Fordonssystem TSFS5 Fordonssystem Lars Eriksson - Kursansvarig Per Öberg - Vikarierande föreläsare Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Kursens Mål är att ge er: bakgrund och förståelse för de styrsystem som finns i fordon grunden för att utveckla framtidens fordonssystem August 23, 2 Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? Genomgång av kursinformationen effektivt arbete = låg bränsleförbrukning låga emissioner = god miljö körbarhet säkerhet Viktiga punkter: Laborationsdelen är 2 miniprojekt Följer målen på förra OH Projekt 3 hp ( 8 timmar) Fem inlämningar Fritt schemalagt moment A (motormätningen) Obligatorisk närvaro i motorlabbet Frivillig laboration? Vad finns det för svårigheter? Fullständig demontering av en turbomotor, och därefter ihopmontering. Utförs på helgtider i grupper om fem och startar kl 8.. Slut senast kl 7 (det kan gå fortare). Intresseanmälan. Hur beskriver man och var köper man en givare för: effektivt arbete låga emissioner körbarhet säkerhet Styrsystemens vikt Styrsystemens vikt Styr- och reglersystem är idag fundamentala för att få önskad prestanda. Exempel: Effektivt arbete: Det finns flera ledtrådar t.ex. tryck eller varvtalsvariationer. Låga emissioner: Sensortolkning och utvärdering. Nya sensorer. Diagnos. Körbarhet: Tolkning av förarens signaler och reglerdesign av trampsvar. Säkerhet: ABS, styrstabilitet. Dessutom förbättras pris och prestanda av: Nya lösningar Samdesign (Jämför med det mer allmänt kända att styrsystem möjliggör nya flygplanstyper t.ex. instabila.) Exempel: Nya motorlösningar: variabla ventiltider, SVC,.. Nya drivlinelösningar: 42 V, starter-generator, hybrider,...
Innehållsförteckning Kursinformation Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Motor Principer Ett exempel Chrysler 2.2 liter 7-talet Grunddesignen innehåller samma komponenter idag. Kontinuerlig förfining Motordelen behandlar inledningsvis fyrtakts Ottomotorer (bensinmotor) Reklampaus Frivilliga laborationen. Ett till exempel Turbomotor Sensorer and Aktuatorer Aktuatorer: A. Trottel B. Bränsleinjektorer C. Tändstift D. IVVT (Inlet Valve, Variable Timing) E. EVVT (Exhaust Valve, Variable Timing) F. TCV (Turbo Control Valve) G. EVAP-ventil H. Fläkt I. Bränslepump Sensorer:. Luftmassflöde 2. Insugstryck 3. Insugstemperatur 4. Trottelvinkel 5. Bränsletryck 6. Bränsletemperatur 7. Insugsventilstiming 8. Avgasventilstiming 9. Linjär lambda sensor. Binär(diskret) lambda sensor. Oljetemperatur 2. Oljetryck 3. Knackdetektor 4. Kylvattentemperatur 5. Kopplingspedal 6. Bromspedal 7. Gaspedal 8. Omgivningstemperatur 9. Omgivningstryck 2. Vevaxelvinkel och motorvarvtal Fyrtaktsprincipen En viktig bild Inlet Inlet Inlet Inlet Exhaust Exhaust Exhaust Exhaust Luft och bränsle = arbete och emissioner Fuel Valves Exhaust manifold Throttle Emissions Air Intake manifold Cylinder Piston Intake Compression Expansion Exhaust En cykel = 2 varv = 4π Crank shaft Power Innan vi går in på grundläggande beskrivning och principer Vad är luft? Vad är det som är svårt? Vilka ambitioner (drömmar) finns? Constituent Symbol Molar mass Volume [%] Mass [%] Oxygen O 2 3.999 2.95 23.4 Nitrogen N 2 28.3 78.9 75.53 Argon Ar 39.948.93.28 Carbon dioxide CO 2 44..3.5 Neon Ne Helium He. En enkel modell Syre är syre. Allt annat är atmosfärsiskt kväve. Air = O 2 +3.773N 2
Bränsle Fuel Carbon Hydrogen Sulphur -octane petrol 85. 4.9. Motor petrol 85.5 4.4. Diesel oil 86.3 3.6.9 Kemisk energi till termisk energi (värme) C 8 H 8 +2.5O 2 8CO 2 +9H 2 O +Värme Energivärde för ett bränsle: q HHV Higher heating value (vattnet i vätskeform kondensering) q LHV Lower heating value (vattnet i gasform) Isooktan C 8 H 8 ett vanligt referensbränsle q HHV = 47.8 [MJ/kg] q LHV = 44.3 [MJ/kg] Energibärare och energitäthet Vikt för kwh för olika alternativa energikällor. (Källa: Ny Teknik 4 april 996.) Storage medium Lead Acid Nickle Cadmium Natrium Sulphur Lithium Ion Lithium Composite Air Zink Gasoline Weight/kWh 34 kg 8 kg kg kg 7 kg 4.5 kg. kg Bensin och diesel är (och kommer att vara) lätta drivmedelsalternativ för fordon. Alternativa bränslen i form av kolväten (biobränslen) dyker upp. Förbränning och stökiometri Perfekt förbränning av ett kolväte C a H b +(a+ b 4 )(O 2 +3.773N 2 ) aco 2 + b 2 H 2O+3.773(a+ b 4 )N 2 Stökiometriskt luft/bränsle-förhållande (A/F) = m a och (A/F) s = (a+ b 4 )(2 6.+3.773 2 4.7) m f 2.a+.8b Normaliserat luft/bränsle-förhållande λ = (A/F) (A/F) s och φ = λ Innehållsförteckning Kursinformation Grundläggande om motor Motor Principer Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde Frigjord värme och en enkel modell Q = min(λ,) m f q LHV Reglera luft och bränsle. Simulera. Diagnostisera. Fuel Valves Exhaust manifold Throttle Emissions Air Ett sensor - aktuator perspektiv Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat θth pi ṁfi θign λbc λac Intake manifold Cylinder Piston Intake Exhaust Ti Power Mth Me Crank shaft Mload N Stegsvar: Trottel Luftmassflöde Stegsvar: Trottel Luftmassflöde 5 Throttle > Air mass flow Throttle angle [deg] 5 5 5 2 25 3 35 4.5 Air mass flow [kg/s]..5 5 5 2 25 3 35 4 Time [s]
Stegsvar: Trottel Insugstryck Stegsvar: Trottel Insugstryck 5 Throttle > Intake manifold pressure Throttle angle [deg] 5 5 5 2 25 3 35 4 8 Pressure [kpa] 6 4 2 5 5 2 25 3 35 4 Time [s] Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor 3.5 x 3 Fuel injector > lambda sensor Fuel injection [s] 3 2.5 2 2 4 6 8 2.4.3.2. λ [].9.8.7 2 4 6 8 2 Time [s] Stegsvar: Bränsleinjektor Lambda sensor Medelvärdesmodeller MVEM.3 Timedelay and wall wetting.2 φ []..9 Fuel inj. normalized φ=/λ.8 2 4 6 8 2 time [s].5.95 Mean value engine models (MVEM) Approximativa tidsskalor (det finns ingen skarp gräns):. changes that take in the order of 3- cycles to reach their final state are expressed by differential equations. 2. changes faster than cycle are expressed by static relations. 3. changes slower than cycle are expressed by constants. φ [].9.85.8.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 time [s] Modellering Delsystem Trottelvinkel, luftflöden (ṁ at, ṁ ac ), tryck p i, bränsleinjektor, bränsle film, transport av luft/bränsle, katalysator, sensorer, samt moment. ṁat θth pi ṁfi θign λbc λac Modell : Trottelrörelse Input u Torque Motor Driving Torque Load Torque (from air-flow) Spring Intake Ti Exhaust Friction Drivande moment, M th Trottelvinkel, α Rörelsedynamik, DC-motor med återföringsfjäder (Newtons 2a lag) d 2 α dt 2 +adα dt = b (M th M air ) c (α α ) Mth Me Modellering av M air är inte lätt (montering och aerodynamic) Användning: Reglerdesign av trottelservo. Mload N
Modell 2: Trottel med trottelregulator Luftintag Luftflöde System med trottelservo + trottelaktuator Behövs en dynamisk modell? α = G th (s)α ref G th = sτ th + Behövs en andra ordningens modell? Kärnfrågor vid modellering Vad skall modellen användas till? Vilken nogrannhet behövs? Luftflöde förbi gasspjäll (trottel) Allmän ekvation för strypning ṁ at = p a RTa A C Ψ(p r ) A area C discharge coefficient (formen på strypningen) Ψ(p r ) olinjär funktion av tryckförhållandet p a tryck före p i tryck efter p r = p i p a Luftintag Olinjäritet Luftintag Olinjäritet 2 Ψ(p r ) = 2γ γ 2γ γ ( 2 γ pr p γ+ γ r ) ( ( ) 2 2 γ γ+ ( 2 γ+ ) γ+) γ ( ) γ p r > 2 γ γ+ Flödeshastigheten begränsas av ljudhastigheten och den kritiska tryckkvoten är ( ) γ 2 γ p r,crit = γ + där γ = cp c v. Ψ(p r ) [ ].8.6.4.2 Compressible flow restriction Sonic velocity Sub sonic velocity..2.3.4.5.6.7.8.9 Pressure ratio p r [ ] Luftintag Area Kontraktion Discharge coefficient Sammandragning av flödeslinjer A eff = C D A α Isentropic expansion Dissipation of kinetic energy α Gasspjäll med definition av vinkel för stängt spjäll α och verklig vinkel α i förhållande till spjällhuset. Högra figuren visar flödesarean. A th = A th (α) C th = C th (α) Q th (α) = A th (α)c th (α) p us T us Contraction p ds Effektiv area A eff (α) = A th (α)c th (α) Modell 3: Luftintag Ett system Regulator för luftflödet och trottel. ṁ at = G at (s)ṁ at,ref 3.996.326 Statiskt eller dynamiskt system? Andra ordningens system? G at (s) = sτ at +
Sammanfattning av modellen Förslag till projektdel c. Innehållsförteckning Kursinformation ṁref Luftmassflödesregulator Spjällhus Luftmassflödesgivare Elmotor αth ṁth Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Motor Principer Luft Bränsle Förbränning och luft/bränsle-förhållande αref Spjäll- servo uth Modell Modell 2 Modell 3 Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde