WP01: WP25 Pokročilé zkušební metody pro spalovací motory Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku

Transkript

1 Popis obsah balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory WP01: WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Vedocí konsorcia podílející se na pracovním balíčk TÜV SÜD Czech s.r.o., zodpov. osoba Ing. Richard Vacek Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčk České vysoké čení technické v Praze Vojtěch Klír, Technická niverzita v Liberci Robert Voženílek Hlavní cíl balíčk Postpy pro experimentální optimalizaci emisí a účinnosti motor za dynamiky a jejich ověření. Simlační nástroj pro rčení chování spalovacího motor během přechodových režimů a modely popisjící zásobníky elektrické energie a elektrického stroje požitelné v hybridních vozidlech. Výzkm chování hnacího ústrojí vozidel (spalovací motor/elektromotor, převodovka) na zkšebním zařízení typ powertrain. Dílčí cíle balíčk pro nejbližší období Verifikace metod pro experimentální optimalizaci emisí za dynamiky. Matematický simlační nástroj pro rychlo předpověď chování vozidla v dynamickém jízdním cykl a metoda pro získávání kalibračních dat. Metody pro optimalizaci model vozidla pro redkci CO2 TE Str. 1 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

2 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory V rámci WP25 je vyvíjen simlační nástroj RideSim, který tvoří knihovna modlů vytvořených v prostředí MATLAB/Simlink. Z dosd vytvořených modlů lze sestavit modely konvenčních, elektrických i hybridních vozidel. Simlační nástroj RideSim respektje: Podélno dynamik vozidla Jízdní odpory vozidla Ztráty v pohonném řetězci Účinnosti pohonných jednotek a zásobníků energie Specifické chování přeplňovaných spalovacích motorů Simlační nástroj RideSim možňje: Simlace jízdy vozidla v jízdním cykl Spotřeba Analýza ztrát a účinností jednotlivých částí pohon Analýza provozních bodů pohonných jednotek Simlace podélné dynamiky vozidla Zrychlení vozidla Pržnost vozidla při zařazeném rychlostním stpni Maximální rychlost RideSim- Simlační nástroj Analýza provozních bodů pohon Simlace jízdy vozidla v jízdním cykl Analýza ztrát a účinností TE Str. 2 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

3 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Pohonný řetězec: Simlace pohonného řetězce je vytvořena na princip vícehmotové sostavy doplněné o kinematické vazby a modely účinností pro jednotlivé komponenty pohonného řetězce Jednotlivé komponenty jso modelovány jako hmotné setrvačnosti, které jso mezi sebo propojeny sostavo torzních pržin a tlmičů Takto vytvořený dynamický systém lze popsat sostavo diferenciálních rovnic, které jso následně řešeny nmericko integrací Modly vytvořené v rámci WP25 zahrnjí: Qasi-statický a dynamický model spalovacího motor, Dvohmotový setrvačník, Třecí spojka, Jedno- a vícestpňové převodovka, CVT převodovka Diferenciál, Kolo/pnematika Jízdní odpory vozidla Zásobník elektrické energie (trakční baterie) Systém pro rekperaci kinetické energie Elektromotor a řídicí elektronika Kalibrace a validace mat. model s vyžitím experimentálních podkladů TE Str. 3 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

4 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Dynamický model spalovacího motor ILDB- Úvod Model predikje, za pracovní cykls průměrné, hodnoty zkomaných veličin spalovacího motor jako například nestacionární točivý moment, plnicí tlak, otáčky trbodmychadla, spotřeb paliva nebo hmotnostní průtok vzdch. Model kombinje běžně požívano interpolaci parametrů ze statických map s nově vyvinto metodiko pro predikci chování motor během přechodových režimů. Stacionární režimy: Qasi-statický přístp Zkomané parametry motor jso interpolovány ze statických map Přechodové režimy: Dynamický přístp- Investigation of Local Dynamic Behavior (ILDB) Dynamické mapy obsahjí hodnoty parciálních derivací, které popisjí průběhy zkomaných veličin během obecných přechodových režimů v blízkém okolí aktálního pracovního bod. Zkomané parametry motor jso integrovány z hodnot jejich parciálních derivací v okolí aktálního pracovního bod, které jso interpolovány z dynamický map. ILDB model spalovacího motor je nejinovativnější částí nástroje RideSim a jeho vývoj je pblikován v rámci disertační práce TE Str. 4 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

5 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Dynamický model spalovacího motor ILDB- Metodika Příklad aplikace ILDB pro výpočet nestacionárního moment M : dm dt p dn ITR = M - M 30 dt = r dm dt n L + n dn dt Torqe [Nm] M 1 Demand Unsteady Vale M r M 3 M 2 æ p = f çn, M b, è p 200 b, = f ( n, M b ) M t 0 b Time [s] t im, im, r ö ø 2.5 t n = n dm n dt dm = dt n Momentové parciální derivace moho být identifikovány z odezvy motor na skokovo změn M r při zachování konstantní rychlosti., dn where = 0 dt n = 1 t M r, ITR = n dn, dt dm where dt r Rychlostní parciální derivace moho být identifikovány z odezvy motor na skokovo změn zatížení motor M L při konstantní poloze reglačního orgán = 0 Boost Pressre [bar] p im im, = f ( n, M b ) t Time [s] Steady State p im,r p im,1 p p im,2 Transient- Sbatmo p im,3 p im, t Transient- Boost æ p = f çn, M b, è p im, im, r ö ø TE Str. 5 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

6 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Dynamický model spalovacího motor ILDB- Identifikace vstpních hodnot model: Statické a dynamické mapy msí být identifikovány pro všechny zkomané veličiny motor z detailních simlací nebo měření motor. Podkladem pro identifikaci dynamických map jso následjící manévry provedené ve vhodných intervalech v celé pracovní charakteristice motor: Odezva motor na náhlo změn požadovaného moment z aktálního pracovního bod až na maximální moment motor při zachování konstantních otáček motor Odezva motor na náhlo změn zátěže při zachování konstantní polohy reglačního orgán Sobor výsledků z detailního simlačního model nebo měření Atomatická identifikace parciálních derivací M b [Nm] Vytvoření dynamických 0 motorových -200 map dm b /dm br [Nm/s] Time [s] dm b /dm br [Nm/s] Mbr M b Sb-atmospheric Boost p /p [-] im 500 imr Engine speed [1/min] Time [s] TE Str. 6 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

7 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Dynamický model spalovacího motor ILDB: - Porovnání výsledků simlací vznětového motor IVECO v GT Site (1D CFD Simlace) a RideSim (ILDB): Simlace jednodchého přechodového manévr s modelem vozidla Simlace dynamometrického cykl WLTC TE Str. 7 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

8 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Dynamický model spalovacího motor ILDB: - Porovnání výsledků simlací akcelerace malého nákladního vozidla s qasi-statickým modelem a s ILDB modelem spalovacího motor Znalost chování motor během přechodových režimů výrazně zvyšje přesnost simlace jízdy vozidel s přeplňovaným spalovacím motorem v dynamických jízdních cyklech TE Str. 8 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

9 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Barák, A. Powertrains Evalation Tool for Crrent and Ftre Vehicle. Beijing : Proceedings of the FISITA 2012 World Atomotive Congress, SAE-China, pp ISBN: Barák, A. - Macek, J. - Doleček, V. Fast Engine Model for Prediction of Dynamic Featres of Trbocharged Engines Using Investigation of Local Dynamic Behavior. Brno : Proceedings of the XLVII. International Scientific Conference of the Czech and Slovak University Departments and Instittions Dealing with the Research of Internal Combstion Engines KOKA 2016, ISBN: Barák, A. - Červenka, L. - Klír, V. Powertrain Simlation Tool. Praha : MECCA- Jornal of Middle Eropean Constrction and Design of Cars, ISSN: Barák, A. - Klír, V. - Červenka, L. Powertrain Simlation Tool. Torino : SAE Technical Paper Series, Paper: Barák, A. and Klír, V. Simlation of Conventional, Hybrid and Electric Vehicles in Transient Driving Cycle. FISITA : Procceding of the Fisita 2014 World Atomotive Congress, USB Key. Steinbaer, P. - Macek, J. - Morks, J. - Denk, P. - Šika, Z. - Barák, A. Dynamic Optimization of the E-Vehicle Rote Profile. Detroit : SAE Technical Paper Series, Paper: Barák, A., Červenka, L. and Klír, V. Powertrain Simlation Tool. MECCA- Jornal of Middle Eropean Constrction and Design of Cars. Praha : Czech Technical University, Barák, A., Klír, V. and Gotfrýd, O. Simlation And Tests Of Hybrid Vehicles In Transient Driving Cycles. Brno : Proceedings of the XLIV. International Scientific Conference of the Czech and Slovak University Departments and Instittions Dealing with the Research of Internal Combstion Engines KOKA 2013, ISBN: TE Str. 9 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

10 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory WP25V004: Metodika spořádání nových koncepcí hnacích ústrojí TUL. V roce 2017 práce pokračovali na identifikaci vlastnosti hnacích agregátů. Bylo provedeno měření úplné charakteristiky spalovacího motor 1.0 TSI a elektromotor ZERO Z-FORCE 75-7 v laboratořích pracoviště. Zjištěné vlastnosti obo agregátů byly vyžity v softwar Ricardo Ignite při simlaci hybridního spořádání hnacích ústrojí vozidel. elektromotor ZERO Z-FORCE 75-7 spalovací motor 1.0 TSI Jedno ze simlovaných hybridních spořádání hnacího ústrojí v softwar Ricardo Ignite. TE Str. 10 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

11 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory WP25V004: Metodika spořádání nových koncepcí hnacích ústrojí TUL. V simlačních modelech byla porovnávána různá koncepční spořádání hybridního ústrojí vozidla se zvolenými hnacími agregáty na trajektoriích jízdních testů NEDC a WLTP s cílem zajištění co nejmenší spotřeby paliva. Vlastnosti hybridního ústrojí byly také poszovány pro různá vozidla z hlediska hmotnosti, karoserie atd.. Bylo zkošeno také různé nastavení vyžití jednotlivých pohonů. Vyžívání jednotlivých typů pohonů během simlovaného NEDC a WLTP test kázka výsledků. TE Str. 11 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

12 Popis plnění balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory WP25V004: Metodika spořádání nových koncepcí hnacích ústrojí TUL. Dílčí výsledky byly pblikovány v příspěvk na konferenci KOKA 2017 s názvem SIMULACE JÍZDY HYBRIDNÍHO VOZIDLA. Ukázka možného vliv místění elektrického pohon v rámci hybridní koncepce hnacího ústrojí vozidla na NEDC a WLTP test (P1 připojení elektromotor za spalovací motor, P2 připojení elektromotor za spojk, P3 připojení elektromotor za převodové ústrojí). TE Str. 12 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

13 Plnění cílů a výsledků, splněné výsledky balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Plnění cílů Verifikace metod pro experimentální optimalizaci emisí za dynamiky. - Na motor Zetor byla provedena emisní optimalizace v dynamickém cykl NRTC Matematický simlační nástroj pro rychlo předpověď chování vozidla v dynamickém jízdním cykl a metoda pro získávání kalibračních dat. - Byl vytvořen softwarový nástroj pro rčení chování spalovacího motor během přechodových dějů vhodný pro DASY. Metody pro optimalizaci model vozidla pro redkci CO2 - Změřené charakteristiky spalovacího motor a elektromotor byly požity v software Ricardo Ignite k simlaci několika variant spořádání hnacích jednotek hybridního spořádání. Příspěvek na konferenci KOKA TE Str. 13 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

14 Plnění cílů, milníků a výstpů, splněné výsledky balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Přehled splatných výsledků a jejich plnění WP25V005: Matematický model systém pro rekperaci kinetické energie. a/ Software zahrnjící matematický model systém pro rekperaci kinetické energie. b/ Technická zpráva (ČVUT). WP25V006: Rychlý simlační nástroj pro předpověď chování vozidla v přechodových režimech vhodný pro různé operační módy. a/ Dokončený simlační nástroj pro simlaci chování vozidla v dynamickém jízdním cykl, který bde díky jeho modlaritě možné aplikovat na libovolný pohonný řetězec a vozidlo v DASY. b/ Technická zpráva (ČVUT). Výsledky by měly být zadány do RIV. TE Str. 14 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

15 Zhodnocení dopad výsledků balíčk WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory Celkové zhodnocení dopad výsledků a jejich průběžná i bdocí realizace Vznikla materiálově, metodicky a odborně vybavená pracoviště schopná realizovat experimentální optimalizaci motor a celého pohonného řetězce nejen z hlediska emisí a spotřeby paliva. Byl vytvořený simlační nástroj pohonného řetězce, obsahjící následjící modly: Qasi-statický a dynamický model spalovacího motor, Dvohmotový setrvačník, Třecí spojka, Jedno- a vícestpňové převodovka, CVT převodovka Diferenciál, Kolo/pnematika Jízdní odpory vozidla Zásobník elektrické energie (trakční baterie) Systém pro rekperaci kinetické energie Elektromotor a řídicí elektronika Probíhá spolpráce hlavně v rámci WP20 při přípravě a realizaci experimentů. Předpokládá se další vyžití výsledků v rámci komerčních i grantových zakázek. TE Str. 15 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

16 Výtah z prací na WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory ČVUT Byl vytvořen simlační nástroj pro rčení chování spalovacího motor během přechodových režimů. Byl vytvořen model popisjící zásobníky elektrické energie a elektrického stroje požitelný v hybridních vozidlech. Model možňje výpočet výkonů, účinnosti, spotřeby a dynamiky vozidla v libovolném jízdním cykl. Ověření model přeplňovaného motor bylo provedeno s výsledky v GT Site TÜV SÜD Czech Byla připravena měřící základna pro experimentální výzkm emisí a účinnosti motor, která odpovídá i legislativním požadavkům. Metodika provádění emisního měření a experimentální optimalizace emisí byla ověřena na motor Zetor. TUL Zprovoznění zkšebny powertrain, ověření na zkšebním vzork. Příprava simlačních modelů pro Powertrain Jiné jednodché, výpočetně nenáročné modely většino nerespektjí chování přeplňovaných motorů v přechodových režimech ILDB model TE Str. 16 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

17 Reslts of WP 25 Advanced testing methods for internal combstion engines and powertrain - Achieved ČVUT Combstion engine simlation model for transient condition was prepared. Hybrid vehicle power distribtion simlation model was created. Simlation model can predict power, efficiency, fel consmption and dynamic at every driving cycle. Reslts from model were compared with GT site reslts for trbocharged engine. TÜV SÜD Czech Measring base for experimental research of engine emissions and efficiency was prepared to flfill also legislative reqirements. Methodology for exhast emission measrement and experimental optimisation was sed for C.I. Engine Zetor TUL Powertrain laboratory commissioning, tested on sample. Preparation of simlation model Others easy mathematical models sally noncompromise behavior of trbocharged engine at transient modes ILDB model TE Str. 17 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

18 Výtah 2017 z provedených prací na WP25 Pokročilé zkšební metody pro spalovací motory ČVUT Byl dokončen simlační nástroj pro simlaci chování vozidla v dynamickém jízdním cykl, který bde díky jeho modlaritě možné aplikovat na libovolný pohonný řetězec a vozidlo v DASY TÜV SÜD Czech Na motor Zetor byla ověřena metodika měření a optimalizace emisí v dynamickém cykl TUL Změřené charakteristiky spalovacího motor a elektromotor byly požity v software Ricardo Ignite k simlaci několika variant spořádání hnacích jednotek hybridního spořádání Electric motor ZERO Z-FORCE 75-7 Jiné jednodché, výpočetně nenáročné modely většino nerespektjí chování přeplňovaných motorů v přechodových režimech ILDB model TE Str. 18 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech

19 Abstract 2016 of WP 25 Advanced testing methods for internal combstion engines and powertrain ČVUT A simlation tool to simlate vehicle behavior in a dynamic driving cycle has been completed, which, thanks to its modlarity, can be applied to any driving chain and vehicle in DASY TÜV SÜD Czech The Zetor engine has been tested with a methodology for measring and optimizing emissions in the dynamic cycle TUL The measred characteristics of the internal combstion engine and the electric motor were sed in the Ricardo Ignite software to simlate several variants of the drive nits in a hybrid arrangement elektromotor ZERO Z-FORCE 75-7 Others easy mathematical models sally noncompromise behavior of trbocharged engine at transient modes ILDB model TE Str. 19 WP 25 R. Vacek, TÜV SÜD Czech