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

Transkript

1 Innehållsförteckning 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 5, 5 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 Innehållsförteckning 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 5 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 5 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 Cykel-till-cykel-variationer Knack Tio cykler (stationäritet) Cycle to cycle variations Cylinder pressure [bar] Crank angle [deg] Oktantal Bränslets motståndsförmåga mot knack Snabbaste cykeln Störst sannolikhet för knack. Innehållsförteckning Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept - Modellering Ett sensor - aktuator perspektiv: Samband mellan sensorer och aktuatorer, MVEM. ṁ at α th θ ign λ bc λac Intake M th p i T i ṁ fi Catalyst Exhaust M e M load N

5 - Modellering - Modellering Luftflöde förbi gasspjäll (trottel) ṁ at (α,p a,p i,t a ) = p a RTa A th (α)c th (α)ψ( p i p a ) () Luftflöde in i cylindern Tryckuppbyggnad i insuget ṁ ac (N,p i,t i ) = η vol (N,p i ) V d Np 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 = Nn cyl n r m fi = Nc (t inj t (u batt )) () dm fp dt = Xṁ fi τ fp m fp (5) 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 =.5 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 Innehållsförteckning Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept.8.6 Manifold pressure [bar].. Engine speed [rpm] Manifold pressure [bar].. Engine speed [rpm] 5 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 Wheel torque Gear ratio i f Friction losses in driveline Gearbox output torque Gear ratio i g Friction losses in gearbox Clutch torque Friction + Auxiliaries Internal torque Thermo. process Air+ Fuel Differential Final drive Gearbox Clutch Driveline sensors and actuators Engine Auxiliaries 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 6 Lambda window HC NO x NO x CO CO HC NOx and HC in ½ Knock detection & control.9.. λ - Reglering Reglermoder i styrsystemet Modbyten Limit-cycle i mängden insprutat bränsle (heldragen) och i λ bc (streckad)..5 λ bc and /m fi with K p = Engine Map λ < Återkoppling av λ bc λ bc and /m fi with K p =.5 Analys: Grafisk, beskrivande funktion, eller Poincaré. Designoptimering beror av katalysatoregenskaper. Engine Torque [Nm] 5 Idle speed control λ = Engine Overrun Fuel Cut Engine Overspeeding Fuel Cut Time [s] Engine speed [RPM]

8 - Reglering Innehållsförteckning 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

9 T T p p w_tc Tq_c Tq_t T T p p T p T p up effective area p down p m flow T flow mflow up Q in mflow down Modelleringsmetodologi Turbo Prestanda och analys p_amb W_af p up m flow T flow p down W_af [kg/s] Ground Air filter Air filter Restriction Receiver mflow up Q in mflow down Compressor p_af [Pa] 5 W_comp [kg/s] p_raf m*_c T_Raf T_c w_tc p_rc Tq_c Compressor Receiver Ground mflow up Q in mflow down W_ic T_cool_ T_cool T_cool [K] p_up W_ic T_up 6 W_ic [kg/s] Intercooler T_fwd_flow [K] T_down p_down 6 T_ic [K] Intercooler Receiver Ground mflow up Q in mflow down Turbomappar: Kompressormapp, Compressor Map Turbinmapp. Turbine Map p_amb_ p_ambient T_amb_ T_ambient T_amb T_af p_af T_af [K] T_Rc p_c T_c [K] 5 p_ic [Pa] p_c [Pa] T_ic p_ic 7 W_th [kg/s] W_th TC dynamics w_tc [rad/s] MATLAB Function degarea Exhaust Restriction p_ambient p_amb_ T_ambient T_amb_ p up m flow T flow p down mflow up T_es [K] T_es p_es Q in mflow down Turbine Receiver u_wg [...] p_es[pa] p_es T_turb T_es w_tc m_es u_wg p_em Tq_t T_em Turbine and wastegate T_em [K] rad/s > U/min w_e T_em p_em n_e /pi 9 p_em[pa] Exhaust Manifold mflow up Q in mflow down mflow e p em w_e T im p im lambda T ti.. Surge Line.76. u_th [deg] Butterfly throttle Intake manifold Π c N c =6 N c =8 Corrected flow [kg/s] Efficiency [ ] Tq_e air Flow lambda [ ] Engine 7 p_i m[pa] p_im T_im 8 T_im [K] Ground 8 W_cyl [kg/s] N c =8 N c = N c = N c = W c,corr [kg/s] Expansion Ratio /Π t W_e_fg W_es Ground6 Ground5 conv W_e Terminator Grundekvationer för turbo Innehållsförteckning Definitionerna av turbin- och kompressoreffektivitet Vid stationäritet effektbalans W c = η m W t W c = ṁ c c p (T T ) = ṁ c c p T η c W t = ṁ t c p T η t ( ( p p ( (p )γ γ p Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck på avgassidan (pumparbete) ) )γ γ ) Grunder modellering reglering Turbo Diesel och avancerade koncept

10 Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Innehållsförteckning 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.5.5 >. - Modellering - Modellering M m Engine θ m M c Clutch θ c M t Transmission θ t M p Wheel M fr:m M fr:t Engine Clutch Drive shaft Final drive θ t M p Propeller shaft θ p M f Final drive θ f M d M fr:f Transmission Propeller shaft θ f θ w θ w M d Drive shaft M w Wheel r w F w M fr:w

11 - Modellering Stel drivlina Samverkan: motor och fordon Stel drivlina Effektkonsumption 5 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] 5 5 v= v= v=9 v=7 5th th 5 v=5 rd Drivlineeffektivitet 5 6 Engine Speed [rpm] P e = η t P w - Modellering - Modellering.5 Drive-shaft torsion, x = θ m /i t i f θ w Utvidgning av enkelt exempel Torsionsmodellering Illustrerar följande viktiga idéer: torsionsmodellering val av tillstånd rad rad/s Engine speed, x and θ m θ m θ w Transmission speed, x /i t and θ t M m M fr:m k c r w m(c r +gsin(α)) rad/s 5 5 Wheel speed, x and θ w J m +J t /i t +J f /i t i f J w +mr w rad/s Time, [s]

12 - Modellering Innehållsförteckning 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. 5 Engine speed, θ m Viktiga tillämpningar driveline speed control driveline control for gear shifting Speed, [rad/s]... Speed, [rad/s] Wheel speed, θ w (performance output) Control signal, u Torque, [Nm] Time, [s]

13 - Reglering - Reglering Man kan trimma stationära felet Fältförsök 5 Engine torque.5. [Nm] 5 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 Innehållsförteckning 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 5 poäng Betyg poäng Betyg 5 5 poäng Innehåll: - poäng - uppgifter, nära vad som krävts i projektens förberedelser. 5-5 poäng - uppgifter, anknytning till lektionerna. 5- 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.