT Ladedruckregelung Jet Assist Ladedruck vor LAS Raildruck Einspritzzeitpunkt Einspritzmenge Ventilstuerzeiten Massenträgheit ATL Verbrennung Ladedruckverlauf Regelorgan ATL Nur mit gekoppelter Simulation darstellbar < 39 >

40 Drehzahl [rpm] Drehzahl [rpm] Drehzahl [rpm] Drehzahl [rpm] Vergleich Messung vs. Simulation Lastaufschaltung % in 4s Zeit [s] Zeit [s] % in 2s Simulation Messung Simulation Messung Zeit [s] Zeit [s] < 40 >

41 Motordrehzahl [rpm] Last [%] Vergleich Messung vs. Simulation Lastabwurf Gemessener Lastverlauf Lastabwurf ca.2s Gute Übereinstimmung Messung vs. Simulation Kriterien: Ausregelzeit und Drehzahlabweichung Zeit [s] Simulation Messung Zeit [s] < 41 >

42 Agenda 1 MAN Gruppe 2 MAN Diesel & Turbo Motoren 3 Gekoppelte Simulation 4 Motor-/ Funktionsentwicklung 5 Transientes Motorverhalten 6 Zusammenfassung < 42 >

43 Zusammenfassung Gekoppelte Simulation Anforderungen Breites Anwendungsspektrum der Motoren Hohe Variantenvielfalt Einsparung Versuchszeit Gekoppelte Simulation Genaue Abbildung der Thermodynamik und Genaue Abbildung der Regelung notwendig Interaktion der Funktionen / phys. Größen muss berücksichtigt werden Instationärverhalten nur mit gekoppelter Simulation abbildbar Ergebnisse Vergleich Messung und Simulation zeigt gute Übereinstimmung < 43 >

44 Disclaimer All data provided in this document is non-binding. This data serves informational purposes only and is especially not guaranteed in any way. Depending on the subsequent specific individual projects, the relevant data may be subject to changes and will be assessed and determined individually for each project. This will depend on the particular characteristics of each individual project, especially specific site and operational conditions. < 44 >

45 Haben Sie noch weitere Fragen? Dr. Mathias Moser MAN Diesel & Turbo SE Advanced Engineering EEBT - Thermodynamics Stadtbachstr Augsburg, Germany Phone Mathias.Moser@man.eu < 45 >

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