Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) Fö 5 Lambda reglering, Emissioner, Bonus om Lambda Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se September 4, 25 Repetition MVEM Reglering Reglermål (A/F) reglering Lambda reglering Emissioner Mer om lambda regulatorn Other Control Loops Luft och bränsle Arbete och emissioner Medelvärdesmodellering Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pi ṁfi θign bc ac Modellsammanfattning (2) Gaspedalstolkning och trottelposition Luftflöde in i insugsröret αref = upedal där upedal [,] α = Hα(s)αref ṁat(α,pa,ta,pr) = pa RTa Ath(α) Cth(α) Ψ(pr) Intake Mth Ti Mload Me Catalyst Exhaust Luftflöde in i cylindern ṁac(n,pi,ti) = ηvol(n,pi) Tryckuppbyggnad i insugsröret pi Vd ncyl N R Ti ni N dpi dt = R Ti dmi = R Ti (ṁat ṁac) Vi dt Vi
Modellsammanfattning 2(2) Bränsleinjektor - Port inj. ṁfi = CN(tinj t(ubatt)) Bränslefilm Bränsleinjektor - Direkt inj. ṁfc = CN(tinj t(ubatt)) Emissioner före och efter katalysatorn Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pi ṁfi θign bc ac dmfp dt = Xṁfi τfp mfp ṁfc = ( X)ṁfi + τfp mfp till motor (t) = ṁac(t) ṁfc(t) /(A/F)s Transportfördröjning (& Gasblandning) Intake Ti Catalyst Exhaust exh(t) = ((t τd(n)) Mth Sensordynamik d dt s(t) = (exh(t) s(t)) τ Mload N Me Trevägskatalysatorn och lambdafönsteret -reglering ( = ±.3) streckad - före katalysatorn heldragen - efter katalysatorn 8 Lambda window 4 Hårt krav och modellosäkerheter Återkoppling nödvändig. Stationärt = : CO volume in % 6 4 2 HC NO x NO x CO CO HC.9.. 3 2 NOx and HC in ½ Återkopping från (diskret) -sensor. Tidsfördröjning τd(n) Framkoppling nödvändig. Enbart återkoppling räcker ej under transienter. Transient: Framkoppling från t.ex. pedalrörelse eller varvtalsförändring. Två olika principer Speed density Mass air flow. Avgasrening med trevägskatalysator - kräver reglering
.5.5 7 6.5..2.3.4.5.6.7.8.9.5.95..2.3.4.5.6.7.8.9.5..2.3.4.5.6.7.8.9 τd sensorns utsignal in i cylindern [ ] vid lambda sensorn [ ].95..2.3.4.5.6.7.8.9.5.5 7..2.3.4.5.6.7.8.9 6.5.5..2.3.4.5.6.7.8.9.95.5 sensorns utsignal..2.3.4.5.6.7.8.9 in i cylindern [ ] vid lambda sensorn [ ]..2.3.4.5.6.7.8.9.95 Återkoppling med reläsensor Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pi ṁfi θign bc ac PI reglering av Framkopplingen beräknar ett nominellt bränsleflöde ṁfc,n =... Intake Ti Återkoppingen justerar gissningen med en multiplikation ṁfc,d = ṁfc,nffc = ṁfc,n(+ fc) Catalyst Exhaust Multiplikationen centreras runt. Ffc = (+ fc) with fc = KI edt Mth Mload Me ṁfc,n Relay Controller Cylinder Transport + e c Uref + I / PI Ffc bc + e sτd (A/F)s - EGO N Integrerande regulator PI regulator sond(t) sond(t) 7.5 x 3 Insprutad bränslemängd (bränsleflöde) [kg/s] Bränsle: u(t) = KI sond(t)dt motor(t) = Kluft(t) u(t) avgas = motor(t τd) Självsvängningstid T = 4τd 7.5 x 3 Insprutad bränslemängd (bränsleflöde) [kg/s] u(t) = Kp sond(t) + KI sond(t)dt Kp = 2 τd KI motor(t) = Kluft(t) u(t) avgas = motor(t τd) Självsvängningstid T = 2τd
4 3 2 5 5 2.5 5 5 Time [s] 4 3 2 5 5 2.5 5 5 Time [s] Experiment i motorlabbet Framkoppling för -reglering Transienter Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Lambda feedback control Känner igen huvuddragen Tuning av PI regulatorn kan göras bättre. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector Throttle Engine Knock detection & control sensor Engine torque Knocksensor Varför är inte återkoppling tillräckligt? Reläsensor, tidsfördröjning, hårda krav på lambda stationärt begränsar förstärkningen. -reglering Framkopplingsloopen Reglering med framkoppling (ingen bränslefilmskompensering) α th 5 5 p im [kpa] α th 5 5 p im [kpa] Fuel flow [g/s] 5 5 5 5 Fuel flow [g/s] 5 5 5 5
α th 4 35 3 25 2 5.5.5 2 2.5 3 25 2 5 5 9 8 7 6 5 Trottel Cylinder.5.5 2 2.5 3 4.5.5 2 2.5 3.8.6.4.2.5.5 2 2.5 3 Time [s] Grundinsprutning & Framkopplingsloopen i -regulatorn Mass air flow principle (CFI): Speed density principle (PFI): Kan mäta ṁat Använd ηvol och mät pi, N, Ti ṁat ṁfc,n = (A/F)s Intake pi Vd N ṁfc,n = ηvol(n,pi) R Ti ni (A/F)s ṁat αth pi ṁfi θign bc ac Mth Ti Mload N Me Catalyst Exhaust -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 pi, N samt Ti. pi Vd N ṁac(n,pi,ti) = ηvol(n,pi) R Ti ni Viktiga praktiska aspekter: Svarstid i trycksensor, filtrering, prediktering. Kompensering för bränslefilm och injektor Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pi ṁfi θign bc ac Framkoppling Bränslefilm och injektor Grundprincip Systeminvertering (statisk, dynamisk) Control System Engine System inverse Injector Characteristic Fuel Film Dynamic ṁfc ṁfi tinj tinj ṁfi ṁfc Hfp finj (ṁfi,n) finj(tinj,n) Hfp(s) Intake Mth Ti Me Catalyst Exhaust Om bränslefilmen är ett LTI-system, så kan Hfp(s) användas { dmfp dt = Xṁfi [ ] τfp mfp X ṁfc = ( X)ṁfi + τfp mfp ṁfc = ( X) + ṁfi sτfp + }{{} Hfp(s) Mload N om X och τfp beror på arbetspunkten använd observatör
-reglering Projektet Luft/bränsle regleringsloop Återkoppling + framkoppling Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Engine Sensors ṁfc,n ṁfc,d Evap Injector Feedforward Inj Evap r Cylinder Mixing & transport -sens c s Lambda feedback control tinj ṁfc Feedback Ffc Air path ṁac Fram- och återkoppling i samverkan Direktinsprutad motor: ingen bränslepölsdynamik From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector Throttle Engine sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control Innehållsförteckning Emissioner Repetition Emissioner Lagstiftning och Testcykler CaHb+(a+ b 4 )(O2+3.773N2) aco2+b 2 H2O+3.773(a+b 4 )N2 Mer om lambda regulatorn Other Control Loops Vatten, koldioxid och kväve räknas inte som emissioner. Minskning av koldioxidutsläpp kräver minskad bränsleförbrukning byter bränsle t.ex. mot metan CH4 eller biobränslen samlar in avgaser... Bildas även NO, NO2, CO, och oförbrända kolväten HC. NOx samlingsnamn på NO, NO2,...
Emissioner Lagstiftning US federal test procedure FTP 75 (Tre faser) Internationellt enhetliga procedurer för uppsamling av avgaser och mätningar. Hel bil i chassi-dynamometer (Jfr Bilprovning) Olika körcykler i olika länder. Förare håller hastigheten. CVS-metoden (Constant Volume Sampling) Utspädning : Fördelar: Slipper kondensation av vattenånga, vilket skulle reducera NOx. Minskar reaktionstendensen i avgaserna. Nackdel: Svårare mätning ty lägre koncentration Komb. m. SHED (Sealed Housing for Evaporative Determiantion). New European Driving Cycle NEDC (Proj. c) Emissionsgränser, bensindriven personbil, USA (g/mile) Vehicle speed [km/h] 4 2 Gear number 8 6 4 2 New European Drive Cycle (NEDC) for passenger cars 2 4 6 8 2 4 5 4 3 2 2 4 6 8 2 4 Time [s] year CO HC NOx Metods g/mile g/mile g/mile 87. 8.8 3.6 966 Pre control 97 34. 4. 4. Retarded ignition, thermal reactors, and exhaust gas recirculation (EGR) 974 28. 3. 3. Same as above 975 5..5 3. Oxidizing catalysts 977 5..5 2. Ox.cat. and improved EGR 98 7..4 2. Improved ox.cat. and three way catalysts 98 7..4. Improved threeway catalyst and support material 983 3.4.4. Continuous improvements 994 3.4.25.4 996 3.4.25.4 2 3.4.75.2....
Katalysator effektivitet och temperatur Emissioner under en europeisk körcykel Vid start T 2 C. Gaserna efterbehandlas inte. Enkel medelvärdesmodell: Light-off tid. Hur ser man om katalysatorn funkar eller inte? Innehållsförteckning Repetition -sensorer före och efter. Emissioner Mer om lambda regulatorn Feedforward Control More Details Model Based Control Other Control Loops Till projektet gör kallstart och mät Light-off tid.
Mer om reglerlooparna Återkoppling Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Dual sensor -control Catalyst control Two sensors are required for catalyst diagnostics. ṁat αth pi ṁfi θign bc ac Lambda feedback control From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel Air timing * + Injector Throttle Engine sensor Engine torque Knocksensor Intake Mth Ti Catalyst Exhaust Knock detection & control Mload Me N Catalyst Uses and Stores Oxygen Buffer Control Catalyst oxygen storage. Emission cleaning reactions. CO +H2O CO2 +H2 2H2 +O2 2H2O 2CO +O2 2CO2 C3H8 +5O2 3CO2 +4H2O Oxygen storing reactions. 4CeO2 2Ce2O3 +O2 2PdO 2Pd +O2 Pre- and post-catalyst sensors. Left Catalyst cold (no working). Right Catalyst warm (working). NO2 N2 +2O2 2CO +2NO N2 +2CO2 O2 O2 O2 NOx HC CO Note that post catalyst level is >.6V, potential for adjusting.
.9.8.7.6.5.4.3.2. Characteristics of the discrete sensor 8 K K 2 K.7.8.9..2.3.4 Air/fuel ratio [ ] 3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2.8.6.8.2.4.6.8 2 [ ] Dual Sensor Control Dual sensor control, 2 options. Discrete before, discrete after. Continuous before, discrete after. Why not continuous after? Aging of the sensor Offset, electrical disturbances Temperature dependence Stringent requirements on = Discrete switch point = Precise measurement of = Discrete sensor output [V] Sensor [V] Control methodologies Cascade control, method depends on sensor configuration Disc-Disc: Delayed switching in the inner loop Cont-Disc: Changing the offset Level control Model based control: Control oriented models for catalysts difficult, active research field Delayed switching Example Feedforward control When relay sensor switches, hold the control output..2 reference average.98 2 3 4 5 6 7 8 9 time [s].5 td.95 42 42.5 43 43.5 44 time [s].5 -td average engine.95 92 92.5 93 93.5 94 time [s] Challenges: Timing requirement Timing diagram Timing requirement Prediction requirement Signal processing Filtering requirements, alias, pumping noise. Phase lag. Ad-hoc methods Model based methods Observer Prediction (simulation)
Timing diagram Requirement Filtering requirement Predition horizon Calculation Injection 25 Filtering adds a time lag Pressure/lift 2 5 5 Exhaust Intake Air mass determined 9 8 7 6 5 4 3 2 Crank Angle [deg] Timing is crucial No time delay Prediction is necessary Model based -control Model based control 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 Air timing * + Injector Throttle Lambda feedback control Engine Knock detection & control sensor Engine torque Knocksensor Use the model for an observer that: estimates the states predicts the system behavior System: Observer: { ẋ = f(x,u) y = g(x,u) { ˆx = f(ˆx,u)+k (y ŷ) ŷ = g(ˆx,u)
Model based control An example Model: dpi dt = R Ti (ṁat(α,pa,pi,ta) ṁac(n,pi,ti)) States Vi dmfp dt = Xṁfi τfp mfp ṁat = pa RTa Qth(α)Ψ( pi ) Measured outputs pa pi = pi Vd N pi ṁac = ηvol(n,pi) 6ni R Non-measured outputs Ti ṁfp,c = τfp mfp Observer: dˆpi dt = R Ti (ˆṁat ˆṁac) +K(ṁat ˆṁat) +K2(pi ˆpi) Vi d ˆmfp dt = Xṁfi ˆmfp +K2(ṁat ˆṁat)+K22(pi ˆpi) τfp ˆṁat = pa RTa Qth(α)Ψ( ˆpi ) pa Model based control Prediction General idea Start with state ˆpi, ˆmfp. Simulate the system over the prediction horizon, using guessed future inputs Actuator constant Can add actuator model Use new state and outputs from the model for the controller ˆpi = ˆpi Vd N ˆpi ˆṁac = ηvol(n, ˆpi) 6ni R Ti ˆṁfp,c = mfp τfp Model based control Control action Model based control Result Use the observer/predictor output to: calculate the desired fuel mass flow invert the fuel film dynamics and ˆṁac ˆṁfc = (A/F)s ṁfi = X (ˆṁfc mfp) = τfp X (ˆṁfc ˆṁfp,c) invert injector characteristic tinj = ṁfi +t(ubatt) Nc
Model based control This example Innehållsförteckning Repetition The model is used to calculate the feedforward control action t s r r r r r 2 s P r s s s r Emissioner Mer om lambda regulatorn Other Control Loops Strategy Map EGR Control Purge control Control strategies Other systems 2 Engine Map Other systems influence the air fuel ratio calculations < Engine Torque [Nm] 5 5 Idle speed control = Engine Overrun Fuel Cut Engine Overspeeding Fuel Cut EMS Fuel tank Fuel vapor pcc Purge valve Carbon canister Diagnostic valve Air pi Throttle PCV orifice EGR valve bc 2 3 4 5 6 7 Engine speed [RPM]
EGR control (Exhaust Gas Recirculation) Why: Reduce NOx. Better part load pi-increases. Lower the knock tendencies at high load (cooled EGR). What: How: Dilute unburned gases with burned. Open a valve between intake and exhaust. Shut of at idle and full load. Challenges: Consequences for the -controller. How can the amount of EGR be determined? There is an upper limit on the dilution level. There are not yet sufficiently good models. Soot and particles clogs the pipes. Purge control Why: Evaporative HC emissions. What: Emptiescarboncanisterof fuel. How: Opens the valve into the intake system. Challenges: Maintain = and driveability at valve opening. % volymflöde med HC 2% i. Binary control valve (difficult). Continuous valve (easier). Shut off at idle and full load. Open loop, calibration. Feedback control. More Controllers Repetition MVEM Reglering Reglermål (A/F) reglering Lambda reglering Emissioner Lagstiftning och Testcykler Mer om lambda regulatorn Feedforward Control More Details Model Based Control Other Control Loops Strategy Map EGR Control Purge control