Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 9. Drivlina. Drivlina Modellering. Model-Based Control. Drivlina Reglering

Transkript

1 Innehållsförtekning TSFS Fordonssystem Fö 9 oh knakreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November, Drivlina Drivlina Modellering Wheel Cluth Drive shaft Final drive Stelkroppsmodellen Tillståndsval: θ w Användningsområden: Kopplar motor till väglast Drivlina med en elastiitet oh två massor Tillståndsval: θ w, θ m oh θe i θ w Användningsområden: Hastighets- oh momentreglering. Transmission Propeller shaft Drivlina Reglering Model-Based Control Överföringsfunktion oh analys mha rotort illustrerar priniperna Hastighetsreglering Motorvarvtal Hjulvarvtal Momentreglering Växlingsreglering r H s) Filter and inverse model Proess model xref uf ˆx e u L Control Law Observer u v Hs) Proess Load disturbane y w Measurement disturbane Controller Innehållsförtekning Reglering Huvudlooparna Motor Arbetspriniper Repetition: Momentmodellen Luft oh bränsle Arbete oh emissioner Medelvärdesmodellering Samband mellan aktuator oh sensorer samt sensorer inbördes. ṁat θth pi ṁfi θign λb λa Catalyst Intake Ti Exhaust Mth Me Mload N

2 Huvudlooparna Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn oh den nedersta är tändningsregulatorn. From engine sensors and driver requests Lambda Indikatordiagram Cylindertryk som funktion av vevaxelvinkel θ. Termodynamiska ykler som modell av uppmätt indikatordiagram. Cylinder, intake, and exhaust pressure at rpm Nm intake omp. exp. exhaust intake Measured yle Otto yle Basi and transient fuel metering * Injetor λ sensor....8 Seliger yle....8 Diesel yle timing Knoksensing 8 a Knok En kort sammanfattning av termodynamiken Isentropisk kompression oh expansion Ideal gas Mass speifika storheter små bokstäver v = V m, q = Q m, u = U m, h = H m, w = W m Ideal gas pv = mr T pv = R T :a Huvudsatsen dq = du dw dq = du dw Rev. arbete dw = pdv dw = pdv Entalpi H = U pv h = u pv dh = du dpv pdv dh = du dpv pdv :a H. igen) dq = dh V dp ) dq = dh v ) dp Värmekapaitet C v = dq v v = C p = ) dq p p = dq dq Samband: du = v dh = p Ratio of speifi heats γ = p v γ [.,.] ) v p Isentropisk betyder Ingen värmeöverföring dq = Reversibel proess dw = pdv Utgå från :a Huvudsatsen Ideal gas p = RT v : dq = du dw = v pdv v = RT v dv T = R v v dv T = p v v v dv T T T v = γ ) v v dv Isentropisk kompression oh expansion Ideal gas Isokor proess konstant volym) t.ex. förbränning T T T v = γ ) v v dv lnt lnt = γ )lnv lnv ) [ T = pv ] R Viktigaste ekvationen T T = p = p [ v = R T ] p ) γ v v v v ) γ p v γ = p v γ T T = p pv γ = konstant p )γ γ Konstant volym dv = :a huvudsatsen energiekvationen) dq = du pdv dq = du Inre energi U = mu du = m tot du = m tot v Frigjord energi från bränslet Integrera :a huvudsatsen Q in = minλ,) m f q LHV T dq = m tot v T Q in = m tot v T T ) Fri blandning Ottoykelns effektivitet Ideal gas, konstant p oh v Blandning av residualgaser T r oh färska gaser T i :a lagen Energi före: U = m a m f ) v T i m r v T r η f,i = r γ Normalfall γ = Effiieny for the Otto yle γ=. γ=. Energi efter: η fi. γ=. U = m a m f m r ) v T. Temperatur efter. T = m a m f m r T i T r = x r )T i x r T r m a m f m r m a m f m r. r

3 Medelvärdesmodell för indikerat bruttoarbete W ig MEP Ett viktigt begrepp Utgår från tillgänglig energi W ig = m f q HV η ig λ,θ ign,r,ω e,v d ) Dra bort ideal Ottoykel samt verkliga förluster η ig λ,θ ign,r,ωe,v d ) = r γ ) min,λ) η ign θ ign ) η ig,h ωe,v d ) Skillnad verklig/ideal η ig,h ω e,v d ) hamber losses) Ändlig förbränningshastighet % Värmeöverföring % resultat η ig,h [.7,.8]. Optimal tändtidpunkt beror på..., momentkurvan på... η ign θ ign ) = C ign θ ign θ ign,opt ω e,m f,λ,...)) Mean effetive pressure Medeleffektivt tryk MEP = Arbete under en ykel Motor Volym W = Mπ = W V d enheten Nm/m =N/m vilket är detsamma som tryk. xmep x anger var man mäter arbetet IMEP Indikerat arbete ylindertryk) FMEP Friktionsarbete BMEP Bromsat arbete PMEP Pumparbete ylindertryk) Max BMEP för sugmotor = a MPa bra att komma ihåg) Pumparbete Medelvärdesmodell för pumparbete Dellast p i =. bar and p e = bar Volume [dm ] Volume/V Pumparbete omsluten area) Volume/V Brutto IMEP IMEP g gross) oh netto IMEP. W p = p e p i )V d = PMEP V d IMEP = IMEP g - PMEP. Motorfriktion TFMEP Motorfriktion Friktionen kan uttrykas i FMEP frition mean effetive pressure) W f = V d FMEP Heywood polynomial ETH model FMEP = C f C f N C f N ) FMEP = ξaux [..7Sp.8 ) Π bl.7.. BMEP] B Finns omfattande MIT modell från 989) utvidgad ). Bra att komma ihåg BMEP Pa FMEP Pa Lastberoende effektivitet Musseldiagram Performane map. sf [g/kwh] η fi... sf Q HV imep / imep max imep / imep max Ökande last förbättrar effektiviteten. Indikerad sf visas okså. torque [Nm] speed [RPM]

4 o o 8 Maxmomentet Varvtalsberoende Effekt oh moment som funktion av varvtal. SAAB-sugmotor P = w M enhetsbyte P = π N M Innehållsförtekning Oktantal & Knak Medelkolvhastighet: S p = S p = LN = an Ottoykelns effektivitet η f,i = r γ En kolv som upplevt kraftigt knak Normalfall γ =. η f,i ökar med r för alla ykler. Varför designar vi inte för r =?.8 Effiieny for the Otto yle.7 γ=.. γ=.. η fi. γ=.... r En annan kolv som upplevt kraftigt knak Knak En fundamental begränsning för bensinmotorn Hur kan man detektera knak? x no knok x slight knok x severe knok 7 7 osillations 7 9 osillations Cylinder pressure [Pa] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] Knak kan förstöra motorn!!! Knak oh oktantal är relaterade. Oktantal Bränslets förmåga att motstå knak. Oktantal RON & MON RON Researh Otane Number Europa, Sydafrika, Australien MON Motor Otane Number Motorsport, Högre temperatur oh varvtal på motorn. 8 till enheter lägre än RON. RONMON)/ Används i USA oh Kanada AKI Anti Knok Index PON Pump Otane Number RdON Road Otane Number RdON = aronbmon, Erfarenhet har visat a = b =., = Fuel sensitivity = RON - MON Arbetspunkter för ON bestämning Researh Motor speed rpm 9 rpm timing BTDC 9 BTDC fixed fr ) Inlet temperature C F) 9 C F) Inlet pressure atm Humidity.-.7 kg/kg dry air Coolant temperature C Air to fuel ratio Adjusted for maximum knok Hur bestämmer man ON >? T milliliter CH)Pb Referensbränsle: iso-oktan blyadditiv, T = gallon iso-otane ON = 8.8T..7T..7T.T ).

5 Litet mer om varför kompressionen är begränsad? Innehållsförtekning Alla ykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? begränsning på maxtryket värmeöverföring dq ökade emissioner En diesel motor har högre kompressionstal än en bensinmotor, oh det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Motor Moment Tändningsloopen Tändningsreglering Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn oh den nedersta är tändningsregulatorn. Varför: Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. From engine sensors and driver requests Basi and transient fuel metering timing * Injetor Lambda λ sensor Knoksensing Vad: Hur: Ger en gnista i ylindern som startar förbränningen i rätt ögonblik. Laddar upp kondensator eller spole oh laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Utmaningar: Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knak borta. Kalibrering Sluten loop reglering. Tändtidpunkt Tändenergi Knok Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt oh MBT Tändkrokar Fish Hooks. Experimental data for ignition timing effiieny MBT.9.8 Torque [Nm] η ign.7... angle [deg] θ ign θ ign,opt Tändningstidpunkt ylindertryk Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen oh styr pv-diagrammet Tändningstidpunkt pv-diagram.. SA Pressure [MPa].. SA SA Pressure [MPa]. SA. SA. SA SA SA TDC 8 7 Volume [m ] x

6 Tändtidpunkt Tändningstidpunkt Cylindertryk oh MFB Tändtidpunkten positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen PPP - Pressure Peak Position Sex ylindertryk i arbetspunkten rpm Nm. Cylinder pressure Mass fration burned MBT x b θ) = m burnedθ) m total 8 8 Mass fration burned x b Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP oh x b =.? Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Knakrisk som funktion av tändtidpunkt Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Mean ylinder temperature 9 End gas temperature 8 7 T [K] T [K] De höga maxtemperaturerna medför att mer NO x bildas. Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knakreglering Cykel till ykel variationer Knakdetektering Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva ykler Bandpassfiltrera signalen Likrikta eller kvadrera) Integrera p Cyle to yle variations xy Druk Cylinder pressure [bar] gefilterter fp Druk ms T Knakreglering Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Knakreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer. Omgivningstemperatur Omgivningstryk vid olika höjder Oktantal for olika bränslen Motorernas tillverkningstolerans oh åldring Kompressionsförhållandet kan ökas med enhet. Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. T [K] Mean ylinder temperature Bränsleförbrukningen redueras med omkring 7%. För turboladdade motorer är vinsterna större. De höga maxtemperaturerna medför att mer NO x bildas.

7 Motormoment oh insugstryk Huvudlooparna Tändning Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn oh den nedersta är tändningsregulatorn. BMEP [bar] From engine sensors and driver requests Lambda model measurement Intake manifold pressure [bar] Basi and transient fuel metering * Injetor λ sensor Korrelation, som motiverar varför insugstryket används som synonym för last. Vid höga laster: Kompromissar på tändningen för att skydda motorn mot knak. timing Knok Knoksensing Innehållsförtekning Reglering Huvudlooparna Motor Arbetspriniper Repetition: Momentmodellen Oktantal & Knak Motor Moment