Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 5. Luft och bränsle Arbete och emissioner. Trevägskatalysatorn och lambdafönsteret.

Transkript

1 Innehållsförtekning TSFS Fordonssystem Fö Prinier oh modellering för motormoment, emissioner, oh köykler Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköings universitet larer@isy.liu.se Setember 9, MVEM Reglering Cykelmodellering Sammanfattning av termodynamiken Termodynamiska system, roesser, oh ykler Motor, arbetsrinier Luft oh bränsle Arbete oh emissioner Trevägskatalysatorn oh lambdafönsteret Medelvärdesmodellering Samband mellan aktuator oh sensorer samt sensorer inbördes. strekad - före katalysatorn heldragen - efter katalysatorn ṁat θth i ṁfi θign λb λa 8 Lambda window 6 HC NO x Intake Catalyst Exhaust CO volume in % CO CO NO x NOx and HC in ½ Ti HC Mth Me.9.. Mload λ N Reglermål λ Huvudlooarna Analys av återkolingsloo Viktigaste reglerlooarna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn oh den nedersta är tändningsregulatorn... λ sensorns utsignal λ sond t From engine sensors and driver requests Lambda ontrol 7. x Insrutad bränslemängd bränsleflöde [kg/s] 7 Bränsle: ut K I λsond tdt Basi and transient fuel metering * Injetor hardware Engine λ sensor λ in i ylindern [ ] λ motor t K luftt ut Ignition timing + Ignition hardware Knoksensing τd λ vid lambda sensorn [ ] λ avgas λ motor t τ d Knok ontrol Självsvängningstid T τ d Indikatordiagram Motorgeometri Volym Cylindertryk som funktion av vevaxelvinkel θ. Termodynamiska ykler som modell av umätt indikatordiagram. Cylinder, intake, and exhaust ressure at rm Nm intake om. ex. exhaust intake a Measured yle Seliger yle Otto yle Diesel yle Cylinder bore B Conneting rod length l Crank radius a Piston stroke L a Crank angle θ Clearane volume V Dislaed volume V d πb L r maximum ylinder volume minimum ylinder volume V d +V V TDC BDC L sθ B l V 6 8 Crank angle [deg] Vθ V + πb l +a sθ sθ a osθ + l a sin θ θ a

2 En kort sammanfattning av termodynamiken En kort sammanfattning av termodynamiken Mass seifika storheter små bokstäver v V m, q Q m, u U m, h H m, w W m Ideal gas V mr T v R T :a Huvudsatsen dq du +dw dq du +dw Rev. arbete dw dv dw dv Entali H U +V h u +v dh du +dv +dv dh du +dv +dv :a H. igen dq dh V d dq dh v d Värmekaaitet C v dq v v C dq dq dq Samband: du v dh Ratio of seifi heats γ v γ [.,.] v Alla gaser vi räknar å i kursen är ideala. Ideala gaslagen V mr T oh V n R T R 8. [J/mol K] universella gaskonstanten, R R/M [J/kg K] gaskonstanten. För en ideal gas gäller utgå från h u +v oh v RT R R M v R Kan med γ v få följande uttryk v R γ, R /γ Alla gaser vi räknar å har oh v konstanta. Termodynamiska system oh roesser System Isolerat Slutet Öet Proesser Isobar: samma tryk d Isokor: samma volym dv Isoterm: samma tem. Adiabatisk: inget värmeutbyte dq Reversibel: dw dv Isentroisk: adiabatisk + reversibel den bästa roessen Isentroisk komression oh exansion Ideal gas Isentroisk betyder Ingen värmeöverföring dq Reversibel roess dw dv Söker samband som beskriver hur tillståndet förändras under roessen Utgå från :a Huvudsatsen Ideal gas RT v : dq du +dw v +dv v RT T R v T v v T T T v γ v Isentroisk komression oh exansion Ideal gas Isokor roess konstant volym t.ex. förbränning T T T v γ v lnt lnt γ lnv lnv [ T v ] R Viktigaste ekvationen T T [ v R T ] v v v v v γ v γ T T v γ konstant γ γ Konstant volym dv :a huvudsatsen energiekvationen dq du +dv dq du Inre energi U mu du m tot du m tot v Frigjord energi från bränslet Integrera :a huvudsatsen minλ, m f q LHV T dq m tot v T m tot v T T Cykelräkning oh T givna Termodynamiken ger systematisk metod för att räkna runt ykeln T T Qin mtot v T T T T r γ r γ v v v v η? T T v v v v r γ T T Qloss γ T T V mtot v Innehållsförtekning Motor, arbetsrinier De ideala yklernas effektivitet Knak En begränsning Indikerat bruttomoment Medeleffektivt tryk MEP Pumarbete

3 Ideala Ottoykelns effektivitet Ottoykelns effektivitet Verkningsgrad Känner tillförd energi η otto Arbete ut Tillförd energi η f,i r γ.8 Effiieny for the Otto yle Två sätt att beräkna arbete ut W out Integrera arean W out dv Lösa två integraler V γ dv Första lagen: efter en ykel har U inte ändrats Normalfall γ. η fi γ. γ. γ. dq du +dw Q W.. W W out Q Q loss η otto Wout Q loss Q loss T T T T γ Jämför r med r i ett V-diagram. Var förlorar man?. r Cykeleffektiviteten oh V-diagramet η f,i W i Förutsättning: Samma. Vad syns i diagrammet? 8 6 Otto Seliger Diesel Cykeleffektivitet forts. Dieselykel eller ykel med konstant-tryk η f,i γ β γ β γ Seiligeykel eller ykel med begränsat-tryk η f,i γ Notera att Dieselykeln α oh Ottoykeln α oh β är seialfall av Seiligeykeln. αβ γ αβ γ +α Alla ykler säger att vi skall ha högt komressionstal! Vad är haken? Volume/V Några kolvar som utsatts för knak η Otto > η Seiliger > η Diesel Knak En begränsning för bensinmotorer Knak sikning oh oktantal hänger samman Oktantalet är bränslets motstånd mot självantändning. Krav å styrsystemet Hantera olika bränslen. Knak kan förstöra motorn! Mer om det nästa eriod... Medelvärdesmodell för indikerat bruttoarbete W ig MEP Ett viktigt begre Utgår från tillgänglig energi W ig m f q HV η ig λ,θ ign,r,ω e,v d Dra bort ideal Ottoykel samt verkliga förluster η ig λ,θ ign,,ωe,v d γ min,λ η ign θ ign η ig,h ωe,v d Skillnad verklig/ideal η ig,h ω e,v d hamber losses Ändlig förbränningshastighet % Värmeöverföring % resultat η ig,h [.8,.8]. Otimal tändtidunkt beror å..., momentkurvan å... η ign θ ign C ign θ ign θ ign,ot ω e,m f,λ,... Mean effetive ressure Medeleffektivt tryk MEP Arbete under en ykel Motor Volym W Mπ W V d enheten Nm/m N/m vilket är detsamma som tryk. xmep x anger var man mäter arbetet IMEP Indikerat arbete ylindertryk FMEP Friktionsarbete BMEP Bromsat arbete PMEP Pumarbete ylindertryk Max BMEP för sugmotor a MPa bra att komma ihåg

4 Pumarbete sista enkla åtgärden Medelvärdesmodell för umarbete Dellast i. bar and e bar Volume [dm ] Volume/V Pumarbete omsluten area Volume/V Brutto IMEP IMEP g gross oh netto IMEP. W e i V d PMEP V d IMEP IMEP g - PMEP. TFMEP Friktionen kan uttrykas i FMEP frition mean effetive ressure W f V d FMEP Heywood olynomial ETH model FMEP C f +C f N +C f N FMEP ξaux [.6 +.7S.8 Π bl BMEP] B Finns omfattande MIT modell från 989 utvidgad. Bra att komma ihåg max BMEP 6 Pa FMEP Pa Lastberoende effektivitet Musseldiagram Performane ma. sf [g/kwh] η fi... sf Q HV ime / ime max ime / ime max Ökande last förbättrar effektiviteten. Indikerad sf visas okså. Engine torque [Nm] Engine seed [RPM] Innehållsförtekning Motor, arbetsrinier C a H b +a+ b O +.77N aco + b H O+.77a+ b N Vatten, koldioxid oh kväve räknas inte som emissioner. Minskning av koldioxidutslä kräver minskad bränsleförbrukning byter bränsle t.ex. mot metan CH eller biobränslen samlar in avgaser... Bildas även NO, NO, CO, oh oförbrända kolväten HC. NO x samlingsnamn å NO, NO,...

5 Lagstiftning US federal test roedure FTP 7 Tre faser Komb. m. SHED Sealed Housing for Evaorative Determiantion. Internationellt enhetliga roedurer för usamling av avgaser oh mätningar. Hel bil i hassi-dynamometer Jfr Bilrovning Olika köykler i olika länder. Förare håller hastigheten. CVS-metoden Constant Volume Samling Utsädning : Fördelar: Slier kondensation av vattenånga, vilket skulle reduera NO x. Minskar reaktionstendensen i avgaserna. Nakdel: Svårare mätning ty lägre konentration New Euroean Driving Cyle NEDC Proj. Emissionsgränser, bensindriven ersonbil, USA g/mile Vehile seed [km/h] Gear number 8 6 New Euroean Drive Cyle NEDC for assenger ars Time [s] year CO HC NO x Metods g/mile g/mile g/mile Pre ontrol Retarded ignition, thermal reators, and exhaust gas reiulation EGR Same as above Oxidizing atalysts Ox.at. and imroved EGR Imroved ox.at. and three way atalysts Imroved threeway atalyst and suort material Continuous imrovements Katalysator effektivitet oh temeratur under en euroeisk köykel Vid start T C. Gaserna efterbehandlas inte. Enkel medelvärdesmodell: Light-off tid. MVEM Reglering Cykelmodellering Sammanfattning av termodynamiken Termodynamiska system, roesser, oh ykler Motor, arbetsrinier De ideala yklernas effektivitet Knak En begränsning Indikerat bruttomoment Medeleffektivt tryk MEP Pumarbete