Simulation of fuel consumption and exhaust emissions of a SI-engine light duty vehicle

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Berechnung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgas-Emissionen eines Fahrzeugs mit einem manuellen Getriebe unter Nutzung eines Simulationsmodells basierend auf vorhandenen Daten des Kraftstoffverbrauchs unter realen Fahrbedingungen.<br />Bei der Modellierung und Simulation von Fahrbedingungen MATLAB ist als Software verwendet.<br />Am Anfang dieser Arbeit werden die Physik des Kraftfahrzeuggetriebes und die Grundlagen der Fahrzeuglängsdynamik erklärt.<br />Als Start für die Modellierung wird ein Fahrzeugmodell ohne Schaltgetriebe als Basis-Modell untersucht, das aus Sub-Modellen wie Fahrzyklus, Driver, E-Gas, Motor, Differential, Bremsen, Reifen, Fahrwiderstände und Kraftstoffverbrauch besteht.<br />Das Sub-Modell des Kraftstoffverbrauchs verwendet Fahrzeuggeschwindigkeit und Zugkraft auf den Rädern und bestimmt den Kraftstoffverbrauch abhängig von diesen Variablen durch eine lineare Funktion. Allerdings berücksichtigt diese Methode die Verluste entlang des Antriebstrangs nicht. Um diesen Mangel zu beseitigen, wird eine neue Kraftstoffverbrauch-Berechnungsmethode entwickelt, welche die Motordrehzahl und das Motordrehmoment enthält.<br />Es werden Nebenaggregate und Schaltgetriebe-Einheiten wie Kupplung und Getriebe in das Modell implementiert. Darüber hinaus wird das Fahrermodell modifiziert, um neue Signale wie Kupplungspedal und Gang-Schaltung zu verarbeiten. Schließlich erhält man den Entwurf eines Fahrzeugmodells mit Schaltgetriebe. Um das Modell fertigzustellen werden schließlich die Eigenschaften des Fahrzeugs, der Straße, und des Wetters parametrisiert.<br />Das bestehende Fahrzeugmodell enthält einen PI-Regler, der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit und Simulation-Fahrzeuggeschwindigkeit bewertet und Accelerator reguliert. Allerdings bietet das Fahrer-Modell keine ausreichende Antwort, weil es eine komplexere Datenverarbeitung im Vergleich zu Basis-Modell hat. Um diesen Mangel zu beseitigen, wird eine neue Steuerungskomponente, D-Glied, in Regler implantiert und PID-Regler erhaltet.<br />Eine weitere Aufgabe der Diplomarbeit ist es, ein Sub-Modell zu erhalten, um Emissionen von CO, HC3, und NOx zu berechnen. Wegen der Unsicherheit und der Komplexität der Emissionsbildung, ist es nicht möglich, die Emissionen in Abhängigkeit von Motorparametern zu berechnen. Aus diesem Grund werden Real-World Messungen als Start verwendet. Aus den Ergebnissen werden Gleichungen je nach Fahrzeuggeschwindigkeit abgeleitet, diese Gleichungen werden parametrisiert und in das Fahrzeugmodell implementiert. Danach werden mit Hilfe der berechneten Daten von CO, HC3, und NOx-Emissionen und mittels Kohlenstoff-Gleichung die CO2-Emissionen ermittelt.<br />Schließlich, um das Modell zu vervollständigen, werden Fahrzeug-, Straße-, Wetter-Eigenschaften parametriert und in das Modell eingegeben.<br />Nach der Fertigstellung der Modelle werden diese mit den Real-World Ergebnissen verglichen und einige Anpassungen durchgeführt, um bessere Simulationsergebnisse zu erhalten.<br />Am Ende der Arbeit werden die Simulationsergebnisse visualisiert, diskutiert und mit der Real-World Ergebnissen verglichen, die mit einem BMW 318i Touring und einem Toyota Prius 3rd Generation seperat durchgeführt werden.<br />

The aim of this work is the calculation of fuel consumption and exhaust emission of a vehicle with a manual transmission by using a Simulation model based existing data of fuel consumption under real driving conditions.<br />During modeling and simulation of driving conditions MATLAB is used as software.<br />At the beginning of this thesis the physics of vehicle transmission and the basics of vehicle longitudinal dynamics are explained.<br />As a start for modeling, a vehicle model without manual transmission units is investigated as a basis model, which consists of sub models like Driving Cycle, Driver, E-Gas, Engine, Differential, Brake, Tyre, Driving Resistances, and Fuel Consumption. Fuel Consumption sub-model uses vehicle speed and traction force on wheels and determines fuel consumption depending on these variables through a linear function. However, this method does not take into account losses along powertrain. In order to eliminate this deficiency, a new fuel consumption calculation method is developed, which contains in this time engine speed and engine torque.<br />Respectively, auxiliary units and manual transmission units like Clutch and Gear Box are implemented into model. In addition to this, Driver Model is modified in order to process new signals such as Clutch Pedal and Gear Speed. Finally, a layout of a vehicle model with manual transmission is obtained.<br />The existing vehicle model contains a PI-Controller, which evaluates target vehicle speed and simulation vehicle speed and regulates accelerator. However Driver Model cannot provide sufficient response, because of more complex data processing in comparison with basis model.<br />To solve this deficiency, a new controller component, derivative term, is implanted into controller and PID is obtained. Another task of the thesis is to obtain a sub model in order to calculate emissions of CO, HC3, and NOx. Because of the uncertainties and complexity of emission formation, it is not possible to compute emissions depending on engine parameters. For this reason, real world mesurements are used as a start. From test results, equations are derived depending on vehicle speed, and these equations are parameterized and implemented into vehicle model. After that, with the help of calculated data of CO, HC3, and NOx emissions and through carbon-balance equation, CO2 emission is derived.<br />Finally to complete the model, vehicle, road, weather characteristics are parameterized and entered to the model.<br />After completion of models, models are verified with real world results and some improvements were done to get better simulation results, which are carried out with a BMW 318i Touring and a Toyota Prius 3rd Generation separately.<br />At the end of this study simulation results were visualized, discussed and compared with real world results.