Motori Diesel Euro 4 ed Euro 5 Tecnologie in uso e in sviluppo per riduzione inquinamento e consumi

Transcript

1 Motori Diesel Euro 4 ed Euro 5 Tecnologie in uso e in sviluppo per riduzione inquinamento e consumi Ing. Nicola Menarini Direttore Progettazione Motori VM Motori SpA Bologna 22 marzo

2 Limiti emissioni Europei per autoveicoli in g/km Livello Anno CO HC HC+NO x NO x PM Diesel Euro ,72-0,97-0,14 Euro 2 IDI ,00-0,70-0,08 Euro 2 DI ,00-0,90-0,10 Euro 3 01/ ,64-0,56 0,50 0,05 Euro 4 01/ ,50-0,30 0,25 0,025 Euro 5 09/2009 0,50-0,23 0,18 0,005 Benzina Euro 3 01/ ,30 0,20-0,15 - Euro 4 01/ ,00 0,10-0,08 - Euro 5 09/ ,00 0,10-0,06 0,005 2

3 Evoluzione dei Motori Diesel 3

4 Il primo motore diesel del mondo 4

5 Pompa in linea Bosch anni 30 5

6 Vano motore Mercedes 260 D 6

7 kw/litro Evoluzione potenza specifica Motori Diesel Auto

8 Nm/litro Evoluzione coppia specifica Motori Diesel Auto Ing. Nicola Menarini Direttore Progettazione 8

9 g/kwh Evoluzione consumo specifico 255 Motori Diesel Auto

10 Motori Diesel sul mercato mondiale Fiat Fiat --GM GM 1,3 1,3 Multijet Volkswagen 5,0 5,0 V10 V10 10

11 Evoluzione peso autovetture Jeep Cherokee 1994 CHEROKEE 1560 Kg Kw Kg 85 Kw Jeep Cherokee Kg 105 / 120 Kw 11

12 Consumo autovetture in pista VW GOLF 1.6 FSI VW GOLF 1.9 TDI Ford FOCUS 1.6 Ti-VCT Ford FOCUS 1.6 TDCi Renault Mégane V Renault Mégane 1.9 dci Gasolio 6,7 km/l 6,6 km/l 6,5 km/l Benzina 4,8 km/l 4,5 km/l 4,6 km/l Fonte: mensile AUTO, supplemento 24 hours 12

13 Interventi sulla meccanica per limitare pesi ed attriti 13

14 Motore VM RA428 14

15 Motore VM RA630 Basamento 15

16 Ghisa CGI 16

17 Ghisa CGI Cast Iron - Comparison Properties Property Gray Iron CGI 450 Factor Tensile Strength (MPa) Elasticity Module (GPa) Fatigue Strength (MPa) Thermal Conductivity (W/(mK)) , , , ,80 17

18 Ghisa CGI 18

19 Motore RA428 Testa Cilindri 19

20 Motore RA 428 Testa Cilindri Cooling Criteria Cross flow cooling Water distribution to head via cylinder head gasket optimisation with CFD Water inlet on exhaust side Water outlet at inlet side, thermostat is integrated into inlet system. 20

21 Motore RA 428 Contralberi Gear driven 100% balancing Integrated with ladder frame Oil splash containment 21

22 Interventi sul sistema di iniezione 22

23 Iniettore Piezoelettrico (Common Rail Gen 3) Vantaggi rispetto all iniettore tradizionale Rapidità in fase di apertura e chiusura Possibilità di eseguire iniezioni molto ravvicinate e di iniettare piccole quantità Superiore ripetibilità dell iniezione e riduzione del campo di tolleranza Pressioni di iniezone fino a 2000 bar 23

24 Pompa Common Rail bar CP4.2 HP PUMP MPROP ONTO THE ASSY ENGINE RPM DRIVEN Ratio 0,75 ELECTRICAL PRE-FEEDING PUMP NEEDED 24

25 Common rail - Iniezioni multiple CR generazione 1 PILOT MAIN PRE MAIN AFTER POST CR generazione 2 Rumorosità a motore freddo DPF Rigenerazione Controllo Durata Iniezione Controllo ciclo di Pressione Riduzione Fumosità 25

26 Sistema di controllo iniezione avanzato CSCP Switch from conventional to (partly-) homogeneous mode Reduction of tolerance for mass production Homogeneous operating mode only possible with closed loop control (stability of the combustion) Improvement of emissions (NOX or PM) in conventional mode Optimization of pilot injection Balancing of cylinder differences for the process of combustion (timing, quantity) 26

27 Interventi sul turbocompressore 27

28 Motore VM RA428 - Turbo V.G.T. 28

29 Motore VM RA630 - Turbo VGT 29

30 Sovralimentazione a due stadi 30

31 Interventi sulla combustione del motore 31

32 Sistema EGR Motori Euro5 * * * * * 32

33 Motore RA 428 Distribuzione EGR 33

34 Motore RA 428 layout EGR Vacuum actuated EGR valve Electric intake throttle U-type EGR cooler 34

35 Distibuzione EGR esempio % 90% 80% 2000 rpm / 5 bar air mass=130 kg/h % EGR rate % 60% 50% 40% 49% 47% 45% 52% 45% 30% 20% 10% 0% posizione 100% 90% 80% 2500 rpm / 8 bar Target delta 5%max air mass=280 kg/h % 90% 80% 1500 rpm / 2 bar air mass=120 kg/h % 70% EGR rate % 60% 50% 40% 41% 47% 43% 45% 41% EGR rate % 60% 50% 40% 30% 30% 22% 24% 23% 21% 19% 20% 20% 10% 10% 0% posizione 0% posizione 35

36 Ottimizzazione condotti aspirazione ALFA A A GAMMA A A DELTA A A ZETA B A EPSILON B A Ais. RS Ais. RS Ais. RS Ais. RS Ais. RS Twin A B exh A. B A B A B AA BB Twin A B Ais ETA A A * RS A B 36

37 Ottimizzazione condotti aspirazione 37

38 Modulazione Controllo Swirl Swirl Ratio AIS media su CIL [mm²/cm³] RS 2 cond cond cond cond cond cond cond.90 con B tappato a monte A con tronchetto B con tronchetto e farfalla aperta (0 ) A+B senza tronchetto A senza tronchetto B senza tronchetto AIS media su CIL [mm²/cm³] CONFRONTO SR /Ais/cc flow box mot.r3024 Kappa cod.a a con tronchetto aspirazione trasversale e farfalla in 7 posizioni.valvole asp. Definitive,flangia d.83,profilo cammes R3024 Var DUCT OPEN DUCT CLOSED 0.2 con tronchetto senza tronchetto Swirl Ratio RS 38

39 Ottimizzazione condotti aspirazione Swirl Ratio AIS media su CIL [mm²/cm³] RS A+B CONFRONTO SR /Ais/cc flow box mot. RA630R10 cod. B A.flangia d.83,prova in intake con swirl control smontato.valvole aspirazione RA630, data solo A solo B α=coeff. Ang. AIS media su CIL [mm²/cm³] Val Medio Swirl Ratio AIS cilindri RS [mm²/cm³] 2 cond solo tuff α solo elic Dev. Std. Swirl Ratio AIS cilindri RS [mm²/cm³] 2 cond. #DIV/0! #DIV/0! solo tuff. #DIV/0! #DIV/0! solo elic. #DIV/0! #DIV/0! Swirl Ratio RS 39

40 Ottimizzazione condotti aspirazione 40

41 Ottimizzazione condotti aspirazione 41

42 Analisi combustione 42

43 Analisi combustione 43

44 Sensori e Attuatori (EMS) 44

45 Sistema EMS Euro 4 1. Tank 2. Electric Fuel-feeding Pump 3. Fuel Filter Assembly 4. Damper Volume 5. High Pressure Pump 6. Fuel metering Valve 7. Pressure Regulator Valve 8. Rail 9. Rail Pressure Sensor 10. Injectors 11. Air Filter 12. Air Flow Meter (+Air Temperature Sensor) 13. Compressor 14. Intercooler 15. Electronic Throttle Body 16. EGR Pneumatic Valve 17. EGR Cooler 18. Cooler Bypass Valve (EVM switch on/off) 19. EGR Distributor 20. Intake Manifold Pressure + Temperature Sensor 21. Crankshaft Position / Engine Speed Sensor 22. Camshaft Position Sensor 23. Coolant Temperature Sensor 24. Oil Minimum Pressure Switch 25. Oil Level Sensor( on/off switch) 26. Glow Plugs 27. Glow Plug Control Unit 28. Variable Geometry Turbine (VGT) 29. Electric VGT Actuator 30. Pedal Assembly 31. Engine Control Unit(EDC 16 C39 ) 2 28 EMS SYSTEM ARCHITECTURE REA to the vehicle

46 Trappola (Filtro) Particolato (DPF - Diesel Particulate Filter) 46

47 Filtro Particolato - Tecnologie Lo scopo dell applicazione del filtro è di intrappolare il particolato e di eliminarlo secondo due tipi di processo: 1) Ossidare il C creando CO2 quando la temperature dei gas di scarico è sufficientemente alta (600 C) ovvero durante uso del motore in piena potenza. In caso di prolungata operazione a bassa potenza o al minimo, condizioni in cui la temperatura di scarico è molto bassa, si avrebbero condizioni di solo accumulo di particolato, il che porterebbe presto ad un intasamento del filtro. In questo caso, il sistema di gestione motore modificherà i parametri (ritardo iniezione, post-iniezione, EGR, strozzatura aria in aspirazione) in modo da ottenere un aumento di temperatura dei gas di scarico fino a 600 C in modo da iniziare la combustione del C e rigenerare il filtro; limitatamente a questa fase si otterrà un aumento di consumo di carburante. Additivando il combustibile (con cerio, ferro, stronzio) la temperatura alla quale inizia l ossidazione del C si può abbassare a circa ) Convertire C in CO, CO2 in base ad una reazione chimica complessa in presenza di NO2 e a temperature di circa 350 C (Modalità CRT). Il lavoro di messa a punto del sistema di rigenerazione può durare fino a due anni di lavoro. 47

48 Layout base - scarico con DPF 48

49 Rigenerazione DPF Calibrazione 49

50 Rigenerazione DPF Calibration tools for increasing the exhaust temperature during regeneration 50

51 Rigenerazione DPF Calibration tools for increasing the exhaust temperature during regeneration 51

52 Controllo diluizione olio (DPF) Oil viscosity behavior 100 C) vs oil dilution (regeneration cycles) Test cycle (dyno bench): 2hr at full load durability cycle (MM_AS) ½ hr at regeneration point 1500 rpm 2 bar BMEP (retarded main injection + post injection) 52

53 Layout impianto di scarico vettura SUV Motore VM 2.0L DPF (3.92L) 200/16 SiC 20 gpcf Pt Center Pipe (O.D. 54mm ) Rear Muffler (12 L) Pre-Cat (0.6L) 300cpsi Metallic 70 gpcf Pt Temp Senso r Front Muffler (10 L) T/Down Pipe (O.D. 54mm) Bellows DOC (1.0L) 400/6.3 Ceramic 50 gpcf Pt 53

54 Interventi sull impianto di scarico De NOX 54

55 Trappola Nox (De Nox) (SCR Selective Catalyst Reduction) (LNT Lean Nox Trap) 55

56 Trappola NOx - Tecnologie Esistono due principali tecniche di abbattimento NOX nello scarico: L iniezione di Urea a monte di un Catalizzatore Riducente ne consente elevata efficienza anche in presenza dell eccesso di aria tipico dei Diesel. Pro: efficiente, affidabile, non aumenta il consumo di combustibile. Contro: richiede serbatoio Urea e relativo sistema di iniezione nonché una rete di distribuzione di Urea. L adozione di un NOX Adsorber che agisce chimicamente sulle molecole NOX. Pro: non richiede fluidi addizionali (Urea) Contro: richiede bassissimo tenore di zolfo (10ppm) nel combustibile, richiede rigenerazione similmente al Filtro particolato e pertanto comporta aumento di consumo carburante 56

57 De-NOx 57

58 De-NOx 58

59 De-NOx 59

60 De-NOx 60

61 De-NOx 61

62 De-NOx 62

63 Euro 5 M1, N1 Class 3 - DeNOx Strategy De-NO x necessary 2100 Inertia Weight (Kg) De-NO x not necessary Best practice line 1700 Vehicle #1 Vehicle #4 Vehicle #2 Vehicle # Vehicle # Power at 80 Kph (KW) 63