Innehållsförteckning. TSFS05 Fordonssystem Fö 10. Drivlina. Drivlina Modellering. Model-Based Control. Drivlina Reglering.

Transkript

1 8 6.9 H H O O NO x.. λ Lambda window NO x SFS Fordonssystem Fö Motor MVM och urbo Lars riksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköings universitet larer@isy.liu.se Reetition drivlina Drivlina Reetition Motor Reetition Motor MVM forts. November 9, Drivlina Drivlina Modellering Wheel ngine lutch Drive shaft Final drive Stelkrosmodellen illståndsval: θ w Användningsområden: Kolar motor till väglast Drivlina med en elasticitet och två massor illståndsval: θ w, θ m och θe i θ w Användningsområden: Hastighets- och momentreglering. ransmission Proeller shaft Drivlina Reglering Model-Based ontrol Överföringsfunktion och analys mha rotort illustrerar rincierna Hastighetsreglering Motorvarvtal Hjulvarvtal Momentreglering Växlingsreglering r H (s) Filter and inverse model Process model xref + uf ˆx e uc L ontrol Law Observer + + u v H(s) Process Load disturbance + + y w Measurement disturbance ontroller Motor Reetition Medelvärdesmodellering Inomcykelmodeller: V-diagram, Momentmodellen Reglering av luft och bränsle (fram- och återkoling) ṁat θth i ṁfi θign λbc λac Reetition drivlina Motor MVM forts. atalyst Intake xhaust i Mth Me O volume in % NOx and H in ½ Mload N

2 omressible flow restriction Sonic velocity Pressure ratio r [ ] Sub sonic velocity Mer om medelvärdesmodellering av motorer Generell modelleringsstrategi Reetition viktiga storheter ryck Massflöde ṁ (emeratur ) Metodik = Söndra och härska Kontrollvolym Restriktion Kontrollvolym Restriktion... Volymerna i rör Kontrollvolymer Mass- & energi-bevarande Diffekvationer: dm dt = ṁ in ( ) ṁ out ( ) d dt =... Komonenter som styr flödet Restriktioner eller umar Mass- & energi-transort Statiska ekvationer: ṁ in ( ) = f(,...) Modeller för massflöden Olika modeller beroende å flödeskaraktäristik. Är flödet turbulent eller laminärt? Re = ρud µ Re > flödet är turbulent Re < flödet är laminärt ṁ ρ ρa = / ie flow / = d = ṁ µ πd µ Med vilken hastighet strömmar gasen? U < 7 m/s inkomressibelt flöde U > 7 m/s komressibelt flöde De flesta flöden i motorer är: turbulenta inkomressibla Vissa reglerventiler kräver komressibla flödesmodeller Inkomressibelt flöde Laminärt flöde = lam R us us ṁ ṁ = lam us R us där lam = är en komonentkonstant och R us us beskriver inlosdensiteten. urbulent flöde = ρ us U = R us us ṁ ṁ = us R us Båda innehåller densitets korrektion ρ us = R us us Inkomr. Intercooler, luftfilter och avgassystem Validering Intercooler, luftfilter och avgassystem Air Filter Pressure Model Intercooler Pressure Model 8 af Model. m / a a air ic 6 Model.... m c air c / xhaust System Pressure Loss Intercooler Residual Plot es Model 6 8. m t a+f / t ic,mod int,meas m c air c / Komressibelt flöde Komressibelt flöde rottel och andra styrventiler Komressibel isentroisk strömning genom en stryning ṁ at = a Ra A th (α) th (α) Ψ( r ) tt exemel: rotteln Area A th (α) Kontraktion th (α) Ljudhastigheten Ψ( r ) [ ] α α Ψ(r) = ( ) γ+ ( ) γ γ γ γ γ r r r > γ γ+ ( ( ) ) γ+) γ γ γ γ+ ( γ γ+

3 emeraturmodeller Intercooler emeraturmodeller Avgastemeratur Flödesrestriktionsmodell enligt ovan emeraturmodell baserad å effektivitet ε ic = c ic c cool Bestäm ε ic (ṁ ic, cool,ṁ cool,...) från motorma. Använd modellen ic = c ε ic (...)( c cool ) Modelleringsrincier Överbliven energi från den termodynamiska cykeln. Värmeöverföring från avgasrör, turbin och katalysator till omgivningen. Omfattande material i komendiet Huvudbudska: Det finns modeller! Avgastemeratur Statisk modell Validering Avgastemeratur Dynamisk modell Validering emeraturen starkt massflödesberoende Dynamik: Gas (.s) - Sensor (s) - Väggtemeratur (s) ngine A Dynamic data [K] ngine B urbine inlet temerature Model Model xhaust mass flow [kg/s] [K] ngine 9 ev 8 bc 7 Model 6 Model xhaust mass flow [kg/s] [K] Gas temeratures Wall temeratures o w w w w o Model w Model ime [min] Grundläggande om turbo Reetition drivlina Motor MVM forts. Överladdning Suercharging Metoder för överladdning a) b) Definition Från komendiet Suercharging is the collected name for several methods that increase the intake air density, i.e. methods that charges extra air to the cylinder, and one articular method is called turbocharging. a) Mekanisk överladdning b) urboladdning c) våstegs turbo, seriell d) våstegs turbo, arallell e) Motordriven komressor f) urboladdning med turbocomound c) e) d) f)

4 tt turboaggregat Nedskalning och överladdning entrifugalkomressor Radialturbin Betrakta ett fordon som kan utrustas med två olika motorer. Varför ger en stor motor högre bränsleförbrukning än en liten? Svaret ligger i att motorn alltid körs å dellast. Nedskalning Dellastförluster sfc [g/kwh] Hur utnyttjas bruttoarbetet? 8 ngine torque [Nm] 6 Pressure [bar] ngine seed [RPM] Volume/V c Hur utnyttjas bruttoarbetet (i en. liters motor)? Nedskalning och överladdning Utilization of Gross Indicated Work.9 Puming.8 Friction.7 Utilization [%].6.. Useful Pressure [bar]... orque [Nm] Volume/V c Bränsleförbrukning som funktion av last. Mindre motor,.6 liter, är mer effektiv......men mindre roligt att köra. urboladdning av.6 liters motorn. förbättrad bränsleförbrukning utan förlorad accelerationsrestanda. turbofördröjning, och liten effektivitetsförlust. urboladdning och momentkaraktäristik Komressor- och turbinrestanda Maar orque orque deficiency urbo charged engine Naturally asirated engine.8.6. Surge Line.6 omressor Ma.76.. urbine Ma. Π c =6 =8 orrected flow [kg/s] fficiency [ ] Shaed orque. N c =.6 =..6 ngine Seed.. =8 =.... W c,corr [kg/s] t xansion Ratio /Π Pressure ratio Π c = xansion ratio Π t = Korrigerat massflöde och korrigerad hastighet ffektivitet Hur bestäms komressor- och turbinrestanda?

5 _amb _amb ambient _amb ambient _amb W_es W_af _ambient _amb ambient _amb_ W_af [kg/s] _es [K] _es Ground _af _es Ground6 _af _es[pa] omressor _af [Pa] _af [K] w_tc u_wg [...] W_com [kg/s] w_tc [rad/s] q_c q_t dynamics _em [K] _em Ground _Rc _em _c Ground 9 _em[pa] 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] degarea lambda [ ] ngine Ground _ic 7 _i m[pa] _im _im _ic u m flow u effective area down flow down 8 _im [K] u down 7 W_th [kg/s] Ground W_th 8 W_cyl [kg/s] Komressor- och turbinekvationer Bestämning av komressor- och turbinrestanda ṁc M ṁa,tu V B ṁf,tu På tavlan ωtc - Komressor, - urbin, V - reglerventil, B - brännare M - Mekanisk komressor Komressor och urbin Modeller n MVM för en urbomotor Grundläggande rinci Generaliserade restriktioner i MVM ṁ = f (Π,ω tc ) η = f (Π,ω tc ) Ẇ = f (Π,ω tc, in ) Π c Surge Line =8 omressor Ma =.76 = = =6.... W c,corr [kg/s] =8 orrected flow [kg/s]..... urbine Ma t xansion Ratio /Π fficiency [ ] xhaust Restriction u m flow m flow u flow u u down down down down flow Air filter Restriction Air filter u u down down urbine _es _turb _es w_tc u_wg m_es _em _Raf _em q_t m*_c _Raf _c w_tc urbine and wastegate q_c _Rc omressor u down u down xhaust Manifold _cool [K] _u W_ic _u _down _fwd_flow [K] _down em mflow e w_e im q_e im lambda air Flow MALAB Function Intercooler u down Butterfly throttle Intake manifold Stegsvar för turbomotor - urbo lag Reglering av laddtrycket Wastegate hrottle [%]..... Pressure..... ω tc [krad/s]..... ime [s] Reglering av laddtrycket VG Arean ändras med styrsignalen Variable Geometry urbine VG ( bara dieselmotorer idag)

6 VG Annan teknisk lösning Reetition drivlina Drivlina Reetition Motor Reetition Motor MVM forts.