Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 06 Motor MVEM och Turbo. Kursinformation.

Transkript

1 Innehållsförteckning SFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 6 Motor MVM och urbo Lars riksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November 5, 8 / 39 3 / 39 Förra perioden (Projekt ) Grundläggande motor Arbetsprinciper missioner Motorreglering Denna period (Projekt enta): urbo modellering (Proj del ) urbo reglering (Proj del ) Motor fördjupning ändningsreglering urbo Diesel Avancerade motorkoncept Diagnos Drivlina modellering (Proj 3 del ) Drivlina reglering (Proj 3 del ) Innehållsförteckning / 39 5 / 39

2 8 6.9 H O H O NOx.. λ Lambda window NOx Momentmodell - SFS9 Parametrar.5.5 Mätt BMP [Pa] 6 Relativt fel för de olika mätpunkterna BMP [Pa] Momentmodell 6 - John B. Heywood Friktionsparametrar.5.5 Mätt BMP [Pa] 6 Relativt fel för de olika mätpunkterna BMP [Pa] Friktionsmodeller John B. Heywood, ig =.573 SFS9 Parametrar, ig = ngine Rotational Speed [RPM] Medelvärdesmodellering Inomcykelmodeller: pv-diagram, Momentmodellen Reglering av luft och bränsle (fram- och återkoppling) Momentmodell och Data idigare momentmodell och motivet till den som används nu. ṁat αth pim ṁfi θign λbc λac Modellerat BMP [Pa] Modellerat BMP [Pa] Intake manifold xhaust manifold FMP [bar] Air filter Intake im ylinder atalyst xhaust Relativt fel % Relativt fel % Mth Me O volume in % NOx and H in % Mload N MK metoden anpassar parametrarna skamlöst till data... 6 / 39 7 / 39 Generell modelleringsstrategi Repetition viktiga storheter ryck p Massflöde ṁ (emperatur ) Metodik = Söndra och härska Kontrollvolym Restriktion Kontrollvolym Restriktion... Volymerna i rör Kontrollvolymer Mass- & energi-bevarande Diffekvationer: dm dt = ṁin( ) ṁout( ) dp dt =... Komponenter som styr flödet Restriktioner eller pumpar Mass- & energi-transport Statiska ekvationer: ṁin( ) = f ( p,...) Modeller för massflöden Olika modeller beroende på flödeskaraktäristik. Är flödet turbulent eller laminärt? Re = ρ U d µ = / pipe flow / = ρ ṁ ρ A d µ = ṁ π d µ Re > 5 flödet är turbulent Re < flödet är laminärt Med vilken hastighet strömmar gasen? U < 7 m/s inkompressibelt flöde U > 7 m/s kompressibelt flöde De flesta flöden i motorer är: turbulenta inkompressibla Vissa reglerventiler kräver kompressibla flödesmodeller 8 / 39 9 / 39

3 .... α α Pressure ratio p r [ ] γ γ γ γ r γ γ+ γ+ γ r ompressible flow restriction Sonic velocity Sub sonic velocity Inkompressibelt flöde Inkompr. Intercooler, luftfilter och avgassystem Laminärt flöde R us p = lam ṁ ṁ = pus p pus lam R us där lam = är en komponentkonstant och R us beskriver pus inloppsdensiteten. urbulent flöde p = ρus U R us = ṁ pus pus p ṁ = 3 R us Båda innehåller densitets korrektion ρus = R us pus / 39 / 39 Validering Intercooler, luftfilter och avgassystem Air Filter Pressure Model Intercooler Pressure Model 5 8 Kompressibelt flöde Kompressibel isentropisk strömning genom en strypning p af [kpa] 3 Measured Model 3 m / pa a air p ic [kpa] 6 Measured Model m c air pc / ṁat(α, pamb, amb, Π) = pamb Ath(α) th(α) Ψ(Π) Ramb tt exempel: rotteln p es [kpa] 5 3 xhaust System Pressure Loss Measured Model 6 8 m / p t a+f t p ic,mod p int,meas [kpa] Intercooler Residual Plot c m / pc air Area Ath(α) Kontraktion th(α) Ljudhastigheten Ψ(p r ) [ ] Ψ (pr ) = ( p ( ( p ) γ ) ( ) γ+ ) γ γ+ ( pr > γ+ ) γ γ / 39 3 / 39

4 Kompressibelt flöde rottel och andra styrventiler Innehållsförteckning / 39 5 / 39 Mer om medelvärdesmodellering av motorer emperaturmodeller Intercooler Flödesrestriktionsmodell enligt ovan emperaturmodell baserad på effektivitet εic = c ic c cool Bestäm εic(ṁic, cool, ṁcool,...) från motormapp. Använd modellen ic = c εic(...)(c cool) I projektet: Perfekt intercooler, ic = cool. 6 / 39 7 / 39

5 Gas temperatures Wall temperatures ngine A Dynamic data ime [min] w o Model 3 w Model 3 emperaturmodeller Avgastemperatur Avgastemperatur Statisk modell Validering Modelleringsprinciper Överbliven energi från den termodynamiska cykeln. Värmeöverföring från avgasrör, turbin och katalysator till omgivningen. Omfattande material i boken Huvudbudskap: Det finns modeller! emperaturen starkt massflödesberoende [K] ngine B urbine inlet temperature Measured Model Model xhaust mass flow [kg/s] [K] ngine ev bc Model Model xhaust mass flow [kg/s] 8 / 39 9 / 39 Avgastemperatur Dynamisk modell Validering Dynamik: Gas (.s) - Sensor (s) - Väggtemperatur (s) Innehållsförteckning [K] o w w3 w / 39 / 39

6 a) b) c) e) d) f) Grundläggande om turbo Överladdning Supercharging Definition Från kompendiet Supercharging is the collected name for several methods that increase the intake air density, i.e. methods that charges extra air to the cylinder, and one particular method is called turbocharging. / 39 3 / 39 Metoder för överladdning tt turboaggregat entrifugalkompressor Radialturbin a) Mekanisk överladdning b) urboladdning c) våstegs turbo, seriell d) våstegs turbo, parallell e) Motordriven kompressor f) urboladdning med turbocompound / 39 5 / 39

7 Volume/V c Nedskalning och överladdning Nedskalning Dellastförluster BSF [g/kwh] Betrakta ett fordon som kan utrustas med två olika motorer. Varför ger en stor motor högre bränsleförbrukning än en liten? Svaret ligger i att motorn alltid körs på dellast. BMP [bar] ngine speed [RPM] 6 / 39 7 / 39 Hur utnyttjas bruttoarbetet? Hur utnyttjas bruttoarbetet (i en 3. liters motor)? 35 Utilization of Gross Indicated Work Pumping.8 Friction 5.7 Pressure [bar] 5 Utilization [%].6.5. Useful Pressure [bar] Volume/V c orque [Nm] 8 / 39 9 / 39

8 Reference cond. p r = atm r = Surge region Surge Line.68 ompressor Map orrected mass flow [kg/s] orrected speeds, N co [krpm] hoke Region Reference cond. p r = atm r = orrected speeds, N co [krpm] urbine Map xpansion ratio, /Π [ ] t 6 76 Flow fficiency Nedskalning och överladdning urboladdning och momentkaraktäristik V8 I I orque orque deficiency urbo charged engine Naturally aspirated engine 5 5 Performance at RPM 3. l sfc [g/kwh] km/h Shaped orque ngine orque [Nm] 5 5 Performance at RPM 3. l.6 l sfc [g/kwh] km/h ngine Speed sfc [g/kwh] ngine orque [Nm] km/h Performance at RPM 3. l.6 l.6 l + turbo 3 / 39 3 / ngine orque [Nm] Innehållsförteckning Bränsleförbrukning som funktion av last. Mindre motor,.6 liter, är mer effektiv men mindre roligt att köra. urboladdning av.6 liters motorn. förbättrad bränsleförbrukning utan förlorad accelerationsprestanda. turbofördröjning, och liten effektivitetsförlust. Kompressor- och turbinprestanda Mappar Pressure ratio, Π c [ ] orrected flow [kg/s] Pressure ratio Πc = p xpansion ratio = p3 p Πt p Korrigerat massflöde och korrigerad hastighet ffektivitet Hur bestäms kompressor- och turbinprestanda? fficiency [ ] 3 / / 39

9 Kompressor- och turbinekvationer Besta mning av kompressor- och turbinprestanda m f,tu V m a,tu m c p B 3 p3 M ωtc Pa tavlan p p - Kompressor, - urbin, V - reglerventil, B - bra nnare M - Mekanisk kompressor 35 / 39 3 / 39 Kompressor och urbin Modeller n MVM fo r en urbomotor Grundla ggande princip Generaliserade restriktioner i MVM m = f (Π, ωtc ) η = f (Π, ωtc ) W = f3 (Π, ωtc, in ) urbine Map ompressor Map.5.8 Reference cond. p = atm Reference cond. pr = atm r r =.6 r = 6.6 Flow.. Surge Line.78 Surge region fficiency orrected speeds, N. hoke.6. co Region [krpm] orrected speeds, Nco [krpm] fficiency [ ] orrected flow [kg/s] Pressure ratio, Πc [ ]..8.. orrected mass flow [kg/s] xpansion ratio, /Πt [ ] / / 39

10 Stegsvar för turbomotor - urbo lag Innehållsförteckning hrottle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] ime [s] 38 / / 39