1. Modeliranje procesa kod
nadpunjenih dizel motora
Mašinski Fakultet Sarajevo
14.03.2006 godine
Zoran Knežević

2. Nadpunjenje motora
Nadpunjenje je postupak kod kojeg se dovodi
veća količina vazduha u cilindar motora od
količine vazduha koja se smjesti u cilindar
kod usisnog motora
Postiže se povećanjem gustoće vazduha
Realizacija je najčešće pomoću kompresora
Turbopunjenje je nadpunjenje pomoću turbo-
kompresora
Cilj je povećanje snage motora za istu hodnu
zapreminu motora

3. Fizički model turbopunjenog
dizel motora

4. Pristup modeliranju
M o to r S U S S is te m
C ije v i S p o je v i, v e n tili,
U s is n a i iz d u v n a g r a n a , filtri, h la d n ja k T u rb o -k o m p re s o r E le m e n ti
d o v o d v a z d u h a ...
v a z d u h a ...
G a s n o d in a m ič k i M a p e s t a n ja
P u n je n je i m o d e l: K v a z i-s ta c io n a r n i (s ta c io n a r n e ),
M o d e li
p r a ž n je n je 1 -d im e n z io n a ln i m o d e li a p r o k s im a c ije
n e s ta c io n a r n i to k K - D m la z n i c o m ...
1 -d im e n z io n a ln e
O č u v a n je m a s e Je d n a č in e to k a Z a k o n i/
iz e n tr o p s k e
i e n e r g i je s t i š l ji v o g f lu id a je d n a č in e
je d n a č in e t o k a
S a g o r ije v a n je T r e n je
P r e n o s to p lo te P r ije n o s t o p lo t e
T ra n s p o rtn i p ro c e s i H e m ija ... D o d a tn i-
m o d e li

5. Usvojeni modeli M o d e l p r e h r a n jiv a n o g m o to r a S U S
K o n t r o ln i v o lu m e n J e d n o d im e n z io n a ln a c ije v Spoj
C ilin d a r U s i s n a /i z d u v n a g r a n a T u rb o -k o m p re so r
S a g o r ije v a n je P r e n o s t o p lo t e K a t a liz a t o r
K o m p re so r
U s i s n a /i z d u v n a g r a n a T u r b in a
F ilt e r
H la d n ja k v a z d u h a
V e n t ili
0-d volumen
W a ste -G a te
0-d volumen ili 1-d cijev
nije uključeno u prezentirani model K a t a liz a t o r
E G R v e n t il

6. Model cilindra
Održanje mase
d ( ρV ) ns
= −∑ ρ s v s ⋅ As
dt s =1
Održanje energije
d ( ρeV ) ns
dQ dL
= −∑ es ρ s v s ⋅ As + −
dt s =1 dt dt
Održanje supstance
d ( ρVci ) ns
dci
= −∑ ci s ρ s v s ⋅ As +
dt s =1 dt
ngk
∑c i =1

7. Model cilindra
Održanje supstance
M 0.8
[kmol/kg]
0.7 H2O
0.6 CO2
O2
0.5
0.4
0.3 N2
0.2
0.1
ϕ [oKV]
0
1 6 11 16 21 26 31 36 41
1
x(ϕ)
0.5

8. Model usisne i izduvne grane

9. Model turbo-kompresora

10. Model kompresora
 χ −1

χ   p2  χ  1
Pc = mc
 RT1    − 1
p 
χ −1  1   ηc
 
Pcηc
mc =

 χ −1

χ   p2  χ 
RT1    − 1
χ − 1   p1 
  
 

11. Model turbine
 χ −1

χ 1 −  p4   η η
χ
PT = mT
 RT3  
χ −1   p3   T m
   
 
p   p3  p3 
T = 3
m a1 
 p − 1 + a2
 − 1
T3   4  p4 
p3 p
ηT = a1 − 1 + a2 4 3 − 1 + a3
p4 p4

12. Model ventila
dm
= ρv ⋅ A
dt
 1   χ −1

 pa  pb 
χ  pb   pb   χ   pb  χ  p  p 
  za   >    2 RaTa 1−   za  b  >  b 
 RaTa  pa  p  p   χ −1   pa   p  p 

ρ =
   a   a  krit v=    
 
 a   a  krit
χ
 p  2  χ −1 
p  p   2R T χ p  p 
 a   za  b  ≤  b  . za  b  ≤  b  .

 RaTa  χ + 1 
 
p  p 
 a   a  krit 

a a
χ −1 p  p 
 a   a  krit

13. Modeliranje ventila
Poprečni presjek
A = Avg µ v
µv
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
usisni ventil
0.2 izduvni ventil
0.1
0
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

14. Waste-gate, hladnjak...

15. Numeričko rješenje sistema Običnih
Diferencijalnih Jednačina
Direktna integracija Runge-Kutta metod
4 reda

16. Numeričko rješenje sistema
Parcijalnih Diferencijalih Jednačina
Integracija jednačina održanja metodom
konačnih volumena uz primjenu fluks
korigovanje tehnike (FCT)
∂y ∂
= ( yv ) − ∂ D1 + C2 ∂D2 + D3
∂t ∂x ∂x ∂x

17. FCT algoritam
Transportna faza
1
( 1
) (
Vi yiT = Vi yi* + ∆t Ai +1/ 2 D1, i +1 + D1, i − ∆t Ai −1/ 2 D1, i −1 + D1, i
2 2
)
1
( )( )
+ ∆t C2,i A i +1/ 2 + A i −1/ 2 D2, i +1 − D2, i −1 + ∆t Vi D3, i .
4
Difuziona faza
Vi ~i = Vi yiT + ϑi +1 / 2Vi +1 / 2 ( yio+1 − yio ) − ϑi −1 / 2Vi −1 / 2 ( yio − yio−1 )
y
Antidifuziona faza
yit = ~i −
y
1 c
Vi
(
fi +1 / 2 − f i c 1 / 2
− )

18. Provjera FCT algoritma
Pucanje membrane
4.5 400
Egzaktno Egzaktno
4 350 Proračun
Proračun
3.5 300
3
250
pritisak p bar
brzina v m/s
2.5
200
2
150
1.5
100
1
50
0.5
0 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
xm xm

19. Provjera FCT algoritma
Interakcija udarni talas sa sredinom
promjenljive gustine
5
3200 tačaka
4.5
800 tačaka
4
3.5
3
gustina ρ
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

20. Ispitni motor
TAM BF6L515C

21. Integralni pokazatelji ciklisa
Usporedba izmjerenih i računskih vrijednosti osnovnih parametara rada motora pri
n=1300 min-1 i 100% opterećenju
Naziv Oznaka Jedinica Mjerenje Proračun Razlika [%]
Snaga Pe kW 168.80 164.00 -2.85
Časovna potrošnja gor. Gh kg/h 34.20 34.20 +0.00
Srednji efektivni pritisak pe bar 14.65 14.15 -2.85
Srednja efekt. potrošnja gor. ge g/kWh 202.60 208.10 +2.85
Potrošnja vazduha mK
 kg/s 0.2018 0.1953 -3.22
Ekvival. odnos vazduha α - 1.3419 1.2987 -3.22
Pritisak ispred kompr. p1 bar 0.9774 0.9755 -0.19
Pritisak iza kompr. p2 bar 1.8369 1.7965 -2.20
Pritisak ispred turbine p3 bar 1.4243 1.5038 -5.58
Pritisak iza turbine p4 bar 1.0073 1.0273 +1.99
Temperatura ispred kompr. T1 K 305.0 297.0 -2.62
Temperatura iza kompr. T2 K 385.0 373.2 -3.06
Temperatura iza hladnjaka T2 ' K 305.0 302.0 -0.98
Temperatura ispred turbine T3 K 904.0 905.6 +0.18
Temperatura iza turbine T4 K 842.0 846.0 +0.48
Promjena temp. u turbini ∆4
T K 62.0 59.6 -3.87
Maseni protok izduv. gasova mT
 kg/s 0.2113 0.2048 -3.08
Broj obrtaja TK agregata N s-1 1155.8 1104.9 -4.61
Pritisak otvaranja izd. ventila pivo bar 7.700 7.528 -2.23
Temp. otvaranja izd. ventila Tivo K 1287.0 1244.0 -3.34

22. Integralni pokazatelji ciklisa
Usporedba izmjerenih i računskih vrijednosti osnovnih parametara rada motora pri
n=2150 min-1 i 100% opterećenju
Naziv Oznaka Jedinica Mjerenje Proračun Razlika [%]
Snaga Pe kW 220.00 222.29 +1.04
Časovna potrošnja gor. Gh kg/h 49.20 49.20 +0.00
Srednji efektivni pritisak pe bar 11.48 11.60 +1.05
Srednja efekt. potrošnja gor. ge g/kWh 223.60 221.30 -1.03
Potrošnja vazduha mK
 kg/s 0.3974 0.3998 +0.60
Ekvival. odnos vazduha α - 1.837 1.848 +0.60
Pritisak ispred kompr. p1 bar 0.9541 0.9663 +1.28
Pritisak iza kompr. p2 bar 2.3987 2.3132 -3.56
Pritisak ispred turbine p3 bar 2.1329 2.2424 +5.13
Pritisak iza turbine p4 bar 1.0503 1.0601 +0.93
Temperatura ispred kompr. T1 K 304.0 297.0 -2.30
Temperatura iza kompr. T2 K 422.0 433.2 +2.65
Temperatura iza hladnjaka T2 ' K 328.0 337.0 +2.74
Temperatura ispred turbine T3 K 853.0 844.2 -1.03
Temperatura iza turbine T4 K 745.0 738.7 -0.85
Promjena temp. u turbini ∆4 T K 108.0 105.5 -2.31
Maseni protok izduv. gasova mT
 kg/ s 0.4110 0.4135 +0.61
Broj obrtaja TK agregata N s-1 1476.0 1414.8 -4.15
Pritisak otvaranja izd. ventila pivo bar 8.082 7.987 -1.18
Temp. otvaranja izd. ventila Tivo K 1150.0 1097.0 -4.60

23. Mapa kompresora
Holset H2D 9351N

24. Pritisak u cilindru motora
p[ bar ] 140
proračin 100%
proračun 75%
120 proračun 50%
eksperiment 100%
eksperiment 75%
100 eksperiment 50%
80
60
40
20
0
320 340 360 380 400 420 440 460 480
ϕ [ ° KV ]

25. Pritisak u cilindru motora
3.5
eksperiment
proračun
3
2.5
2
1.5
1
0.5
120 240 360 480 600

26. Pritisak u izduvnoj grani
Maksimalni obrtni moment n=1300 min -1
3.5
eksperiment
3
proračun
2.5
2
1.5
1
0 120 240 360 480 600 720

27. Pritisak u izduvnoj grani
Maksimalna snaga n=2150 min-1
3.5
p[ bar]
3
2.5
2
eksperiment
1.5
proračun
1
0 120 240 360 480 600 720
ϕ [ °KV ]

28. Zaključak
Razvijen model nadpunjenog
višecilindričnog dizel motora takozvanog
modularnog tipa
FCT algoritam uspjesno primjenjen na tok
stišljivog fluida u usisnoj i izduvnoj grani
Dobiveni su rezultati koji se dobro slažu sa
eksperimentalnim ispitivanjima
Otvara se mogučnost primjene programa
za simulaciju motora u svrhu optimizacije
parametara rada