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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
2 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
All data provided on the following slides is for information
purposes only, explicitly non-binding and subject to changes
without further notice.
Disclaimer
3 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
4 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
5 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Power Engineering Commercial Vehicles
MAN
Truck & Bus
MAN
Latin America
MAN
Diesel & Turbo
RENK (76 %)
MAN Guppe
MAN Gruppe Firmenstruktur
6 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
7 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Zweitaktmotoren
Langsamläufer
3.000 - 87.000 kW
Viertaktmotoren
Mittelschnellläufer
450 - 22.000 kW
MAN Diesel & Turbo Motorpalette
8 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
9 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
10 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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%
11 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
12 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
13 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
• Turbolader
• Ladeluftkühler
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
14 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
• ND, HD Turbolader
• Ladeluftkühler
• Zwischenkühler
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
15 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
• ND, HD Turbolader
• Ladeluftkühler
• Zwischenkühler
• Jet Assist
• Wastegate (WG)
• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
16 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
• ND, HD Turbolader
• Ladeluftkühler
• Zwischenkühler
• Jet Assist
• Wastegate (WG)
• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)
• Umblasen
• Abblasen
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
17 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
CR
VVT
• Kraftstoff (Diesel, Gas, DF)
• ND, HD Turbolader
• Ladeluftkühler
• Zwischenkühler
• Jet Assist
• Wastegate (WG)
• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)
• Umblasen
• Abblasen
• Common Rail
Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen
• Variabler Ventiltrieb (VVT)
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
18 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
CR
AGN
• Kraftstoff (Diesel, Gas, DF)
• ND, HD Turbolader
• Ladeluftkühler
• Zwischenkühler
• Jet Assist
• Wastegate (WG)
• Variabler Turbinenleitapparat (VTA)
• Umblasen
• Abblasen
• Common Rail
Einspritzzeitpunkt , Raildruck, Mehrfacheinspr., transiente Maßnahmen
• Variabler Ventiltrieb (VVT)
• Abgasnachbehandlung
Temperaturmanagement, Regenerierungsstrategien
VVT
MAN Diesel & Turbo Motoren Varianten und Bauteile
19 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
20 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
21 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen
Sollwert
Externe Einflussgrößen
(zB.: Lastwechsel)
Rückkopplung
Thermodynamik
Motorsteuerung
22 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Sollwert
Externe Einflussgrößen
(zB.: Lastwechsel)
Rückkopplung
Thermodynamik
Motorsteuerung +
Gekoppelte Simulation Transiente Betrachtungen
23 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
24 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
Anfo
rderu
ng
Kunde
Gesetzgebung
25 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
Anfo
rderu
ng
Vorselektion A,B,C
Idee
A,B,C
26 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
Anfo
rderu
ng Motorhardware
Software
Konstruktion
Funktionsbeschreibungen
Errorhandling, HMI Konzept
Idee
A,B,C
27 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
Anfo
rderu
ng Motorhardware
Software
Fertigung
Softwaretest
Idee
A,B,C
Motoranbau
bzw. Neubau
Software-
integration
28 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
Anfo
rderu
ng Motorhardware
Software
Validierung
Kalibrierung
Idee
A,B,C
Motoranbau
bzw. Neubau
Software-
integration
Prü
fsta
nd
29 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
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
30 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Gekoppelte S
imula
tion
Motor-/ Funktionsentwicklung Prozess
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
31 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
32 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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)
33 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Instationärverhalten Einflussgrößen Motorhardware
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Einspritzmenge
Zylinderleistung / pme
Zylinderanzahl
Kraftstoff
Ventilstuerzeiten
Massenträgheit ATL
Regelorgan ATL
Epsilon
Einspritzzeitpunkt
Raildruck
Massenträgheit Motor
Motorgrößen Transiente Einflussgrößen
34 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Instationärverhalten Funktion: Injection Boost
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Einspritzmenge
Zylinderleistung / pme
Zylinderanzahl
Kraftstoff
Ventilstuerzeiten
Massenträgheit ATL
Regelorgan ATL
Epsilon
Einspritzzeitpunkt
Raildruck
Massenträgheit Motor
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
35 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Zylinderleistung / pme
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
36 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Zylinderleistung / pme
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
Einspritzzeitpunkt
Raildruck
Injection Boost
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Jet Assist
Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung
37 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Zylinderleistung / pme
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
Ladedruckregelung
VVT
Drehzahlregler
Jet Assist
Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung
38 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Zylinderleistung / pme
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
Ladedruckregelung
VVT
Jet Assist
Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung
39 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Ladedruckverlauf
Verbrennung
Zylinderleistung / pme
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
Ladedruckregelung
VVT
Jet Assist
Instationärverhalten Einflussgrößen Regelung
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
40 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
41 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
42 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
Agenda
1 MAN Gruppe
2 MAN Diesel & Turbo Motoren
3 Gekoppelte Simulation
4 Motor-/ Funktionsentwicklung
5 Transientes Motorverhalten
6 Zusammenfassung
43 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
44 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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
45 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Mathias Moser Matlab EXPO 2013 02.07.2013
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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