Innehållsförteckning. Kompressor och Turbin Modeller. Nedskalning och överladdning. Motor Repetition. Övergripande Reglering.

Transkript

1 Reference cond. p r = atm T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s] Corrected speeds, N co [krpm] Choke Region Reference cond. p r = atm T r = 6 C Corrected speeds, N co [krpm] Turbine Map Expansion ratio, /Π [ ] t 6 76 Flow Efficiency Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8 Motor Övergripande reglering, tändning, tomgång, knack och knackreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November 8, 8 Motor Repetition Övergripande Reglering Turboreglering Motor Knack Ytterligare detaljer om Motor / 6 / 6 Nedskalning och överladdning 3. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] η [ ] km/h Performance at RPM 3. l.6 l.6 l + turbo km/h 3 Torque [Nm] Kompressor och Turbin Modeller Grundläggande princip Generaliserade restriktioner i MVEM ṁcorr = f(π, Ncorr ) η = f(π, Ncorr ) Ẇ = f3(π, Ncorr, pin, Tin) Pressure ratio, Π c [ ] Corrected flow [kg/s] Korrigerade storheter Ncorr, ṁcorr. Tryckkvot Πc Expansionsförhållande /Πt. Genomgång av implementation och användning på tavlan Fö 7. Viktig! Efficiency [ ] 3 / 6 4 / 6

2 Reference cond. p r = atm T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s] Reference cond. p = atm r T r = 6 C Corrected speeds, N co [krpm] Turbine Map Corrected speeds, N co [krpm] Choke Region Expansion ratio, /Π [ ] t 6 76 Flow Efficiency Viktiga delar ur genomgången Beräkningsschema [Ẇ, ṁ, Tflow ] = f (p, p, T, Nt) Korrigering Ncorr, Πc Använd mappen för att beräkna ṁc,corr Avkorrigera ṁc,corr för att få ṁc Använd mappen för att beräkna ηc Beräkna Tflow = T från ηc-definitionen. Beräkna kompressoreffekten Pressure ratio, Π c [ ] Extramaterial - Bonus Exempel på SAE-mapp(ar) Ẇc = ṁc cp (T T) Corrected flow [kg/s] Efficiency [ ] P.S.S. för Turbinen Newtons andra lag med effektbalansen ger turbovarvtal. / 6 6 / 6 Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Repetition - Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Knack Motorreglering Kort historik På T-forden: Manuell reglering av Handgas Tändningsinställning Köra med slokande mustascher Senare (i Ford Mustang m.fl.): Gaspedal Tändningsinställning genom mekaniskt system; centrifugalregulator och vakumklocka i fördelaren. Ytterligare detaljer om Motor 7 / 6 8 / 6

3 Motorreglering - Sensorbaserad reglering Första stegen i elektroniska EMS (Engine Management Systems) ṁat αth pim ṁfi θign λbc λac Motorreglering - Mappbaserad reglering Illustration av hur mappar kan användas för att uppfylla det grundläggande reglermålen för bränsle- och tändningsreglering. Målen uppnås via injektoröppningstid tinj, och tändvinkel θign i ett reglersystem. Intake manifold Exhaust manifold Engine Speed D Look-up Table Air filter Cylinder Catalyst tinj Intake Tim Exhaust Inputs Basic Injection Map D Look-up Table Control Outputs Mth θign Mload N Me Manifold Pressure Basic Map 9 / 6 / 6 Engine control - Map based control Motorreglering - De tre huvudlooparna text text text text text text Mapbaserad eglering can utvidgas och optimeras till mycket stor förfiningsgrad. Ett exempel med optimal luft/bränsle λ and tändningsvinkel α för ett FTP test. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector hardware Throttle hardware De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade på mappar modellbaserade designmetoder Lambda feedback control Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor / 6 / 6

4 Styrsystemen blir mer och mer komplexa Oha llbart Driver Air calculation Idle speed control Momentbaserad reglering Throttle angle Catalyst heating Injection time Fuel calculation Anti-surge function Limitaton of engine and vehicle speed timing calculation Protection of engine compoents Transmission control Vehicle dynamics control?? New function Cylinder individual fuel cut-off timing Turbo air calculation Waste-gate control Variable valve actuation Intake valve Vad vill fo raren uppna na r han trampar pa gasen? I Tolka fo raren, propagera tolkning fra n fordonsbeteende till motor. Exhaust valve 3 / 6 Momentbaserad struktur Fordon Engine speed or velocity Momentbaserad struktur Drivlina Traction control intervention Driver interpretation max Accelerator pedal pos. min Cruise controller min Drag torque intervention max Torque increase Vehicle propulsion demand Vehicle propulsion demand x + Gearbox protection max min min + Anti-surge filter Gear ratio Top speed limit Driver and vehicle demands 4 / 6 Gearbox losses Torque decrease Auxiliaries Gear shifting interventions Vehicle stability control Fra n hjul till motor I Anti-surge: Na sta projekt, drivlinereglering Fra n fo rare till hjulmoment I Mycket arbete bakom fo rartolkning / 6 6 / 6 Desired engine torque

5 Momentbaserad struktur Motor Momentbaserad struktur Översikt med aktuatorer Driveline Engine Desired engine Anti-surge torque filter Engine friction Low idle controller + max Torque limiter min Desired cylinder torque External torque demand -Driver interpretation -Cruise control -Vehicle speed limit -Veicicle dynamics control -Driveability -Gearshift control Torque demands Engine startup Catalyst heating Idle speed control Efficiency demand Torque demand Coordination of torque and efficiency demands Torque demand Torque arbitration Realization of desired torque Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off Idle speed control timing Engine speed limitation Protection of engine Wastegate control 7 / 6 8 / 6 Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Turboreglering Motor Knack Ytterligare detaljer om Motor Referensvärden för att nå önskat Moment Grundprincip invertera momentmodellen (med fyllnadsgraden) Lös ut trycket i insugsröret pim Trottelregulator reglerar trycket pim Återkoppling Framkoppling Påverkar luftflödet, bränslet regleras med λ-regulatorn Framkoppling från insugstryckt Hur gör man i turbofallet? På samma sätt: reglerar laddtrycket. Extra komplikation: Två tryck, före och efter trottel. Två aktuatorer: Wastegate resp. Trottel används. En extra frihetsgrad kan optimera... 9 / 6 / 6

6 Time delay standard controller [s] Engine speed [rpm] Improvement in fuel economy [%] Engine speed [rpm] Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal Extra svarstid Vinst i bränsle BMEP [bar] BMEP [bar] Detaljer i Eriksson et. al. (), Control and Optimization of Turbocharged Spark Ignited Engines / 6 / 6 Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel Börvärde för kompressortryck: pc pic = pim + pth PI regulator: uwg = PID(pic (pim + pth)) ECO-/Sportsmode: Välj pth beroende på mod. Problem vid implementering: WG aktuatorn ligger ofta begränsningarna. Ger problem med I-delen Windup. I projektet: Anti-Windup implementerat åt er. (Reklam för industriell reglerteknik) Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Turboreglering Motor Knack Oktantal Oktantal & Knack Ytterligare detaljer om Motor 3 / 6 4 / 6

7 η fi Efficiency for the Otto cycle γ=.4 γ=.3 γ=. Tändningsloopen Repetition Ottocykelns effektivitet Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Lambda feedback control ηf,i = rc γ Normalfall γ =.3 From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector hardware Throttle hardware Engine λ sensor Engine torque Knocksensor ηf,i ökar med rc för alla cykler. Varför designar vi inte för rc =? r c Knock detection & control / 6 6 / 6 En kolv som upplevt kraftigt knack En annan kolv som upplevt kraftigt knack Knack kan förstöra motorn!!! 7 / 6 8 / 6

8 x 6 no knock 4 6 Crank Angle [deg] x 6 slight knock oscillations 4 6 Crank Angle [deg] x 6 9 o 8 o severe knock oscillations 4 6 Crank Angle [deg] Knack En fundamental begränsning för bensinmotorn Hur kan man detektera knack? Knack Oktantal Cylinder pressure [Pa] Bränslets oktantal: Motstånd mot självantändning vid höga kompressioner. Definierar referensbränslen: n-heptan ON=. Lång rak molekyl isooktan ON=. Kort kompakt molekyl. Hur bestäms oktantalet? Knack och oktantal är relaterade. Oktantal Bränslets förmåga att motstå knack. 9 / 6 3 / 6 Oktantal RON Research Octane Number Europa, Sydafrika, Australien MON Motor Octane Number Motorsport, Högre temperatur och varvtal på motorn. 8 till enheter lägre än RON. (RON+MON)/ Används i USA och Kanada AKI Anti Knock Index PON Pump Octane Number RdON Road Octane Number RdON = aron + b MON + c, Erfarenhet har visat a = b =., c = Fuel sensitivity = RON - MON RON & MON Arbetspunkter för ON bestämning Research Motor Engine speed 6 rpm 9 rpm timing 3 BTDC 9 6 BTDC fixed f (rc) Inlet temperature C ( F) 49 C (3 F) Inlet pressure atm Humidity kg/kg dry air Coolant temperature C Air to fuel ratio Adjusted for maximum knock Hur bestämmer man ON >? T milliliter (CH)4Pb Referensbränsle: iso-oktan + blyadditiv, T = gallon iso-octane 8.8 T ON = T +(.+.47 T.36 T ). 3 / 6 3 / 6

9 Litet mer om varför kompressionen är begränsad? Innehållsförteckning Motor Repetition Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? begränsning på maxtrycket värmeöverföring dq ökade emissioner En dieselmotor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Övergripande Reglering Turboreglering Motor Knack Samverkan tänding, moment Tändning och knack Motor Moment Ytterligare detaljer om Motor 33 / 6 34 / 6 Tändningsloopen 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 Air timing * + Injector hardware Throttle hardware Lambda feedback control Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor Varför: Vad: Hur: Utmaningar: Tändtidpunkt Tändenergi Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen i rätt ögonblick. Laddar upp kondensator eller spole och laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knack borta. Kalibrering Sluten loop reglering. 3 / 6 36 / 6

10 Cylinder pressure Hårdvara Kapacitivt resp. induktivt system, det senare är vanligast. Capacitive ignition system Inductive ignition system Tändningstidpunkt Cylindertryck och MFB Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr pv-diagrammet Sex cylindertryck i arbetspunkten rpm Nm. R R Pressure [bar] Ubatt C Spark Plug Gap Ubatt L Spark Plug Gap Mass fraction burned x b Crank angle [deg] Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP och xb =.? 37 / 6 38 / 6 Tändningstidpunkt pv-diagram Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt och MBT. MBT 4 Pressure [MPa]. Engine Torque [Nm] Volume [m ] x angle [deg] 39 / 6 4 / 6

11 3 3 Mean cylinder temperature Crank angle [deg] Tändkrokar Fish Hooks Centrerat runt θ = θign θign,opt Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.. Experimental data for ignition timing efficiency.9.8 T [K] η ign θ ign θ ign,opt Höga maxtemperaturer medför att mer NOx bildas. Tidig tändning ger också högre tryck (mekanisk påfrestning) och HC utsläpp. 4 / 6 4 / 6 Knackrisk som funktion av tändtidpunkt Cykel till cykel variationer 9 End gas temperature Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler 8 7 Cycle to cycle variations T [K] Crank angle [deg] Cylinder pressure [bar] Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knackreglering Crank angle [deg] En cykel med snabb förbränning är mer benägen att knacka. 43 / 6 44 / 6

12 Knackdetektering Hårdvara Knackdetektering Signalerna Bandpassfiltrera signalen Likrikta (eller kvadrera) Integrera Tre signaler med ringning i frekvensbandet för cylinderns egenmod. θign. EMS LP Ion sensing BP Cylinder pressure. Cylinder pressure Ion current Rectifier Knock sensor Knock sensor Crank angle [deg] Tidsfönster i vevaxeldomänen och mät energiinnehållet Ei för cykel i. 4 / 6 46 / 6 Knackreglering Söka sig mot knack gränsen Knackreglering Söka sig mot knackgränsen Vid detektion flytta snabbt bort, gå sedan mot gränsen. if (Ei > limit) α = α + β else α = min(α γ, ) end θign = θff + α β - stor för snabbt skydd γ - liten för att gå sakta mot gränsen Illustration av knack reglering med justering β nedåt γ uppåt. advance Cycle number Spark advance [deg] Cycle number 47 / 6 48 / 6

13 3 3 Mean cylinder temperature Crank angle [deg] Knackreglering Tändtidpunktens betydelse för avgastemperaturen Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer. Omgivningstemperatur Omgivningstryck vid olika höjder Oktantal for olika bränslen Motorernas tillverkningstolerans och åldring Kompressionsförhållandet kan ökas med enhet. T [K] Återkopplad reglering, jämfört med konservativ kalibrering: Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7 %. För turboladdade motorer är vinsterna större. Sen tändning ger högre avgastemperatur. Hög last och knack, skydda katalysator med andra motmedel (λ < ). Kallstart, värma katalysator med sen tändning. 49 / 6 / 6 Motormoment och insugstryck Huvudlooparna Tändning Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. BMEP [bar] Lambda feedback control model measurement Intake manifold pressure [bar] Korrelation, som motiverar varför insugstrycket används som synonym för last. Affin modell enkel och god approximation. Vid höga laster: Kompromissar på tändningen (sänker effektiviteten) för att skydda motorn mot knack. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector hardware Throttle hardware Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor / 6 / 6

14 Samtidig tändning och turbotryck APC Momentstyrning med tändning Snabb aktuator för moment. Moment neddragning vid växlingar. Hjälp vid tomgångsreglering. Vid ytterligare moment neddrag används fuel cut. 3 / 6 4 / 6 Tomgångsreglering med stöd från tändningen Tomgångsreglering med stöd från tändningen Två aktuatorer för momentet: luft och tändning. Me,l Me,ref αref Ml + Air Nref - Ma ηign θign θign N PID (.8) (7.8) + Me,s + Me,a θign,opt Första delen av NEDC, tomgångsreglering aktiv. v [m/s], N [ rpm] p [kpa] θ im Torque [Nm] ign [ ] N real N idle v ref v real M long M short p ref im p actual im θ ign time [s] / 6 6 / 6

15 φ=. φ=. φ=.. Compression ratio r [ ] c r c = r c =... Fuel air ratio φ [ ] Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Turboreglering Motor Knack Fortsatt analys av arbetsprocessen Ideal Ottocykel, icke idealgas (cp och cv varierar). Cykeleffektivitet som funktion av φ = /λ och rc. Högre rc ger högre η Efficiency η f Efficiency η f γ ökar när φ minskar Knä vid φ = Jfr momentmodellen min(,λ) = min(, φ ) Ytterligare detaljer om Motor Fullständig förbränning 7 / 6 8 / 6 λ-svep Mätningar på en Ottomotor Cykel till cykel variationer 4 4 Fuel constant Efficiency max Air constant Power max Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler Engine torque [Nm] 3 3 Cylinder pressure [bar] Cycle to cycle variations Crank angle [deg] Air/fuel ratio λ [ ] 9 / 6 6 / 6

16 Cylinder Pressure Cycles Ionization Current Cycles Crank Angle [deg] Minst variation runt λ =.9 Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Engine torque [Nm] 3 Fuel constant Efficiency max Air constant Power max Air/fuel ratio λ [ ] Turboreglering Motor Knack Ytterligare detaljer om Motor 6 / 6 6 / 6 och cylindertrycket Använd tändstiftet när det inte används för tändning HV side Coil Pressure [MPa] Secondary Primary U batt Spark plug Electrons and ions LV side I ign I ion - R m + + U - meas Dwell time and timing control Interpretation Cam phasing Misfire detection Knock intensity Pre ignition Coil failure Plug fouling Combustion stability Cylinder balancing Fuel quality Lambda EGR Cylinder pressure MFB PPP Current Direkt mätning i cylindern. Återkoppling från förbränningen. 63 / 6 64 / 6

17 Innehållsförteckning Motor Repetition Övergripande Reglering Repetition - Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Knack Oktantal Oktantal & Knack Samverkan tänding, moment Tändning och knack Motor Moment Ytterligare detaljer om Motor 6 / 6