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1 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013

Matlab EXPO

Optimierung des Instationärverhaltens

aufgeladener Großmotoren mit Model-Based Design Dr. Mathias Moser, MAN Diesel & Turbo SE

Advanced Engineering / Thermodynamics

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without further notice.

Disclaimer

Agenda

1 MAN Gruppe

2 MAN Diesel & Turbo Motoren

3 Gekoppelte Simulation

4 Motor-/ Funktionsentwicklung

5 Transientes Motorverhalten

6 Zusammenfassung

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

Power Engineering Commercial Vehicles

Truck & Bus

Latin America

Diesel & Turbo

RENK (76 %)

MAN Guppe

MAN Gruppe Firmenstruktur

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

Zweitaktmotoren

Langsamläufer

3.000 - 87.000 kW

Viertaktmotoren

Mittelschnellläufer

450 - 22.000 kW

MAN Diesel & Turbo Motorpalette

Motor Anwendung Betriebsart Dyn. Anf.

eitakt

Diesel

bis 87000 kW

Tanker

Containerschiffe

Propulsionsantrieb

90 - 130 rpm direkt

an Propeller

Mittel

Diesel

450 -22000 kW

Fähren

Kreuzfahrtschiffe

Dieselmechanisch

Dieselelektrisch

400 - 1000 rpm

Mittel

Kabelleger

Offshoreversorger

Bohrschiffe

Dieselelektrisch Hoch

Hilfsmotor

Stationär

Genaratorbetrieb Mittel bis

8000 - 18000 kW

Stationär Genaratorbetrieb

Kompressorbetrieb

Mittel bis

4000 - 18000 kW

Schiffsantrieb,

Hilfsmotor, Stationär

Dieselelektrisch

Genaratorbetrieb

Mittel bis

MAN Diesel & Turbo Motorpalette

Motordaten: 6L32/44 CR TS

Hub 440 mm

Bohrung 320 mm

Leistung 3 360 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 10 600 kW

Drehzahl 750/720 rpm

Turbolader TCR 22

L/B/H 9.7/3.8/4.5 m

Masse 145 t

MAN Diesel & Turbo Diesel-/ Gasmotorenbeispiel

Klassenanforderungen

• Lastaufschaltungen 3x33%

• Ausregelzeit: 5 s

• Drehzahlabweichung: max. 10%

MAN Diesel & Turbo Lastanforderungen

ISO 8528 - Ausführungsklasse G2

• Lastaufschaltung: Spezifikation

• Ausregelzeit: 5 s

• Drehzahlabweichung: max. 10%

MAN Diesel & Turbo Lastanforderungen - Dieselmotor

400 500 600 700 800 900 1000

Schiffstypen

• Kabelleger

• Bohrschiffe

• Offshoreversorger

Dynamic Positioning Mode

Aggregate

Bugstrahlruder

Thruster

• Bohren bis 3.000 m Wassertiefe

• 10.000 m im Erdreich

• Positioniergenauigkeit: 1.5 m

MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

charge air cooler intercooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Kraftstoff (Diesel, Gas, DF)

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Turbolader

• Ladeluftkühler

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• ND, HD Turbolader

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)

• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)

• Umblasen

• Abblasen

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)

• Umblasen

• Abblasen

• Common Rail

Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen

• Variabler Ventiltrieb (VVT)

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

EGR-Blower

EGR-valve

Blowby valve

Shutoff valve

HT-cooler

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)

• Umblasen

• Abblasen

• Common Rail

Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen

• Variabler Ventiltrieb (VVT)

• Abgasnachbehandlung

Temperaturmanagement, Regenerierungsstrategien

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

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen

Sollwert

Externe Einflussgrößen

(zB.: Lastwechsel)

Rückkopplung

Thermodynamik

Motorsteuerung

Sollwert

Externe Einflussgrößen

(zB.: Lastwechsel)

Rückkopplung

Thermodynamik

Motorsteuerung +

Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess

Gesetzgebung

Vorselektion A,B,C

ng Motorhardware

Software

Konstruktion

Funktionsbeschreibungen

Errorhandling, HMI Konzept

ng Motorhardware

Software

Fertigung

Softwaretest

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

ng Motorhardware

Software

Validierung

Kalibrierung

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

ng Motorhardware

Software

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

Freigabe

Späte Fehlererkennung

Zeit- und Kostenintensiv

Gekoppelte S

koppelte S

Motorhardware

Software

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

Freigabe

Frühe Iterationsschleife

Zeit- und Kostenideal

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 350

Zeit [s]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

hzahl [1

LambdaV Limiter

Kraftstoffmasse

Instationärverhalten Lastaufschaltung CR-Dieselmotor: 15% - 65% in 1s

Stationär

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Massenträgheit Motor

Transiente Einflussgrößen

= f(Ladedruck)

Instationärverhalten Einflussgrößen Motorhardware

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Einspritzmenge

Zylinderleistung / pme

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Motorgrößen Transiente Einflussgrößen

Instationärverhalten Funktion: Injection Boost

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Einspritzmenge

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Motorgrößen Transiente Einflussgrößen

25 30 35 40Zeit [s]

25 30 35 40

Zeit [s]

ohne IB

mit IB

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 350

Zeit [s]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

hzahl [1

LambdaV Limiter

Kraftstoffmasse

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Massenträgheit Motor Drehzahlregler

Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

Lambda Limiter

Einspritzmenge

Motorgrößen Transiente Einflussgrößen Regler

Jet Assist

Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

Lambda Limiter

Einspritzmenge

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Injection Boost

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Jet Assist

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

Lambda Limiter

Einspritzmenge

Ladedruckregelung

Drehzahlregler

Jet Assist

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

Lambda Limiter

Einspritzmenge

Ladedruckregelung

Jet Assist

Ladedruckverlauf

Verbrennung

Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck

Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

Lambda Limiter

Einspritzmenge

Ladedruckregelung

Jet Assist

Komplexe Zusammenhänge

Ausmaß der einzelnen Effekte und Interaktionen je nach Grundlast

und Lastsprunghöhe unterschiedlich (z.B.: VVT, Limiter)

Zeitliche Abfolge nicht immer gleich

Zu/ abschalten einzelner Funktionen notwendig

Nur mit gekoppelter Simulation darstellbar

Vergleich Messung vs. Simulation Lastaufschaltung

25 30 35 40720

Zeit [s]

15 20 25 30720

Zeit [s]

15 30720

Zeit [s]

Simulation

Messung

30 – 80 % in 2s

15 – 65 % in 4s

15 30720

Zeit [s]

Simulation

Messung

Gemessener Lastverlauf – Lastabwurf ca.2s

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30740

Zeit [s]

hzahl [r

Simulation

Messung

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

Zeit [s]

Last [%

]Vergleich Messung vs. Simulation Lastabwurf

Gute Übereinstimmung

Messung vs. Simulation

Kriterien: Ausregelzeit

und Drehzahlabweichung

Agenda

1 MAN Gruppe

6 Zusammenfassung

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

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.

Disclaimer

Dr. Mathias Moser

MAN Diesel & Turbo SE

Advanced Engineering

EEBT - Thermodynamics

Stadtbachstr. 1

86153 Augsburg, Germany

Phone +49 821 322-4095

Mathias.Moser@man.eu

www.mandieselturbo.com

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