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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


All data provided on the following slides is for information

purposes only, explicitly non-binding and subject to changes

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

MAN

Truck & Bus

MAN

Latin America

MAN

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.

Zw

eitakt

Diesel

bis 87000 kW

Tanker

Containerschiffe

etc.

Propulsionsantrieb

90 - 130 rpm direkt

an Propeller

Mittel

Vie

rtakt

Diesel

450 -22000 kW

Fähren

Kreuzfahrtschiffe

Dieselmechanisch

Dieselelektrisch

400 - 1000 rpm

Mittel

Kabelleger

Offshoreversorger

Bohrschiffe

Dieselelektrisch Hoch

Hilfsmotor

Stationär

Genaratorbetrieb Mittel bis

Hoch

Gas

8000 - 18000 kW

Stationär Genaratorbetrieb

Kompressorbetrieb

Mittel bis

Hoch

DF

4000 - 18000 kW

Schiffsantrieb,

Hilfsmotor, Stationär

Dieselelektrisch

Genaratorbetrieb

Mittel bis

Hoch

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

2

4

6

8

10

12

14

16

18MW

400 500 600 700 800 900 1000

s

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

M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler

charge air cooler intercooler

EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT

• Kraftstoff (Diesel, Gas, DF)


M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT


• Turbolader

• Ladeluftkühler



M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT


• ND, HD Turbolader

• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler



M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT



• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)

• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)



M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT



• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)


• Umblasen

• Abblasen



M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT

CR

VVT



• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)


• Umblasen

• Abblasen

• Common Rail

Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen

• Variabler Ventiltrieb (VVT)



M

LP-compressorHP-

compressor

HP-turbine

LP-turbine

LT-cooler


EGR-Blower

EGR-valve

HP-WG

LP-WG

Blowby valve

Shutoff valve

WMC

HT-cooler

AT

CR

AGN



• Ladeluftkühler

• Zwischenkühler

• Jet Assist

• Wastegate (WG)


• Umblasen

• Abblasen

• Common Rail

Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen

• Variabler Ventiltrieb (VVT)

• Abgasnachbehandlung

Temperaturmanagement, Regenerierungsstrategien

VVT



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

Anfo

rderu

ng

Kunde

Gesetzgebung



Anfo

rderu

ng

Vorselektion A,B,C

Idee

A,B,C



Anfo

rderu

ng Motorhardware

Software

Konstruktion

Funktionsbeschreibungen

Errorhandling, HMI Konzept

Idee

A,B,C



Anfo

rderu

ng Motorhardware

Software

Fertigung

Softwaretest

Idee

A,B,C

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration



Anfo

rderu

ng Motorhardware

Software

Validierung

Kalibrierung

Idee

A,B,C

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

Prü

fsta

nd



Anfo

rderu

ng Motorhardware

Software

Idee

A,B,C

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

Prü

fsta

nd

OK?

Freigabe

Ja

Nein

Späte Fehlererkennung

Zeit- und Kostenintensiv


Gekoppelte S

imula

tion


Anfo

rderu

ng

Idee

A,B,C

Ge

koppelte S

imula

tion

Motorhardware

Software

Motoranbau

bzw. Neubau

Software-

integration

Prü

fsta

nd

OK?

Freigabe

Ja

Nein

Frühe Iterationsschleife

Zeit- und Kostenideal


Agenda

1 MAN Gruppe





6 Zusammenfassung


25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 350

20

40

60

80

100

Zeit [s]

Last

[%]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

Kra

ftsto

ffm

asse

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

730

740

750

760

770

780

Zeit [s]

Dre

hzahl [1

/min

]

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]

QH

E

25 30 35 40

730

740

750

760

770

780

Zeit [s]

Dre

hza

hl [1

/min

]

ohne IB

mit IB

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 350

20

40

60

80

100

Zeit [s]

Last

[%]

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Zeit [s]

Kra

ftsto

ffm

asse

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

730

740

750

760

770

780

Zeit [s]

Dre

hzahl [1

/min

]

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

VVT

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

VVT

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

VVT

Lambda Limiter

Einspritzmenge


Ladedruckregelung

VVT

Drehzahlregler

Jet Assist



Ladedruckverlauf

Verbrennung


Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck


Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

VVT

Lambda Limiter

Einspritzmenge


Ladedruckregelung

VVT

Jet Assist



Ladedruckverlauf

Verbrennung


Zylinderanzahl

Kraftstoff

Ventilstuerzeiten

Massenträgheit ATL

Regelorgan ATL

Epsilon

Einspritzzeitpunkt

Raildruck


Ladedruck vor LAS

Injection Boost

Ladedruckregelung

VVT

Lambda Limiter

Einspritzmenge


Ladedruckregelung

VVT

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

730

740

750

760

Zeit [s]

Dre

hza

hl [r

pm

]

15 20 25 30720

730

740

750

760

Zeit [s]

Dre

hza

hl [r

pm

]

15 30720

760

Zeit [s]

Dre

hza

hl [r

pm

]

Simulation

Messung

30 – 80 % in 2s

15 – 65 % in 4s

15 30720

760

Zeit [s]

Dre

hza

hl [r

pm

]

Simulation

Messung


Gemessener Lastverlauf – Lastabwurf ca.2s

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30740

750

760

770

780

Zeit [s]

Moto

rdre

hzahl [r

pm

]

Simulation

Messung

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

20

40

60

80

100

120

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


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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

[email protected]

www.mandieselturbo.com

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