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 October 3, 6 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 En MVEM fo r en Turbomotor Inneha llsfo rteckning Repetition Fortsa ttning pa turbo Ha rdvara fo r laddtrycksreglering O vergripande Reglering Kompressor och Turbin Mapparna Kompressor Kompressor- och turbineffektivitet och turbin Turbine Map Compressor Map.5.8 Reference cond. p = atm Reference cond. pr = atm r Tr = C.6 T = 6 C.64 r Flow.4.4 Surge Line ηc =.78 Surge region Efficiency Region Corrected mass flow [kg/s].4 ηt = Producerad effekt = Teoretiskt mo jlig effekt fo r ideal process Corrected speeds, Nco [krpm] 6 96 Corrected speeds, Nco [krpm]. Choke.64 Effekt konsumerad av en ideal process = Konsumerad effekt Efficiency Corrected flow [kg/s] Pressure ratio, Πc Hur anva nds de? Varfo r korrigerade storheter? Expansion ratio, /Πt Turbinen Va rmeo verfo ring ger problem! Definition ovan kan ge ηt >! γ p p T T γ 4 T T3 γ p4 p3 γ

3 Turbinens effektivitet - Problemet Turbinens effektivitet - Mer detaljer Efficiency Turbine isentropic efficiency Turbine and mechanical efficiency Turbine expansion ratio /Π t Använd kompressorns effektkonsumption som mått på: Producerad effekt Wc = ṁc cp (T T) ṁc cp (T T) ηt ηt ηm = ṁt cp (T3 T3s) = ṁc cp (T T) ( ( ) γ ) ṁt cp T3 p4 γ p3 Detta används för att bestämma turbineffektiveten i mapparna. Förstå turbomappar. Dimensionsanalys Ψ = hs N D = f( ṁ ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ ṁ η = f( ρ N D 3, N D, a ˆP = P ρ N 3 D 5 = f3( ṁ ρ N D 3, N D, a Dimensionslös flödesparameter Φ = ṁ ρ N D 3 a ljudhastighet γ R T för ideal gas Energikoefficienten ( Ψ inkluderar ( ) γ ) hs = p γ cp T p ρ N D, γ) µ ρ N D, γ) µ Förstå turbomappar. Förenkling Variablerna: Ψ = hs N D, η, P ˆP = ρ N 3 D 5 [ ] ṁ Ψ,η, ˆP = f ( ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ Alternativ för ideal gas, med ρ = gruppen insatt: [ ] p, η, T p T = f (ṁ R T D p p R T & a = γ R T och andra N D,, Re, γ) R T Förenkling för ett aggregat: D, R, γ, µ, Re konstanta [ ] p, η, T T N = f (ṁ, ) p T p T Inte längre dimensionlös, kallas korrigerat massflöde och korrigerad hastighet

4 Reference cond. p r = atm T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s].78 Corrected speeds, N co [krpm] Choke Region Reference cond. p r = atm T r = 6 C Corrected speeds, N co [krpm] Turbine Map Expansion ratio, /Π t 6 76 Flow Efficiency Förstå turbomappar 3. Sammanställning Kompressor och Turbin Modeller 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! Grundläggande princip Generaliserade restriktioner i MVEM ṁcorr = f(π, Ncorr ) η = f(π, Ncorr ) W = f3(π, Ncorr, pin, Tin) Pressure ratio, Π c Corrected flow [kg/s] Genomgång av implementation och använding på tavlan. Efficiency Kompressor Flödesmodell Kompressor Effektivitetsmodell ( N D ) γ γ Ψmax Πmax = + cp T ( Πc Π ṁc,co = ṁmax Πmax Π () ) () [ ] Φ Φmax χ(φ, Nco) = Nco Nco,max ηc(χ) = max(ηc,max χ T Qηχ, ηc,min).8 Compressor B.9 Compressor C Pressure ratio, Π c Restriction region.5... Corrected mass flow [kg/s] η c Flow coeff. Φ η c Flow coeff. Φ

5 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 Turbin Effektivitetsmodell Blade Speed Ratio (BSR) används ofta ωt rt BSR = γe γe cp T3( Πt ) { ( ) } BSR BSRopt ηt(bsr) = ηt,max BSRopt (3) W t,corr [kg/s] Ψ(Π t ) Ψ(sqrt(Π t )) sqrt( Π t k ) Data..5.5 /Π t Corrected flow [kg/s] sqrt( (Π t Π (ω)) k ) Data.5.5 /Π t η t Model Data BSR Implementeringstips Grundekvationer för turbo 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. Vid stationäritet effektbalans Wc = ηm Wt ( (p Wc = ṁc cp (T T) = ṁc cp T ηc p ( ( p4 Wt = ṁt cp T3ηt p3 ) γ ) γ Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck på avgassidan ) γ ) γ

6 Kompressor- och turbindynamik Turbo lag Turbo tidskonstant Stationära förhållanden (handräkning & matchningsberäkningar) Wc = ηm Wt Dynamiska förhållanden (simulering) ( dω dt = Wt ηm ) Wc eller Jtc ωtc ωtc ( dω dt = Wt ) Wc Mfric(ωtc) Jtc ωtc ωtc Ett tillstånd för rotationshastigheten Den dominerande dynamiken i systemet ( dω dt = Wt ) Wc Jtc ωtc ωtc ηm Compressor Surge Throttle [%] 5 Throttle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] Time [s] ω tc [krad/s] Pressure [kpa] Mass flow Time [s]

7 Surge Line Compressor Map N c =.5 N c =8.76 N c = N c =4 N c = N c =8 deficiency Shaped Turbo charged engine Naturally aspirated engine Engine Speed Surge Ventil Surge Reglering Momentkaraktäristik och turbo Kompressor surge (pumpning) och lågvarvtalsmoment är sammankopplade Innehållsförteckning Reglering av laddtrycket Wastegate Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Övergripande Reglering

8 Reglering av laddtrycket VGT Effektiva arean a ndras med styrsignalen Variable Geometry Turbine VGT ( bara dieselmotorer idag) VGT Annan teknisk lo sning Inneha llsfo rteckning Repetition Fortsa ttning pa turbo Ha rdvara fo r laddtrycksreglering O vergripande Reglering Historik Momentbaserad reglering Turboreglering

9 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 αth pim ṁfi θign λbc λac Intake Exhaust manifold manifold Senare (i Ford Mustang m.fl.): Gaspedal Tändningsinställning genom mekaniskt system; centrifugalregulator och vakumklocka i fördelaren. Air filter Intake Mth Mload Tim Cylinder Me Catalyst Exhaust N 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 Ignition Map θign text text

10 Motorreglering - De tre huvudlooparna Styrsystemen blir mer och mer komplexa Oha llbart Driver From engine sensors and driver requests based structure Lambda feedback control Open loop & feedforward fuel manager * λ sensor Air calculation Catalyst heating Engine torque Anti-surge function Knocksensor Limitaton of engine and vehicle speed Engine Throttle + Ignition hardware Fuel calculation Ignition timing calculation Protection of engine compoents Knock detection & control De olika regulatorerna kan vara ad hoc lo sningar baserade pa mappar modellbaserade designmetoder Transmission control Vehicle dynamics control Momentbaserad reglering?? New function max min Cruise controller Turbo air calculation Waste-gate control Variable valve actuation Intake valve min Drag torque intervention Top speed limit Driver and vehicle demands Tolka fo raren, propagera tolkning fra n fordonsbeteende till motor. Ignition timing Exhaust valve Traction control intervention Driver interpretation Accelerator pedal pos. Vad vill fo raren uppna na r han trampar pa gasen? Cylinder individual fuel cut-off Momentbaserad struktur Fordon Engine speed or velocity I Throttle angle Injection time Air manager Ignition timing manager Injector hardware Idle speed control Vehicle stability control Fra n fo rare till hjulmoment I Mycket arbete bakom fo rartolkning max Vehicle propulsion demand

11 Momentbaserad struktur Drivlina Momentbaserad struktur Motor Vehicle propulsion demand Gear ratio Gearbox losses x increase max + decrease Gear shifting interventions Gearbox protection min min Auxiliaries + Anti-surge filter Desired engine torque Driveline Engine Desired engine Anti-surge torque filter Engine friction Low idle controller + max limiter min Desired cylinder torque Från hjul till motor Anti-surge: Nästa projekt, drivlinereglering 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 manager Coordination of torque and efficiency demands demand arbitration Realization of desired torque Throttle angle Injection time Individual fuel cut-off Ignition timing Grundprincip invertera momentmodellen (med fyllnadsgraden) Lös ut trycket i insugsröret pim Trottelregulator reglerar trycket pim 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

12 Time delay standard controller [s] Engine speed [rpm] Improvement in fuel economy [%] Engine speed [rpm] 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 Trade-off Ställ in acceptabel förlust över trottel 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)