Motor Begrepp. Fordonssystem. Fordonssystem. är att sträva efter: Fordon är idag datoriserad maskiner.

Transkript

1 Fö : Introduktion Fö : Introduktion Fordon är idag datoriserad maskiner. Ugifterna för sådan förbättrade lösningar är många men huvudmålen är att sträva efter: Effektivitet, vilket ger sänkt bränsleförbrukning. Nya mekanisk lösningar. Dessa möjliggörs av och förlitar sig å existensen av moderna reglersystem. Emissionerna måste vara låga för att skydda miljön. Nya metoder för signal tolkning. illgänglighet till beräkningsoch nätverksteknik önar helt nya möjligheter. Säkerhet är självklart en nyckelfråga. Körbarhet är viktigt för kunden. Fordonsdesign utvecklas därför till samdesign av mekanik- och reglersystem. Kursens mål är att ge en förståelse för dagens fordonssystem och grunden för att utveckla framtidens fordonssystem, och dessutom att gå tillräckligt djut för att se samselet mellan den grundläggande fysiken i fordonssystemen och möjligheterna för reglering. Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Grunder Fö : Grunder Luft och bränsle = arbete och emissioner Begre Air hrottle Fuel Valves Exhaust manifold Emissions Bromsat (moment, effekt, MEP,... ) Indikerat (moment, effekt, MEP,... ), brutto och netto (gross or net) Intake manifold Cylinder Catalyst Formel för V = V (θ) Piston Fyllnadsgrad (volumetric efficiency) Power Fyrtaktscykeln - händelser Crank shaft Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Grunder Fö : Grunder Umätt indikatordiagram Cylindertryck som funktion av vevaxelvinkel θ Samma indikatordiagram omräknat till V-diagram Cylinder, intake, and exhaust ressure at rm Nm intake com. ex. exhaust intake Hur skall vi analysera detta? Cylinder ressure [bar] V diagram for rm and Nm Cylinder volume [dm ] Cylinder ressure [bar] Intake and exhaust stroke Cylinder volume [dm ] 6 8 Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : Grunder Fö : Grunder ermodynamiska cykler som modell av umätt indikatordiagram Modellanassning av Otto-cykel till umätt indikatordiagram Parametrar? Measured cycle Otto cycle a Seliger cycle Diesel cycle Volume [dm ] Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7

2 Fö : Grunder Fö : Grunder Modell: Otto-cykel med umförluster..8 Efficiency for the Otto cycle.7 γ=...6 γ= Volume/V c Volume/V c η fi... γ=. η f,i = r γ c 7.. Dellast (throttled); i =. bar och e = bar. r c Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Grunder Fö : Grunder Diesel Cycle or constant ressure cycle η f,i = β γ rc γ (β )γ Seliger Cycle or limited ressure cycle η f,i = αβ γ rc γ () α(β )γ + α Notera att Otto (β = ) and Diesel (α = ) cyklerna är secialfall av Seliger cykeln. () 8 6 Otto Seliger Diesel Volume/V c Var syns den minskade effektiviteten i diagrammet? Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Grunder Fö : Grunder Knack Cykel-till-cykel-variationer io cykler (stationäritet) Cycle to cycle variations Cylinder ressure [bar] Oktantal Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : modellering Fö : modellering Ett sensor - aktuator ersektiv: Samband mellan sensorer och aktuatorer, MVEM. Gassjäll (trottel) - Rörelsedynamik ṁat θth i ṁfi θign λbc λac α + a α = b (M th M air ) () Luftflöde förbi gassjäll (trottel) Intake i Catalyst Exhaust ṁ at (α, a, i, a) = a Ra A th (α)c th (α)ψ( i a ) () Mth Me Luftflöde in i cylindern Mload N ṁ ac(n, i, i ) = η vol (N, i ) V d N i R i () Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7

3 Fö : modellering Fö : modellering ryckubyggnad i insuget Bränslefilmsdynamik d i dt = R i V i (ṁ at (α, a, i, a) ṁ ac(n, i, i )) (6) Insrutad bränslemängd flöde ṁ fi = N m fi = ( t inj t (u batt ) ) (7) dm f dt = Xṁ fi τ f m f (8) ṁ fc = ( X)ṁ fi + τ f m f (9) Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7 Fö : modellering Fö : modellering λ i cylindern λ = ṁac ṁ fc (A/F) s () Vevaxeldynamik λ vid sensorn λ-mätning d dt λs(t) = τ λ (λ(t τ d (n)) λ s(t)) () if λ s < λ disc =. if λ s = if λ s > J dw dt = M comb( i, N, λ, θ ig ) M fric (N, i ) M load dn dt = C (Me( i, N, λ) M load ) () M load = M load (N,...) från drivlinan (koling, växellåda, fordon, etc). Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : modellering Fö : reglering maar beskriver arametrarna i ekvationerna. Luftmassa in i cylindern (Air mass flow), ṁ ac(n, i ) Fyllnadsgrad (volumetric efficiency), η vol (N, i ) OBS! maar används också för att beskriva styrstrategier. Air flow into cylinder Volymetric efficiency Air flow [g/s] η vol [%] Manifold ressure [bar].. seed [rm].8.6 Manifold ressure [bar].. seed [rm] Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : reglering Fö : reglering De två huvudlooarna Huvudlooarna i reglersystemet för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändnings regulatorn loo. Sammanfattningsvis viktigast: From engine sensors and driver requests Basic and transient fuel metering * Injector hardware Lambda control λ sensor Bränsle-luft-reglering Emissioner (och last) Ignition timing + Ignition hardware Knocksensing ändningsreglering Effektivitet eller bränsleförbrukning Knock control Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7

4 Fö : reglering Fö : reglering Avgasrening med trevägskatalysator - kräver λ-reglering Stationär, absolut och transient reglering med noggranhetskrav å % Gassjäll-bränsleinsrutnings-koordination Limit-cycle i mängden insrutat bränsle (heldragen) och i λ bc (streckad).. λ bc and /m fi with K = Återkoling av λ bc. CO volume in % 8 6 HC CO CO Lambda window NO x NO x NOx and HC in ½ λ bc and /m fi with K =. Analys: Beskrivande funktion eller Poincaré. Designotimering beror av katalysatoregenskaer. HC ime [s] λ Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : reglering Fö : reglering Regulatorstruktur som kombinerar återkoling med framkoling Återkoling λ-regulatorn Framkoling observatör Beräkning av insrutad bränslemängd från observatörsvärden Modellekvationerna till observatören d i dt = R i V (ṁ i at (α, a, i, a) ṁ ac(n, i, i )) dm f dt = Xṁ fi τ m f f ˆṁ fc = ˆṁ ac (A/F) s ṁ at = a Ra Q th (α)ψ( r) i = i ṁ ac = η vol (N, i ) V d N i 6 n i R i ṁ f,c = τ m f f ṁ fi = X (ˆṁ fc τ f m f ) = X (ˆṁ fc ˆṁ f,c ) Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7 Fö : reglering Fö : reglering EGR-reglering Kolkanisterstyrning (urge control) Ytterligare bränslestyrningsfunktioner: Ufetning vid fullast Ufetning vid kallstart Cylinderindividuell λ-reglering ändningsreglering ändenergi - Dwell time ändtidunkt - Ignition angle ohastighetsbegränsning bromshantering (overrun) Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : reglering Fö : reglering ändningstidunkt Cylindertryck och MFB ändningsreglering Sex cylindertryck i arbetsunkten rm Nm. ändtidunkten ositionerar förbränningen relativt kolvrörelsen PPP - Pressure Peak Position Cylinder ressure Mass fraction burned x b x b (θ) = m burned(θ) m total Mass fraction burned MB Var finns tändtidunkten? Var finns PPP och x b =.? Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7

5 _amb _amb ambient _amb ambient _amb Exhaust Restriction W_es W_af _ambient _amb ambient _amb_ Air filter Restriction W_af [kg/s] Air filter Receiver _es [K] _es Ground _af _es Ground6 _af urbine Receiver _es[pa] Comressor _af [Pa] _af [K] w_tc u_wg [...] W_com [kg/s] w_tc [rad/s] q_c q_t C dynamics urbine and wastegate Comressor Receiver _em [K] _em Ground _Rc _em _c Ground 9 _em[pa] Exhaust Manifold n_e W_ic _cool cool _c [K] rad/s > U/min /i conv w_e W_e 6 W_ic [kg/s] u_th [deg] ti Intercooler _ic [Pa] _c [Pa] W_e_fg erminator 6 _ic [K] MALAB Function degarea Intercooler Receiver Ground _ic u effective area down 7 _i m[pa] _im _im _ic Butterfly throttle Intake manifold 8 _im [K] m flow flow mflow u 7 W_th [kg/s] Ground W_th 8 W_cyl [kg/s] Fö : reglering Fö : reglering ändningstidunkt Position för maxtrycket Knackrisk som funktion av tändtidunkt Maxtrycksosition (Peak ressure osition (PPP)) jämfört med roducerat moment. RPM RPM 9 8 End gas temerature Maxtrycksositionen som motsvarar maximala momentet ligger mellan 6 ADC för alla arbetsunkter. Endast tändingstidunkten är förändrad i de enskilda figurerna, bränslemängd, motorvarvtal och trottelvinkel hölls konstanta. orque [Nm] orque [Nm]... PPP [deg]... RPM PPP [deg] orque [Nm] orque [Nm] PPP [deg] RPM 9 PPP [deg] [K] 7 6 Ändgastemeraturen för olika tändtidunkter. Senare tändtidunkt ger lägre temeraturer. Knackreglering Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : reglering Fö : reglering ändtidunktens betydelse för emissionerna Medeltemeratur för olika tändtidunkter. Mean cylinder temerature Control Modes Switching Ma λ < [K] orque [Nm] Idle seed control λ = Overrun Fuel Cut Overseeding Fuel Cut 6 7 seed [RPM] De höga maxtemeraturerna medför att mer NO x bildas. Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : reglering Fö : urbo Nedskalning och överladdning Sammanfattningsvis viktigast: Bränsle-luft-reglering Emissioner (och last) ändningsreglering Effektivitet eller bränsleförbrukning. liter.6 liter.6 liter turbo sfc [g/kwh] 9 km/h Performance at RPM. l.6 l.6 l + turbo.. η [ ].. 9 km/h orque [Nm] Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7 Fö : urbo Fö : urbo urbo MVEM, Reglerlooar Modelleringsmetodologi m flow flow mflow u _turb m_es q_t mflow u mflow e q_e air Flow u _es _es w_tc u_wg _em _em mflow u down em w_e _cool [K] _u W_ic _u _down _fwd_flow [K] _down im im lambda u m flow mflow u down flow mflow u _Raf m*_c _Raf w_tc _c _Rc q_c lambda [ ] Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7

6 Fö : urbo Fö : urbo urbo Prestanda och analys Grundekvationer för turbo urbomaar Vid stationäritet effektbalans Surge Line.6 Comressor Ma.76.. urbine Ma Ẇ c = η m Ẇ t ( Ẇ c = ṁ c c ( ) = ṁ c c η c )γ γ Π c =8 = = = =6.... W [kg/s] c,corr =8 Corrected flow [kg/s] t Exansion Ratio /Π Efficiency [ ] ( )γ γ Ẇ t = ṁ t c η t Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck å avgassidan Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Diesel och avancerade koncet Fö : Diesel och avancerade koncet - Avancerade koncet Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Bensin Diesel (Sark Ignited) (Comression Ignited) Bränsle Bensin Diesel Luftintag rottel Raka rör Bränsleinsrutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde i Bränslemängd Luft- & bränsleblandning Homogen Stratifierad Förbränningsstart ändgnista Självantänder Förbrännigsty Förblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NO x NO x och artiklar -vägskatalysator artikelfälla de-nox-katalysator r c 8 λ.. >. Nya? Överladdning (Suer charging), nedskalning (analys). urbo (Wastegate, reglering) Variable comression (vǫ) Jämförelse mellan Bensin och Dieselmotorn Gasoline direct injection GDI Styrsystem är basen Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Drivlinemodellering Fö : Drivlinemodellering Mm Clutch Wheel Drive shaft θm Mc Clutch θc Mt ransmission θt M Mfr:m Mfr:t Final drive θt θ θf M Proeller shaft Mf Final drive Md Mfr:f ransmission Proeller shaft θf θw θw Drive Wheel Md shaft Mw rwfw Mfr:w Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : Drivlinemodellering Fö : Drivlinemodellering Samverkan och fordon Enkelt exemel (stel drivlina) Illustrerar följande viktiga idéer: Stel drivlina Effektkonsumtion P w = F w(v) v, gearbox and road interaction friläggning av komonenter i drivlina systematik F w(v) = f + f v Effektroduktion orque [Nm] v= v= v=9 th th fordonets massa som effektivt tröghetsmoment segling av tröghetsmoment med i P e = e ω e Drivlineeffektivitet P e = η t P w v=7 v= 6 Seed [rm] rd Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7

7 Fö : Drivlinemodellering Fö : Drivlinemodellering Utvidgning av enkelt exemel orsionsmodellering θm θw Fortsättning å Enkelt exemel k Illustrerar följande viktiga idéer: Mm Mfr:m c rwm(cr + gsin(α)) torsionsmodellering Jm + Jt/i t + Jf/i t i f Jw + mr w val av tillstånd Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Drivlinemodellering Fö : Drivlinemodellering. Drive-shaft torsion, x = θm/itif θw (Jm + Jt/i t + Jf/i t i f ) θm = Mm Mfr:m (bt/i t + bf/i t i f ) θm k(θm/itif θw)/itif rad (Jw + mr w) θw c( θm/itif θw)/itif = k(θm/itif θw) + c( θm/itif θw). seed, x and θm (bw + mcrr w) θw cwaaρar w θ w rwm(cr + gsin(α)) rad/s ransmission seed, x/it and θt he drive-shaft torsion, the engine seed, and the wheel seed are used as states according to rad/s Wheel seed, x and θw x = θ m/i t i f θ w, x = θ m, x = θ w rad/s Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Drivlinemodellering Fö : Drivlinereglering Är modellen erfekt? Vilken är nu den svagaste länken, dvs den viktigaste omodellerade effekt som behövs för att förklara data. Viktiga tillämningar Kolingsdynamik? Kardandynamik? Sensordynamik? driveline seed control driveline control for gear shifting Olinjäriteter? Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson Oktober 7 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering Mätsignal Olika sensorer Performance outut z y = Cx + e C m = ( ) C w = ( ) z = Mx + Du Aktiv dämning Jämförelse vid ungefär samma snabbhet. seed, θ m Seed, [rad/s] Wheel seed, θ w (erformance outut) orque, [Nm]... Seed, [rad/s] Control signal, u Lars Eriksson Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7

8 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering Man kan trimma stationära felet Fältförsök torque [Nm]. Seed, [rad/s] [rad/s] seed Wheel seed Stationära felet skiljt från noll kan vara intressant för körkänslans skull. [rad/s] Lars Eriksson 7 Oktober 7 Lars Eriksson 8 Oktober 7 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering Reglera moment Drivlinereglering för växling Neutral växel θm θw k Wheel u c l Clutch Drive shaft Final drive J, b J, b Gear shift θm θw θt k u c l Jt, bt ransmission Proeller shaft J, b J, b Lars Eriksson 9 Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering ransmission torque, z torque, u orque, [Nm] 6 orque, [Nm] Reglering med momentregulatorn för växlingskrit. Vid t= s, kommenderas växling. [rad]... Drive-shaft torsion, x.... Reglersignal och torsion i drivaxlarna. Växlingsregulatorn startar vid t= s och reglerar torsionen till. seed, θ mwheel seed, θ w [rad/s] 8 6 [rad/s]... En realiserbar signal används. Momentet drivs till med dämade oscillationer. [Nm] Control signal, u.... Streckad: PI regulator som ger x = men med odämade oscillationer. Heldragen: Regulator med aktiv dämning. Lars Eriksson 6 Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering Drivlina Model-Based Control Kommentar om kurskraven: Grundläggande modeller r H (s) Filter and inverse model Process model xref + uf e uc L Control Law + + u v H(s) Process Load disturbance + + y w Räkningar å dessa Översikt ˆx Observer Measurement disturbance Se övningshäftet (detsamma som gamla tentaugifter): Controller Problem Kunskasfrågor Lars Eriksson 6 Oktober 7 Lars Eriksson 6 Oktober 7

9 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering Diagnos Lagkrav: Drivet av funktionalitet under fordonets hela livslängd. Lagkrav: OBD Lagkrav: OBD-II MIL-lama, DC, Freeze frame data, SCANOOL Vad skall detekteras? Kursutvärdering. Enkelt formulär i samband med tentan. Bra hjäl för oss i utvecklingsarbetet. Lars Eriksson 6 Oktober 7 Lars Eriksson 66 Oktober 7 Fö : Drivlinereglering Fö : Drivlinereglering entamen oäng Betyg oäng Betyg oäng Betyg oäng Avslutningsvis: Innehåll: - oäng - ugifter som ligger nära vad som krävts för laborationerna. - oäng - andra ugifter med anknytning till lektionerna. - oäng - från komendiet och föreläsningar, seciellt sådant som betonats å föreläsningarna. Lycka till Lektionskomendiet är en sammanställning av gamla tentaugifter. Läshänvisningar till komendiet å hemsidan. Lars Eriksson 67 Oktober 7 Lars Eriksson 68 Oktober 7