Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 14. Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor

Transkript

1 TSFS9 Modellering och Reglering av er och Drivlinor Fö Repetitionsföreläsning, Avslutning Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se December, 6 Modellering och Reglering av er och Drivlinor Modellering och Reglering av er och Drivlinor Fordon är idag datoriserad maskiner. Nya mekanisk lösningar. Dessa möjliggörs av och förlitar sig på existensen av moderna reglersystem. Nya metoder för signaltolkning. Tillgänglighet till beräknings- och nätverksteknik öppnar helt nya möjligheter. Fordonsdesign utvecklas därför till samdesign av mekanik- och reglersystem. Uppgifterna för sådana förbättrade lösningar är många men huvudmålen är att sträva efter: Effektivitet, vilket ger sänkt bränsleförbrukning. Emissionerna måste vara låga för att skydda miljön. Körbarhet är viktigt för kunden. Säkerhet är också en nyckelfråga. Kursens mål är att ge en förståelse för dagens fordonssystem och grunden för att utveckla framtidens fordonssystem, och dessutom att gå tillräckligt djupt för att se samspelet mellan den grundläggande fysiken i fordonssystemen och möjligheterna för reglering.

2 Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept Luft och bränsle = arbete och emissioner Fuel Valves Exhaust manifold Throttle Air Emissions Intake manifold Cylinder Catalyst Piston Crank shaft Power Begrepp Bromsat (moment, effekt, MEP,... ) Indikerat (moment, effekt, MEP,... ), brutto och netto (gross or net) Formel för V = V (θ) Fyllnadsgrad (volumetric efficiency) Fyrtaktscykeln - händelser Förbränningsstökiometri, luftbränsleförhållande: (A/F), (A/F) s, λ, φ Uppmätt indikatordiagram Cylindertryck som funktion av vevaxelvinkel θ Pressure [bar] Cylinder, intake, and exhaust pressure at rpm Nm intake comp. exp. exhaust intake Hur skall vi analysera detta? 6 8 Crank angle [deg]

3 Samma indikatordiagram omräknat till pv-diagram Cylinder pressure [bar] pv diagram for rpm and Nm Cylinder volume [dm ] Cylinder pressure [bar] Intake and exhaust stroke Cylinder volume [dm ] Termodynamiska cykler som modell av uppmätt indikatordiagram a Measured cycle Seliger cycle Otto cycle Diesel cycle Principer Momentmodellen M e π = W e = W ig W pump W fric η fi Efficiency for the Otto cycle γ=. γ=. γ=. r c Otto: Diesel: η f,i = r γ c η f,i = β γ rc γ (β )γ Seiliger: η f,i = αβ γ rc γ α(β )γ + α Utgår från tillgänglig energi W ig = m f q HV η ig (λ c, θ ign, r c, ω e, V d ) Dra bort ideal Ottocykel samt verkliga förluster η ig (λ c, θ ign, r c, ω e, V d ) = ( r γ c ) η ig,ch (ω e, V d ) min(, λ c ) η ign (θ ign ) Optimal tändtidpunkt beror på..., momentkurvan på... η ign (θ ign ) = C ign (θ ign θ ign,opt (ω e, m f, λ,...)) Pump- och friktionsförluster W pump = V d (p e p i ) W fric = V d FMEP(N)

4 - Principer Knack Cykel-till-cykel-variationer Tio cykler (stationäritet) x 6 no knock x 6 slight knock x 6 severe knock 7 7 oscillations 7 9 o oscillations Cycle to cycle variations 8 o Cylinder pressure [Pa] Cylinder pressure [bar] Crank angle [deg] 6 Crank Angle [deg] 6 Crank Angle [deg] 6 Crank Angle [deg] Snabbaste cykeln Störst sannolikhet för knack. Oktantal Bränslets motståndsförmåga mot knack - Modellering Ett sensor - aktuator perspektiv: Samband mellan sensorer och aktuatorer, MVEM. Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept ṁ at Air filter α th p im Intake manifold ṁ fi θ ign Cylinder Exhaust manifold λ bc Catalyst λ ac Intake T im Exhaust M th M e M load N

5 - Modellering - Modellering Luftflöde förbi gasspjäll (trottel) ṁ at (α, p a, p i, T a ) = Luftflöde in i cylindern Tryckuppbyggnad i insuget p a RTa A th (α)c th (α)ψ( p i p a ) () ṁ ac (N, p i, T i ) = η vol (N, p i ) V d N p i R T i () dp i dt = RT i V i (ṁ at (α, p a, p i, T a ) ṁ ac (N, p i, T i )) () Insprutad bränslemängd flöde Bränslefilmsdynamik ṁ fi = N n cyl n r m fi = N c (t inj t (u batt )) () dm fp dt = X ṁ fi τ fp m fp () ṁ fc = ( X )ṁ fi + τ fp m fp (6) - Modellering - Modellering λ i cylindern λ vid sensorn λ = ṁac ṁ fc (A/F ) s (7) d dt λ s(t) = τ λ (λ(t τ d (n)) λ s (t)) (8) λ-mätning (diskret sensor) if λ s < λ disc =. if λ s = if λ s > Vevaxeldynamik J dω e dt = M e (p i, N, λ, θ ig ) M fric (N, p i ) M load dn dt = C (M e(p i, N, λ) M load ) (9) M load = M load (N, i g,...) från drivlinan (koppling, växellåda, fordon, etc).

6 - Modellering mappar beskriver parametrarna i ekvationerna. Luftmassa in i cylindern (Air mass flow), ṁ ac (N, p i ) Fyllnadsgrad (volumetric efficiency), η vol (N, p i ) OBS! mappar används också för att beskriva styrstrategier. Air flow [g/s] Air flow into cylinder η vol [%] Volymetric efficiency Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept.8.6 Manifold pressure [bar].. Engine speed [rpm].8.6 Manifold pressure [bar].. Engine speed [rpm] Momentbaserad arkitektur Utgå från förarens begärda moment (moment vid hjulet) Följ det önskade momentet genom drivlinan till motorn Fördela verkställandet av momentet på motorns aktuatorer Gear ratio i f Wheel Gearbox torque output torque Friction losses in driveline Gear ratio i g Friction losses in gearbox Clutch torque Friction + Auxiliaries Internal torque Thermo. process Air+ Fuel Differential Auxiliaries Final drive Gearbox Clutch Engine Driveline sensors and actuators Engine sensors and actuators Gas pedal position Cruise controller Clutch pedal switch Brake pedal switch Driver interpretation Wheel torque Driveline controller Engine torque Engine controller

7 De två huvudlooparna - Principer Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Lambda feedback control Engine λ sensor Engine torque Knocksensor Avgasrening med trevägskatalysator - kräver λ-reglering Stationär och transient reglering med noggranhetskrav på % Gasspjäll-bränsleinsprutnings-koordination CO volume in % 8 HC 6 CO CO HC Lambda window NOx NOx NOx and HC in % Knock detection & control.9.. λ - Reglering Reglermoder i styrsystemet Modbyten Engine Map Limit-cycle i mängden insprutat bränsle (heldragen) och i λ bc (streckad).. λ bc and /F fc with K p =.9.. Time [s]. λ bc and /F fc with K p =..9.. Time [s] Återkoppling av λ bc. Analys: Grafisk, beskrivande funktion, eller Poincaré. Designoptimering beror av katalysatoregenskaper. Engine Torque [Nm] Idle speed control λ = λ < Engine Overrun Fuel Cut Engine Overspeeding Fuel Cut 6 7 Engine speed [RPM]

8 - Reglering Sammanfattningsvis viktigast (Bensin motorn) Luftmängd Moment Bränsle-luft-reglering Emissioner (och last) Tändningsreglering Effektivitet eller bränsleförbrukning Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept Nedskalning och överladdning Turbo MVEM, Reglerloopar. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] 9 km/h Performance at RPM. l.6 l.6 l + turbo Engine Torque [Nm]

9 Modelleringsmetodologi Turbo Prestanda och analys Turbomappar: Kompressormapp, Turbinmapp. Compressor Map.8 Turbine Map.6..6 Reference cond. pr = atm Tr = 6 C.76. Flow Surge Line. Nc= Nc=6..7 Efficiency [ ].8 Corrected flow [kg/s]. Efficiency..6.. Grundekvationer fo r turbo. Nc=8.. 8 Nc= 9 Definitionerna av turbin- och kompressoreffektivitet I Vid stationa ritet effektbalans W c = ηm W t W c = m c cp (T T ) = m c cp T ηc W t = m t cp T ηt p p! γ p γ p γ! Corrected speeds, Nco [krpm] Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept γ Vid samma laddtryck Sa mre effektivitet Ho gre mottryck pa avgassidan (pumparbete) 6 Nc= Inneha llsfo rteckning I I N = c Expansion ratio, /Πt [ ]....6

10 Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Bensin Diesel (Spark Ignited) (Compression Ignited) Bränsle Bensin Diesel Luftintag Trottel Raka rör Bränsleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde p i Bränslemängd Q i n Luft- & bränsleblandning Homogen Stratifierad Förbränningsstart Tändgnista Självantänder Förbrännigstyp Förblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NO x NO x och partiklar -vägskatalysator partikelfälla de-nox-katalysator Modellering Reglering r c 8 λ.. >. - Modellering - Modellering M e x ICE θ e M e Clutch flywheel θ M trans Clutch disc θ c M c Engine Clutch Wheel Drive shaft θ c M c Clutch torsion θ t M c i Transmission θ p M p Final drive b t θp θ p M p Propeller shaft θ f M p Final drive θ d M d Transmission Propeller shaft θ d M d Drive shaft θ w M d b f θd Wheel v rw (ma + F r + F a +F g + F b )r w

11 - Modellering Stel drivlina Samverkan: motor och fordon Stel drivlina Effektkonsumption Engine, gearbox and road interaction Enkelt exempel (stel drivlina) Illustrerar följande viktiga idéer: friläggning av komponenter i drivlina systematik fordonets massa som effektivt tröghetsmoment spegling av tröghetsmoment med i P w = F w (v) v F w (v) = f + f v Effektproduktion P e = T e ω e Engine Torque [Nm] v= v= v=9 v=7 th th v= rd Drivlineeffektivitet 6 Engine Speed [rpm] P e = η t P w - Modellering - Modellering. Driveshaft torsion,x = θe/itif θw rad Utvidgning av enkelt exempel Torsionsmodellering Illustrerar följande viktiga idéer: torsionsmodellering val av tillstånd Me θe Je +Jt/i t +Jf/i ti f k c θw Jw +mr w rwmg(f + sin(α)) rad/s rad/s. rad/s Engine speed, x and θe Transmission speed, x/it and θt Wheel speed, x and θw Time, [s]

12 - Modellering Är modellen perfekt? Vilken är nu den svagaste länken, dvs den viktigaste omodellerade effekt som behövs för att förklara data. Kopplingsdynamik? Kardandynamik? Sensordynamik? Olinjäriteter? Modellering Reglering - Reglering - Reglering Aktiv dämpning Jämförelse vid ungefär samma snabbhet. Engine speed, θe Viktiga tillämpningar driveline speed control driveline control for gear shifting Speed, [rad/s] Wheel speed, θw (performance output) Speed, [rad/s] Control signal, u Torque, [Nm] Time, [s]

13 - Reglering - Reglering Man kan trimma stationära felet Fältförsök Engine torque.. [Nm] Speed, [rad/s] Time, [s] Stationära felet skiljt från noll kan vara intressant för körkänslan [rad/s] [rad/s] Engine speed Wheel speed Time, [s] Modellbaserad Reglering r H (s) Filter and inverse model Controller Process model Modellbaserad reglering u f + + x ref e u c + L Control Law ˆx Observer Linjär modell för observatörsdesign Linjär modell för återkopplingsförstärkning Detaljerad olinjär modell för verifiering u v H(s) Process Load disturbance + + y w Measurement disturbance Kommentar om kurskraven: Grundläggande modeller Räkningar på dessa Översikt Se övningshäftet (desamma som gamla tentauppgifter): Problem Kunskapsfrågor

14 Diagnos Lagkrav: Drivet av funktionskrav över fordonets hela livslängd. Lagkrav: OBD Lagkrav: OBD-II MIL-lampa, DTC, Freeze frame data, SCANTOOL Vad skall detekteras? Diagnosmetodik Tentamen Räkneuppgifter på Tentan poäng Betyg poäng Betyg poäng Innehåll: - poäng - uppgifter, nära vad som krävts i projektens förberedelser. - poäng - uppgifter, anknytning till lektionerna. - poäng - kunskapsuppgifter, från kompendiet och föreläsningar. Lektionskompendiet är en sammanställning av gamla tentauppgifter. Modeller och räkningar på sådant som ingått i labbuppgifterna pv-diagram räkna cykeln runt, arbete. Momentmodellen delkomponenterna och tillämpningar. Fyllnadsgrad luftmassflöde. Tryckuppbyggnad i insugsröret härledning. Turboekvationer effekt och effektivitet. Drivelinemodellering härleda en modell till tillståndsform och överföringsfunktion.