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

Relevanta dokument
Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 9. Drivlina. Drivlina Modellering. Model-Based Control. Drivlina Reglering

Innehållsförteckning. Nedskalning och överladdning. Kompressor och Turbin Modeller. Motor Repetition Turboreglering. Motor Knack. Tändningsreglering

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8 Motor Övergripande reglering, laddtryck, knack och knackreglering

Innehållsförteckning. Tändningsloopen. Repetition Ottocykelns effektivitet. Motor Knack Oktantal Oktantal & Knack. Tändningsreglering

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

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 3 Arbetsprinciper, termodynamik och modeller för motormoment

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 3 Arbetsprinciper, termodynamik och modeller för motormoment

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 4 Momentmodellen, Motorreglering

Innehållsförteckning. Kompressor och Turbin Modeller. Nedskalning och överladdning. Motor Repetition. Övergripande Reglering.

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8. Motorreglering Kort historik

Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 12 Motor Jämförelse Diesel och Bensin. Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna

Kortfattat facit till Tentamen TSFS 05 Fordonssystem 22 december, 2009, kl 8-12

r c λ >1.1

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 5 Lambda reglering, Emissioner, Bonus om Lambda

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 14. Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor

Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 11. Nedskalning och överladdning. Modelleringsstrategi MVEM. Kompressor och Turbin Modeller

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 5 Lambda reglering, Emissioner, Bonus om Lambda

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

C a H b +(a+ b 4 )(O N 2 ) aco 2 + b 2 H 2O+3.773(a+ b 4 )N 2. (A/F) = m a

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 14. Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 06 Motor MVEM och Turbo. Kursinformation.

Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 06 Motor MVEM och Turbo. Kursinformation.

Fordonssystem. TSFS05 Fordonssystem. Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? Genomgång av kursinformationen. Frivillig laboration?

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 8 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

ARBETSGIVANDE GASCYKLER

Förbränningsmotorer. Per Tunestål

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12. Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Kap 4 energianalys av slutna system

Termodynamik (repetition mm)

Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 2. En viktig bild. Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? Vad är luft?

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Kan lägre metanhalt göra biogasen mer lönsam?

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12 Motor Jämförelse Diesel och Bensin. Förbränningsprocesserna

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 9 Motor Jämförelse Diesel och Bensin. Förbränningsprocesserna

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

Testresultat från FFV fordon körda på etanolinblandad. Roger Westerholm, Institutionen för Analytisk kemi

Inneha llsfo rteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor

Slutet på början p.1

Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Luft/Bränsleförhållande och bränsleomvandlingsgrad. Stegsvar: Trottel Luftmassflöde, Insugstryck, Moment

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Arbetet beror på vägen

Mer om medelvärdesmodellering av motorer Generell modelleringsstrategi

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12. Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna

Alternativa bränslen i emissionslagstiftningen för fordon

Motor Begrepp. Fordonssystem. Fordonssystem. är att sträva efter: Fordon är idag datoriserad maskiner.

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 06 Motor MVEM och Turbo. Kursinformation.

Motorkoncept 2. Nhut Lam, doktorand. Avd. för förbränningsmotorer, Lunds Universitet

Ottos fyrtaktsmotor. Marcus Klein. Vehicular Systems Dept. of Electrical Engineering Linköping University, Sweden.

Betygstentamen, SG1216 Termodynamik för T2 25 maj 2010, kl. 9:00-13:00

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Föreläsning i termodynamik 28 september 2011 Lars Nilsson

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Statoils nya Diesel. Tekniska fördelar och funktion

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Termodynamik Föreläsning 2 Värme, Arbete, och 1:a Huvudsatsen

Diesel Tuning Module Teknisk Guide

Termodynamik FL7 ENTROPI. Inequalities

Termodynamik Föreläsning 4

Teknisk termodynamik repetition

7,5 högskolepoäng ENERGITEKNIK II. Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen 41N05B. TentamensKod:

Partikelemissioner från Sjöfart

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

PTG 2015 övning 1. Problem 1

Verkliga utsläpp från fartyg

Systemkonstruktion Z2

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 6 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 6. strömningslära, miniräknare.

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

Övningstentamen i KFK080 för B

En vals om 2-taktsmotorns tidiga andetag

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

PONSSE-SKOGSMASKINER OCH SCR-MOTORTEKNIK

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

Scania och gasmotorer. Rutger Hörndahl, Bussmarknad Scania-Bilar Sverige AB

Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

a) Vi kan betrakta luften som ideal gas, så vi kan använda allmänna gaslagen: PV = mrt

ÅNGCYKEL CARNOT. Modifieras lämpligen så att all ånga får kondensera till vätska. Kompressionen kan då utföras med en enkel matarvattenpump.

MDE - Dual fuel ETT RENARE ALTERNATIV

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen

U = W + Q (1) Formeln (1) kan även uttryckas differentiells, d v s om man betraktar mycket liten tillförsel av energi: du = dq + dw (2)

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Lite kinetisk gasteori

Höghastighetsturbiner för småskalig kraftvärme

3. En konvergerande-divergerande dysa har en minsta sektion på 6,25 cm 2 och en utloppssektion

Termodynamik FL6 TERMISKA RESERVOARER TERMODYNAMIKENS 2:A HUVUDSATS INTRODUCTION. Processer sker i en viss riktning, och inte i motsatt riktning.

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527)

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

BMW MOTORTEKNOLOGI. DIESEL

Transkript:

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 6 8...6.8 a Measured cycle Seliger cycle...6.8 Otto cycle...6.8 Diesel cycle...6.8 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

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.7.6..... 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)......6.7 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... 6. 7 6 7 8 9 Volume/V c 6 7 8 9 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.......6.7.8.9 imep / imep max ETH model ( ).7. FMEP = ξaux [(.6 +.7 Sp.8 ) Πbl +. BMEP] B sfc Q HV Finns omfattande MIT modell från (989) utvidgad ().......6.7.8.9 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

Musseldiagram Performance map sfc [g/kwh] Maxmomentet Varvtalsberoende Engine torque [Nm] 8 6 8 6 7 8 9 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

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 966 87. 8.8.6 Pre 97... Retarded ignition, thermal reactors, and exhaust gas recirculation (EGR) 97 8... Same as above 97... Oxidizing catalysts 977... Ox.cat. and improved EGR 98 7... Improved ox.cat. and three way catalysts 98 7... Improved threeway catalyst and support material 98... Continuous improvements 99... 996.....7. 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

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 6 6 8 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 8 6 6 8 Mass fraction burned x b T [K].8.6.. 8 6 6 8 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 9 8 7 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

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