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

Transkript

1 _amb _amb ambient _amb ambient _amb W_es W_af _ambient _amb ambient _amb_ W_af [kg/s] _es [K] _es Ground _af _es Ground6 _af _es[pa] Comressor _af [Pa] _af [K] u_wg [...] W_com [kg/s] [rad/s] q_c q_t C dynamics _em [K] _em Ground _Rc _em _c Ground 9 _em[pa] n_e W_ic _cool cool _c [K] rad/s > U/min /i conv w_e W_e 6 W_ic [kg/s] u_th [deg] ti Intercooler _ic [Pa] _c [Pa] W_e_fg erminator 6 _ic [K] degarea lambda [ ] Engine Ground _ic 7 _i m[pa] _im _im _ic u effective area flow down 8 _im [K] 7 W_th [kg/s] Ground W_th 8 W_cyl [kg/s] SFS Fordonssystem Fö Motor MVEM och urbo Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköings universitet larer@isy.liu.se Grundläggande rincier ovember, edskalning och överladdning Modelleringsstrategi MVEM. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] Performance at RPM. l.6 l.6 l + turbo 9 km/h.. η [ ].. 9 km/h orque [m] Komressor och urbin Modeller En MVEM för en urbomotor Grundläggande rinci Generaliserade restriktioner i MVEM ṁ = f (Π,ω tc η = f (Π,ω tc Ẇ = f (Π,ω tc, in Π c Surge Line =8 Comressor Ma =.76 = = =6.... W c,corr [kg/s] =8 Corrected flow [kg/s]..... urbine Ma t Exansion Ratio /Π Efficiency [ ] Restriction u flow u down down flow Air filter Restriction Air filter urbine _es _turb _es u_wg m_es _em _Raf _em q_t m*_c _Raf _c urbine and wastegate q_c _Rc Comressor Manifold _cool [K] _u W_ic _u _down _fwd_flow [K] _down em mflow e w_e im q_e im lambda air Flow MALAB Function Intercooler Butterfly throttle manifold Momentkaraktäristik och turbo Comressor Ma.. Surge Line.76 orque orque deficiency urbo charged engine aturally asirated engine Grundläggande rincier Π c =6 =8 Shaed orque c =.6 = c = c. =8.... W [kg/s] c,corr Engine Seed

2 Komressor- och turbindynamik urbo lag urbo tidskonstant Stationära förhållanden Ẇ c = η m Ẇ t Dynamiska förhållanden dω dt = J tc (Ẇt η m Ẇc ω tc ω tc or dω dt = J tc (Ẇt Ẇc ω tc ω tc η m Ett tillstånd för rotationshastigheten Den dominerande dynamiken i systemet hrottle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] ime [s] hrottle [%] ω tc [krad/s] Pressure [kpa] Mass flow Comressor Surge.. ime [s] Surge Ventil Surge Komressor- och turbineffektivitet η c = η t = Effekt konsumerad av en ideal rocess Konsumerad effekt Producerad effekt eoretiskt möjlig effekt för ideal rocess = urbinen Värmeöverföring ger roblem! Definition ovan kan ge η t >! = ( γ γ γ ( γ urbineneffektiviteten Grundekvationer för turbo Använd komressorns effektkonsumtion som mått å: Producerad effekt Ẇ c = ṁ c c ( η t η t η m = ṁc c ( ṁ t c ( s = ṁ c c ( ( ( γ ṁ t c γ Vid stationäritet effektbalans Ẇ c = η m Ẇ t Ẇ c = ṁ c c ( = ṁ c c η c Ẇ t = ṁ t c η t ( ( ( ( γ γ Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck å avgassidan γ γ

3 8 6.9 HC HC CO CO O x.. λ Lambda window O x Motor Medelvärdesmodellering Inomcykelmodeller: V-diagram, Momentmodellen av luft och bränsle (fram- och återkoling ṁat θth i ṁfi θign λbc λac Grundläggande rincier Catalyst i Mth Me CO volume in % Ox and HC in ½ Mload Analys av arbetsrocessen Ideala cykler, ideal gas och c, c v konstanta. Efficiency for the Otto cycle.8.7 γ=. η f,i = r γ c η fi.6.. γ=. γ=. Grundläggande rincier ormalfall γ =.... Fortsatt analys av arbetsrocessen λ-sve Mätningar å en Ottomotor Ideal Ottocykel, icke idealgas (c och c v varierar. Cykeleffektivitet som funktion av φ = /λ och..7.7 Högre ger högre η Efficiency η f φ=. φ=. φ=. Efficiency η f = = γ ändras med φ Knä vid φ = Jfr momentmodellen min(,λ = min(, φ Engine torque [m] Fuel constant Efficiency max Aionstant Power max... Comression ratio [ ]... Fuel air ratio φ [ ] Fullständig förbränning Air/fuel ratio λ [ ] Cykel till cykel variationer Minst variation runt λ =.9 Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkolad. konsekutiva cykler Cycle to cycle variations Cylinder ressure [bar] Engine torque [m] Crank angle [deg] Fuel constant Efficiency max Aionstant Power max Air/fuel ratio λ [ ]

4 Grundläggande rincier ändningsreglering och jonströmmar EGR reglering ( Gas Recycling Varför: Minska O x. Bättre dellastbeteende i -ökar. Minska knacktendenserna vid hög last (kyld EGR. Vad: Hur: Blanda oförbrända gaser med förbrända. Öna ventil mellan insugssystem och avgassystem. Avstängd vid tomgång och fullast. Utmaningar: Konsekvenser för λ-reglering (Exemel Hur bestämmer man mängden EGR? Det finns en övre gräns å utsädningsmängden. Det finns ännu inga bra modeller. Sot och artiklar täer igen rören. Öen styrning, kalibrering. Återkolad reglering. Avdunstningskontoll (Purgeventilreglering Avdunstningskontroll & Diagnosventil Varför: HC emissioner. Vad: ömmer kolkanistern å HC. Hur: Öna ventilen in till insugssystemet. Utmaningar: Hålla λ = och körbarhet vid ventilönandet. % volymflöde med HC % i λ. Binär ventil (svårt. Kontinuerlig ventil (lättare. Avstängd vid tomgång och fullast. ågra ytterligare reglerstrategier Motorreglering Kort historik Cylinderindividuell λ-reglering Urikning vid maxlast omgångsreglering Övervarvningsskydd Motorbromsning (overrun Kallstart: Emissioner (light-off tid Ufetning På -forden: Manuell reglering av Handgas ändningsinställning Köra med slokande mustascher Senare (i Ford Mustang m.fl.: Gasedal ändningsinställning genom mekaniskt system; centrifugalregulator och vakumklocka i fördelaren. Motorreglering - Sensorbaserad reglering Första stegen i elektroniska EMS (Engine Management Systems ṁat θth i ṁfi θign λbc λac Motorreglering - Mabaserad reglering Illustration av hur maar kan användas för att ufylla det grundläggande reglermålen för bränsle- och tändningsreglering. Målen unås via injektoröningstid t inj, och tändvinkel θ ign i ett reglersystem. Engine Seed D Look-u able tinj Catalyst i Inuts Basic Injection Ma D Look-u able Control Oututs Mth θign Mload Me Manifold Pressure Basic Ignition Ma

5 Engine control - Ma based control Motorreglering - De två huvudlooarna text.8.. From engine sensors and driver requests Lambda control text text text text text Mabaserad eglering can utvidgas och otimeras till mycket stor förfiningsgrad. Ett exemel med otimal luft/bränsle λ and tändningsvinkel α för ett FP test. Basic and transient fuel metering Ignition timing * + Injector hardware Ignition hardware De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade å maar modellbaserade designmetoder Engine Knock control λ sensor Knocksensing Jonströmmar Använd tändstiftet när det inte används för tändning Ionization current Ionization current Ignition timing Grundläggande rincier ändningsreglering och jonströmmar Ions Measurement electronics Ionization current Voltage source and current measurement (a (b Jonströmmar och cylindertrycket Jonströmmar och knackdetektering Cylinder Pressure Cycles. Pressure [MPa].. 6 Jonström med knack BP-filter Detektion Ionization Current Cycles. Current.. 6 Crank Angle [deg] Misfire detektering Ytterligare tillämningar Vad är misfire? Ingen förbränning. Varför måste misfire detekteras? Metoder Vevaxelvaritioner, invertera vevaxeldynamiken Jonströmmar Momentmätare Integrated Sensor and Actuator Ignition System Interretation Knock Intensity Misfire Detection Camhase Sensor Lambda Peak Pressure Position Measure of Fit