Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö Momentmodellen, Motorreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se September, 8 Repetition Modellvalidering Termodynamik Tillämpning på cykel Knack En begränsning Momentmodellen Reglering Grundläggande Reglering / / Luft och bränsle Arbete och emissioner delvärdesmodellering Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. Modellsammanfattning () Gaspedalstolkning och trottelposition αref = upedal där upedal [, ] ṁat αth pim ṁfi θign α = Hα(s) αref Luftflöde in i insugsröret ṁat(α, pamb, Tamb, Π) = pamb Ath(α) Cth(α) Ψ(Π) RTamb Mth Luftflöde in i cylindern ṁac(, pim, ) = ηvol(, pim) pim Vd ncyl R ni Tryckuppbyggnad i insugsröret dpim dt = R Vim dmim dt = R (ṁat ṁac) Vim / /
ṁat αth αth,ref pim ṁfi θign pem Tem Modellsammanfattning () Flöde genom katalysator och avgassystemet (inkompressibel turbulent) pem p Gasflöde från motorn ṁcat = C Tryckuppbyggnad i avgasröret dpem dt Avgastemperatur... = R Tem Vem R Tem ṁcyl = ṁac + ṁfc dmem dt = R Tem (ṁcyl ṁcat) Vem / Modellsammanfattning () Bränsleinjektor - Port inspr. ṁfi = C (tinj t(ubatt)) Bränslefilm dmfp dt = X ṁfi τfp mfp Bränsleinjektor - Direkt inspr. ṁfc = C (tinj t(ubatt)) ṁfc = ( X )ṁfi + τfp mfp λ till motor λ = ṁac /(A/F )s ṁfc Gasblandning & Transportfördröjning d dt λexh(t) = (λ(t τd()) λexh(t)) τmix Sensordynamik d dt λs(t) = (λexh(t) λs(t)) τλ 6 / Insugsrör Modellvalidering system model validation Modellering och beräkningar av modellparametrar Mätningar på turbomotor i motorlabbet: α [%] 6 mass flow [g/s] 6 Modell i Projekt : 8 p im [kpa] 6 6 e [s] 7 / 8 /
Volume [dm ] p p T Qin mtot cv T p v v v v η fi.8.7.6..... p T v v v v p p T mtot cv Efficiency for the Otto cycle γ=. γ=. γ=. Luft och bränsle Arbete och emissioner ästa steg Hoppa in i cylindern och räkna oss runt cykeln Siktet inställt på en fysikaliskt baserad momentmodell. Cykelräkning p och T givna Termodynamiken ger systematisk metod för att räkna runt cykeln p ṁat αth pim ṁfi θign T T = = T p = ( T = ( ) γ = rc γ ) γ = r c (γ ) Mth ( ) γ = p = r γ c ( ) γ = T = r γ c Wi,g = Qin ηf,i ηf,i =? T T = Qloss V = T 9 / / Jämförelse mellan mätning och modell Ottocykelns effektivitet ηf,i = rc γ Pressure [bar] ormalfall γ =. γ ökar med ökande λ, lean burn engines. Ottocykelns effektivitet......6.7 ηf,i = rc γ Diesel motorer kör magert och vid högre rc, två anledningar till dess högre effektivitet. r c / /
Cykeleffektivitet forts. ågra kolvar som utsatts för knack Dieselcykel eller cykel med konstant-tryck ηf,i = β γ rc γ (β )γ Seiligercykel eller cykel med begränsat-tryck ηf,i = αβ γ rc γ α(β )γ + α otera att Dieselcykeln (α = ) och Ottocykeln (α = och β = ) är specialfall av Seiligercykeln. Alla cykler säger att vi skall ha högt kompressionstal! Vad är haken? Knack (spikning) och oktantal hänger samman Oktantalet är bränslets motstånd mot självantändning. Krav på styrsystemet Hantera olika bränslen. / / Innehållsförteckning Repetition Momentmodellen Indikerat bruttomoment Tändningseffektivitet deleffektivt tryck MEP Pumparbete Motorfriktion Musseldiagram Reglering Grundläggande Reglering delvärdesmodell för indikerat bruttoarbete Wig Utgår från tillgänglig energi Wig = mf qhv ηig (λc, θign, rc, ωe, Vd) Dra bort förlusterna från ideal Ottocykel samt verkliga förluster η ig (λc, θ ign, rc, ωe, V d ) = ( rc γ ) min(, λc ) η ign(θ ign) η ig,ch(ωe, V d ) Skillnad verklig/ideal ηig,ch(ωe, Vd) (chamber losses) Ändlig förbränningshastighet % Värmeöverföring % resultat ηig,ch [.8,.8]. Optimal tändtidpunkt beror på..., momentkurvan på... ηign(θign) = Cign (θign θign,opt(ωe, mf, λ,...)) / 6 /
Volume [dm ] Tändningen styr arbetsproduktionen Tändningseffektivitet. asured ignition efficiency asurement and models.8.8 Pressure [MPa]. η ign [ ] η ign [ ].6.6 nd order nd order.. nd order nd order data.. θ θ ign ign. Enklaste modellen ger insikt (högre ordning ger bara bättre anpassning) 6 7 Volume [m ] x 7 / ηign(θign) = Cign (θign θign,opt(ωe, mf, λ,...)) I projektet antar vi att vi har en regulator som ger optimal tändtidpunkt. 8 / MEP Ett viktigt begrepp Pumparbete sista enkla åtgärden an effective pressure deleffektivt tryck MEP = Arbete under en cykel = W Motor Volym Vd W = M π enheten m/m =/m vilket är detsamma som tryck. xmep x anger var man mäter arbetet IMEP Indikerat arbete (cylindertryck) FMEP Friktionsarbete BMEP Bromsat arbete PMEP Pumparbete (cylindertryck) Max BMEP för sugmotor = ca MPa (bra att komma ihåg) Pressure [bar]......6.7 Brutto IMEP (IMEPg gross) och netto IMEP. IMEP = IMEPg - PMEP. 9 / /
6 7 8 9 Volume/V c... 6 7 6 7 8 9 Volume/V c delvärdesmodell för pumparbete Motorfriktion TFMEP Dellast pi =. bar and pe = bar. Pressure [bar] Pressure [bar] Pumparbete (omsluten area) Wp = (pe pi) Vd = PMEP Vd / / Motorfriktion Momentmodellen Friktionen kan uttryckas i FMEP (friction mean effective pressure) Wf = Vd FMEP Heywood polynomial ETH model FMEP = Cf + Cf + Cf FMEP = ξaux [(.6 +.7 Sp.8 ) Π bl +. BMEP] ( ).7. Finns omfattande MIT modell från (989) utvidgad (). Bra att komma ihåg max BMEP 6 Pa B FMEP Pa Momentet starkt kopplat till insugstrycket. BMEP [bar] model measurement...6.8...6.8 pressure [bar] / /
η fi.... Lastberoende effektivitet Musseldiagram Performance map BSFC [g/kwh]......6.7.8.9 imep / imep max BMEP [bar] 8 sfc Q HV......6.7.8.9 imep / imep max Ökande last förbättrar effektiviteten. Indikerad sfc visas också. 6 6 8 7 9 Engine speed [RPM] / 6 / Innehållsförteckning Repetition Lambda sensorer Diskret Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pim ṁfi θign Momentmodellen Reglering Grundläggande Reglering Mth 7 / 8 /
Diskret λ-sensor Sensormodell för diskret sensor Diskret i amplitud: Mager Fet Billigaste möjliga sensorn för ändamålet Sensorns utsignal V om λs < λsond =.6 V om λs = V om λs > Signalkonditionering i styrsystemet omvandlar enkelt signalen till om λs > λsond = om λs = om λs < 9 / / Innehållsförteckning Repetition Momentmodellen Reglering Grundläggande Reglering Reglermål Emissioner Motorreglering - Två huvudloopar + moment Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Lambda feedback control Engine λ sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control / /
9 8 7 6 Carbon monoxide (CO) emissions.8.8.9.9...... Equivalence ratio λ.... Hydro carbon (HC) emissions.8.8.9.9...... Equivalence ratio λ... itrogen oxides (O) emissions.8.8.9.9...... Equivalence ratio λ Bensinmotorreglering Reglermål Emissioner från motorn Två huvudloopar för alla bensinmotorer Luft- och bränslereglering (Emissioner) Tändningsreglering (Effektivitet eller bränsleförbrukning) Dessutom en momentloop Förarens begäran via gaspedal Styr luftmassa i cylindern (dvs insugstryck) Öppen styrning Perfekt förbränning CaHb +(a+ b )(O +.77) aco + b HO +.77(a+ b ) Vatten, koldioxid och kväve räknas inte som emissioner. (Minskning av koldioxidutsläpp kräver minskad bränsleförbrukning, eller att man samlar alla avgaser?) Bildas även O, O, CO, och oförbrända kolväten HC / / Emissioner efter motorn Emissionerna påverkas av luft/bränsle förhållandet Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pim ṁfi θign CO HC O CO in volume % HC in volume % O in volume % Mth λ λ λ CO, Kan förstå det mesta från reaktionsekvationen HC, förstå λ < från reaktions ekvationen, instabil förbränning λ >.. O, temperatur (varmast runt λ = ) och tillgång på syre. / 6 /
Emissioner efter katalysatorn Trevägskatalysatorn och lambdafönsteret Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pim ṁfi θign streckad - före katalysatorn heldragen - efter katalysatorn 8 Lambda window CO volume in % 6 HC CO CO Ox Ox Ox and HC in % HC Mth.9.. λ 7 / 8 / Trevägskatalysatorn Luft- och bränslereglering Trevägskatalysatorn oxiderar - HC oxiderar - CO reducerar - O, O med hög effektivitet om λ ±. Avgasrening med trevägskatalysator - kräver reglering Grunläggande mål: Ge en förbränningsbar blandning av luft och bränsle. Delmål: Reglera λ = emissionsrening (viktigast) Reglera λ > bränsleeffektivitet Reglera λ < skydda motor och andra komponenter Strategier: Föraren spjällvinkel Föraren bränslemängd Föraren luftmängd reglersystemet styr α och ṁfi. 9 / /
.. 7 6.......6.7.8.9..9......6.7.8.9.......6.7.8.9 τd λ sensorns utsignal λ in i cylindern [ ] λ vid lambda sensorn [ ].9......6.7.8.9 λ-reglering (λ = ±.) PI reglering av λ Framkopplingen beräknar ett nominellt bränsleflöde Hårt krav och modellosäkerheter Återkoppling nödvändig. Stationärt λ = : Återkopping från (diskret) λ-sensor. Tidsfördröjning τd() Framkoppling nödvändig. (Enbart återkoppling räcker ej under transienter.) Transient: Framkoppling från insugssensorer (p, T ), pedalrörelse, varvtalsförändring, etc. Speed density Mass air flow. ṁfc,n =... Återkoppingen justerar gissningen med en multiplikation ṁfc,d = ṁfc,n Ffc = ṁfc,n ( + fc) Multiplikationen centreras runt. Ffc = ( + fc) with fc = KI eλdt ṁfc,n Relay Controller Transport EGO + eλ λc Uref + I / PI Ffc + e sτd (A/F )s - / / Återkopplad λ-reglering Integrerande regulator Krav: λ = stationärt (inget stationärt fel). Vilken är den enklaste regulatorn som uppfyller detta? Analys av reglersystemet Beskrivande funktion (reglerteori/reglerteknik fk). Förenklad grafisk lösning men fortfarande exakt lösning. 7. x Insprutad bränslemängd (bränsleflöde) [kg/s] λsond(t) Bränsle: u(t) = KI λsond(t)dt λmotor (t) = Kluft(t) u(t) λavgas = λmotor (t τd) Självsvängningstid T = τd / /
. x...9.9.8...6.8...6.8...98.96...6.8...6.8...98.96...6.8...6.8.......6.8...6.8...9.9 6 7 8 9. 6 7 8 9 6 7 8 9 time [s] λ..9. 6 7 8 9 6 7 8 9 6 7 8 9 time [s] PI regulator Experiment i motorlabbet Bränsle λ motor λ avgas λ sond u(t) = Kp λsond(t) + KI λsond(t)dt Kp = τd KI λmotor (t) = Kluft(t) u(t) λavgas = λmotor (t τd) λsond(t) EGO sensor [V] u [s] x EGO sensor [V] u[s] x Känner igen huvuddragen Tuning av PI regulatorn kan göras bättre. / 6 / Framkoppling i λ-regulatorn Transienter Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Varför räcker det inte med återkoppling? Diskret sensor, tidsfördröjning, och hårda begränsningar på λ stationärt begränsar förstärkningen. Lambda feedback control From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Engine λ sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control α th p im [kpa] Fuel flow [g/s]. e [s] 7 / 8 /
α th λ λ... 9 8 7 6.......8.6.. Trottel... e [s] d framkoppling i λ-regulatorn Reglering med framkoppling (ingen kompensering för bränslefilmen) α th Grundinsprutning & Framkopplingsloopen i λ-regulatorn Mass air flow principle (CFI): Speed density principle (PFI): Kan mäta ṁat Använd ηvol och mät pim,, ṁat ṁf = (A/F )s λ ṁat αth pim ṁfi pim Vd ṁf = ηvol(, pim) R ni (A/F )s λ θign p im [kpa] Fuel flow [g/s]. e [s] Mth 9 / / λ-reglering Transient Mass flow [g/s] p im [kpa] Kan inte mäta ṁac Mass air flow principle: Kan mäta ṁat Problem pga ej rätt flöde (se fig) Speed density principle: Utnyttja ηvol och mät pim, samt. pim Vd ṁac(, pim, ) = ηvol(, pim) R ni Viktiga praktiska aspekter: Svarstid i trycksensor, filtrering, prediktering. Repetition Modellvalidering Termodynamik Tillämpning på cykel Knack En begränsning Momentmodellen Indikerat bruttomoment Tändningseffektivitet deleffektivt tryck MEP Pumparbete Motorfriktion Musseldiagram Reglering Grundläggande Reglering Reglermål Emissioner / /