Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 2. En viktig bild. Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? Vad är luft?

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS5 Fordonssystem Fö forts. Lars Eriksson - Kursansvarig Per Öberg - Vikarierande föreläsare Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Trottelflöde bränslets väg August 3, Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? En viktig bild effektivt arbete = låg bränsleförbrukning låga emissioner = god miljö körbarhet säkerhet Luft och bränsle = arbete och emissioner Fuel Valves Exhaust manifold Throttle Air Emissions Intake manifold Cylinder Catalyst Piston Power Crank shaft Vad är luft? Bränsle 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 N Fuel Carbon Hydrogen Sulphur -octane petrol Motor petrol Diesel oil Kemisk energi till termisk energi (värme) C 8 H 8 +.5O 8CO +9H O +Värme Energivärde för ett bränsle: q HHV Higher heating value (vattnet i vätskeform kondensering) q LHV Lower heating value (vattnet i gasform) Isooktan C 8 H 8 ett vanligt referensbränsle q HHV = 47.8 [MJ/kg] q LHV = 44.3 [MJ/kg] Förbränning och stökiometri Perfekt förbränning av ett kolväte - Ett sensor/aktuator perspektiv Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. C a H b +(a+ b 4 )(O N ) aco + b H O+3.773(a+ b 4 )N ṁat θth pi ṁfi θign λbc λac Stökiometriskt luft/bränsle-förhållande (A/F) = m a och (A/F) s = (a+ b 4 )( ) m f.a+.8b Normaliserat luft/bränsle-förhållande λ = (A/F) (A/F) s och φ = λ Intake Mth Ti Catalyst Exhaust Frigjord värme och en enkel modell Mload Me Q = min(λ,) m f q LHV N

2 Stegsvar: Trottel Luftmassflöde Stegsvar: Throttle Luftmassflöde 5 Throttle > Air mass flow Throttle angle [deg] Air mass flow [kg/s] Stegsvar: Trottel Insugstryck Stegsvar: Trottel Insugstryck 5 Throttle > Intake manifold pressure Throttle angle [deg] Pressure [kpa] Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor 3.5 x 3 Fuel injector > lambda sensor Fuel injection [s] λ [] Model : Trottelrörelse Modell : Trottel med trottelregulator Input u Torque Motor Driving Torque Friction Load Torque (from air-flow) Spring Drivande moment, M th Trottelvinkel, α Rörelsedynamik, DC-motor med återföringsfjäder (Newtons a lag) d α +adα = b (M th M air ) c (α α ) Modellering av M air är inte lätt (montering och aerodynamic) Användning: Reglerdesign av trottelservo. Behövs en dynamisk modell? α = G th (s)α ref G th = Behövs en andra ordningens modell? Kärnfrågor vid modellering: Vad skall modellen användas till? Vilken nogrannhet behövs? sτ th +

3 Compressible flow restriction Sonic velocity Sub sonic velocity Pressure ratio p r [ ] γ γ+ γ γ Luftflödesmodell Modell 3: Luftintag Ett system Kompressibel isentropisk strömning genom en strypning. ṁ at = p a RTa A th (α) C th (α) Ψ(p r ) Area A th (α) Kontraktion C th (α) Ljudhastigheten Regulator för luftflödet och trottel. Statiskt eller dynamiskt system? ṁ at = G at (s)ṁ at,ref α α Ψ(pr) = Ψ(p r ) [ ] γ γ γ γ ( pr pr ( ( ) γ+ ) ) γ+) ( γ γ+ ( ) γ pr > γ γ+ Andra ordningens system? G at (s) = sτ at + Sammanfattning av modellen, förslag till Projekt Innehållsförteckning ṁref Spjällhus αref Luftmassflödesregulator Spjäll- servo Luftmassflödesgivare αth Elmotor Modell uth ṁth Massflöde till cylinder Tryckuppbyggnads dynamik Simulering Insugsrörsmodell Validering Modell Modell 3 bränslets väg Fyra modeller (tre numrerade): Modell : Trottelrörelse u th α Modell : Trottelservo α ref α Luftmassflöde: A(α) ṁ at Modell 3: Luftmassflödesregulator: ṁ at,ref ṁ at - Massflöde till motor Motorgeometri Kort ordlista ṁat θth pi ṁfi θign λbc λac Intake Ti Catalyst Exhaust Beteckning Engelska Svenska V d Displacement volume Sveptvolym (motorvolym) V c Clearance volume Kompressionsvolym B Bore Borrning S Stroke Slag l Connecting rod length Vevstakslängd a Crank radius Vevaxelradie θ Crank angle Vevaxelvinkel Mth Me Mload N Insugsrör Fyllnadsgrad Insugsrör Luftflöde Fyllnadsgrad = volumetric efficiency η vol = volymflöde in i motor svept volym per tidsenhet = ṁac ρ a V d n cyl N n r = Beskriver motorns förmåga att suga in ny luft Mappas upp i bromsbänk η vol (N,p i ) Inkluderas som en delmodell i en större modell Ett exempel: ṁ ac n r ρ a V d n cyl N η vol (N,p i ) = c +c N +c p i +c 3 Np i +... Modellen för luftflödet till cylindrarna ṁ ac (N,p i,ρ a ) = η vol (N,p i ) ρ av d n cyl N n r densiteten från ideala gaslagen ρ = m V = p RT ṁ ac (N,p i,t i ) = η vol (N,p i ) p i V d n cyl N R T i n r η vol (N,p i ) mappas upp i bromsbänk parametrarna c i bestäms från mätdata med minstakvadratmetoden

4 Insugsrör Luftflöde Mappar Insugsrör Tryckuppbyggnad Air flow [g/s] Luftflöde Air flow into cylinder η vol [%] Fyllnadsgrad Volymetric efficiency Insugsrör Kontrollvolym med massbevarande Massförändring dm = ṁ at ṁ ac Tillståndsekvation ideala gaslagen Manifold pressure [bar].4. 3 Engine speed [rpm] Manifold pressure [bar] ṁ ac (N,p i ) η vol (N,p i ) Np i T i.4. 3 Engine speed [rpm] Vi kan ju mäta ṁ ac, så varför gå omvägen via η vol (N,p i )? Flödet beror på var vi kör men det gör inte effektiviteten. Modellen skall klara av andra omgivningstryck/temperaturer! 4 5 p i = mr T i V i Antar att R, T i och V i är konstanta dp i = R T i V i dm = R T i V i (ṁ at ṁ ac ) Simulering Ordinära differentialekvationer Implementering av tryckuppbyggnad Linjära system dx(t) = Ax(t)+Bu(t) y(t) = C x(t)+du(t) Olinjära system dx(t) = f(x(t),u(t)) y(t) = g(x(t),u(t)) [time ThrottleArea] From Workspace Throttle area Throttle mass flow Upstream pressure Upstream temperature Throttle Model Throttle Mass Flow pman Cylinder Mass Flow Inake Manifold Model Engine speed Cylinder mass flow Intake temperature Engine Mass Flow Model Cylinder mass flow Känner f(x,u), g(x,u), u(t), samt x(t ). Söker lösningen x(t) for t [t,t end ] t t dx(τ) dτ dτ = x(t) x(t ) Vad blir x(t)? t x(t) = x(t )+ f(x(τ),u(τ))dτ t Implementering i Simulink: u(t) = s u(t) Numeriska lösningsmetoder (Euler, Runge-Kutta, Adams,...) ODE för tryckdynamiken i insugsröret Throttle Mass Flow Cylinder Mass Flow K dp R*Tman/Vman s Manifold Pressure p pman Specifiera initialtillståndet p = p(t ) i s dp = R V T (ṁat ṁac) p(t) = p + t t dp p(t) = p + R T V (ṁat ṁac) p(t) = p + s R V T (ṁat ṁac) Insugsrör Modellvalidering Insugsrörsmodell Validering Validering Jämföra modell och verklighet (mätning) [time ThrottleArea] Throttle area From Workspace Throttle mass flow Upstream pressure Throttle Mass Flow Upstream temperature pman Throttle Model Cylinder Mass Flow Engine speed Cylinder mass flow Intake temperature Cylinder mass flow Inake Manifold Model Engine Mass Flow Model Koppla in uppmätta signaler till modellen Simulera Utsignal Jämför simuleringsresultatet med mätningen Insugsrör Modellvalidering Bränslets väg Trottel, insugsrör, fyllnadsgradsmodell Throttle Angle [V] Intake Manifold Pressure [kpa]

5 Modelleringsuppgift Bränsleinjektor Injektorn öppnas av en puls % Valve position.3 Timedelay and wall wetting. φ []. % t_inj φ [].9 Fuel inj. normalized φ=/λ time [s] time [s] Sammanslagen öppnings- och stängningstid t. Injicerad massa Bränsleflöde m fi = c p (t inj t (u batt )) ṁ fi = Nn cyl n r m fi = Nc (t inj t (u batt )) Bränsleflöde Bränslefilm Bränsleflöde Bränslefilm Fuel Injector Inlet Valve Intake Manifold Fuel Puddles Engine Cylinder En del ( X) går direkt in i cylindern. En del X träffar väggarna och fastnar i en bränslefilm. Bränslet avdunstar från filmen med en tidskonstant τ fp och går slutligen in i cylindern. (A/F) Transportfördröjning och sensordynamik Bränslets väg Validering In till cylinder λ(t) = ṁac(t) ṁ fc (t) (A/F) s Tidsfördröjnig, τ d (N) λ exh (t) = λ(t τ d (N)) Sensordynamik d λ s(t) = (λ exh(t) λ τλ s (t)) d λ s(t) = τλ (λ(t τ d(n)) λ s (t)) (A/F) Modellvalidering Injektor, väggvätning, tidsfördröjning och sensordynamik. (A/F) Modellvalidering (en annan motor) 3.5 x 3 Timedelay and wall wetting Injection time [ms] Injection time [s] Lambda λ [] Measured Modeled Glöm inte bort att sätta initialvärden!

6 Innehållsförteckning Modelleringsmetodologi parameterbestämning bränslets väg Hur kan man bestämma modellparametrar? Fysik och grundläggande principer. Givet i datablad från tillverkaren. Stegsvarsexperiment (se laborationskompendiet). Uppmätta insignaler in till modellen, jämför modellutsignal och uppmätt utsignal. Manuell tuning Systematisk optimering, minstakvadrat Trottelflöde Massflöde till cylinder Tryckuppbyggnads dynamik Simulering Insugsrörsmodell Validering bränslets väg Bränsleinjektor Bränlsedynamik Bränslefilm Bränslets väg Validering