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Performance of vehicles

Pierre Duysinx LTAS – Automotive Engineering

University of Liege

Academic Year 2013-2014

1

Lesson 2 : Engine characteristics

2

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

3

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.

4

Piston engines

5

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

9

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

12

13

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

14


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

15


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

16

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

17

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

18

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

19

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%

20

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

21

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

23

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

Piston engines characteristics

Gillespie, Fig. 2.1

25

26

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

27

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.

28

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.

29

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

30

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

31


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


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

33


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 .

34

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

37

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 = !

38

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


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 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



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



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

44


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


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

48


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

49


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

50

Consommation spécifique du moteur

Wong. Fig. 3.41 et 3.42 Moteur essence

Moteur diesel

51

Consommation spécifique du moteur

Les notions de rendement et de consommation spécifique sont liées par la relation:

PCI habituels

fuel

mot

Hbsfc

.

1

Piston engines characteristics: emission rates

52

Electric machines

53

Performance curves of electric machines

54

Moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un moteur DC 55


Principe de fonctionnement d’un moteur DC 56

Moteurs électriques DC

Performance des moteurs à courant continu (DC) 57

Electronique de puissance pour moteurs électriques DC

Principe de fonctionnement d’un hacheur de courant 58

Moteurs électriques DC

59

Moteurs électriques AC

Principe de fonctionnement d’un moteur AC monophasé 60

Moteurs électriques triphasés

61

Power electronic and control of AC machines

Working principle of an inverter 62

Moteurs électriques triphasés

Principe de fonctionnement d’un moteur AC triphasé 63


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)

64

DC motor: series and separated excitation

DC series motor DC motor with separated excitation

65

AC motors: induction vs synchronous

AC induction motor AC synchronous motor 66

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

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