.996.6.8.6.......5.6.7.8.9 Pressure ratio p r [ ] γ γ+ γ γ Compressible flow restriction Sonic velocity Sub sonic velocity Innehållsförteckning TSFS5 Fordonssystem Fö Motorreglering Lars Eriksson - Kursansvarig Per Öberg - Vikarierande föreläsare Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se August, Luft och bränsle Arbete och emissioner delvärdesmodellering Förbränning och stökiometri Perfekt förbränning av ett kolväte C a H b +(a+ b )(O +.77 ) aco + b H O+.77(a+ b ) Stökiometriskt luft/bränsle-förhållande (A/F) = m a och (A/F) s = (a+ b )( 6.+.77.7) m f.a+.8b = (A/F) (A/F) s och φ = Frigord värme och en enkel modell: Q = min(,) m f q LHV Motor delvärdesmodeller Motor delvärdesmodeller Målet är modeller som beskriver denna typ av signaler. Jämför tidskonstanten med rpm = 5 rps. s/varv Även ett bränsledynamiksexempel: Steg i trottel (aktuator) Luftflöde (sensor) Tryck (sensor) α [ ] d/ m [g/s] at p [kpa] i 8 6 Throttle step response.....5.6.7.8.9 8 6.....5.6.7.8.9 7 6 5.....5.6.7.8.9 Steg i insprutad bränslemängd. Svaret i (+ elektrisk störning.) Injection time [ms] 6.6 6. 6. 6 5.8 5.6 5 6 7 8 9.5..5.95 5 6 7 8 9 Trottelflödesmodeller (förslag till projekt c) Luftflödesmodell ṁref Luftmassflödesregulator Spjällhus Luftmassflödesgivare ṁth Kompressibel isentropisk strömning genom en strypning. ṁ at = p a RTa A th (α) C th (α) Ψ(p r ) αth Elmotor αref Spjäll- servo uth Modell Area A th (α) Kontraktion C th (α) Ljudhastigheten Modell Modell Fyra modeller (tre numrerade): Modell : Trottelrörelse Modell : Trottelservo Luftmassflöde: u th α α ref α A(α) ṁ at α α Ψ(pr) = Ψ(p r ) [ ] γ γ γ γ ( pr pr ( ( ) γ+ ) ) γ+) ( γ γ+ ( ) γ pr > γ γ+ Modell : Luftmassflödesregulator: ṁ at,ref ṁ at
Modellsammanfattning Luft och bränsle Modellsammanfattning () Gaspedalstolkning ṁ at,ref = (ṁ at,max () ṁ at,min ) u pedal +ṁ at,min där u pedal [,] Luftflöde in i insugsröret ṁ at = H(s)ṁ at,ref Luftflöde in i cylindern ṁ ac (,p i,t i ) = η vol (,p i ) p i V d n cyl R T i n i Tryckuppbyggnad i insugsröret dp i = R T i dm i = R T i (ṁ at ṁ ac ) V i V i Modellsammanfattning () Bränsleinjektor Bränslefilm till motor Transportfördröjning Sensordynamik ṁ fi = C (t inj t (u batt )) dm fp = Xṁ fi m fp ṁ fc = ( X)ṁ fi + m fp = ṁac ṁ fc /(A/F) s exh (t) = (t τ d ()) d s(t) = τ ( exh (t) s (t)) Implementering av tryckuppbyggnad [time ThrottleArea] From Workspace pressure Throttle area Throttle mass flow Upstream pressure Upstream temperature Throttle Model Throttle Mass Flow Cylinder Mass Flow Inake Manifold Model ODE för tryckdynamiken i insugsröret Throttle Mass Flow Cylinder Mass Flow K dp R*Tman/Vman s Manifold Pressure p pman Ange starttillståndet p = p(t ) i s pman dp pressure speed temperature Cylinder mass flow Mass Flow Model = R V T (ṁat ṁac) p(t) = p + t t dp p(t) = p + R T V (ṁat ṁac) p(t) = p + s R V T (ṁat ṁac) Cylinder mass flow Insugsrör Modellvalidering Insugsrör Modellvalidering Validering Jämföra modell och verklighet (mätning) pressure [time ThrottleArea] Throttle area From Workspace Throttle mass flow Upstream pressure Throttle Mass Flow Upstream temperature pman pressure Throttle Model Cylinder Mass Flow Inake Manifold Model speed Cylinder mass flow temperature Mass Flow Model Cylinder mass flow Koppla in uppmätta signaler till modellen Simulera Utsignal Jämför simuleringsresultatet med mätningen Insugsrör Modellvalidering Innehållsförteckning Throttle Angle [V].5..5..5.5.5.5.5 5 Manifold Pressure [kpa] 6 55 5 5.5.5.5.5.5 5
sensorer Diskret Diskret -sensor Diskret i amplitud: Mager Fet Billigaste möjliga sensorn för ändamålet Sensormodell för diskret sensor Sensorns utsignal V om s < sond =.6 V om s = V om s > Innehållsförteckning Signalkonditionering i styrsystemet omvandlar enkelt signalen till om s > sond = om s = om s < Motorreglering - De två huvudlooparna Bensinmotorreglering From engine sensors and driver requests Basic and transient fuel metering * sensor Två huvudloopar för alla bensinmotorer: Luft- och bränslereglering (Emissioner) timing + Knocksensing Tändningsreglering (Effektivitet eller bränsleförbrukning) Knock De olika regulatorerna kan vara ad hoc lösningar baserade på mappar designade med modellbaserade metoder - Map based Motorreglering - Mappbaserad reglering text.8.. 6.7 5.68.6.57.5.6 text text 5 5 6.7 5.68.6.57.5.6 text text 8 8 85 87 9 59 text 8 8 85 87 9 59 Mapbaserad reglering kan utvidgas och optimeras till mycket stor förfiningsgrad. Ett exempel med optimal luft/bränsle and tändningsvinkel α för ett FTP test. I grundläggande mappbaserad reglering är varvtalet och trycket insignaler och utsignalen från mappen är styrsignalen, t.ex. t inj = f(,p i ). Mappbaserad reglering är väletablerad teknik i industrin och man kan utvidga mapparna till fler sensorer och ha kompensations mappar för t.ex. transienter, varvtals förändringar, kallstarter, etc. ackdelen med dessa är att det tar tid att kalibrera alla mappar bestämma alla värden i alla mappar i ett modernt system. Detta motiverar den nya trenden att använda modeller med få(/färre) parametrar som beskriver funktionen istället.
9 8 7 6 5 Carbon monoxide (CO) emissions.8.85.9.95.5..5..5. Equivalence ratio.5.5.5.5 Hydro carbon (HC) emissions.8.85.9.95.5..5..5. Equivalence ratio.5.5.5 itrogen oxides (O) emissions.8.85.9.95.5..5..5. Equivalence ratio Reglermål Emissioner från motorn Perfekt förbränning C a H b +(a+ b )(O +.77 ) aco + b H O+.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 CO HC O CO in volume % HC in volume % O in volume % Kan förstå det mesta från reaktionsekvationen Emissioner efter katalysatorn Trevägskatalysatorn och lambdafönsteret streckad - före katalysatorn heldragen - efter katalysatorn 8 window 6 HC O x CO volume in % CO CO O x Ox and HC in ½ HC.9.. Luft- och bränslereglering Trevägskatalysatorn: oxiderar - HC oxiderar - CO reducerar - O, O med hög effektivitet om ±. Avgasrening med trevägskatalysator - kräver reglering Grunläggande mål: Ge en förbränningsbar blandning av luft och bränsle. Delmål: Reglera = emissionsrening (viktigast) Reglera > bränsleeffektivitet Reglera < skydda motor och andra komponenter Strategier: Föraren spjällvinkel Föraren bränslemängd Föraren luftmängd reglersystemet styr α och ṁ fi.
Trevägskatalysatorn -sonden -reglering ( = ±.) Stökiometrisk reaktion (perfekt blandning och förbränning) mellan isooktan och luft. ( C 8H 8 + 8+ 8 ) (O +.77 ) 8CO + 8 ( HO + 8+ 8 ).77 I verkligheten bildas det alltid HC, CO, O x, O,... Trevägskatalysatorn reducerar O x samt oxiderar HC och CO om =. För bra funktion krävs att = ±. -sonden mäter syrekoncentrationen. Omslagspunkten ger information om =. Hårt krav och modellosäkerheter Återkoppling nödvändig. Stationärt = : Återkopping från (diskret) -sensor. dsfördröjning τ d () Framkoppling nödvändig. (Enbart återkoppling räcker ej under transienter.) Transient: Framkoppling från t.ex. pedalrörelse eller varvtalsförändring. Speed density Mass air flow. Återkopplad -reglering Integrerande regulator Krav: = stationärt (inget stationärt fel). Vilken är den enklaste regulatorn som uppfyller detta? Bränsle.5 x..5.95.9.85...6.8...6.8 Bränsle: u(t) = K I sond (t). Analys av reglersystemet Beskrivande funktion (reglerteori/reglerteknik fk). Förenklad grafisk lösning men fortfarande exakt lösning. motor avgas..98.96...6.8...6.8...98 motor (t) = K luft(t) u(t) avgas = motor (t τ d ).96...6.8...6.8 sond.5.5.5 sond (t).5...6.8...6.8 PI regulator Bränsle.5 x..5.95.9 u(t) = K p sond (t) + K I sond (t) K p = τ d K I Framkoppling i -regulatorn Transienter Viktigaste reglerlooparna för bensin motorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. motor.85...6.8...6.8...98.96...6.8...6.8. motor (t) = K luft(t) u(t) From engine sensors and driver requests Basic and transient fuel metering * sensor avgas..98 avgas = motor (t τ d ) sond.96...6.8...6.8.5.5 sond (t) timing + Knocksensing.5.5...6.8...6.8 Knock Varför räcker det inte med återkoppling? Diskret sensor, tidsfördröjning, och hårda begränsningar på stationärt begränsar förstärkningen. d framkoppling i -regulatorn Reglering med framkoppling (ingen kompensering för bränslefilmen) α th 5 5 α th 5 5 p im [kpa] 5 p im [kpa] 5 Fuel flow [g/s] 5 5 5 5 5 Fuel flow [g/s] 5 5 5 5 5.5.5 5 5 5 5
-Reglering Transient α th Mass flow [g/s] p im [kpa] 5 5 5.5.5.5 5 5 5 9 8 7 6 5 Trottel Cylinder.5.5.5.5.5.5 Kan inte mäta ṁ ac Mass air flow principle: Kan mäta ṁ at Problem pga ej rätt flöde (se fig) Speed density principle: Utnyttja η vol och mät p i, samt T i. ṁ ac (,p i,t i ) = η vol (,p i ) p i V d R T i n i Kompensering för bränslefilm och injektor.8.6...5.5.5 Viktiga praktiska aspekter: Svarstid i trycksensor, filtrering, prediktering. Framkoppling Bränslefilm och injektor Grundprincip Systeminvertering (statisk, dynamisk) System inverse Control System Characteristic Fuel Film Dynamic ṁ fc H f fp (s) ṁ fi t inj t inj ṁ fi ṁ fc inj (ṁ fi,) f inj(t inj,) H fp(s) Om bränslefilmen är ett LTI-system, så kan H fp (s) användas { dmfp = Xṁ fi [ ] m fp X ṁ fc = ( X)ṁ fi + ṁ fc = ( X)+ m fp s + }{{} H fp (s) om X och beror på arbetspunkten använd observatör ṁ fi Luft/bränsle regleringsloop Återkoppling + framkoppling Viktigaste reglerlooparna för bensin motorer. Den översta är lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn. From engine sensors and driver requests Basic and transient fuel metering timing * + Knock sensor Knocksensing Modellbaserad reglering Använd modellen och skapa en observatör som: rekonstruerar tillstånden predikterar systemets beteende System: { ẋ = f(x,u) y = g(x,u) Observatör: { ˆx = f(ˆx,u)+k (y ŷ) ŷ = g(ˆx,u) Modellbaserad reglering Ett exempel Modellen: dpi = R Vi dmfp = Xṁ fi m fp τfp ṁ at = pa RTa Q th (α)ψ( pi ) pa p i = p i Vd pi ṁ ac = η vol (,p i ) 6ni R ṁ fp,c = τfp m fp Observatören: dˆpi = R Vi d ˆmfp = Xṁ fi (ṁ at (α,p a,p i,t a ) ṁ ac (,p i,t i )) llstånd Mätbara utsignaler (ˆṁ at ˆṁ ac )+K (ṁ at ˆṁ at )+K (p i ˆp i ) ˆm fp +K τfp (ṁ at ˆṁ at )+K (p i ˆp i ) Icke mätbara utsignaler pa ˆṁ at = RTa Q th (α)ψ( ˆpi ) pa ˆp i = ˆp i Vd ˆpi ˆṁ ac = η vol (,ˆp i ) 6ni R ˆṁ fp,c = m fp τfp Modellbaserad reglering Ett exempel T i Observer α Throttle ṁat Feed Forward p i Manifold ṁfi Fuel Dynamics Feed back (PI-contr.) ṁ fc ṁ ac φ and Combustion otera att regulatorn har en kombination av fram- och återkoppling. Återkopplingen multiplikativ, ger information om (A/F) s. -sensor