CLEVER Meeting

Transkript

1 Materials Science & Technology CLEVER Meeting BAFU Empa, Reto Egli,

2 Überblick Rückblick Definition Leistungsforderung 1D-Modellbildung/Simulation 3D CFD Ausblick Ventilsteuerzeiten (inkl. Miller-Zyklus) Bestimmung Verdichtungsverhältnis Vergleich 1.4L 1.6L Miller 1.6L Auslegung ATL Aktueller Stand 2

3 Stand letzte CLEVER-Sitzung 1D-Modell validiert Vergleich Benzin-/Erdgasbetrieb Rechnungen unaufgeladener Motor Beschlüsse für Clever-Meeting vom : 1-D Simulation: Bestimmung Verdichtungsverhältnis Ventilsteuerzeiten (Miller-Zyklus) Auslegung ATL 3-D Netz erstellt, erste Rechnungen 3

4 Definition Leistungsforderung Leistungs-/ Drehmomentkurve VW 2.0 Saugrohreinspritzung (Benzin, Saugmotor): 85kW/170Nm VW 2.0 FSI (Benzin, , Saugmotor): 96kW/195Nm VW 2.0 FSI (Benzin, 2005-, Saugmotor): 110kW/200Nm Forderung CLEVER (1.6L; aufgeladen): 85-96kW/200Nm Power and Torque Power [kw] Brake Power Brake Torque E-Motor (Torque) 2.0 PFI Torque [Nm] [rpm] 4

5 Definition Leistungsforderung Leistungs-/ Drehmomentkurve VW 2.0 Saugrohreinspritzung (Benzin, Saugmotor): 85kW/170Nm VW 2.0 FSI (Benzin, , Saugmotor): 96kW/195Nm VW 2.0 FSI (Benzin, 2005-, Saugmotor): 110kW/200Nm Forderung CLEVER (aufgeladen): 85-96kW/200Nm Power and Torque Minimal geforderte Leistung (verbrennungs -motorisch) für 170 km/h: 65kW Power [kw] Brake Power Brake Torque E-Motor (Torque) 2.0 PFI Torque [Nm] [rpm] 5

6 1D-Modellbildung/Simulation Berechnungen Methanbetrieb: Gleiche Applikation wie Benzinbetrieb (lambda=1 im ganzen Kennfeld) Variation Viebe-Parameter Variation Verdichtungsverhältnis Variation Einlassventil schliessen (Miller-Zyklus) Variation Einlassventil öffnen Verschiedene ATL Wichtig: Variation von nur einem Parameter gleichzeitig und Keine AGR Einspritzung spät (nach Einlass schliesst) Massendurchsatz am Injektor genügend gross Problem der Gemisch-Homogenisierung wird bei 1D nicht berücksichtigt Klopfen nicht berücksichtigt (Abschätzung anhand CEV-Daten) 1) Anpassung der Kraftstoffumsetzungsrate anhand Brenngeschwindigkeit 1) Ausser wo explizit erwähnt 6

7 1D-Modellbildung/Simulation Sensitivitätsanalyse Viebe-Parameter (Lastschnitt 2000 U/min; ε = 11.83) Relativer Fehler < 1% Relativer Fehler < 0.5% Relativer Fehler bei Variation Viebe- Exponent < 0.2% 7

8 1D-Modellbildung/Simulation Variation Einlassventil schliessen Def.: Ventil schliesst bei 5% eff. Ventilhub Einlass schliesst bei 240 KWnLWOT fix Einlass schliesst bei 220 KWnLWOT Einlass schliesst bei 200 KWnLWOT Einlass schliesst bei 180 KWnLWOT Einlass schliesst bei 160 KWnLWOT Einlass schliesst bei 140 KWnLWOT 8

9 1D-Modellbildung/Simulation Variation Einlassventil schliessen (TD025; ε = 13) Variation Einlass Schliessen Referenz (LW-UTP) 2000U/min, 2bar rel. Wirkungsgrad [%] Miller 1.4L Serienapplikation (2000U/min) 2000U/min, 4bar 2000U/min, 6bar 2000U/min, 8bar Einlassventil schliesst [ KWnLWOT] 9

10 1D-Modellbildung/Simulation Variation Einlass öffnen Def.: Ventil öffnet bei 5% eff. Ventilhub Einlass schleisst bei 140 KWnLWOT (fix) fix M: Stauchungsfaktor der originalen Ventilerhebungskurve 10

11 1D-Modellbildung/Simulation Variation Einlass öffnen Lastschnitt 2000 U/min; ε = 11.83) Entdrosselung infolge interne AGR 11

12 1D-Modellbildung/Simulation Variation Verdichtungsverhältnis (2000 U/min; ATL TD025; EVÖ Serie) Variation Verdichtungsverhältnis rel. Wirkungsgrad [%] (bezügl. EVS u. eps Serie) Geometrisches Verdichtungsverhältnis [-] 2000U/min, 2bar 2000U/min, 2bar, Miller 1.4L 2000U/min, 4bar 2000U/min, 4bar, Miller 1.4L 2000U/min, 6bar 2000U/min, 6bar, Miller 1.4L 12

13 1D-Modellbildung/Simulation Vergleich 1.4L 1.6L Miller 1.6L (Lastschnitt 2000 U/min; ε = 11.83, Saugmotor) Miller mit frühem Einlass öffnen (<10% interne AGR) (Miller mit gleichem Einlass öffnen wie 1.4L etwas unterhalb 1.4L) 13

14 1D-Modellbildung/Simulation Auslegung ATL Vergleich verschiedener ATL Borg-Warner Turbo Systems (KKK) TD025 (VW 1.4 TSI) Borg-Warner Turbo Systems (KKK) KP35 (CEV Polo) Garrett GT12 Garrett GT14 Kleiner Turbolader Ähnlich KP35; kleiner Austrittsquerschnitte Gleiche Turbine wie GT12, jedoch grösserer Verdichter Borg-Warner Turbo Systems (KKK) K03 (Audi 1.8TFSI) Grösserer Turbolader 14

15 1D-Modellbildung/Simulation Auslegung ATL Vergleich verschiedener ATL Volllast (max. ATL-rpm) ε = 13; Serienapplikation Drehmoment Volllastkurve Lader zu klein (Problem Massendurchsatz) Saugrohrdruck [bar] Saugmotor 1.6 ATL TD L Ladedruck Volllastkurve Saugmotor 1.6 ATL TD L ATL TD L Miller ATL K L ATL K L Miller ATL KP35 1.6L ATL GT14 1.6L ATL GT12 1.6L Drehmoment [Nm] Lader zu gross (hohe Drehzahlen werden gar nicht erreicht) ATL-Drehzahl [U/min] ATL TD L Miller ATL-Drehzahl Volllastkurve ATL K L ATL K L Miller ATL KP35 1.6L ATL GT14 1.6L ATL GT12 1.6L Drehzahl [U/min] Leistungsforderung Saugmotor 1.6 ATL TD L ATL TD L Miller ATL K L ATL K L Miller ATL KP35 1.6L ATL GT14 1.6L ATL GT12 1.6L Drehzahl [U/m in] Drehzahl [U/min] 15

16 1D-Modellbildung/Simulation Auslegung ATL Vergleich verschiedener ATL Volllast (geregelt auf Leistungsforderung/200Nm); ε = Drehmoment Volllastkurve Saugmotor 1.6L Effektiver Wirkungsgrad Volllastkurve Drehmoment [Nm] Drehzahl [U/min] eff. Wirkungsgrad [%] ATL TD L 39 ATL TD L Miller 37 ATL TD025 Miller EVS 170 KW ATL K L 35 ATL GT14 1.6L Miller ATL GT12 1.6L 33 Leistungsforderung Wirkungsgrade nehmen ab infolge sehr hohen Gegendrücke Saugmotor 1.6L ATL TD L ATL TD L Miller ATL TD025 Miller EVS 170 KW ATL K L ATL GT14 1.6L Miller ATL GT12 1.6L Drehzahl [U/m in] 16

17 1D-Modellbildung/Simulation Auslegung ATL Vergleich verschiedener ATL Volllast (geregelt auf Leistungsforderung/200Nm); ε = 13 Abgastemperatur Volllastkurve Ladedruck Volllastkurve Abgastemperatur [K] Saugmotor 1.6L ATL TD L ATL TD L Miller ATL K L ATL GT14 1.6L ATL GT12 1.6L Saugrohrdruck [bar] Saugmotor 1.6L ATL TD L ATL TD L Miller ATL TD025 Miller EVS 170 KW ATL K L ATL GT14 1.6L Miller ATL GT12 1.6L Drehzahl [U/min] Drehzahl [U/min] Zylinder-Spitzendruck Volllastkurve Gegendruck Volllastkurve Zylinder-Spitzendruck [bar] Saugmotor 1.6L ATL TD L ATL TD L Miller ATL TD025 Miller EVS 170 KW ATL K L ATL GT14 1.6L ATL GT12 1.6L Abgasgegendruck [bar] Saugmotor 1.6L ATL TD L ATL TD L Miller ATL TD025 Miller EVS 170 KW ATL K L ATL GT14 1.6L Miller ATL GT12 1.6L Drehzahl [U/min] Drehzahl [U/min] 17

18 1D-Modellbildung/Simulation Auslegung ATL Vergleich verschiedener ATL Lastschnitt bei 2000U/min ε = 13; Serienapplikation relativer Wirkungsgrad [%] (bezügl. Saugmotor 1.6L) Effektiver Wirkungsgrad Lastschnitt bei 2000 U/min pmi [bar] Saugmotor 1.6 ohne AGR Saugmotor Miller 1.4 ohne AGR ATL KP35 Miller 1.6L ATL KP35 Miller 1.5L ATL K L ATL TD L ATL_TD025 Miller 1.4L Rel. Wirkungsgradvorteil mit Miller (ATL) bis 7% gegenüber Saugmotor 1.6L! 10 bar PME wird im Saugbetrieb mit CH4 nicht erreicht; deshalb relativ gesehen schlechter Wirkungsgrad! 18

19 1D-Modellbildung/Simulation Schlussfolgerungen: Einfluss Viebe-Parameter gering Miller-Zyklus zeigt Potential Potential Verdichtungserhöhung klein Vorschlag: eps= und Miller 1.4L (Teillast) Vorschlag: Einlassventilverstellung so, dass EVS in TL bei 140 KWnLWOT EVS in VL bei 170 KWnLWOT. Vorteil bezüglich Füllung aufgrund späteres Schliessen zwar gering, aber: Breitere Ventilerhebungskurve Ventilbeschl. weniger problematisch Interne AGR in Teillast, nicht aber bei hohen Lasten ATL TD025 (VW 1.4TSI) beste Option! Zusätzlich Vorteil Kompatibilität 19

20 3D-CFD Geometriedaten (Oberflächenmodelle Hardware): Zylinderkopf komplett 1.6L BLF Kolbengeometrie Ansaugmodul 1.6L BLF Ansaugmodul 1.4L TSI Einheit Tumble-Klappe Aktueller Stand: Ansaugmodul 1.6L BLF konvertiert in Volumenmodell Netzgenerierung im gang Ansaugmodul 1.4L TSI konvertiert in Volumenmodell erstes Netz generiert erste Rechnungen laufen 20

21 3D-CFD Geometriedaten (generierte Volumenmodelle): Saugmodul 1.4L TSI (inkl. Ansaugstutzen für Zentraleinblasung und AGR) Saugmodul 1.6L BLF (inkl. Tumbleklappen- Modul) 21

22 3D-CFD Gekoppelte Rechnungen 1D/3D CFD : Ziele : Verteilung/ Charakterisierung Einlasströmung Vergleich Saugmodul 1.6L BLF/1.4L TSI AGR-Verteilung Verteilung Einblasung Zentralinjektor Einlass-Randbedingungen von GT-Power (1D) 3D- Strömungsberechnung im Saugmodul (Star-CD) ggf. Optimierung Hardware Verbrennung/Auslass simuliert mit GT-Power (1D) 22

23 3D-CFD Erste gekoppelte Rechnungen 1D/3D CFD: Erzeugtes Netz ( Zellen) 23

24 Weiteres Vorgehen 1D/3D-Simulation: Reine 1D-Simulation abgeschlossen Gekoppelte Rechnungen (Verteilung AGR / Gemischbildung PFI) 3D-CFD Netzerzeugung Brennraum/Einlass Modellaufbau Gemischbildung, Berechnung nicht-reaktiver Strömungen Validierung Gemischaufbereitung, u. a. anhand Versuchsergebnisse VW Kombination von Einlassströmung und Einblasung in Brennraum Verbrennungsrechnung Abgasnachbehandlung 24

25 Diskussion -Spezieller Dank geht an: Dr. C. Lämmle Dr. Y.M. Wright B. Sturzenegger M. Cattin 25

26 ANHANG Validierungskennfeld 1D-Modell Validierung abgeschlossen (Benzin) Gute Übereinstimmung Simulation Erdgasbetrieb (CH 4 ) 12 Validierungskennfeld Simulation (1D) Lastkollektiv NEFZ; Zahlen = Sekunden pro Lastpunkt Fahrzeug: VW Touran Motorisierung: 1.6 Liter, Benzin 10 8 PME [bar] Drehzahl [U/min] Quelle: O. Sundström 26

27 ANHANG 1D-Modellbildung/Simulation Vorgehen Validierung: Auswerten Messungen (WEG) Vorgabe Brennverlauf (Anpassung Wiebe-Parameter) in GT-Power Brenndauer 50%-Umsatz Brennverlauf Wichtige Parameter: pme (Moment) pmi (Reibung) Massenstrom Luft, Brennstoff Pmax Abgastemperatur, -druck AGR-Rate Normalized Heat Release Rate Normalized Heat Release Rate (Cumulative) SI Wiebe Burn Rate & Comparison Crank Angle wrt TDC (degrees) SI Wiebe Cumulative Burn Rate & Comparison Crank Angle wrt TDC (degrees) SI Wiebe Burn Rate Apparent Burn Rate SI Wiebe Burn Rate Apparent Burn Rate Daten für 2000 U/min, Volllast 27

28 1D-Modellbildung/Simulation Variation Einlassventil schliessen (TD025; ε = 13) Variation Einlass Schliessen 930 Auslasstemperatur [K] Einlassventil schliesst [ KWnLWOT] 2000U/min, 2bar 2000U/min, 4bar 2000U/min, 6bar 2000U/min, 8bar 28

29 ANHANG 1D-Modellbildung/Simulation Energiefreisetzungsrate ~ s T ~ s L, u Abschätzung laminare Flammengeschwindigkeit 1) s L : Modell von Keck und Metghalchi für Benzin: α T p sl = sl,0 f T p 0 0 β ( ) f = Anteil AGR (Massen-%) ( ) ( ) α 2; β = f λ Modell von Witt und Griebel (PSI) für Methan: (gilt für 473K < T 0 < 823K, 6bar < p 0 < 30 bar und λ=1) ( ) 0.45 ( , , ) s = T T + p r r + L g Vol g Vol 2) 3) Ergänzung durch Liao et al. für unterschiedliche Restgas-/ AGR-Anteile (r g,vol = Anteil AGR (Volumen-%)) 1) Quelle: Heywood, J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, ) Quelle: Witt,M., Griebel P.: Numerische Untersuchung von laminaren Methan/Luft- Vormischflammen, PSI, ) Quelle: Liao, S. et al.: Determination of laminar burning velocities for natural gas, Fuel 83, p ,

30 ANHANG 1D-Modellbildung/Simulation Abschätzung Energiefreisetzungsrate anhand turbulenter Flammengeschwindigkeit s T : Modell von Damköhler: u ' st s = L 1+ A s L wobei u = Turbulenzintensität: u' a c (c m = mittlere Kolbengeschw.) s T, s T, ( Methan) ( Benzin) m 1) Aus Literatur: Hier: A=1, um Einfluss s L nicht zu unterschätzen Abschätzen der Brenndauer mittels Verhältnis: ( A 1 2.5) Tumbleklappe nicht aktiv: a=0.5; Tumbleklappe aktiv: a=0.6 1) Quelle: Boulouchos, K.: Verbrennung und chemisch reaktive Prozesse in der Energie- und Materialtechnik; Vorlesungsunterlagen ETHZ,

31 ANHANG Char. Grössen ATL D1 D2 D3 D4 [mm] [mm] [mm] [mm] TD025 (KKK) (VW 1.4 TSI) K035 (KKK) (Audi 1.8T) KP35 (KKK) (CEV Polo)???? Garrett GT Garrett GT

32 ANHANG Zeitplan 32

33 ANHANG Kennfeld AGR-Massenstrom Kennfeld AGR-Massenstrom [kg/h] (1.6 FSI, Benzinapplikation) 33

34 ANHANG Kennfeld Ladungsbewegungsklappe 34

35 1D-Modellbildung/Simulation Verhältnis Brenngeschwindigkeiten in Abhängigkeit von Druck und Temperatur (λ = 1) Laminar: s L, s L, ( Methan) ( Benzin) Turbulent: s T, s T, ( Methan) ( Benzin) Druckabhängigkeit stark Temperaturabhängigkeit schwach Druckabhängigkeit bei niedrigem Drücken stark Temperaturabhängigkeit nur bei höheren Drücken ausgeprägt 35

36 ANHANG - Brenngeschw. (Methan) / Brenngeschw. T(Benzin) s L s L, s L, ( Methan) ( Benzin) Temperature [K] SL CNG /SL Gasoline [-] Pressure [bar]

37 ANHANG Ventilsteuerzeiten 37

38 ANHANG Viebeparameter (Benzin) Volllast: Viebeparameter Teillast: Viebeparameter Schwerpunktlage/Brenndauer [ KW] Drehzahl [1/min] Schwerpunktlage Brenndauer, 5-90% [ KW] Viebe Exponent Viebe Exponent [-] Schwerpunktlage/Brenndauer [ KW] Schwerpunktlage 1 5 Brenndauer, 5-90% [ KW] Viebe Exponent Drehzahl [1/min] Viebe Exponent [-] 38