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 3, 28 Repetition MVEM Reglering Reglermål (A/F) reglering Lambda reglering Bränslereglering Emissioner Mer om lambda regulatorn Other Control Loops / 62 2 / 62 Luft och bränsle Arbete och emissioner Medelvärdesmodellering Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. Modellsammanfattning (3) Gaspedalstolkning och trottelposition αref = upedal där upedal [, ] ṁat αth pim ṁfi θign bc ac α = Hα(s) αref Luftflöde in i insugsröret ṁat(α, pamb, Tamb, Π) = pamb Ath(α) Cth(α) Ψ(Π) RTamb filter Mth Tim Cylinder Catalyst Luftflöde in i cylindern ṁac(n, pim, Tim) = ηvol(n, pim) pim Vd ncyl N R Tim ni Mload Me Tryckuppbyggnad i insugsröret N dpim dt = R Tim Vim dmim dt = R Tim (ṁat ṁac) Vim 3 / 62 4 / 62
Modellsammanfattning 2(3) Flöde genom katalysator och avgassystemet (inkompressibel turbulent) pem p Gasflöde från motorn ṁcat = C3 Tryckuppbyggnad i avgasröret dpem dt Avgastemperatur... = R Tem Vem R Tem ṁcyl = ṁac + ṁfc dmem dt = R Tem (ṁcyl ṁcat) Vem 5 / 62 Modellsammanfattning 3(3) Bränsleinjektor - Port inspr. ṁfi = C N (tinj t(ubatt)) Bränslefilm dmfp dt = X ṁfi τfp mfp Bränsleinjektor - Direkt inspr. ṁfc = C N (tinj t(ubatt)) ṁfc = ( X )ṁfi + τfp mfp till motor = ṁac /(A/F )s ṁfc Gasblandning & Transportfördröjning d dt exh(t) = ((t τd(n)) exh(t)) τmix Sensordynamik d dt s(t) = (exh(t) s(t)) τ 6 / 62 Emissioner före och efter katalysatorn Trevägskatalysatorn och lambdafönsteret Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. streckad - före katalysatorn heldragen - efter katalysatorn ṁat αth pim ṁfi θign bc ac 8 Lambda window 4 filter Tim Cylinder Catalyst CO volume in % 6 4 2 HC CO CO HC NOx NOx 3 2 NOx and HC in % Mth Mload Me.9.. N Avgasrening med trevägskatalysator - kräver reglering 7 / 62 8 / 62
.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 -reglering ( = ±.3) Återkoppling med reläsensor Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. Hårt krav och modellosäkerheter Återkoppling nödvändig. ṁat αth pim ṁfi θign bc ac Stationärt = : 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 filter Tim Cylinder Speed density Mass air flow. Me Catalyst Mth Mload N 9 / 62 / 62 PI reglering av Framkopplingen beräknar ett nominellt bränsleflöde ṁfc,n =... Återkoppingen justerar gissningen med en multiplikation ṁfc,d = ṁfc,n Ffc = ṁfc,n ( + fc) Multiplikationen centreras runt. Ffc = ( + fc) with fc = KI edt Integrerande regulator 7.5 x 3 Insprutad bränslemängd (bränsleflöde) [kg/s] sond(t) Bränsle: u(t) = KI sond(t)dt motor (t) = Kluft(t) u(t) ṁfc,n Relay Controller Cylinder Transport + e c Uref + I / PI Ffc bc + e sτd (A/F )s - EGO avgas = motor (t τd) Självsvängningstid T = 4τd / 62 2 / 62
.5.5 7..2.3.4.5.6.7.8.9 6.5.5 in i cylindern [ ]..2.3.4.5.6.7.8.9.95.5 sensorns utsignal..2.3.4.5.6.7.8.9 vid lambda sensorn [ ]..2.3.4.5.6.7.8.9.95..5.95.9 2 3 4 5 6 7 8 9.5 2 3 4 5 6 7 8 9 4 2 2 2 3 4 5 6 7 8 9 time [s] 4 3 2 5 5 2.5.5.95.5 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 5 2 3 4 5 6 7 8 9 time [s] 5 5 Time [s] PI regulator Experiment i motorlabbet 7.5 x 3 Insprutad bränslemängd (bränsleflöde) [kg/s] sond(t) u(t) = Kp sond(t) + KI sond(t)dt Kp = 2 τd KI motor (t) = Kluft(t) u(t) avgas = motor (t τd) EGO sensor [V] u [s] x 4 EGO sensor [V] u[s] 5 x 4 Känner igen huvuddragen Tuning av PI regulatorn kan göras bättre. Självsvängningstid T = 2τd 3 / 62 4 / 62 Framkoppling för -reglering Transienter Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Lambda feedback control Varför är inte återkoppling tillräckligt? Reläsensor, tidsfördröjning, hårda krav på lambda stationärt begränsar förstärkningen. α th 5 5 From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Engine sensor Engine torque Knocksensor p im [kpa] Fuel flow [g/s] 5 5 5 5 Knock detection & control 5 / 62 6 / 62
α th 4 35 3 25 2 5 4 3 2 5 5 2.5 5 5 Time [s].5.5 2 2.5 3 25 2 5 5 9 8 7 6 5.5.5 2 2.5 3 4.5.5 2 2.5 3.8.6.4.2 Trottel Cylinder.5.5 2 2.5 3 Time [s] -reglering Framkopplingsloopen Reglering med framkoppling (ingen bränslefilmskompensering) α th 5 5 Grundinsprutning & Framkopplingsloopen i -regulatorn Mass air flow principle (CFI): Speed density principle (PFI): Kan mäta ṁat Använd ηvol och mät pim, N, ṁat ṁfc,n = (A/F )s ṁat αth pim ṁfi θign Tim pim Vd N ṁfc,n = ηvol(n, pim) R Tim nim (A/F )s bc ac p im [kpa] 5 5 Fuel flow [g/s] 5 5 filter Cylinder Catalyst Tim Mth Me 7 / 62 Mload N 8 / 62 -Reglering Transient Innehållsförteckning 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, N samt Tim. pim Vd N ṁac(n, pim, Tim) = ηvol(n, pim) R Tim ni Repetition Bränslereglering Bränslefilmskompensering Emissioner Mer om lambda regulatorn Other Control Loops Viktiga praktiska aspekter: Svarstid i trycksensor, filtrering, prediktering. 9 / 62 2 / 62
Kompensering för bränslefilm och injektor Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pim ṁfi θign bc ac Framkoppling Bränslefilm och injektor Grundprincip Systeminvertering (statisk, dynamisk) System inverse Control System Engine Injector Characteristic Fuel Film Dynamics filter Mth Tim Cylinder Catalyst ṁfc,d H fp (s) ṁfi,d f inj (ṁfi, N, Ubatt) tinj tinj finj(tinj, N, Ubatt) ṁfi Hfp(s) Om bränslefilmen är ett LTI-system, så kan Hfp(s) användas { dmfp dt = X ṁfi [ ] τfp mfp X ṁfc = ( X )ṁfi + τfp mfp ṁfc = ( X ) + ṁfi s τfp + }{{} Hfp(s) ṁfc Mload Me om X och τfp beror på arbetspunkten använd observatör N 2 / 62 22 / 62 -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 path ṁac Fram- och återkoppling i samverkan Direktinsprutad motor: ingen bränslepölsdynamik From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Engine sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control 23 / 62 24 / 62
Innehållsförteckning Emissioner Repetition Bränslereglering Emissioner Lagstiftning och Testcykler Mer om lambda regulatorn Other Control Loops CaHb+(a+ b 4 )(O2+3.773N2) a CO2+ b 2 H2O+3.773 (a+ b 4 ) N2 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,... 25 / 62 26 / 62 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). 27 / 62 28 / 62
New European Driving Cycle NEDC (Proj. c) Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC) Velocity [km/h] 4 2 8 6 4 2 2 4 6 8 2 5 4 Gear number [ ] 3 2 2 4 6 8 2 Time [s] 29 / 62 3 / 62 Framtiden Engine operation in testing Map coverage in cycles and in real driving. Spöket som skrämmer alla fordonstillverkare just nu... RDE Real Driving Emissions Myndigheterna kör en bil på väg. Enligt vissa procedurer... 3 / 62 32 / 62
bc Emissionsgränser, bensindriven personbil, USA (g/mile) Katalysator effektivitet och temperatur year CO HC NOx Metods g/mile g/mile g/mile 966 87. 8.8 3.6 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.... Vid start T 2 C. Gaserna efterbehandlas inte. 33 / 62 34 / 62 Emissioner under en europeisk körcykel Hur ser man om katalysatorn funkar eller inte? -sensorer före och efter. Catalyst Off Catalyst On.8.8 ac sensor [V].6.4 sensor [V].6.4.2.2.5.5 2 Time [s].5.5 2 Time [s] Till projektet gör kallstart och mät Light-off tid. Enkel medelvärdesmodell: Light-off tid. 35 / 62 36 / 62
Innehållsförteckning Repetition Bränslereglering Emissioner Mer om lambda regulatorn Feedforward Control More Details Model Based Control Other Control Loops Mer om reglerlooparna Återkoppling 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 sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control 37 / 62 38 / 62 Dubbel sensor -reglerin Katalysator reglering Två sensorer krävs för katalysator diagnos. Catalysatorn använder och lagrar Syre Buffert Reglering Emissions renande reaktioner. Syrelagrande reaktioner. ṁat αth pim ṁfi θign bc ac CO + H2O CO2 + H2 2H2 + O2 2H2O 4CeO2 2Ce2O3 + O2 2PdO 2Pd + O2 2CO + O2 2CO2 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O filter Tim Cylinder Catalyst NO2 N2 + 2O2 2CO + 2NO N2 + 2CO2 O2 O2 Mth NOx Me Mload O2 N HC CO 39 / 62 4 / 62
.9.8.7.6.5.4.3.2. Characteristics of the discrete sensor 8 K K 2 K.7.8.9..2.3.4 /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 [ ] Syrelaring i Katalysatorn. Pre- and post-katalysator sensorer. Vänster Katalysator kall (ingen funktion). Höger Katalysator varm (fungerar). sensor [V] Catalyst Off.8.6.4.2 sensor [V] Catalyst On.8.6.4.2 bc ac 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 =.5.5 2 Time [s].5.5 2 Time [s] Notera att spänningen ut från sensorn efter katalysatorn är >.6V, potential för justering. Discrete sensor output [V] Sensor [V] 4 / 62 42 / 62 Control methodologies Delayed switching Example 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 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] 43 / 62 44 / 62
Feedforward control Timing diagram Requirement 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) Pressure/lift Predition horizon Calculation Injection 25 2 5 5 mass determined 9 8 7 6 5 4 3 2 Crank Angle [deg] Timing is crucial No time delay Prediction is necessary 45 / 62 46 / 62 Filtering requirement Model based -control Filtering adds a time lag Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. 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 sensor Engine torque Knocksensor Knock detection & control 47 / 62 48 / 62
Vd N ˆpim Model based control Use the model for an observer that: estimates the states predicts the system behavior System: { ẋ = f(x, u) y = g(x, u) Observer: { ˆx = f(ˆx, u) + K (y ŷ) ŷ = g(ˆx, u) Model based control An example Model: dpi dt = R Ti (ṁat(α, pa, pim, Ta) ṁac(n, pim, Tim)) Vi dmfp dt = X ṁfi τfp mfp ṁat = pa RTa Qth(α)Ψ( pim ) pa pim = pim Vd N pim ṁac = ηvol(n, pim) 6 ni R Tim ṁfp,c = τfp mfp Observer: dˆpi dt = R Ti (ˆṁat ˆṁac) + K(ṁat ˆṁat) + K2(pim ˆpim) Vi d ˆmfp dt = X ṁfi ˆmfp + K2(ṁat ˆṁat) + K22(pim ˆpim) τfp ˆṁat = pa RTa Qth(α)Ψ( ˆpim ) pa ˆpim = ˆpim ˆṁac = ηvol(n, ˆpim) 6 ni R Tim ˆṁfp,c = mfp τfp States Measured outputs Non-measured outputs 49 / 62 5 / 62 Model based control Prediction General idea Start with state ˆpim, 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 Model based control Control action 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) N c 5 / 62 52 / 62
Model based control Result Model based control This example The model is used to calculate the feedforward control action N Ti θth Observer Throttle ṁat Feedforward pim Manifold ṁfi Fuel Dynamics Feedback (PI-contr.) ṁfc ṁac φ Engine and Combustion -sensor 53 / 62 54 / 62 Innehållsförteckning Repetition Control strategies 2 Engine Map Bränslereglering < 5 Emissioner Mer om lambda regulatorn Other Control Loops Strategy Map EGR Control Purge control Engine Torque [Nm] 5 Idle speed control = Engine Overrun Fuel Cut Engine Overspeeding Fuel Cut 2 3 4 5 6 7 Engine speed [RPM] 55 / 62 56 / 62
.95.9.85.8.75.7 2 2 3 Engine Torque [Nm] 3 Map 4 5 4 Engine Speed [RPM] 5-5 - -5-2 -25-3 -35 4 2 Engine Torque [Nm] Spark Advance Map 2 3 Engine Speed [RPM] 4 5 Regler strategier Other systems Other systems influence the air fuel ratio calculations Moderna börvärden för motorer idag med TWC. EMS pim EGR valve [-] Spark Advance [ BTDC] Fuel tank Fuel vapor pcc Purge valve Carbon canister Diagnostic valve Throttle PCV orifice bc 57 / 62 58 / 62 EGR control ( Gas Recirculation) Why: Reduce NOx. Better part load pim-increases. Lower the knock tendencies at high load (cooled EGR). What: How: Challenges: Dilute unburned gases with burned. Open a valve between intake and exhaust. Shut of at idle and full load. 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: Empties carbon canister of 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. 59 / 62 6 / 62
More Controllers Repetition MVEM Reglering Reglermål (A/F) reglering Lambda reglering Bränslereglering Bränslefilmskompensering Emissioner Lagstiftning och Testcykler Mer om lambda regulatorn Feedforward Control More Details Model Based Control Other Control Loops Strategy Map EGR Control Purge control 6 / 62 62 / 62