Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 7 Motor MVEM och Turbo Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering October 3, 7 / 5 3 / 5 Nedskalning och överladdning Modelleringsstrategi MVEM 3. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] Performance at RPM 5 3. l 45.6 l.6 l + turbo 4 9 km/h η.. 9 km/h [Nm] 4 / 5 5 / 5

2 En MVEM fo r en Turbomotor Kompressor- och turbinprestanda Mappar Turbine Map Compressor Map.5.8 Reference cond. pr = atm Reference cond. pr = atm Tr = C.6 Tr = 6 C.64 Flow.4.4 Surge Line.78 Surge region Efficiency Region Corrected speeds, Nco [krpm] 6 96 Corrected speeds, Nco [krpm]. Choke. Efficiency Corrected flow [kg/s] Pressure ratio, Πc..8.. Corrected mass flow [kg/s] Expansion ratio, /Πt Pressure ratio Πc = pp Expansion ratio Korrigerat massflo de och korrigerad hastighet Effektivitet Hur besta ms kompressor- och turbinprestanda?..4 Πt 6 / 5 Inneha llsfo rteckning =.55.6 p3 p4 7 / 5 Besta mning av kompressor- och turbinprestanda Flo desba nk fo r Turbo Gas Stand Repetition m f,tu CV m a,tu m c Fortsa ttning pa turbo T p Ha rdvara fo r laddtrycksreglering B T3 p3 MC ωtc C T O vergripande Reglering T p T4 p4 C - Kompressor, T - Turbin, CV - reglerventil, B - bra nnare MC - Mekanisk kompressor Tva massflo dessensorer, m c, m a,tu + injektormodell m f,tu Turbinflo de: m t = m a,tu + m f,tu 8 / 5 9 / 5

3 Reference cond. p r = atm T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s].78 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 Kompressor- och turbinekvationer Kompressor och Turbin Mapparna Kompressor och turbin På tavlan Pressure ratio, Π c Hur används de? Varför korrigerade storheter? Corrected flow [kg/s] Efficiency / 5 / 5 Kompressor- och turbineffektivitet Turbinens effektivitet - Problemet Effekt konsumerad av en ideal process ηc = = Konsumerad effekt ) γ γ p ( p T T Producerad effekt ηt = Teoretiskt möjlig effekt för ideal process = T4 T3 ( ) γ p4 γ p3 Turbinen Värmeöverföring ger problem! Definition ovan kan ge ηt >! Efficiency Turbine isentropic efficiency Turbine and mechanical efficiency Turbine expansion ratio /Π t / 5 3 / 5

4 Turbinens effektivitet - Mer detaljer Förstå turbomappar. Dimensionsanalys Använd kompressorns effektkonsumption som mått på: Producerad effekt Ẇc = ṁc cp (T T) ṁc cp (T T) ηt ηt ηm = ṁt cp (T3 T3s) = ṁc cp (T T) ( ( ) γ ) ṁt cp T3 p4 γ p3 Detta används för att bestämma turbineffektiveten i mapparna. Ψ = hs N D = f( ṁ ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ ṁ η = f( ρ N D 3, N D, a ˆP = P ρ N 3 D 5 = f3( ṁ ρ N D 3, N D, a Dimensionslös flödesparameter Φ = ṁ ρ N D 3 a ljudhastighet γ R T för ideal gas Energikoefficienten ( Ψ inkluderar ( ) γ ) hs = p γ cp T p ρ N D, γ) µ ρ N D, γ) µ 4 / 5 5 / 5 Förstå turbomappar. Förenkling Variablerna: Ψ = hs N D, η, P ˆP = ρ N 3 D 5 [ Ψ, η, ˆP ] ṁ = f ( ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ Alternativ för ideal gas, med ρ = gruppen insatt: [ ] p, η, T p T = f (ṁ R T D p p R T & a = γ R T och andra N D,, Re, γ) R T Förenkling för ett aggregat: D, R, γ, µ, Re konstanta [ ] p, η, T T N = f (ṁ, ) p T p T Inte längre dimensionlös, kallas korrigerat massflöde och korrigerad hastighet 6 / 5 Förstå turbomappar 3. Sammanställning Korrigerade kvantiteter ṁcorr = ṁ T p och Ncorr = N T dessa används ofta på turbinsidan. Kallas då TFP (turbine flow parameter) resp TSP (turbine speed parameter). Korrigerade kvantiteter, med referenstillstånd (pr, Tr ) T/Tr ṁcorr = ṁ (p/pr ) dessa används ofta på kompressorsidan N och Ncorr = T/Tr Varning: läs databladen noga för att se vilka som skall användas! 7 / 5

5 Reference cond. p = atm r T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s].78 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 Kompressor och Turbin Modeller Grundläggande princip Generaliserade restriktioner i MVEM ṁcorr = f(π, Ncorr ) η = f(π, Ncorr ) Ẇ = f3(π, Ncorr, pin, Tin) Kompressor Flödesmodell ( N D ) γ γ Ψmax Πmax = + cp T ( Πc Π ṁc,co = ṁmax Πmax Π () ) () Pressure ratio, Π c Corrected flow [kg/s] Genomgång av implementation och använding på tavlan. Efficiency Pressure ratio, Π c Restriction region.5... Corrected mass flow [kg/s] 8 / 5 9 / 5 Kompressor Effektivitetsmodell.8 [ ] Φ Φmax χ(φ, Nco) = Nco Nco,max ηc(χ) = max(ηc,max χ T Qηχ, ηc,min) Compressor B.9 Compressor C Turbin Flödesmodell Turbinflöde (restriktion litet utsmetat) i huvudsak varvtalsoberoende ṁt,co = k Π k t Lägger till varvtalsberoende ṁt,co = k (Πt Π(Nco)) k η c Flow coeff. Φ η c Flow coeff. Φ W t,corr [kg/s] Ψ(Π t ) Ψ(sqrt(Π t )) sqrt( Π t k ) Data..5.5 /Π t Corrected flow [kg/s] sqrt( (Π t Π (ω)) k ) Data.5.5 /Π t / 5 / 5

6 Turbin Effektivitetsmodell Blade Speed Ratio (BSR) används ofta ωt rt BSR = γe γe cp T3( Πt ) { ( ) } BSR BSRopt ηt(bsr) = ηt,max BSRopt η t Model Data (3) Implementeringstips Använd skyddsnät vid implementering av modellerna Underlättar debuggning, simulering och undviker problem i produktion Kvadratroten används ofta: Kan ge imaginära tal Ersätt x med max(x, ). Effektiviteter nära eller under kan ge division med. Lägg till max(η,.3) eller motsvarande BSR / 5 3 / 5 Grundekvationer för turbo Kompressor- och turbindynamik Vid stationäritet effektbalans Ẇc = ηm Ẇt ( (p ) γ ) γ Ẇc = ṁc cp (T T) = ṁc cp T ηc p ( ( ) γ ) p4 γ Ẇt = ṁt cp T3ηt p3 Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck på avgassidan Stationära förhållanden (handräkning & matchningsberäkningar) Ẇc = ηm Dynamiska förhållanden (simulering) ( ) dω dt = Ẇt ηm Ẇc eller Jtc ωtc ωtc ( dω dt = Ẇt Ẇc Jtc ωtc ωtc Ẇt Ett tillstånd för rotationshastigheten Den dominerande dynamiken i systemet ( dω dt = Ẇt Ẇc Jtc ωtc ωtc Mfric(ωtc) ) ) ηm 4 / 5 5 / 5

7 Turbo lag Turbo tidskonstant Throttle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] Time [s] 6 / 5 7 / 5 Compressor Surge Surge Ventil Surge Reglering Throttle [%] ω tc [krad/s] 5 5 Pressure [kpa] Mass flow Time [s] 8 / 5 9 / 5

8 Momentkarakta ristik och turbo Inneha llsfo rteckning Repetition Compressor Map.8 Turbo charged engine deficiency.63 Fortsa ttning pa turbo Naturally aspirated engine Surge Line. Ha rdvara fo r laddtrycksreglering Nc=8.698 Shaped Nc=8.5 Nc= N = c.737. O vergripande Reglering Nc=4 Nc=.5. Engine Speed Kompressor surge (pumpning) och la gvarvtalsmoment a r sammankopplade 3 / 5 3 / 5 Reglering av laddtrycket Wastegate Reglering av laddtrycket VGT Variable Geometry Turbine VGT ( bara dieselmotorer idag) 3 / 5 33 / 5

9 Effektiva arean ändras med styrsignalen VGT Annan teknisk lösning 34 / 5 35 / 5 Innehållsförteckning Motorreglering Kort historik Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering Historik Momentbaserad reglering Turboreglering 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. 36 / 5 37 / 5

10 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 Ignition Map 38 / 5 39 / 5 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 based structure Open loop & feedforward fuel manager Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition 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 4 / 5 4 / 5

11 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 Ignition timing calculation Protection of engine compoents Transmission control Vehicle dynamics control?? New function Cylinder individual fuel cut-off Ignition timing Turbo air calculation Waste-gate control Variable valve actuation Intake valve Vad vill fo raren uppna na r han trampar pa gasen? I Exhaust valve Tolka fo raren, propagera tolkning fra n fordonsbeteende till motor. 4 / 5 Momentbaserad struktur Fordon Engine speed or velocity Momentbaserad struktur Drivlina Traction control intervention Driver interpretation max Accelerator pedal pos. 43 / 5 min Cruise controller min Drag torque intervention max x Gearbox protection max decrease Gearbox losses min min + Anti-surge filter Auxiliaries Gear shifting interventions Vehicle stability control Fra n hjul till motor Fra n fo rare till hjulmoment I + Gear ratio Top speed limit Driver and vehicle demands increase Vehicle propulsion demand Vehicle propulsion demand I Mycket arbete bakom fo rartolkning 44 / 5 Anti-surge: Na sta projekt, drivlinereglering 45 / 5 Desired engine torque

12 Momentbaserad struktur Motor Momentbaserad struktur Översikt med aktuatorer Driveline Engine Desired engine Anti-surge torque filter Engine friction Low idle controller + max limiter min Desired cylinder torque External torque demand -Driver interpretation -Cruise control -Vehicle speed limit -Veicicle dynamics control -Driveability -Gearshift control demands Engine startup Catalyst heating Idle speed control Efficiency demand demand manager Coordination of torque and efficiency demands demand arbitration Realization of desired torque Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off Idle speed control Ignition timing Engine speed limitation Protection of engine Wastegate control 46 / 5 47 / 5 Referensvärde Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator 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? 48 / 5 49 / 5

13 Time delay standard controller [s] Engine speed [rpm] Improvement in fuel economy [%] Engine speed [rpm] Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal Extra svarstid Vinst i bränsle Börvärde för kompressortryck: BMEP [bar] Detaljer i Eriksson et. al. (), Control and Optimization of Turbocharged Spark Ignited Engines BMEP [bar] 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) 5 / 5 5 / 5