Transcript TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer

Innehållsförteckning
TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer
och Drivlinor – Fö 8
Motor – Övergripande reglering, laddtryck, knack och
knackreglering
Lars Eriksson - Kursansvarig
Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik
Linköpings universitet
[email protected]
Övergripande Reglering
Historik
Momentbaserad reglering
Turboreglering
Motor – Arbetsprinciper
Motor – Knack
Motor – Tändningsreglering
November 7, 2013
Motorreglering – Kort historik
Motorreglering - Sensorbaserad reglering
Första stegen i elektroniska EMS (Engine Management Systems)
På T-forden:
Manuell reglering av
–Handgas
–Tändningsinställning
“Köra med slokande mustascher”
ṁat
θth
pi
ṁfi
θign
λbc
Senare (i Ford Mustang m.fl.):
◮
Gaspedal
◮
Tändningsinställning genom
mekaniskt system;
centrifugalregulator och
vakumklocka i fördelaren.
λac
Catalyst
Intake
Exhaust
Ti
Mth
Me
Mload
N
text1
1.0
Illustration av hur mappar kan användas för att uppfylla det
grundläggande reglermålen för bränsle- och tändningsreglering.
Målen uppnås via injektoröppningstid tinj , och tändvinkel θign i ett
reglersystem.
1.2
Engine control - Map based control
0.8
Motorreglering - Mappbaserad reglering
6.
73
2
59
5.
68
0
49
4.
62
7
38
text 3.
57
2
5
28
2.
52
2D Look-up Table
Engine Speed
Mapbaserad eglering can utvidgas
och optimeras till mycket stor
förfiningsgrad.
3
text
2
18
1.
46
80
tinj
30
45
Ett exempel med optimal
luft/bränsle λ and tändningsvinkel
α för ett FTP test.
0
15
2D Look-up Table
text4
Control
Outputs
Basic Injection Map
Inputs
6.
θign
73
2
59
5.
68
0
49
4.
Manifold
Pressure
62
text 3.57
2
5
28
7
38
3
text
2.
Basic Ignition Map
52
2
18
1.
46
Motorreglering - De tre huvudlooparna
80
Styrsystemen blir mer och mer komplexa – Ohållbart
Driver
Lambda
feedback control
Open loop &
feedforward
fuel manager
*
From
andengine
Torque
driversensors
based
requests
structure Air
manager
Ignition
timing
manager
Injector
hardware
λ
sensor
Engine
Throttle
+
Engine torque
Knocksensor
Ignition
hardware
Knock
detection & control
De olika regulatorerna kan vara
–ad hoc lösningar
–baserade på mappar
–modellbaserade designmetoder
Air
calculation
Cruise control
Throttle angle
Idle speed control
Injection time
Fuel
calculation
Catalyst heating
Cylinder individual
fuel cut-off
Anti-jerking function
Ignition
timing
calculation
Limitaton of engine
and vehicle speed
Protection of
engine compoents
Turbo
air
calculation
Transmission control
Vehicle dynamics control
?
?
Variable
valve
actuation
Ignition timing
Waste-gate control
Momentbaserad reglering
Momentbaserad struktur – Fordon
Engine speed
or velocity
Traction control
intervention
Driver interpretation
max
Accelerator
pedal pos.
min
Cruise
controller
min
Drag torque
intervention
max
Vehicle
propulsion
demand
Top speed
limit
Driver and vehicle demands
Vad vill föraren uppnå när han trampar på gasen?
◮
Tolka föraren, propagera tolkning från fordonsbeteende till
motor.
◮
Momentbaserad struktur – Drivlina
Torque
increase
Vehicle
propulsion
demand
x
+
Momentbaserad struktur – Motor
min
min
Gear ratio
Torque
decrease
Gearbox
losses
Accessories
Gear shifting interventions
Från hjul till motor
◮
Mycket arbete bakom förartolkning
Gearbox
protection
max
Vehicle stability control
Från förare till hjulmoment
Anti-surge: Nästa projekt, drivlinereglering
+
Desired
engine
torque
Desired
engine
torque
Low idle
controller
Anti-surge
filter
Engine
friction
+
max
Torque
limiter
min
Desired
cylinder
torque
Momentbaserad struktur – Översikt med aktuatorer
Engine startup
Catalyst heating
Idle speed control
External torque
demand
-Driver
interpretation
◮
Efficiency demand
◮
Torque demand
manager
Coordination
of torque and
efficiency demands
Torque
demand
Throttle angle
Torque
demands
-Cruise control
-Vehicle speed limit
-Veicicle dynamics
control
-Driveability
-Gearshift control
Referensvärde
Torque
arbitration
Realization
of desired
torque
Idle speed control
Grundprincip invertera momentmodellen (med fyllnadsgraden)
–Lös ut trycket i insugsröret pi
Trottelregulator reglerar trycket pi
◮
◮
Injection time
Återkoppling
Framkoppling
◮
Påverkar luftflödet, bränslet regleras med λ-regulatorn
–Framkoppling från insugstryckt
◮
Hur gör man i turbofallet?
Individual
fuel cut-off
Ignition timing
Engine speed limitation
Wastegate control
Protection of engine
Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator
Förändring från tidsoptimal till bränsleoptimal
Extra svarstid
Vinst i bränsle
Time delay standard controller [s]
Improvement in fuel economy [%]
20
20
18
18
16
16
1
14
2
14
BMEP [bar]
3
BMEP [bar]
Tidsoptimal vs Bränsleoptimal regulator
12
0.1
10
12
4
5
10
6
0.5
7
8
8
8
0.2
1
9
6
6
0.5
10
1
4
2
4
2
2
2
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Engine speed [rpm]
4500
5000
5500
6000
6500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Engine speed [rpm]
4500
5000
5500
6000
Detaljer i Eriksson et. al. (2002), “Control and Optimization of
Turbocharged Spark Ignited Engines”
6500
Trade-off – Ställ in acceptabel förlust över trottel
Innehållsförteckning
Övergripande Reglering
◮
Börvärde för kompressortryck:
pc ≈ pic = pim + ∆pth
◮
PI regulator: uwg = PID(pic − (pim + ∆pth ))
◮
ECO-/Sportsmode: Välj ∆pth beroende på mod.
◮
Problem vid implementering:
–WG aktuatorn ligger ofta begränsningarna.
◮
◮
Motor – Knack
Oktantal & Knack
Motor – Tändningsreglering
Ger problem med I-delen – Windup.
I projektet: Anti-Windup implementerat åt er.
(Reklam för industriell reglerteknik)
Ottocykelns effektivitet
ηf ,i = 1 −
1
rcγ−1
En kolv som upplevt kraftigt knack
Efficiency for the Otto cycle
0.8
γ=1.4
0.7
Normalfall γ = 1.3
0.6
γ=1.3
0.5
ηfi
γ=1.2
0.4
0.3
ηf ,i ökar med rc för alla cykler.
Varför designar vi inte för
rc = ∞?
0.2
0.1
0
0
5
10
15
rc
20
25
En annan kolv som upplevt kraftigt knack
Knack – En fundamental begränsning för bensinmotorn
Hur kan man detektera knack?
x 10
6
no knock
x 10
6
slight knock
x 10
7
7
6
6
6
5
5
5
4
4
4
3
3
3
2
2
6
severe knock
9o
7
oscillations
oscillations
Cylinder pressure [Pa]
8o
1
–Knack kan förstöra motorn!!!
Oktantal
◮
RON – Research Octane Number
Europa, Sydafrika, Australien
◮
MON – Motor Octane Number
Motorsport, Högre temperatur och varvtal på motorn.
8 till 10 enheter lägre än RON.
◮
(RON+MON)/2 – Används i USA och Kanada
AKI – Anti Knock Index
PON – Pump Octane Number
◮
RdON – Road Octane Number
RdON = a RON + b MON + c, Erfarenhet har visat
a = b = 0.5, c = 0
◮
Fuel sensitivity = RON - MON
−20
0
20
40
Crank Angle [deg]
60
1
2
−20
0
20
40
Crank Angle [deg]
60
1
−20
0
20
40
Crank Angle [deg]
60
Knack och oktantal är relaterade.
Oktantal – Bränslets förmåga att “motstå knack”.
RON & MON
Arbetspunkter för ON bestämning
Research
Motor
600 rpm
900 rpm
13◦ BTDC
19 − 26◦ BTDC
fixed
f (rc )
◦
◦
Inlet temperature
52 C (125 F) 149◦ C (300◦ F)
Inlet pressure
1 atm
0.0036-0.0072 kg/kg dry air
Humidity
Coolant temperature
100◦ C
Adjusted for maximum knock
Air to fuel ratio
Hur bestämmer man ON > 100?
(C2 H5 )4 Pb
Referensbränsle: iso-oktan + blyadditiv , T = T 1milliliter
gallon iso-octane
Engine speed
Ignition timing
ON = 100 +
28.28 T
1.0+0.736 T +(1.0+1.472 T −0.035216 T 2 )0.5
Litet mer om varför kompressionen är begränsad?
Innehållsförteckning
Övergripande Reglering
Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet,
vad är problemet?
◮
begränsning på maxtrycket
◮
värmeöverföring dQ 6= 0
◮
ökade emissioner
Motor – Knack
Motor – Tändningsreglering
Motor – Moment
En diesel motor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och
det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet.
Tändningsloopen
Tändningsreglering
Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är
lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn.
Varför:
Tända blandningen. Bra bränsleekonomi.
Vad:
Ger en gnista i cylindern som startar förbränningen
i rätt ögonblick.
Hur:
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.
Lambda
feedback control
Open loop &
feedforward
fuel manager
*
Injector
hardware
+
Ignition
hardware
From
andengine
Torque
driversensors
based
requests
structure Air
manager
Ignition
timing
manager
Throttle
λ
sensor
Engine
Engine torque
Knocksensor
Knock
detection & control
◮
Tändtidpunkt
◮
Tändenergi
Bränsleförbrukning
Moment, Tändningstidpunkt och MBT
Tändkrokar – “Ignition Fish Hooks”
Experimental data for ignition timing efficiency
1.1
50
MBT
1
45
0.9
ηign
Engine Torque [Nm]
0.8
40
0.7
0.6
35
0.5
30
0.4
−30
25
−35
−30
−25
−20
−15
−10
−5
0
−20
−10
0
θign−θign,opt
10
20
30
5
6
40
5
Ignition angle [deg]
Tändningstidpunkt ←→ cylindertryck
Tändningstidpunkt ←→ pV-diagram
Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr
pV-diagrammet
2.5
3.5
2
SA1
Pressure [MPa]
3
2.5
Pressure [MPa]
SA2
2
1.5
1
SA3
1.5
SA4
0.5
1
SA4
SA3
0.5
SA2
0
SA1
0
−60
−40
TDC
−20
0
20
Crank angle [deg]
40
60
80
100
0
1
2
3
4
Volume [m 3]
7
−4
x 10
Tändtidpunkt
Tändningstidpunkt ←→ Cylindertryck och MFB
Sex cylindertryck i arbetspunkten 2000 rpm 50 Nm.
Cylinder pressure
30
Tändtidpunkten positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen
PPP - Pressure Peak Position
Pressure [bar]
25
20
15
10
5
xb (θ) =
mburned (θ)
mtotal
0
−100
−80
−60
−40
−20
0
20
40
60
80
100
120
40
60
80
100
120
Mass fraction burned x
b
1
Mass fraction burned
MBT
0.8
0.6
0.4
0.2
0
−100
−80
−60
−40
Var finns tändtidpunkten?
Tändtidpunktens betydelse för emissionerna
−20
0
20
Crank angle [deg]
Var finns PPP och xb = 0.5?
Knackrisk som funktion av tändtidpunkt
Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.
End−gas temperature
Mean cylinder temperature
900
3500
800
3000
T [K]
700
2500
600
500
T [K]
2000
400
1500
300
−200
1000
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
500
0
−200
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
De höga maxtemperaturerna medför att mer NOx bildas.
Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt
ger lägre temperaturer.
Knackreglering
Cykel till cykel variationer
Knackdetektering
Bandpassfiltrera signalen – Likrikta (eller kvadrera) – Integrera
Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad.
10 konsekutiva cykler
p
xy
Cycle−to−cycle variations
Druck
Cylinder pressure [bar]
20
15
10
gefilterter
fp Druck
5
0
−100
−50
0
50
Crank angle [deg]
100
T
150
Knackreglering
ms
10ms
Tändtidpunktens betydelse för emissionerna
Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.
Mean cylinder temperature
Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer.
3500
◮
Omgivningstemperatur
◮
Omgivningstryck vid olika höjder
2500
◮
Oktantal for olika bränslen
2000
◮
Motorernas tillverkningstolerans och åldring
T [K]
3000
1500
Kompressionsförhållandet kan ökas med 1 enhet.
1000
Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7 %. För
turboladdade motorer är vinsterna större.
500
0
−200
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
De höga maxtemperaturerna medför att mer NOx bildas.
Motormoment och insugstryck
Huvudlooparna – Tändning
Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är
lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn.
20
BMEP [bar]
15
Lambda
feedback control
10
5
0
−5
Open loop &
feedforward
fuel manager
model
measurement
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Intake manifold pressure [bar]
1.4
1.6
1.8
Korrelation, som motiverar varför insugstrycket används som
synonym för last.
Vid höga laster:
–Kompromissar på tändningen för att skydda motorn mot knack.
Samtidig tändning och turbotryck – APC
2
*
From
andengine
Torque
driversensors
based
requests
structure Air
manager
Ignition
timing
manager
Injector
hardware
Throttle
+
λ
sensor
Engine
Knocksensor
Ignition
hardware
Knock
detection & control
Innehållsförteckning
Övergripande Reglering
Historik
Momentbaserad reglering
Turboreglering
Motor – Arbetsprinciper
Motor – Knack
Oktantal & Knack
Motor – Tändningsreglering
Motor – Moment
Engine torque