Inneha llsfo rteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor

Transkript

1 nneha llsfo rteckning TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Kursinformation Grundla ggande om motor Fo 1 Kursinformation, Grundla ggande om motorn, Medelva rdesmodellering fo r luft och bra nsle Motor Principer Medelva rdesmodellering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, nstitutionen fo r Systemteknik Linko pings universitet larer@isy.liu.se September 3, / 45 2 / 45 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Vilka a r de viktigaste egenskaperna fo r ett fordon? Kursens Ma l a r att ge er: bakgrund och fo rsta else fo r de styrsystem som finns fo r motor och drivlina grunden fo r att utveckla framtidens styrsystem fo r motor och drivlina 4 / 45 effektivt arbete = la g bra nslefo rbrukning la ga emissioner = god miljo ko rbarhet sa kerhet 5 / 45

2 The Task for Engine Control Genomgång av kursinformationen Uppgiften Omvandla sensorsignaler till styrsignaler Uppfylla förarens önskan om körupplevelse Uppfylla lagstiftade utsläppskrav Säkerställa säker drift av framdrivningssystemet Viktiga punkter: Uppgiftsdelen är 3 miniprojekt (utförs i grupper om 2) Följer målen på förra OH Projekt hp Sju inlämningar - Se hemsidan för datum nlämningar och uppföljning i Lisam Fritt schemalagd moment 1A (motormätningen) Anmälningslista, tas med på Fö 2. Obligatorisk närvaro i motorlabbet ndividuellt lönesamtal (några korta frågor på projekten) Skriftlig tentamen för högre betyg 6 / 45 7 / 45 Frivillig laboration? Vad finns det för svårigheter? Hur beskriver man och var köper man en givare för: effektivt arbete låga emissioner körbarhet säkerhet Fullständig demontering av en turbomotor, och därefter ihopmontering. 8 / 45 9 / 45

3 Styrsystemens vikt Styrsystemens vikt Styr- och reglersystem är idag fundamentala för att få önskad prestanda. Exempel: Effektivt arbete: Det finns flera ledtrådar t.ex. tryck eller varvtalsvariationer. Låga emissioner: Sensortolkning och utvärdering. Nya sensorer. Diagnos. Körbarhet: Tolkning av förarens signaler och reglerdesign av trampsvar. Säkerhet: ABS, styrstabilitet. Dessutom förbättras pris och prestanda av: Nya lösningar Samdesign (Jämför med det mer allmänt kända att styrsystem möjliggör nya flygplanstyper t.ex. instabila.) Exempel: Nya motorlösningar: variabla ventiltider, SVC,.. Nya drivlinelösningar: 42 V, starter-generator, hybrider, / / 45 nnehållsförteckning Ett exempel Kursinformation Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Motor Principer Medelvärdesmodellering Chrysler 2.2 liter 70-talet Grunddesignen innehåller samma komponenter idag. Kontinuerlig förfining Motordelen behandlar inledningsvis fyrtakts Ottomotorer (bensinmotor) Reklampaus Frivilliga laborationen. 12 / / 45

4 Ett till exempel Turbomotor Sensorer and Aktuatorer Aktuatorer: F. TCV (Turbo Control Valve) G. EVAP-ventil H. Fla kt. Bra nslepump A. Trottel B. Bra nsleinjektorer C. Ta ndstift D. VVT (nlet Valve, Variable Timing) E. EVVT ( Valve, Variable Timing) Sensorer: 1. Luftmassflo de 2. nsugstryck 3. nsugstemperatur 4. Trottelvinkel 5. Bra nsletryck 6. Bra nsletemperatur 7. nsugsventilstiming 8. Avgasventilstiming 9. Linja r lambda sensor 10. Bina r(diskret) lambda sensor Oljetemperatur Oljetryck Knackdetektor Kylvattentemperatur Kopplingspedal Bromspedal Gaspedal Omgivningstemperatur Omgivningstryck Vevaxelvinkel och motorvarvtal 14 / 45 Fyrtaktsprincipen 15 / 45 En viktig bild Luft och bra nsle nlet nlet nlet nlet = arbete och emissioner Fuel Valves Throttle manifold Emissions Air Combustion ntake manifold Cylinder Catalyst Piston ntake Compression Expansion Power En cykel = 2 varv = 4 π (= nr 2 π, med nr = 2) Crank shaft 16 / / 45

5 nnan vi går in på grundläggande beskrivning och principer nnehållsförteckning Kursinformation Vad är det som är svårt? Vilka ambitioner (drömmar) finns? Grundläggande om motor Motor Principer Luft Bränsle Förbränning och luft/bränsle-förhållande Medelvärdesmodellering 18 / / 45 Vad är luft? Constituent Symbol Molar mass Volume [%] Mass [%] Oxygen O Nitrogen N Argon Ar Carbon dioxide CO Neon Ne Helium He. En enkel modell Syre är syre. Allt annat är atmosfärsiskt kväve. Air = O N2 Bränsle Fuel Carbon Hydrogen Sulphur 100-octane petrol Motor petrol Diesel oil Kemisk energi till termisk energi (värme) C8H O2 8 CO2 + 9 H2O + Värme Energivärde för ett bränsle: qhhv Higher heating value (vattnet i vätskeform kondensering) qlhv Lower heating value (vattnet i gasform) sooktan C8H18 ett vanligt referensbränsle qhhv = 47.8 [MJ/kg] qlhv = 44.3 [MJ/kg] 20 / / 45

6 Energibärare och energitäthet Vikt för 1 kwh för olika alternativa energikällor. (Källa: Ny Teknik 4 april 1996.) Storage medium Weight/kWh Lead Acid 34 kg Nickle Cadmium 18 kg Natrium Sulphur 10 kg Lithium on 10 kg Lithium Composite 7 kg Air Zink 4.5 kg Gasoline 0.1 kg Bensin och diesel är (och kommer att vara) lätta drivmedelsalternativ för fordon. Alternativa bränslen i form av kolväten (biobränslen) dyker upp. 22 / 45 Förbränning och stökiometri Perfekt förbränning av ett kolväte CaHb + (a + b 4 )(O N2) aco2+b 2 H2O+3.773(a+b 4 )N2 Stökiometriskt luft/bränsle-förhållande (A/F ) = ma and (A/F )s = mf Normaliserat luft/bränsle-förhållande (a + b 4 )( ) λ = (A/F ) och φ = 1 (A/F )s λ Frigjord värme och en enkel modell Q = min(λ, 1) mf qlhv a b 23 / 45 Luft/Bränsleförhållande och bränsleomvandlingsgrad Perfekt λ = 1 förbränning av ett kolväte CaHb+λ(a + b 4 )(O N2) aco2+b 2 H2O+3.773(a+b 4 )N2 Combustion efficiency [%] S Engine C Engine Air/fuel ratio, λ [ ] Fuel/air equivalence ratio φ = 1 λ nnehållsförteckning Kursinformation Grundläggande om motor Motor Principer Medelvärdesmodellering Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde Frigjord värme och en enkel modell Q = min(λ, 1) mf qlhv 24 / / 45

7 Medelvärdesmodellering Användning i industrin: Reglera luft och bränsle. Simulera/analysera. Diagnostisera. Ett sensor - aktuator perspektiv Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pim ṁfi θign λbc λac Air Throttle Fuel Valves manifold Emissions ntake manifold manifold ntake manifold Cylinder Piston Catalyst Air filter ntake Tim Cylinder Catalyst Mth Power Mload Me Crank shaft N 26 / / 45 Stegsvar: Trottel Luftmassflöde, nsugstryck, Moment Stegsvar: Trottel Luftmassflöde, nsugstryck, Moment 20 Throttle step responses at 1000 RPM α [%] Air mass flow [g/s] p im [kpa] Torque [Nm] Time [s] 28 / / 45

8 Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor 3.5 x 10 3 Fuel injector > lambda sensor Fuel injection [s] λ [] Time [s] 30 / / 45 Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor Medelvärdesmodeller MVEM 1.3 Timedelay and wall wetting 1.2 φ [] Fuel inj. normalized φ=1/λ time [s] Mean value engine models (MVEM) Approximativa tidsskalor (det finns ingen skarp gräns): 1. changes that take in the order of cycles to reach their final state are expressed by differential equations. 2. changes faster than 1 cycle are expressed by static relations. 3. changes slower than 1000 cycle are expressed by constants. φ [] time [s] 32 / / 45

9 Modellering Delsystem Trottelvinkel, luftflöden (ṁat, ṁac), tryck pim, bränsleinjektor, bränsle film, transport av luft/bränsle, katalysator, sensorer, samt moment. ṁat αth pim ṁfi θign λbc λac Modell 1: Trottelrörelse Driving nput Torque u Torque Motor Load Torque (from air-flow) Spring Air filter ntake ntake manifold Tim Mload Cylinder manifold Catalyst Friction Drivande moment, Mth Trottelvinkel, α Rörelsedynamik, DC-motor med återföringsfjäder (Newtons 2a lag) d 2 α dt 2 + adα = b (Mth Mair ) c (α α0) dt Mth Me Modellering av Mair är inte lätt (montering och aerodynamic) Användning: Reglerdesign av trottelservo. N 34 / / 45 Modell 2: Trottel med trottelregulator Luftintag Luftflöde System med trottelservo + trottelaktuator α = Gth(s)αref Behövs en dynamisk modell? 1 Gth = sτth + 1 Behövs en andra ordningens modell? Kärnfrågor vid modellering Vad skall modellen användas till? Vilken nogrannhet behövs? Luftflöde förbi gasspjäll (trottel) Allmän ekvation för strypning ṁat = pamb A C Ψ(Π) R Tamb A area C discharge coefficient (formen på strypningen) Ψ(Π) olinjär funktion av tryckförhållandet pamb tryck före pim tryck efter Π = pim pamb 36 / / 45

10 Luftintag Olinjäritet Luftintag Olinjäritet 2 ) 2γ γ 1 (Π 2 γ Π γ+1 γ Ψ (Π) = 2γ γ 1 ( ( ) 2 ( 2 γ 1 γ+1 2 γ+1 ) γ+1 ) γ 1 ( ) γ Π > 2 γ 1 γ+1 Flödeshastigheten begränsas av ljudhastigheten och den kritiska tryckkvoten är ( ) γ 2 γ 1 Πcrit = γ + 1 där γ = cp cv. Ψ(p r ) [ ] Compressible flow restriction Sonic velocity Sub sonic velocity Pressure ratio p r [ ] 38 / / 45 Luftintag Area Kontraktion Discharge coefficient Sammandragning av flödeslinjer Aeff = CD A α sentropic expansion Dissipation of kinetic energy α0 Gasspjäll med definition av vinkel för stängt spjäll α0 och verklig vinkel α i förhållande till spjällhuset. Högra figuren visar flödesarean. Ath = Ath(α) Cth = Cth(α) Qth(α) = Ath(α)Cth(α) pus Tus Contraction pds 40 / / 45

11 Effektiv area Aeff (α) = Ath(α)Cth(α) Modell 3: Luftintag Ett system Regulator för luftflödet och trottel. ṁat = Gat(s)ṁat,ref Statiskt eller dynamiskt system? 1 Gat(s) = sτat + 1 Andra ordningens system? 42 / / 45 Sammanfattning av modellerna Komplett system efter två reglerdesigner. nnehållsförteckning Kursinformation ṁref Spjäll- servo αref Luftmassflödesregulator Spjällhus Luftmassflödesgivare αth Elmotor uth ṁth Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Motor Principer Luft Bränsle Förbränning och luft/bränsle-förhållande Medelvärdesmodellering Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde projektet: αref α + Ψ(Π)-modellen för massflöde. 44 / / 45