Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 7 Motor MVEM och Turbo Lars Eriksson - Kursansvarig Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November, 5 Nedskalning och överladdning Modelleringsstrategi MVEM 3. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] Performance at RPM 5 3. l 45.6 l.6 l + turbo 4 9 km/h η [ ].. 9 km/h [Nm]

2 Π c p_amb p_amb_ p_ambient T_amb_ T_ambient T_amb Exhaust Restriction Surge Line.63 W_es.698 p up W_af m flow p up m flow.63 T flow p_ambient p_amb_ T_ambient T_amb_ T flow Air filter Restriction 4 W_af [kg/s] Compressor Map N = c.5 =8 Air filter Receiver T_es [K] T_es T.76 Q in = Ground4 T_af p_es p Ground6 p_af Turbine Receiver p_es[pa] p_es Compressor T_es p_af [Pa] T_af [K] w_tc u_wg p_em T_em T_turb m_es Tq_t W [kg/s] c,corr T Q in p =4 =6 3 w_tc u_wg [...] =8 5 W_comp [kg/s] 3 w_tc [rad/s] Tq_c Tq_t TC dynamics Turbine and wastegate Compressor Receiver Ground T_em [K] T_em T_Rc p_em p_c Ground5 9 p_em[pa] n_e W_ic T_cool_ T_cool 4 T_c [K] rad/s > U/min 3/pi conv W_ic p_up T_up W_e 6 W_ic [kg/s] Intercooler 5 p_ic [Pa] 3 p_c [Pa] W_e_fg Terminator 6 T_ic [K] MATLAB Function degarea Intercooler Receiver Ground3 7 p_i m[pa] 8 T_im [K] 7 W_th [kg/s] 8 W_cyl [kg/s] En MVEM för en Turbomotor mflow up mflow down T T_ic T p Q in p_im T_im p p_ic Intake manifold mflow up Q in mflow down Ground W_th T_cool [K] T_down T_fwd_flow [K] p_down mflow up mflow down mflow up p down Q in mflow down T p Exhaust Manifold p em w_e T im p im mflow e lambda T ti Tq_e Engine air Flow m*_c T_c Tq_c p_raf T_Raf w_tc p_rc T Q in p w_e u_th [deg] 4 lambda [ ] Turbine Map p up m flow effective area T flow p down Expansion Ratio /Π t Butterfly throttle Innehållsförteckning Repetition p down mflow up mflow down mflow up mflow down Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering Kompressor och Turbin Mapparna Förstå turbomappar. Dimensionsanalys Kompressor och turbin Corrected flow [kg/s] Efficiency [ ] Ψ = hs N D = f( ṁ ND ρnd3, a ṁ ND η = f( ρnd3, a ˆP = P ρn 3 D 5 = f3( ṁ ND ρnd3, a, ρnd,γ) µ, ρnd,γ) µ, ρnd,γ) µ Hur används de? Varför korrigerade storheter? Dimensionslös flödesparameter Φ = ṁ ρnd 3 a ljudhastighet γr T för ideal gas Energikoefficienten ( Ψ inkluderar (p ) )γ γ hs = cpt p

3 Förstå turbomappar. Förenkling Variablerna: Ψ = hs N D, η, P ˆP = ρn 3 D 5 [ ] ṁ ND Ψ,η, ˆP = f( ρnd3,, ρnd,γ) a µ Alternativ för ideal gas, med ρ = p R T & a = γr T och andra gruppen insatt: [ ] f(ṁ p,η, T R T ND = p T D,,Re,γ) p R T Förenkling för ett aggregat: D, R, γ, µ, Re konstanta [ ] f(ṁ p,η, T T N =, ) p T p T Inte längre dimensionlös, kallas korrigerat massflöde och korrigerad hastighet Förstå turbomappar 3. Sammanställning Korrigerade kvantiteter ṁcorr = ṁ T p och Ncorr = N T dessa används ofta på turbinsidan. Kallas då TFP (turbine flow parameter) resp TSP (turbine speed parameter). Korrigerade kvantiteter, med referenstillstånd (pr, Tr) T/Tr ṁcorr = ṁ (p/pr) dessa används ofta på kompressorsidan N och Ncorr = T/Tr Varning: läs databladen noga för att se vilka som skall användas! Kompressor- och turbineffektivitet Turbinens effektivitet - Mer detaljer Effekt konsumerad av en ideal process ηc = = Konsumerad effekt ( p p )γ γ T T Använd kompressorns effektkonsumption som mått på: Producerad effekt Wc = ṁc cp(t T) Producerad effekt ηt = Teoretiskt möjlig effekt för ideal process = T4 T3 )γ ( p4 γ p3 Turbinen Värmeöverföring ger problem! Definition ovan kan ge ηt >! ṁc cp(t T) ηt ηt ηm = ṁt cp(t3 T3s) = ṁc cp(t T) ( ) )γ ṁt cpt3 ( p4 γ p3 Detta används för att bestämma turbineffektiveten i mapparna.

4 Π c Surge Line Compressor Map N = c.5 N =8 c.76 = =4 = W [kg/s] c,corr = Turbine Map Expansion Ratio /Π t t P Kompressor och Turbin Modeller Kompressor Flödesmodell Grundläggande princip Generaliserade restriktioner i MVEM ṁcorr = f(π,ncorr) η = f(π,ncorr) W = f3(π,ncorr,pin,tin) ( N D ) γ γ Ψmax Πmax = + cp T ( Πc Π ṁc,co = ṁmax Πmax Π () ) () Corrected flow [kg/s] Genomgång av implementation och använding på tavlan. Efficiency [ ] Kompressor Effektivitetsmodell.8 [ ] Φ Φmax χ(φ,nco) = Nco Nco,max ηc(χ) = max(ηc,max χ T Qηχ, ηc,min) Compressor B.9 Compressor C Turbin Flödesmodell Turbinflöde (restriktion litet utsmetat) i huvudsak varvtalsoberoende ṁt,co = k Π k t Lägger till varvtalsberoende ṁt,co = k (Πt Π(Nco)) k.7.8 η c [ ].6 η c [ ] P P Flow coeff. Φ [ ] Flow coeff. Φ [ ] P P P P P

5 t Turbin Effektivitetsmodell Blade Speed Ratio (BSR) används ofta ωt rt BSR = γe γe cp T3( Πt ) { ( ) } BSR BSRopt ηt(bsr) = ηt,max BSRopt (3) Implementeringstips Använd skyddsnät vid implementering av modellerna Underlättar debuggning, simulering och undviker problem i produktion Kvadratroten används ofta: Kan ge imaginära tal Ersätt x med max(x,). Effektiviteter nära eller under kan ge division med. Lägg till max(η,.3) eller motsvarande. Grundekvationer för turbo Kompressor- och turbindynamik Vid stationäritet effektbalans Wc = ηmwt ( (p )γ γ Wc = ṁc cp(t T) = ṁc cpt ηc p ( ( ) )γ p4 γ Wt = ṁt cpt3ηt p3 Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck på avgassidan ) Stationära förhållanden (handräkning & matchningsberäkningar) Wc = ηmwt Dynamiska förhållanden (simulering) ( dω dt = Wt ηm ) Wc eller Jtc ωtc ωtc ( dω dt = Wt Jtc ωtc Wc ωtc Ett tillstånd för rotationshastigheten Den dominerande dynamiken i systemet ( dω dt = Wt Jtc ωtc Mfric(ωtc) ) Wc ωtc ) ηm

6 Turbo lag Turbo tidskonstant Throttle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] Time [s] Compressor Surge Surge Ventil Surge Reglering Throttle [%] ω tc [krad/s] 5 5 Pressure [kpa] Mass flow Time [s]

7 Π c Surge Line Compressor Map =.5 =8.76 = =4 = W [kg/s] c,corr =8 deficiency Shaped Turbo charged engine Naturally aspirated engine Engine Speed Momentkaraktäristik och turbo Innehållsförteckning Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering Kompressor surge (pumpning) och lågvarvtalsmoment är sammankopplade Reglering av laddtrycket Wastegate Reglering av laddtrycket VGT Variable Geometry Turbine VGT ( bara dieselmotorer idag)

8 Effektiva arean ändras med styrsignalen VGT Annan teknisk lösning Innehållsförteckning Motorreglering Kort historik Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering Historik Momentbaserad reglering Turboreglering På T-forden: Manuell reglering av Handgas Tändningsinställning Köra med slokande mustascher Senare (i Ford Mustang m.fl.): Gaspedal Tändningsinställning genom mekaniskt system; centrifugalregulator och vakumklocka i fördelaren.

9 Motorreglering - Sensorbaserad reglering Första stegen i elektroniska EMS (Engine Management Systems) ṁat αth pi ṁfi θign λbc λac Motorreglering - Mappbaserad reglering Illustration av hur mappar kan användas för att uppfylla det grundläggande reglermålen för bränsle- och tändningsreglering. Målen uppnås via injektoröppningstid tinj, och tändvinkel θign i ett reglersystem. Engine Speed D Look-up Table tinj Catalyst Intake Ti Exhaust Inputs Basic Injection Map D Look-up Table Control Outputs Mth θign Mload Me Manifold Pressure Basic Ignition Map N Engine control - Map based control Motorreglering - De tre huvudlooparna text text text text text text Mapbaserad eglering can utvidgas och optimeras till mycket stor förfiningsgrad. Ett exempel med optimal luft/bränsle λ and tändningsvinkel α för ett FTP test. From engine sensors and driver requests based structure Open loop & feedforward fuel manager Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade på mappar modellbaserade designmetoder Lambda feedback control Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor

10 Styrsystemen blir mer och mer komplexa Oh allbart Driver Air calculation Cruise control Momentbaserad reglering Throttle angle Idle speed control Injection time Fuel calculation Catalyst heating Cylinder individual fuel cut-off Anti-jerking function Ignition timing calculation Limitaton of engine and vehicle speed Protection of engine compoents Turbo air calculation Ignition timing Waste-gate control Vad vill f oraren uppn a n ar han trampar p a gasen? Transmission control? Vehicle dynamics control Variable valve actuation Tolka f oraren, propagera tolkning fr an fordonsbeteende till motor.? Momentbaserad struktur Fordon Engine speed or velocity Traction control intervention Driver interpretation max Accelerator pedal pos. Momentbaserad struktur Drivlina min Cruise controller min Drag torque intervention max Vehicle propulsion demand x min min Accessories Gear shifting interventions Vehicle stability control Mycket arbete bakom f orartolkning Gearbox protection max decrease Gearbox losses Fr an f orare till hjulmoment + Gear ratio Top speed limit Driver and vehicle demands increase Vehicle propulsion demand Fr an hjul till motor Anti-surge: N asta projekt, drivlinereglering + Desired engine torque

11 Momentbaserad struktur Motor Momentbaserad struktur Översikt med aktuatorer Desired engine torque Anti-surge filter Engine friction Low idle controller + max limiter min Desired cylinder torque External torque demand -Driver interpretation -Cruise control -Vehicle speed limit -Veicicle dynamics control -Driveability -Gearshift control demands Engine startup Catalyst heating Idle speed control Efficiency demand demand manager Coordination of torque and efficiency demands demand arbitration Realization of desired torque Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off Idle speed control Ignition timing Engine speed limitation Protection of engine Wastegate control Referensvärde Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Grundprincip invertera momentmodellen (med fyllnadsgraden) Lös ut trycket i insugsröret pi Trottelregulator reglerar trycket pi Återkoppling Framkoppling Påverkar luftflödet, bränslet regleras med λ-regulatorn Framkoppling från insugstryckt Hur gör man i turbofallet?

12 Time delay standard controller [s] Engine speed [rpm] Improvement in fuel economy [%] Engine speed [rpm] Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal Extra svarstid Vinst i bränsle BMEP [bar] Detaljer i Eriksson et. al. (), Control and Optimization of Turbocharged Spark Ignited Engines BMEP [bar] Börvärde för kompressortryck: pc pic = pim + pth PI regulator: uwg = PID(pic (pim + pth)) ECO-/Sportsmode: Välj pth 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)