Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8 Motor Övergripande reglering, laddtryck, knack och knackreglering

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8 Motor Övergripande reglering, laddtryck, knack och knackreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Övergripande Reglering Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Arbetsprinciper Motor Knack Motor Tändningsreglering November 7, Motorreglering Kort historik På T-forden: Manuell reglering av Handgas Tändningsinställning Köra med slokande mustascher Motorreglering - Sensorbaserad reglering Första stegen i elektroniska EMS (Engine 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 Mload Me Catalyst Exhaust N

2 Motorreglering - Mappbaserad reglering Engine control - Map based control 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 text text text 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 Motorreglering - De tre huvudlooparna Styrsystemen blir mer och mer komplexa Ohållbart Lambda feedback control Driver Cruise control Air calculation Throttle angle Open loop & feedforward fuel Fromandengine driversensors based requests structure Air timing * Injector Throttle Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor Idle speed control Catalyst heating Anti-jerking function Limitaton of engine and vehicle speed Fuel calculation timing calculation Injection time Cylinder individual fuel cut-off timing De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade på mappar modellbaserade designmetoder Protection of engine compoents Transmission control Vehicle dynamics control? Turbo air calculation Variable valve actuation Waste-gate control?

3 Momentbaserad reglering Momentbaserad struktur Fordon Engine speed or velocity Traction control intervention Driver interpretation max Accelerator pedal pos. min Cruise controller min Drag torque intervention max Vehicle propulsion demand Top speed limit Driver and vehicle demands Vad vill f oraren uppn a n ar han trampar p a gasen? Tolka f oraren, propagera tolkning fr an fordonsbeteende till motor. Momentbaserad struktur Drivlina increase Vehicle propulsion demand x Momentbaserad struktur Motor min min Gear ratio decrease Gearbox losses Accessories Gear shifting interventions Fr an hjul till motor Mycket arbete bakom f orartolkning Gearbox protection max Vehicle stability control Fr an f orare till hjulmoment Anti-surge: N asta projekt, drivlinereglering Desired engine torque Desired engine torque Low idle controller Anti-surge filter Engine friction max limiter min Desired cylinder torque

4 8 8.. Time delay standard controller [s].. Engine speed [rpm] 8 8 Improvement in fuel economy [%] Engine speed [rpm] Momentbaserad struktur Översikt med aktuatorer Referensvärde External torque demand -Driver interpretation -Cruise control -Vehicle speed limit -Veicicle dynamics control -Driveability -Gearshift control Idle speed control demands Engine startup Catalyst heating Idle speed control Efficiency demand demand Coordination of torque and efficiency demands demand arbitration Realization of desired torque Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off timing 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? Engine speed limitation Protection of engine Wastegate control Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal Extra svarstid Vinst i bränsle BMEP [bar] BMEP [bar] Detaljer i Eriksson et. al. (), Control and Optimization of Turbocharged Spark Ignited Engines

5 η fi Efficiency for the Otto cycle γ=. γ=. γ=. Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel Innehållsförteckning Övergripande Reglering 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) Motor Knack Oktantal & Knack Motor Tändningsreglering Ottocykelns effektivitet En kolv som upplevt kraftigt knack ηf,i = rc γ Normalfall γ =. ηf,i ökar med rc för alla cykler. Varför designar vi inte för rc =? r c

6 7 x no knock Crank Angle [deg] 7 x slight knock oscillations Crank Angle [deg] 7 x o 9 o 8 severe knock oscillations Crank Angle [deg] En annan kolv som upplevt kraftigt knack Knack En fundamental begränsning för bensinmotorn Hur kan man detektera knack? Cylinder pressure [Pa] 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. 8 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 Engine speed rpm 9 rpm timing BTDC 9 BTDC fixed f(rc) 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 knock Hur bestämmer man ON >? T milliliter (CH)Pb Referensbränsle: iso-oktan blyadditiv, T = gallon iso-octane ON = 8.8T..7T(..7T.T ).

7 Litet mer om varför kompressionen är begränsad? Innehållsförteckning Övergripande Reglering Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? begränsning på maxtrycket värmeöverföring dq ökade emissioner En diesel motor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Motor Knack Motor Tändningsreglering Motor Moment Tändningsloopen Tändningsreglering Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Open loop & feedforward fuel * Injector Lambda feedback control λ sensor Varför: Vad: Hur: Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen i rätt ögonblick. Laddar upp kondensator eller spole och laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Fromandengine driversensors based requests structure Air timing Throttle Engine Knock detection & control Engine torque Knocksensor Utmaningar: Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knack borta. Kalibrering Sluten loop reglering. Tändtidpunkt Tändenergi

8 .... SA SA SA SA TDC 8 SA SA SA SA Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt och MBT Tändkrokar Fish Hooks. Experimental data for ignition timing efficiency MBT.9.8 Engine [Nm] η ign.7... angle [deg] θ ign θ ign,opt Tändningstidpunkt cylindertryck Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr pv-diagrammet Tändningstidpunkt pv-diagram. Pressure [MPa] Pressure [MPa].. 7 Volume [m ] x

9 Mean cylinder temperature Cylinder pressure Tändtidpunkt Tändningstidpunkt Cylindertryck och MFB Tändtidpunkten positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen PPP - Pressure Peak Position Mass fraction burned MBT xb(θ) = mburned(θ) mtotal Sex cylindertryck i arbetspunkten rpm Nm. Pressure [bar] Mass fraction burned x b Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP och xb =.? Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Knackrisk som funktion av tändtidpunkt Medeltemperatur för olika tändtidpunkter End gas temperature T [K] T [K] De höga maxtemperaturerna medför att mer NOx bildas. Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knackreglering

10 Mean cylinder temperature 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] Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7%. För turboladdade motorer är vinsterna större. De höga maxtemperaturerna medför att mer NOx bildas.

11 Motormoment och insugstryck Huvudlooparna Tändning Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. BMEP [bar] model measurement Intake manifold pressure [bar] Open loop & feedforward fuel Fromandengine driversensors based requests structure Air * Injector Throttle Lambda feedback control Engine λ sensor Engine torque Korrelation, som motiverar varför insugstrycket används som synonym för last. Vid höga laster: Kompromissar på tändningen för att skydda motorn mot knack. timing Knock detection & control Knocksensor Samtidig tändning och turbotryck APC Innehållsförteckning Övergripande Reglering Historik Momentbaserad reglering Turboreglering Motor Arbetsprinciper Motor Knack Oktantal & Knack Motor Tändningsreglering Motor Moment