Denna report beskriver ett examensarbete inom ämnet förbränningsmotorteknik och är utfört på Scania CV AB i Södertälje i sammarbete med Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.

Fordonsindustrin står inför nya utmaningar när en större fokusering på koldioxid (CO

2) utsläpp från väg-gående fordon efterfrågas, vilket är direkt kopplat till fordonets bränsleförbrukning. Detta skall klaras av med lägre övriga emissioner i form av kväveoxider (NOx) och rök som är de två stora problemområdena för en dieselmotor. Scania vill därför undersöka potentialen med Miller cykling och om detta koncept skulle kunna implementeras på en lågeffektsmotor. Idén är att byta hög effekt mot verkningsgrad på motorer i motorprogrammet som inte utnyttjar hela grundmotorns effektpotential.

Med Miller cykling menas senare- eller tidigarelagd stängning av insugsventilen och på så sätt öka graden expansionsarbete i förhållande till kompressionsarbete, dvs. öka den indikerade verkningsgraden. Då detta medför en minskning i effektiv slagvolym då cylindern inte fylls med luft helt måste kompensering i laddtryck göras för att motorn skall få samma luftmängd. En del kompressionsarbete görs då alltså utanför cylindern som belastar turbosystemet och inte motorn. En ny turbomatchning måste således göras då förflyttningar i turbomappen görs på ett mindre fördelaktigt sätt.

Arbetet inleddes med motorprov av en encylindrig dieselmotor som har samma cylinder, kolv och cylinderhuvud som en D12 produktionsmotor där förbränningsdata samlades in för senare simuleringar i GT-power. Två olika kompressioner, tidig resp. sen stängning av insugsventil och EGR provades i testcellen. Det visade sig att generellt sjunker NO

x-emissionerna vid Millring tillsammans med en högre verkningsgrad på framförallt höglast. Vid jämförelse mellan standardkompression 17.3:1 CR standard ventilprofil och 23:1 CR Millerprofil åstadkoms en ökning (i procentenheter) av bromsad verkningsgrad på mellan 1.79 % till 3.3 % vid encylinderprov utan EGR. Den annorlunda kolvgropen vid 23:1 CR ökar rök-emissionerna, kolvgropsutformning bör alltså optimeras för att sänka röken. Med EGR är den maximala ökningen i bromsad verkningsgrad (också i procentenheter) mellan 0.93 % och 3.43 %. Vid låglast ökar avgastemperaturen med upp till 100°C vid 50 kW effektuttag på en motsvarande DLC motor vid 1250 rpm. Detta är till fördel vid eventuell avgasefterbehandling. Vid fullmotorsimuleringar med matchad turbo ökar den bromsade verkningsgraden från 43.5 % (standard motor 17.3:1 CR) till 45.2 % (Miller motor 23:1 CR) på bästa punkten i ESC cykeln.

Miller tillsammans med höjd kompression kan vara ett koncept som är användbart i vissa effektvarianter i en motorfamilj där en högre avgastemperatur på låglast och en högre verkningsgrad på höglast efterfrågas. Det som bör undersökas närmare är att få ned rök emissionerna vid en ökning i kompression.

The Miller cycle is defined as earlier or later closing of the intake valves which increases the effective expansion ratio in relation to the compression. This means that the indicated engine efficiency should be increased. The earlier or later closing of the inlet valves means that the effective swept volume is reduced and must therefore be compensated by increasing the intake pressure with a turbo to make sure the same air mass is found in the cylinder when compression takes place. This is in effect an outsourcing of work from the cylinder to the turbo. This outsourcing will place greater demands on the turbo system, a result which means that a new turbo must be matched to the engine.

The work commenced with testing of a single cylinder diesel engine which had the same cylinder, piston and head as a production engine (in effect 1/6 of a Scania 6 cylinder lorry engine). The results of the tests were then used to calibrate simulation models made in

GT-power. Two different compression ratios, early and late closing of the inlet valves and with / without EGR were tested in the engine test cell.

It was found that generally NO

xlevels were reduced and engine efficiency increased especially for the higher load points. A comparison between the standard engine with 17.3:1 CR standard valve lift profile and a CR of 23:1 together with a Miller cycle gave an increase of between 1.9 and 3.3 % (percent units) in brake efficiency when the single cylinder test engine was run without EGR. It is worth mentioning that the bowl of the 23:1 CR piston was not optimized for smoke emissions, more work needs to be carried out in this area at a later date. With the use of EGR it was possible to increase the brake efficiency by between 0.93 and 3.43 %. When the engine was run at low load (1250 rpm and 50kW for a full engine) the exhaust temperature rose by up to 100 °C. This would lead to benefits in the after treatment of exhaust gases.

A simulation model of a full engine was calibrated and run in GT-power. Results showed that the best brake efficiency for a standard full engine when taken through the ESC cycle was 43.5 %. This could be increased to 45.2 % by increasing the compression ratio to 23:1 and using a Miller cycle.

The summary of the report concludes that a combination of increased compression ratio and running the engine with a Miller cycle is a viable concept for some of the engines in Scanias engine program. The benefits include a higher exhaust temperature under low loads and increase in brake efficiency for higher loads. Further work needs to be carried out on the optimization of the piston

geometry with the aim of reducing smoke for the higher compression ratios.