Schlüsselwörter
(Englisch)
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E-Booster, Dynamic behavior, volumetric efficiency, emission, integration,
ICE: internal combustion engine, SC: Supercharger, BLDC: brushless dc motor
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die neuen Anwendungen mit Dieselmotoren deckt mehr und mehr der Transient-Bereich ab. Mit der erzielten Absenkung der Emissionswerte bei transienter Belastung, werden die neuen Emissionen gesetzte eingehalten. Das Motorverhalten wird mittels elektrischem Verdichter bei transienter Belastung hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen verbessert. Um den Einfluss der E-Booster auf Liebherr Motoren (und Anwendungen) zu untersuchen, werden verschiedene Simulationen & Versuche Innerhalb dieses Projektes durchgeführt.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The trend of diesel engine applications is to cover more and more the transient region (Dynamic and performance). Furthermore the emission regulations are focusing on transient behavior of the engines. In order to improve the engine behavior in transient region, an electrical supercharger can be used. To improve and verify this concept, several simulations and tests on Liebherr’s diesel engines will be performed.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Angetrieben durch die reduzierten Emissionsgrenzwerte wurden bei Dieselmoren für Off-Road – Anwendungen in den letzten Jahren erhebliche Verbesserungen erzielt, doch in letzter Zeit konzentrieren sich die Emissionsvorschriften mehr und mehr auf das transiente Motorverhalten.
Angetrieben durch die reduzierten Emissionsgrenzwerte wurden bei Dieselmoren für Off-Road – Anwendungen in den letzten Jahren erhebliche Verbesserungen erzielt, doch in letzter Zeit konzentrieren sich die Emissionsvorschriften mehr und mehr auf das transiente Motorverhalten.
In diesem Projekt soll die Motordynamik in Betriebspunkten verbessert werden, wenn der Ansaugluftdruck niedrig ist und ein plötzlicher Lastsprung durch die Maschine angefordert wird. Zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte wird die eingespritzte Kraftstoffmenge durch das Motorsteuergerät solange begrenzt, bis der Turbolader genügend Luft liefern kann. Dieses Problem kann gelöst werden, indem der konventionelle Abgasturbolader mit der E-charger-Technologie ergänzt und somit das Turboloch eliminiert wird. Diese Verbesserungen werden mit Hilfe von 1D- und CFD-Simulationen und durch Versuchsreihen an einem mit E-charger ausgerüsteten Verbrennungsmotor verifiziert.
Prüfstandsversuche zeigen eine signifikante Dynamikverbesserung des Verbrennungsmotors mit integriertem E-charger im Bereich von 600 bis 1000 min-1. Somit ist die Verwendung des E-chargers eine geeignete Maßnahme zur Beseitigung von Dynamikproblemen in Betriebspunkten mit niedriger Motordrehzahl. In Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes und der Aktivierungsstrategie des E-chargers wird bei einem Lastsprung die Zeitdauer zum Erreichen von 90% des maximalen Motordrehmoments um 40% bis zu 80% verkürzt. Die Aktivierung des E-chargers bei Motordrehzahlen über 1000 min-1 führt zu keiner Dynamikverbesserung des Verbrennungsmotors.
Die Verwendung des E-chargers führt ebenfalls zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs im Bereich von 5-8% bei gleichzeitig geringen Rußemissionen. Die NOx-Emissionen steigen deutlich an, lassen sich jedoch mittels Neukalibrierung der Einspritzparameter und ohne negativen Einfluss auf die Rußemission auf den ursprünglichen Wert bringen.
Der hier getestete E-charger arbeitet mit einer 24V Betriebsspannung und ist im Hinblick auf die Fahrzeugintegration der 48V-Variante vorzuziehen, da auf ein duales Betriebsspannungsnetz verzichtet werden kann. Aufgrund des hohen Strombedarfs zum Beschleunigen des E-chargers muss dennoch die Kompatibilität zu existierenden Systemen, besonders hinsichtlich der anderen Stromverbraucher und der Batterieeffekte im Fahrzeug, analysiert werden.
Aufgrund der guten Projektergebnisse mit dem E-charger wird derzeit die Planung für die Aufgabenverteilung zwischen Vor – und Serienentwicklung durchgeführt. Die nächsten Schritte umfassen die Durchführung eines Fahrzeugtests und die Kostenanalyse für eine eventuelle Serieneinführung.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Driven by the reduced emission limits, diesel engines for off-road applications have undergone significant improvements over the last decade, but recently the emission regulations are focusing more and more on transient behavior.
The aim of this project is to enhance the engine dynamic in specific phases, when the intake air pressure is low and a sudden load is requested by the machine. In order to remain within the emission limits, the injected fuel quantity is limited by the engine control unit until the turbocharger is able to deliver enough air. This problem can be solved by supplementing the conventional turbocharging system with the e-charger technology and thus eliminating the turbo lag. These improvements will be verified using 1D- and CFD simulations and by performing several tests on the internal combustion engine equipped with an e-charger.
The engine test bench measurements have shown that in the engine speed range between 600 and 1000 rpm a strong dynamic improvement can be achieved and that the e-charger is an appropriate solution for the drawbacks of doing an engine downspeeding.
For example, for a load step the 90% time response can be reached in 40% and up to 80% less time depending of the engine speed and the e-charger activation anticipation.
Above 1000rpm there is not benefit to use the e-charger.
The e-charger also leads to a reduction in fuel consumption in the range of 5-8% with low soot emissions. NOx emissions increase significantly, but can be tuned to the original value by recalibrating the injection parameters without any negative impact on soot emissions.
From an electrical point of view, the e-charger version selected for the measurements is easier to be integrated in comparison with the 48V solution because it is working with a 24V voltage, and then no dual electrical board with a higher voltage is necessary. Even so, due to the strong current necessary to speed up the e-charger the compatibility to the existing system especially regarding the vehicle other current consumer and the effect to the battery must be analysed.
As the e-charger project has been sucessful, there is currently a planning concerning the distribution of tasks between the pre-development and serial development. The next steps is to perform a vehicle test and analyse the cost for eventual serie introduction.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Poussés par la réduction des limites des émissions, les moteurs diesel pour les applications « Off-road » ont subi des améliorations significatives au cours de la dernière décennie, mais récemment, les réglementations sur les émissions se concentrent de plus en plus sur le comportement transitoire.
L'objectif de ce projet est d'améliorer la dynamique du moteur diesel dans des phases spécifiques, lorsque la pression d'air d'admission est faible et qu'une charge soudaine est demandée par la machine. Afin de rester dans les limites des normes d'émission, la quantité de carburant injectée est limitée par le calculateur moteur jusqu'à ce que le turbocompresseur soit en mesure de fournir suffisamment d'air. Ce problème peut être résolu en complétant le système de suralimentation conventionnel par la technologie du e-charger et en éliminant ainsi le décalage du turbo. Ces améliorations seront vérifiées à l'aide de la simulation 1D et CFD, ainsi qu’en réalisant plusieurs tests sur le moteur à combustion interne équipé d'un e-charger.
Les essais avec le moteur à combustion, en utilisant la technologie « e-charger », ont montré une nette amélioration de la dynamique dans les régimes moteur de 600 tr /min à 1000 tr/ min. Cette technologie de e-charger est la solution adéquate pour améliorer la dynamique des moteurs à combustion dans les bas-régimes qui est l’inconvénient principale de « downspeeding ». Par exemple, lors des essais de saut de charge, la réponse dynamique, « temps de réaction du couple à 90% de la référence », est raccourcie de 40 % voire 80% dépendant des régimes moteur. L’activation du e-charger au-delà de 1000 min-1 n’apporte pas d’amélioration de la dynamique du moteur à combustion.
L’utilisation du e-charger permet également de réduire la consommation de carburant de l’ordre de 5 à 8%, tout en réduisant les émissions de suie. Les émissions de NOx augmentent considérablement, mais elles peuvent être ramenées à leur valeur d’origine en recalibrant les paramètres d’injection, sans affecter les émissions de suie.
La version « 24V » du e-charger utilisée lors de cette compagne d’essai est facile à intégrer dans le moteur, comparée à la version « 48V ». Grâce à son niveau de tension plus faible qui ne nécessite pas une architecture duale. L’analyse complète de l’intégration du e-charger dans un véhicule est nécessaire, notamment à cause sa forte consommation de courant lors des sauts de charge.
Le projet « e-charger » ayant été un succès, il existe actuellement une planification concernant la répartition des tâches entre le pré-développement et le développement en série. Les prochaines étapes consistent à effectuer des essais sur un véhicule et à analyser le coût de l'introduction éventuelle de ce système pour la série.
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