performance of vehicles - uliege · par le gaz dans les cylindres à cause des pertes par friction...
TRANSCRIPT
Performance of vehicles
Pierre Duysinx LTAS – Automotive Engineering
University of Liege
Academic Year 2013-2014
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Outline
STEADY STATE PERFORMANCES
Maximum speed
Gradeability and maximum slope
ACCELARATION AND ELASTICITY
Effective mass
Acceleration time and distance
FUEL CONSUMPTION AND EMISSIONS
Specific consumption of power plant
Vehicle fuel consumption measures
Constant speed consumption
Variable speed consumption and driving cycles
Chassis dynamometer
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References
T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992, Society of Automotive Engineers (SAE)
R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)
J.Y. Wong. « Theory of Ground Vehicles ». John Wiley & sons. 1993 (2nd edition) 2001 (3rd edition).
W.H. Hucho. « Aerodynamics of Road Vehicles ». 4th edition. SAE International. 1998.
M. Eshani, Y. Gao & A. Emadi. Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles. Fundamentals, Theory and Design. 2nd Edition. CRC Press.
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4 stroke engines: gasoline
In 1862, Beau de Rochas developed a sequence of operations that is still now the basis of any piston engine work
The 4-stroke engine requires to 2 crankshaft revolutions to accomplish one thermodynamic cycles, which means 2 compression and expansion motions of the piston.
6
4 stroke engines: gasoline
Stroke 1: Fuel-air mixture introduced into cylinder through intake valve
Stroke 2: Fuel-air mixture compressed
Stroke 3: Combustion (roughly constant volume) occurs and product gases expand producing work
Stroke 4: Product gases pushed out of the cylinder through the exhaust valve
Compression
Stroke
Power
Stroke Exhaust
Stroke
A
I
R
Combustion
Products
Ignition
Intake
Stroke
FUEL
Fuel/Air
Mixture
7
4 stroke engines: diesel
The Four stroke Compression Ignition (CI) Engine is generally denoted as the Diesel engine
The cycle is similar to Otto cycle albeit that it requires a high compression ratio and a low dilution (air fuel) ratio.
Air is admitted in the chamber and then compressed. The temperature rises the ignition point and then the fuel is injected at high pressure. It can inflame spontaneously.
There is no need for a spark and so stoichiometric air fuel ratio is not necessary.
8
4 stroke engines: diesel
Stroke 1: Air is introduced into cylinder through intake valve
Stroke 2: Air is compressed
Stroke 3: Combustion (roughly constant pressure) occurs and product gases expand doing work
Stroke 4: Product gases pushed out of the cylinder through the exhaust valve
Compression
Stroke
Power
Stroke
Exhaust
Stroke
A
I
R
Combustion
Products
Intake
Stroke
Air
Fuel Injector
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2-stroke engines
Dugald Clerk invented the 2-stroke engine in 1878 in order to increase the power to weight ratio for a equal volume.
The 2-stroke engines is also simpler with regards to the valve system
The 2-stroke principle is applicable to both spark ignition engine and compression ignition engine. It is however more usual with spark ignition engines.
The 2-stroke engine involves two strokes and the cycle is carried out during one single crankshaft revolution.
10
2-stroke engines
Intake (“Scavenging”)
Compression Ignition
Exhaust Expansion
Fuel-air-oil
mixture
Fuel-air-oil
mixture
compressed
Crank
shaft
Check
valve
Exhaust
port
11
2-stroke engines
Stroke 1: Fuel-air mixture is introduced into the cylinder and is then compressed, combustion initiated at the end of the stroke
Stroke 2: Combustion products expand doing work and then exhausted
* Power delivered to the crankshaft on every revolution
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Mesure de la puissance et du couple d’un moteur
Le couple est mesuré sur l’arbre de sortie connecté au vilebrequin en utilisant un dynamomètre
Le couple C exercé par le moteur est donné par
Load cell
Force F Stator
Rotor
b
N
units: C F b J Nm
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Mesure de la puissance et du couple d’un moteur
Le couple est mesuré sur l’arbre de sortie connecté au vilebrequin en utilisant un dynamomètre
La puissance délivrée par le moteur tournant à la vitesse N et absorbée par le frein est
NB: w N la vitesse de rotation du moteur en rad/s
Load cell
Force F Stator
Rotor
b
N
(2 ) units: ( )rad rev
W C N C J Wattrev s
W
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Mesure de la puissance et du couple d’un moteur
Le couple est la capacité du moteur à produire un travail tandis que la puissance décrit le taux avec lequel il est capable de développer ce travail.
Le terme de puissance effective, développée au frein est utilisé pour décrire la puissance mesurée à l’arbre de sortie, soit la puissance utilisable et transférable à la charge.
La puissance produite dans le cylindre par les gaz est appelée puissance indiquée .
La puissance au frein est inférieure à la puissance indiquée générée par le gaz dans les cylindres à cause des pertes par friction et des charges parasites des auxiliaires (pompes à eau et à air, compresseur…)
iW
bW
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Notion de pression moyenne effective
On définit la pression moyenne effective pme ou bmep comme la pression constante qui donnerait le même travail à l’arbre si elle agissait de manière constante durant le temps d’expansion
nR: le nombre de cycle sur lequel s’étend le cycle: 1 cycle pour le moteur deux temps, 2 pour le moteur 4 temps
Vd: le volume déplacé c-à-d la cylindrée totale.
2 C
2
b dR
d d R
W bmep VC nbmep
V V n
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Démonstration de la notion de pression moyenne effective
Si la pression moyenne restait constante lors de la course d’un piston, son travail vaudrait:
Le travail de n pistons sur un cycle:
Pour un moteur à k temps, le temps d’un cycle
11... VbmepcSbmepW
course
1. . .cycle cyl dW bmepV n bmepV
1 . .2 /cycle R tour RT n T n
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Démonstration de la notion de pression moyenne effective
La puissance en fonction de la vitesse de rotation:
Le couple en fonction de la vitesse de rotation
. .2
d
R
W bmepVn
.
2 .
d
R
bmepVWC
n
.
2 .
d
R
bmepVC
n. .
2d
R
W bmepVn
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Pressions moyennes indiquée et effective
Ordre de grandeur pour la pression moyenne effective des moteurs actuels:
Moteurs à quatre temps:
Atmosphérique
Moteurs à allumage commandé: 850 – 1050 kPa
Moteurs à allumage compression: 700 – 900 kPa
Turbochargé
Moteurs à allumage commandé : 1250 - 1700 kPa
Moteurs à allumage compression : 1000 - 1200 kPa
Moteurs à deux temps
Moteurs à allumage commandé standard: idem 4 temps
Grand moteurs diesel 2 temps (e.g. bateau) ~1600 kPa
NB
Pme à couple maximum, manette des gaz ouverte
A puissance nominale, la pme est plus basse de l’ordre de 10 à 15%
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Pressions moyennes indiquée et effective
Vehicle Engine
type
Displ.
(L)
Max Power
(HP@rpm)
Max Torque
(lb-ft@rpm)
BMEP at
Max BT
(bar)
BMEP at
Rated BP
(bar)
Mazda
Protégé LX
L4 1.839 122@6000 117@4000 10.8 9.9
Honda
Accord EX
L4 2.254 150@5700 152@4900 11.4 10.4
Mazda
Millenia S
L4
Turbo
2.255 210@5300 210@3500 15.9 15.7
BMW
328i
L6 2.793 190@5300 206@3950 12.6 11.5
Ferrari
F355 GTS
V8 3.496 375@8250 268@6000 13.1 11.6
Ferrari
456 GT
V12 5.474 436@6250 398@4500 12.4 11.4
Lamborghini
Diablo VT
V12 5.707 492@7000 427@5200 12.7 11.0
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Rendement mécanique du moteur
Une partie de la puissance thermodynamique libérée par le fluide est perdue pour vaincre les frictions internes du moteurs et pour pomper le gaz dans et hors du moteur.
La puissance des frottements est utilisée pour désigner collectivement la puissance consommée par ces pertes
Le rendement mécanique du moteur est alors défini comme suit:
fW
bgif WWW ,
gi
f
gi
bm
W
W
W
W
,,
1
22
Rendement mécanique du moteur
Le rendement mécanique du moteur dépend de la position de la manette des gaz, de la conception du moteur, et de la vitesse de rotation du moteur.
Valeur typiques pour des moteurs de voiture à manette des gaz complètement ouverte 90% @ 2000 rpm et 75% @ régime maximum
La fermeture de la manette des gaz augmente le travail de pompage, réduit le travail effectif et donc diminue le rendement mécanique. Le rendement tombe à zéro au ralenti.
La puissance varie avec la vitesse mais le couple reste faiblement dépendant de la vitesse de rotation
et Ccycle cycleW N W W N C W
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Puissance et couple en fonction du régime
On observe un maximum dans la courbe de puissance en fonction du régime appelé puissance nominale
Avec les hauts régimes, la puissance effective diminue à cause de l’augmentation significative des pertes par friction comparativement à la puissance indiquée
fgib WWW ,
24
Puissance et couple en fonction du régime
Le couple maximum décroît à bas régime à cause des pertes de chaleur au paroi car le temps de séjour dans le cylindre devient plus long
Max brake torque
1 kW = 1.341 hp
Rated brake power
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Effet de la suralimentation
La suralimentation des moteurs à pistons modifie l’allure du couple relatif.
Elle ne devient favorable qu’au delà d’un certain régime, d’où manque de souplesse et de reprises à bas régime des moteurs suralimentés
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Normalisation des performances
Diagrammes fournis par les fabricants représentent la puissance brute du moteur
Performance brute = performance avec équipement requis pour assurer le mouvement: ventilateur, pompe à eau, pompe à huile, échappement, filtre à air
On n’oubliera pas que la multiplication des accessoires modernes (air conditionné, direction assistée, système de freinage, alternateur électrique) amputent une partie non négligeable de puissance transmise aux roues.
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Normalisation des performances
SAE (Society of Automotive Engineers, USA): puissance du moteur dépourvu de tous ses accessoires, réglages des paramètres (avance à l’allumage, carburateur) réajustés pour chaque régime. Puissance idéale théorique.
DIN (Deutsche Industrie Normen) et CE. Le moteur doit entraîner tous ses accessoires, les réglages ne pouvant pas être modifiés en cours d’essai (réglages de série).
CUNA. Système italien compromis entre norme DIN et SAE: pas d’accessoire, mais réglages de série.
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Effet de la consommation des accessoires
La consommation des accessoires qui se multiplient peut avoir un impact significatif sur les performances, spécialement pour les petits moteurs et les véhicules électriques
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Effet des conditions atmosphériques
Les conditions atmosphériques (Température, pression, hygrométrie) affectent également les performances du moteur.
Conditions atmosphériques de référence:
T°=15.5°C = 520°R = 60°F
p= 101.32 kPa = 14.7 psi = 76 cm de Hg
Wong cite des formules de corrections proposées par Taborek (1956) dans lesquelles :
Ba la pression barométrique
T la température (en °R) à l ’admission d’air
Bv la pression de vapeur pour tenir compte de l ’effet de l’humidité
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Effet des conditions atmosphériques
Pour un moteur essence
Pour les moteurs diesel l ’effet des conditions atmosphériques est plus compliqué:
Les conditions atmosphériques peuvent changer les performances de manière considérable (Wong Fig. 3.24)
T
T
B
BBPP va 0
0
0 )(
T
T
B
BBPP va 0
0
0 )(
32
Effet des conditions atmosphériques
Norme EEC 80/1269 – ISO 1585 – JIS D 1001 – SAE J1349 pour le moteur à allumage commandé (essence)
Conditions standards (température T0= 298 K et pression d’air sec p0= 99 kPa)
Puissance corrigée
298/)(
)(/99
6.02.1
KTB
kPapA
BA
p
PT
a
PP a0
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Effet des conditions atmosphériques
Norme EEC 80/1269 – ISO 1585 – JIS D 1001 – SAE J1349 pour le moteur à allumage par compression (diesel)
Conditions standards (température T0= 298 K et pression d’air sec p0= 99 kPa)
Puissance corrigée
298/)(
)(/99
5.17.0
KTB
kPapA
BA
p
PT
a
PP a0
Curve fitting of ICE characteristics
Two families of curves
Fitting to a power function
Fitting of a polynomial
Data
Nominal (maximum) power
Maximum torque
r¶egimes. Par c
le P1 = Pmaxe !1 = !nom;
al C2 = Cmaxt !2 = !Cmax .
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Power approximation
On look for a power function of the type
Data
That is
!1 = !nom P1 = Pmax!2 = !Cm ax
P2 = Cmax!Cm axd C
d!
¯¯!2
= 0
¯ ¯ ¯ ¯
P = P 1 ¡ A j ! ¡ ! 1 j b b > 0
A =
P 1 ¡ P 2
j ! 1 ¡ ! 2 j b
j ¡ j
b =
! 1
! 2
¡ 1
P 1
P 2
¡ 1
¯
35
Power approximation
Maximum power in P1: OK
Maximum torque in 2:
Given (maximum) torque 2 :
be de couple y passe par un max
P(!2) = P2 = Cmax !Cmaxd C
d!
¯¯!2
=d (P=!)d!
¯¯!2
= 0¯¯
¯¯
µere des deux condition
a =P1 ¡P2j!1 ¡ !2jb P = P1 ¡ (P1 ¡P2)
¯¯ !1 ¡ !!1 ¡ !2
¯¯b
36
Power approximation
Maximum torque in 2:
Derivative of the power
Leads to the condition
¯¯
¯¯
ximal en ! = !2. On a :
d C
d!
¯¯!2
=!2
dPd!
¯!2¡P2
!22= 0 P2 = !2
dPd!
¯¯!2
¯¯
iv¶ee de l'expression de la puissance, il vient :
dPd!
¯¯!2
= ¡a b j!1 ¡ !2jb¡1 sign(!1 ¡ !2) (¡1) = a b (!1 ¡ !2)b¡1
pu etre omis puisque !1 > !2. On obtient ¯
P2 = !2 a b (!1 ¡ !2)b¡1 = b !2P1 ¡P2!1 ¡ !2
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Power approximation
Fitted exponent b
Fitted approximation
j ¡ j
b =
! 1
! 2
¡ 1
P 1
P 2
¡ 1
¯
P
P ¡
P
P 1
= 1 ¡
µ
1 ¡
P 2
P 1
¶ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯
1 ¡ !
! 1
1 ¡ ! 2
! 1
¯ ¯ ¯ ¯ ¯
b
C = P = !
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Power approximation
Example: Peugeot engine XV3 943 cm³
One gets
de 943 cm ) :
P1 = 33; 85 kW µa n1 = 6000 tr=min
C2 = 67; 81 kN:m µa n2 = 3000 tr=min
:
!1 = 628; 30 rad=s
!2 = 314; 15 rad=s
P2 = C2 !2 = 21; 30 kW
P2=P1 = 0; 6293!2=!1 = 0;5
uver pour l'approximation de type puiss
b =
!1!2¡ 1
P1P2 ¡ 1
=2¡ 1
1; 5996¡ 1 = 1; 698
39
Polynomial approximation
Polynomial approximation
Power
Torque
proximation peut s'¶ecrire de maniµe
P(!)=Pmax 'nX
i=0
ai (!=!nom)i
. Le couple moteur est donn¶e par
C(!)=C1 'nX
i=0
ai (!=!nom)i¡1
40
Polynomial approximation
Polynomial approximation of order 3
Identification of the coefficients
lynome du troisiµeme ordre (n=3).
P(!)=P1 = a0 + a1 (!=!1) + a2 (!=!1)2 + a3 (!=!1)3
rmettant de
e P(0) = 0 endre en compte l
ue P(!1) = Pmax.
d que P(0) = 0 et qu
a0 = 0
a1 + a2 + a3 = 1
que ce maximum vaut Cmax :
P(!2) = P2 = Cmax !Cmaxd C
d!
¯¯!2
= 0
¯¯
posons n2 = !2=!1, il vient :
a1 n2 + a2 n22 + a3 n
32 = P2=P1
a2 + 2 a3 n2 = 0
¯¯
imer ces deux
s n2 = !2=!1,
41
Polynomial approximation
Polynomial approximation of order 4
Identification of the coefficient
Same as polynomial of order 3 + new condition on the maximum power in 1:
iµeme degr¶e.
P(!)=P1 = a0 + a1 (!=!1) + a2 (!=!1)2 + a3 (!=!1)
3
+ a4 (!=!1)4
le en !1, soit :
a1 +2 a2 +3 a3 +4 a4 = 0
42
Polynomial approximation
Polynomial approximation of order 4
Value of the coefficients
iµeme degr¶e.
P(!)=P1 = a0 + a1 (!=!1) + a2 (!=!1)2 + a3 (!=!1)
3
+ a4 (!=!1)4
:
a1 + a2 + a3 + a4 = 1
a1 + 2 a2 + 3 a3 + 4 a4 = 0
a1 n2 + a2 n22 + a3 n
32 + a4 n
42 = P2=P1
a2 + 2 a3 n2 + 3 a4 n22 = 0
¯¯
imer ces deux
s n2 = !2=!1,
43
Example: 2.0 HDI PSA engine
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
x 104 Caractéristique moteur
Vitesse moteur [min-1]
Puis
sance m
ote
ur
[W]
Cubique
Type Puissance
45
Example: 2.0 HDI PSA engine
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
200
250
300
350
Couple moteur
Vitesse moteur [min-1]
Couple
mote
ur
[N.m
]
Cubique
Type Puissance
46
47
Consommation du moteur thermique
La consommation spécifique du moteur est la quantité de carburant (mf) utilisée pour produire un travail T donné:
Pour un fonctionnement en régime variable:
La consommation spécifique dépend du point de fonctionnement du moteur
Elle est cartographiée sur le diagramme puissance ou couple en fonction du régime
mot
f
W
mbsfp
f
mot
mbsfp
W
tmmff .
.mot motW W t
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Consommation du moteur thermique
Il y a un minimum dans la courbe de consommation spécifique par rapport au régime (approximativement situé au régime de couple maximal)
A haut régime, la consommation augmente à cause des pertes par friction
A bas régime, la consommation augmente à cause du temps plus grand disponible pour les pertes de chaleur dans le cylindre et le piston
La consommation diminue avec le rapport de compression à cause du meilleur rendement thermodynamique du cycle
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Consommation du moteur thermique
On utilise généralement une cartographie de la consommation pour représenter son évolution en fonction du taux de charge et du régime.
2 R
d
C nbmep
V
b
f
W
mbsfc
(2 ) bW N C
51
Consommation spécifique du moteur
Les notions de rendement et de consommation spécifique sont liées par la relation:
PCI habituels
fuel
mot
Hbsfc
.
1
Electronique de puissance pour moteurs électriques DC
Principe de fonctionnement d’un hacheur de courant 58
Moteurs électriques
MOTEURS DC
Moteurs série ou à excitation séparée Prix reste assez élevé (-)
Fiable (+)
Entretien (balais) (-),
Poids (-)
Régime max (-)
Rendement perfectible (-)
Hacheur (chopper) commandé en PWM
MOTEURS AC
Moteur asynchrone Régime max important
Entretien, fiabilité
Poids
Rendement (~95%)
Moteur synchrone Entretien, rendement
fiabilité (+)
Coût (-), régime max (-)
Onduleur (inverter) à commande vectorielle (f,I,V)
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Traction motor characteristics
At low speed: constant torque
Voltage supply increases with the rotation speed through the electronic converter while the flux is kept constant
At high speed: constant power
Motor voltage is kept constant while the flux is weakened, reduced hyperbolically with the rotation speed
Base speed: transition speed from constant torque to constant power regime 67
Traction motor characteristics
Speed ratio x = ratio between maximum rotation speed to base speed X ~ 2 Permanent Magnet motors
X ~ 4 Induction motors
X ~ 6 Switched Reluctance motors
For a given power, a long constant power region (large x) gives rise to an important constant torque, and so to a high vehicle acceleration and gradeability. Thus the transmission can be simplified.
68