Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8. Motorreglering Kort historik

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö Motor Övergripande reglering, laddtryck, knack och knackreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Arbetsprinciper November, Motorreglering Kort historik På T-forden: Manuell reglering av Handgas Tändningsinställning Köra med slokande mustascher Motorreglering - Sensorbaserad reglering Första stegen i elektroniska EMS ( Management Systems) ṁat θth pi ṁfi θign λbc λac Senare (i Ford Mustang m.fl.): Gaspedal Tändningsinställning genom mekaniskt system; centrifugalregulator och vakumklocka i fördelaren. Intake Mth Ti Me Catalyst Exhaust Mload N Motorreglering - Mappbaserad reglering - Map based Illustration av hur mappar kan användas för att uppfylla det grundläggande reglermålen för bränsle- och tändningsreglering. Målen uppnås via injektoröppningstid t inj, och tändvinkel θ ign i ett reglersystem. Speed D Look-up Table tinj text text text 9 9 Mapbaserad eglering can utvidgas och optimeras till mycket stor förfiningsgrad. Inputs Basic Injection Map D Look-up Table Control Outputs text Ett exempel med optimal luft/bränsle λ and tändningsvinkel α för ett FTP test. Manifold Pressure Basic Map θign text text 9 9 Motorreglering - De två huvudlooparna Styrsystemen blir mer och mer komplexa Ohållbart From engine sensors and driver requests Lambda Driver Cruise Air Throttle angle Basic and transient fuel metering tig * Injector De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade på mappar modellbaserade designmetoder Knock λ sensor Knocksensing Idle speed Catalyst heating Anti-jerking function Limitaton of engine and vehicle speed Protection of engine compoents Transmission Vehicle dynamics?? Fuel tig Turbo air Variable valve actuation Injection time Cylinder individual fuel cut-off tig Waste-gate

2 Momentbaserad reglering Momentbaserad struktur Fordon speed or velocity Accelerator pedal pos. Driver interpretation Cruise ler Top speed limit Traction intervention Drag intervention Vehicle propulsion Driver and vehicle s Vehicle stability Vad vill föraren uppnå när han trampar på gasen? Tolka föraren, propagera tolkning från fordonsbeteende till motor. Från förare till hjulmoment Mycket arbete bakom förartolkning Momentbaserad struktur Drivlina Momentbaserad struktur Motor Vehicle propulsion Gear ratio Gearbox losses x increase decrease Gear shifting interventions Gearbox protection Accessories Desired engine Desired engine Anti-surge filter friction Low idle ler limiter Desired cylinder Från hjul till motor Anti-surge: Nästa projekt, drivlinereglering Momentbaserad struktur Översikt med aktuatorer Referensvärde External startup Catalyst heating Idle speed Efficiency Grundprincip invertera momentmodellen (med fyllnadsgraden) Lös ut trycket i insugsröret p i -Driver -Cruise -Vehicle speed limit -Veicicle dynamics -Driveability startup Idle speed s manager Coordination of and efficiency s arbitration Realization of desired Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off tig Trottelregulator reglerar trycket p i Återkoppling Framkoppling Påverkar luftflödet, bränslet regleras med λ-regulatorn Framkoppling från insugstryckt Hur gör man i turbofallet? speed limitation Wastegate Protection of engine Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal Extra svarstid Vinst i bränsle Time delay standard ler [s] Improvement in fuel economy [%] BMEP [bar].. BMEP [bar].. 9 speed [rpm] speed [rpm] Detaljer i Eriksson et. al. (), Control and Optimization of Turbocharged Spark Ignited s

3 o o Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel Innehållsförteckning Börvärde för kompressortryck: p c p ic = p im p th PI regulator: u wg = PID(p ic (p im p th )) ECO-/Sportsmode: Välj p th 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) Oktantal & Knack Ottocykelns effektivitet En kolv som upplevt kraftigt knack η f,i = r γ c.. Efficiency for the Otto cycle γ=. Normalfall γ =.. γ=.. γ=. η fi. η f,i ökar med r c för alla cykler. Varför designar vi inte för r c =?... r c En annan kolv som upplevt kraftigt knack Knack En fundamental begränsning för bensinmotorn Hur kan man detektera knack? x no knock x slight knock x severe knock oscillations 9 oscillations Cylinder pressure [Pa] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] Knack kan förstöra motorn!!! Knack och oktantal är relaterade. Oktantal Bränslets förmåga att motstå knack. Oktantal RON & MON RON Research Octane Number Europa, Sydafrika, Australien MON Motor Octane Number Motorsport, Högre temperatur och varvtal på motorn. till enheter lägre än RON. (RONMON)/ Används i USA och Kanada AKI Anti Knock Index PON Pump Octane Number RdON Road Octane Number RdON = aronbmonc, Erfarenhet har visat a = b =., c = Fuel sensitivity = RON - MON Arbetspunkter för ON bestämning Research Motor speed rpm 9 rpm tig BTDC 9 BTDC fixed f(r c ) Inlet temperature C ( F) 9 C ( F) Inlet pressure atm Humidity.-. kg/kg dry air Coolant temperature C Air to fuel ratio Adjusted for imum knock Hur bestämmer man ON >? T milliliter (CH)Pb Referensbränsle: iso-oktan blyadditiv, T = gallon iso-octane ON =.T..T(..T.T ).

4 Litet mer om varför kompressionen är begränsad? Innehållsförteckning Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? begränsning på trycket värmeöverföring dq ökade emissioner En diesel motor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Motor Moment Tändningsloopen Tändningsreglering Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Varför: Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. From engine sensors and driver requests Basic and transient fuel metering tig * Injector Lambda λ sensor Knocksensing Vad: Hur: Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen i rätt ögonblick. Laddar upp kondensator eller spole och laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Utmaningar: Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knack borta. Kalibrering Sluten loop reglering. Tändtidpunkt Tändenergi Knock Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt och MBT Tändkrokar Fish Hooks. Experimental data for ignition tig efficiency MBT.9. [Nm] η ign.... angle [deg] θ ign θ ign,opt Tändningstidpunkt cylindertryck Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr pv-diagrammet Tändningstidpunkt pv-diagram.. SA Pressure [MPa].. SA SA Pressure [MPa]. SA. SA. SA SA SA TDC Volume [m ] x

5 Tändtidpunkt Tändningstidpunkt Cylindertryck och MFB Tändtidpunkten positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen PPP - Pressure Peak Position Sex cylindertryck i arbetspunkten rpm Nm. Pressure [bar] Cylinder pressure Mass fraction burned MBT x b (θ) = m burned(θ) m total Mass fraction burned x b.... Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP och x b =.? Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Knackrisk som funktion av tändtidpunkt Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Mean cylinder temperature 9 End gas temperature T [K] T [K] De höga temperaturerna medför att mer NO x bildas. Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knackreglering Cykel till cykel variationer Knackdetektering Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler Bandpassfiltrera signalen Likrikta (eller kvadrera) Integrera p Cycle to cycle variations xy Druck Cylinder pressure [bar] gefilterter fp Druck ms T Knackreglering Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer. Omgivningstemperatur Omgivningstryck vid olika höjder Oktantal for olika bränslen Motorernas tillverkningstolerans och åldring Kompressionsförhållandet kan ökas med enhet. Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. T [K] Mean cylinder temperature Bränsleförbrukningen reduceras med omkring %. För turboladdade motorer är vinsterna större. De höga temperaturerna medför att mer NO x bildas.

6 Motormoment och insugstryck Huvudlooparna Tändning Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. BMEP [bar] From engine sensors and driver requests Lambda model measurement Intake manifold pressure [bar] Basic and transient fuel metering * Injector λ sensor Korrelation, som motiverar varför insugstrycket används som synonym för last. Vid höga laster: Kompromissar på tändningen för att skydda motorn mot knack. tig Knock Knocksensing Samtidig tändning och turbotryck APC Innehållsförteckning Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Arbetsprinciper Oktantal & Knack Motor Moment