Huvudlooparna. Luft och bränsle Arbete och emissioner. Indikatordiagram. En kort sammanfattning av termodynamiken

Transkript

1 Fö 6: Repetition - MVEM Luft och bränsle Arbete och emissioner Huvudlooparna Fö 6: Repetition - Reglering Medelvärdesmodellering Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. Huvudlooparna vid reglering av bensinmotorer. Övre loopen är luft/bränsleregulatorn. Nedre loopen är tändningsregulatorn. ṁat α pi ṁfi θign λbc λac From engine sensors and driver requests Lambda Intake Catalyst Exhaust Basic and transient fuel metering * Injector Engine λ sensor Mth Ti timing + Knocksensing Me Mload N Knock Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson September 7 Indikatordiagram Cylindertryck som funktion av vevaxelvinkel θ. Termodynamiska cykler som modell av uppmätt indikatordiagram. Cylinder, intake, and exhaust pressure at rpm Nm intake comp. exp. exhaust intake a Measured cycle Seliger cycle Otto cycle Diesel cycle En kort sammanfattning av termodynamiken Mass specifika storheter små bokstäver v = m V, q = Q m, u = m U, h = H m, w = W m Ideal gas p V = m R T p v = R T :a Huvudsatsen dq = du + dw dq = du + dw Rev. arbete dw = p dv dw = p dv Entalpi H = U + p V h = u + p v dh = du + dp V + p dv dh = du + dp v + p dv :a H. (igen) dq = dh V dp dq = dh v dp Värmekapacitet C v = ( ) dq dt c v = ( ) dq v dt v C p = ( ) dq dt c p = ( ) dq p dt p Samband: du = c v dt dh = c p dt Ratio of specific heats γ = cp c v γ [.,.] Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson September 7 Isentropisk kompression och expansion Ideal gas Isentropisk betyder Ingen värmeöverföring dq = Isentropisk kompression och expansion Ideal gas T v T T dt = (γ ) v v dv ln T ln T = (γ )(ln v ln v ) Reversibel process dw = p dv T T = ( ) γ v v Utgå från :a Huvudsatsen dq = du + dw = c v dt + p dv Ideal gas p = RT v : c v dt = RT v dv T dt = R c v v dv [ T = p v ] R Viktigaste ekvationen p p = [ v = R T ] p ( v v ) γ p v γ = p v γ T T = ( p p )γ γ cv T dt = cp T c v v dv T T dt = (γ ) v v v dv p v γ = konstant Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson 6 September 7 Fö 6: Motor Termodynamiska cykler Isokor process (konstant volym) t.ex. förbränning Fri blandning Fö 6: Motor Termodynamiska cykler Konstant volym dv = Ideal gas, konstant c p och c v :a huvudsatsen (energiekvationen) dq = du + p dv dq = du Blandning av residualgaser T r och färska gaser T i :a lagen Energi före: Inre energi U = m u du = m tot du = m tot c v dt U = (m a + m f ) c v T i + m r c v T r Frigjord energi från bränslet Q in = min(λ,) m f q LHV Energi efter: U = (m a + m f + m r) c v T Integrera :a huvudsatsen T dq = m tot c v dt T Q in = m tot c v (T T ) Temperatur efter T = ma + m f m r T i + T r = ( x r) T i + x r T r m a + m f + m r m a + m f + m r Lars Eriksson 7 September 7 Lars Eriksson 8 September 7

2 Fö 6: Motor Arbetsprinciper Medelvärdesmodell för indikerat bruttoarbete W ig Ottocykelns effektivitet Utgår från tillgänglig energi.8 Efficiency for the Otto cycle W ig = m f q HV η ig (λ c, θ ign, r c, ω e, V d ) η f,i = r γ c Normalfall γ =. η fi γ=. γ=. γ=. Dra bort ideal Ottocykel samt verkliga förluster ηig(λc, θign, rc, ωe, Vd) = ( rc γ ) min(, λc) ηign(θign) ηig,ch(ωe, Vd) Skillnad verklig/ideal η ig,ch (ω e, V d ) (chamber losses) Ändlig förbränningshastighet % Värmeöverföring % resultat η ig,ch [.7,.8]. r c Optimal tändtidpunkt beror på..., momentkurvan på... η ign (θ ign ) = C ign (θ ign θ ign,opt (ω e, m f, λ,...)) Lars Eriksson 9 September 7 Lars Eriksson September 7 MEP Ett viktigt begrepp Pumparbete Mean effective pressure Medeleffektivt tryck MEP = Arbete under en cykel = W Motor Volym V d W = M π enheten Nm/m =N/m vilket är detsamma som tryck. xmep x anger var man mäter arbetet IMEP Indikerat arbete (cylindertryck) FMEP Friktionsarbete BMEP Bromsat arbete PMEP Pumparbete (cylindertryck) Volume [dm ] Max BMEP för sugmotor = ca MPa (bra att komma ihåg) Lars Eriksson September 7 Brutto IMEP (IMEP g gross) och netto IMEP. IMEP = IMEP g - PMEP. Lars Eriksson September 7 Medelvärdesmodell för pumparbete Motorfriktion TFMEP Dellast p i =. bar and p e = bar Volume/V c Volume/V c Pumparbete (omsluten area) W p = (p e p i ) V d = PMEP V d Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson September 7 Motorfriktion Lastberoende effektivitet Friktionen kan uttryckas i FMEP (friction mean effective pressure) W f = V d FMEP η fi... Heywood polynomial FMEP = C f + C f N + C f N imep / imep max ETH model ( ).7. FMEP = ξaux [( Sp.8 ) Πbl +. BMEP] B sfc Q HV Finns omfattande MIT modell från (989) utvidgad () imep / imep max Bra att komma ihåg BMEP 6 Pa FMEP Pa Lars Eriksson September 7 Ökande last förbättrar effektiviteten. Indikerad sfc visas också. Lars Eriksson 6 September 7

3 Musseldiagram Performance map sfc [g/kwh] Maxmomentet Varvtalsberoende Engine torque [Nm] Effekt och moment som funktion av varvtal. SAAB-sugmotor P = w M enhetsbyte P = π N M 6 Engine speed [RPM] Medelkolvhastighet: S p = S p = L N = a N Lars Eriksson 7 September 7 Lars Eriksson 8 September 7 Ottocykelns effektivitet En kolv som upplevt kraftigt knack η f,i = r γ c.8.7 Efficiency for the Otto cycle γ=. Normalfall γ =..6 γ=.. γ=. η fi.. η f,i ökar med r c för alla cykler... Varför är inte r c =? r c Lars Eriksson 9 September 7 Lars Eriksson September 7 En annan kolv som upplevt kraftigt knack Knack En fundamental begränsning för bensinmotorn Knack och oktantal är relaterade. Oktantal Bränslets förmåga att motstå knack. Lars Eriksson September 7 Knack kan förstöra motorn!!! Lars Eriksson September 7 Varför är kompressionen begränsad? Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? Emissioner begränsning på maxtrycket värmeöverföring dq ökade emissioner C ah b + (a + b )(O +.77N ) aco + b H O +.77(a + b )N Vatten, koldioxid och kväve räknas inte som emissioner. (Minskning av koldioxidutsläpp kräver minskad bränsleförbrukning, eller att man samlar alla avgaser?) Bildas även NO, NO, CO, och oförbrända kolväten HC En diesel motor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson September 7

4 Emissioner Lagstiftning US federal test procedure FTP 7 (Tre faser) Internationellt enhetliga procedurer för uppsamling av avgaser och mätningar. Komb. m. SHED (Sealed Housing for Evaporative Determiantion). Hel bil i chassi-dynamometer (Jfr Bilprovning) Olika körcykler i olika länder. Förare håller hastigheten. CVS-metoden (Constant Volume Sampling) Utspädning : Fördelar: Slipper kondensation av vattenånga, vilket skulle reducera NO x. Minskar reaktionstendensen i avgaserna. Nackdel: Svårare mätning ty lägre koncentration Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson 6 September 7 New European Driving Cycle NEDC (Lab. c) Vehicle speed [km/h] 8 6 New European Drive Cycle (NEDC) for passenger cars 6 8 year CO HC NO x Metods g/mile g/mile g/mile Pre Retarded ignition, thermal reactors, and exhaust gas recirculation (EGR) Same as above Oxidizing catalysts Ox.cat. and improved EGR Improved ox.cat. and three way catalysts Improved threeway catalyst and support material Continuous improvements Gear number Evolution of federal emission regulation for passenger cars in the US. Note that the emission levels are given in g/mile. 6 8 Time [s] NMHC Non-methane Hydrocarbons (total hydrocarbons less methane). Lars Eriksson 7 September 7 Lars Eriksson 8 September 7 Katalysator effektivitet och temperatur Emissioner under en europeisk körcykel Vid start T C. Gaserna efterbehanlas inte. Enkel medelvärdesmodell: Light-off tid. Lars Eriksson 9 September 7 Lars Eriksson September 7 Tändningsloopen Tändningsreglering Huvudlooparna vid reglering av bensinmotorer. Övre loopen är luft/bränsleregulatorn. Nedre loopen är tändningsregulatorn. Varför: Vad: Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen i rätt ögonblick. From engine sensors and driver requests Lambda Hur: Laddar upp kondensator eller spole och laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Basic and transient fuel metering * Injector Engine λ sensor Utmaningar: Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knack borta. Kalibrering Sluten loop reglering. timing + Knocksensing Tändtidpunkt Knock Tändenergi Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson September 7

5 Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt och MBT Tändningstidpunkt cylindertryck Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr pv-diagrammet MBT. SA Engine Torque [Nm] Pressure [MPa].. SA SA SA. SA SA SA angle [deg] Lars Eriksson September 7 SA TDC Lars Eriksson September 7 Tändningstidpunkt pv-diagram. Tändtidpunkt Tändtidpunkten positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen Pressure [MPa]. PPP - Pressure Peak Position x b (θ) = m burned(θ) m total. Mass fraction burned 6 7 Volume [m ] x MBT Lars Eriksson September 7 Lars Eriksson 6 September 7 Tändningstidpunkt Cylindertryck och MFB Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Sex cylindertryck i arbetspunkten rpm Nm. Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Mean cylinder temperature Cylinder pressure Mass fraction burned x b T [K] Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP och x b =.? De höga maxtemperaturerna medför att mer NO x bildas. Lars Eriksson 7 September 7 Lars Eriksson 8 September 7 Knackrisk som funktion av tändtidpunkt Cykel till cykel variationer End gas temperature Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler T [K] 6 Cycle to cycle variations Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knackreglering Cylinder pressure [bar] Lars Eriksson 9 September 7 Lars Eriksson September 7

6 Knack detektering Bandpassfiltrera signalen Likrikta (eller kvadrera) Integrera Knack reglering Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer. p Omgivningstemperatur xy Druck Omgivningstryck vid olika höjder Oktantal for olika bränslen gefilterter fp Druck Motorernas tillverkningstolerans och åldring ms T Kompressionsförhållandet kan ökas med enhet. Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7%. För turboladdade motorer är vinsterna större. Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Mean cylinder temperature T [K] De höga maxtemperaturerna medför att mer NO x bildas. Lars Eriksson September 7