η fi.8.7.6..4.3.. Efficiency for the Otto cycle γ=.4 γ=.3 γ=. Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 8 Motor Övergripande reglering, tändning, tomgång, knack och knackreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November 6, Motor Knack Oktantal Oktantal & Knack Ytterligare detaljer om Motor Mer (A/F) Reglering Tändningsloopen Repetition Ottocykelns effektivitet Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. Lambda feedback control ηf,i = rc γ Normalfall γ =.3 From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Engine λ sensor Engine torque Knocksensor ηf,i ökar med rc för alla cykler. Varför designar vi inte för rc =? r c Knock detection & control
7 6 4 3 x 6 no knock 4 6 Crank Angle [deg] 7 6 4 3 x 6 slight knock oscillations 4 6 Crank Angle [deg] 7 6 4 3 x 6 o 9 o 8 severe knock oscillations 4 6 Crank Angle [deg] En kolv som upplevt kraftigt knack En annan kolv som upplevt kraftigt knack Knack kan förstöra motorn!!! Knack En fundamental begränsning för bensinmotorn Knack Oktantal Hur kan man detektera knack? Bränslets oktantal: Motstånd mot självantändning vid höga kompressioner. Definierar referensbränslen: Cylinder pressure [Pa] n-heptan ON=. Lång rak molekyl isooktan ON=. Kort kompakt molekyl. Hur bestäms oktantalet? Knack och oktantal är relaterade. Oktantal Bränslets förmåga att motstå knack.
Oktantal RON & MON RON Research Octane Number Europa, Sydafrika, Australien MON Motor Octane Number Motorsport, Högre temperatur och varvtal på motorn. 8 till enheter lägre än RON. (RON+MON)/ Används i USA och Kanada AKI Anti Knock Index PON Pump Octane Number RdON Road Octane Number RdON = aron+bmon+c, Erfarenhet har visat a = b =., c = Fuel sensitivity = RON - MON Arbetspunkter för ON bestämning Research Motor Engine speed 6 rpm 9 rpm Ignition timing 3 BTDC 9 6 BTDC fixed f(rc) Inlet temperature C ( F) 49 C (3 F) Inlet pressure atm Humidity.36-.7 kg/kg dry air Coolant temperature C Air to fuel ratio Adjusted for maximum knock Hur bestämmer man ON >? T milliliter (CH)4Pb Referensbränsle: iso-oktan + blyadditiv, T = gallon iso-octane ON = + 8.8T.+.736T+(.+.47T.36T ). Litet mer om varför kompressionen är begränsad? Innehållsförteckning Motor Knack Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet, vad är problemet? begränsning på maxtrycket värmeöverföring dq ökade emissioner En dieselmotor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet. Samverkan tänding, moment Tändning och knack Motor Moment Ytterligare detaljer om Motor Mer (A/F) Reglering
3 8 6 4 4 6 8.8.6.4. Cylinder pressure 8 6 4 4 6 8 Tändningsloopen 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 Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Lambda feedback control Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor Varför: Vad: Hur: Tända blandningen. Bra bränsleekonomi. Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen i rätt ögonblick. Laddar upp kondensator eller spole och laddar ur den genom gnistgapet i tändstiftet. Utmaningar: Bra bränsleekonomi i alla driftsfall. Hålla knack borta. Kalibrering Sluten loop reglering. Tändtidpunkt Tändenergi Hårdvara Kapacitivt resp. induktivt system, det senare är vanligast. Capacitive ignition system Inductive ignition system Tändningstidpunkt Cylindertryck och MFB Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr pv-diagrammet Sex cylindertryck i arbetspunkten rpm Nm. R R Pressure [bar] Ubatt C Spark Plug Gap Ubatt L Spark Plug Gap Mass fraction burned x b Var finns tändtidpunkten? Var finns PPP och xb =.?
3 3 3 Mean cylinder temperature Tändningstidpunkt pv-diagram Bränsleförbrukning Moment, Tändningstidpunkt och MBT. MBT 4 Pressure [MPa]. Engine Torque [Nm] 4 3. 3 3 4 6 7 Volume [m ] x 4 3 3 Ignition angle [deg] Tändkrokar Ignition Fish Hooks Centrerat runt θ = θign θign,opt Tändtidpunktens betydelse för emissionerna Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.. Experimental data for ignition timing efficiency.9.8 T [K] η ign.7.6..4 3 3 4 θ ign θ ign,opt Höga maxtemperaturer medför att mer NOx bildas. Tidig tändning ger också högre tryck (mekanisk påfrestning) och HC utsläpp.
Knackrisk som funktion av tändtidpunkt Cykel till cykel variationer 9 End gas temperature Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler 8 7 Cycle to cycle variations T [K] 6 4 3 Cylinder pressure [bar] Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt ger lägre temperaturer. Knackreglering En cykel med snabb förbränning är mer benägen att knacka. Knackdetektering Hårdvara Knackdetektering Signalerna Bandpassfiltrera signalen Likrikta (eller kvadrera) Integrera θign Tre signaler med ringning i frekvensbandet för cylinderns egenmod.. EMS LP Ion sensing BP Cylinder pressure. Cylinder pressure Ion current Rectifier Knock sensor Knock sensor. 3 4 6 Tidsfönster i vevaxeldomänen och mät energiinnehållet Ei för cykel i.
3 3 Mean cylinder temperature Knackreglering Söka sig mot knack gränsen Knackreglering Söka sig mot knackgränsen Vid detektion flytta snabbt bort, gå sedan mot gränsen. if (Ei > limit) α = α+β else α = min(α γ,) end θign = θff +α β - stor för snabbt skydd γ - liten för att gå sakta mot gränsen Illustration av knack reglering med justering β nedåt γ uppåt. Ignition advance 3 4 6 Cycle number Spark advance [deg] 8 6 4 Cycle number Knackreglering Tändtidpunktens betydelse för avgastemperaturen Medeltemperatur för olika tändtidpunkter. Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer. Omgivningstemperatur Omgivningstryck vid olika höjder Oktantal for olika bränslen Motorernas tillverkningstolerans och åldring Kompressionsförhållandet kan ökas med enhet. T [K] Återkopplad reglering, jämfört med konservativ kalibrering: Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7%. För turboladdade motorer är vinsterna större. Sen tändning ger högre avgastemperatur. Hög last och knack, skydda katalysator med andra motmedel (λ < ). Kallstart, värma katalysator med sen tändning.
Motormoment och insugstryck Huvudlooparna Tändning Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. BMEP [bar] model measurement..4.6.8..4.6.8 Intake manifold pressure [bar] Korrelation, som motiverar varför insugstrycket används som synonym för last. Vid höga laster: Kompromissar på tändningen för att skydda motorn mot knack. From engine sensors and driver requests Torque based structure Open loop & feedforward fuel manager Air manager Ignition timing manager * + Injector hardware Throttle Ignition hardware Lambda feedback control Engine Knock detection & control λ sensor Engine torque Knocksensor Samtidig tändning och turbotryck APC Momentstyrning med tändning Snabb aktuator för moment. Moment neddragning vid växlingar. Hjälp vid tomgångsreglering. Vid ytterligare moment neddrag används fuel cut.
.7.6.6...4.4.3.3. φ=. φ=. φ=.. Compression ratio r [ ] c.7.6.6...4.4.3.3. r c = r c =... Fuel air ratio φ [ ] Tomgångsreglering med stöd från tändningen Tomgångsreglering med stöd från tändningen Två aktuatorer för momentet: luft och tändning. Me,l Me,ref αref Ml + Air manager Nref - Ma ηign θign θign N PID (.8) (7.8) + Me,s + Me,a θign,opt Första delen av NEDC, tomgångsreglering aktiv. v [m/s], N [ rpm] p [kpa] θ [ ] im Torque [Nm] ign 3 6 4 N real N idle v ref v real M long M short p im ref p actual im θ ign 4 6 7 8 9 time [s] Innehållsförteckning Motor Knack Ytterligare detaljer om Motor Mer (A/F) Reglering Fortsatt analys av arbetsprocessen Ideal Ottocykel, icke idealgas (cp och cv varierar). Cykeleffektivitet som funktion av φ = /λ och rc. Högre rc ger högre η Efficiency η f Efficiency η f γ ändras med φ Knä vid φ = Jfr momentmodellen min(,λ) = min(, φ ) Fullständig förbränning
λ-svep Mätningar på en Ottomotor Cykel till cykel variationer 4 4 Fuel constant Efficiency max Air constant Power max Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad. konsekutiva cykler Engine torque [Nm] 3 3 Cylinder pressure [bar] Cycle to cycle variations.7.8.9...3.4 Air/fuel ratio λ [ ] Minst variation runt λ =.9 Innehållsförteckning 4 Motor Knack 4 3 Engine torque [Nm] 3 Ytterligare detaljer om Motor Mer (A/F) Reglering Fuel constant Efficiency max Air constant Power max.7.8.9...3.4. Air/fuel ratio λ [ ]
Andra regulatorer som påverkar λ EGR, Purge, PCV. EGR reglering (Exhaust Gas Recirculation) Varför: Minska NOx. Bättre dellastbeteende pi-ökar. Minska knacktendenserna vid hög last (kyld EGR). EMS pcc Purge valve pi EGR valve Vad: Hur: Blanda oförbrända gaser med förbrända. Öppna ventil mellan insugssystem och avgassystem. Avstängd vid tomgång och fullast. Fuel tank Fuel vapor Carbon canister Diagnostic valve Air Throttle PCV orifice λ bc Utmaningar: Konsekvenser för λ-reglering (Exempel) Hur bestämmer man mängden EGR? Det finns en övre gräns på utspädningsmängden. Det finns ännu inga bra modeller. Sot och partiklar täpper igen rören. Öppen styrning, kalibrering. Återkopplad reglering. Avdunstningskontoll (Purgeventilreglering) Avdunstningskontroll & Diagnosventil Varför: HC emissioner. Vad: Tömmer kolkanistern på HC. Hur: Öppna ventilen in till insugssystemet. Utmaningar: Hålla λ = och körbarhet vid ventilöppnandet. % volymflöde med HC % i λ. Binär ventil (svårt). Kontinuerlig ventil (lättare). Avstängd vid tomgång och fullast.
Några ytterligare reglerstrategier Några ytterligare reglerstrategier Knock limited Cylinderindividuell λ-reglering Upprikning vid maxlast Tomgångsreglering Övervarvningsskydd Motorbromsning (overrun) Kallstart: Emissioner (light-off tid) Uppfetning Engine Torque [Nm] Rough running Idle speed control λ = λ < Engine Overrun Fuel Cut Engine Overspeeding Fuel Cut 3 4 6 7 Engine speed [RPM] Innehållsförteckning Motor Knack Använd tändstiftet när det inte används för tändning Ignition Coil Ytterligare detaljer om Motor HV side Secondary Primary U batt Mer (A/F) Reglering Spark plug Electrons and ions LV side I ign I ion - R m + + U - meas Dwell time and timing control Interpretation Cam phasing Misfire detection Knock intensity Pre ignition Coil failure Plug fouling Combustion stability Cylinder balancing Fuel quality Lambda EGR Cylinder pressure MFB PPP
3... Cylinder Pressure Cycles 4 3 3 4 6 3... Ionization Current Cycles 4 3 3 4 6 Crank Angle [deg] och cylindertrycket Innehållsförteckning Pressure [MPa] Motor Knack Oktantal Oktantal & Knack Samverkan tänding, moment Tändning och knack Motor Moment Current Ytterligare detaljer om Motor Direkt mätning i cylindern. Återkoppling från förbränningen. Mer (A/F) Reglering