TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor
Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Kursens Mål är att ge er: TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (MoDr) ◮ bakgrund och förståelse för de styrsystem som finns för motor och drivlina ◮ grunden för att utveckla framtidens styrsystem för motor och drivlina Fö 1 – Kursinformation, Grundläggande om motorn, Medelvärdesmodellering för luft och bränsle Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se August 30, 2015 Vilka är de viktigaste egenskaperna för ett fordon? Genomgång av kursinformationen Viktiga punkter: ◮ Uppgiftsdelen är 3 miniprojekt (utförs i grupper om 2) ◮ effektivt arbete = låg bränsleförbrukning ◮ Följer målen på förra OH ◮ låga emissioner = god miljö ◮ Projekt 3+2+1 hp ◮ körbarhet ◮ Sju inlämningar - Se hemsidan för datum ◮ säkerhet ◮ Fritt schemalagd moment 1A (motormätningen) –Obligatorisk närvaro i motorlabbet ◮ Individuellt “lönesamtal” (några korta frågor på projekten) ◮ Skriftlig tentamen för högre betyg Frivillig laboration? Vad finns det för svårigheter? Hur beskriver man och var köper man en givare för: ◮ Fullständig demontering av en turbomotor, och därefter ihopmontering. ◮ effektivt arbete ◮ Utförs på helgtider i grupper om fem och startar kl 08.00. ◮ låga emissioner ◮ Slut senast kl 17 (det kan gå fortare). ◮ körbarhet ◮ Intresseanmälan. ◮ säkerhet 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. Styrsystemens vikt 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 Ett exempel Kursinformation Chrysler 2.2 liter 70-talet Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Grunddesignen innehåller samma komponenter idag. Kontinuerlig förfining Motor – Principer Medelvärdesmodellering 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: 1. Luftmassflöde 2. Insugstryck 3. Insugstemperatur 4. Trottelvinkel 5. Bränsletryck 6. Bränsletemperatur 7. Insugsventilstiming 8. Avgasventilstiming 9. Linjär lambda sensor 10. Binär(diskret) lambda sensor 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. Oljetemperatur Oljetryck Knackdetektor Kylvattentemperatur Kopplingspedal Bromspedal Gaspedal Omgivningstemperatur Omgivningstryck Vevaxelvinkel och motorvarvtal Fyrtaktsprincipen En viktig bild Luft och bränsle Inlet Exhaust Inlet Exhaust Inlet Exhaust Inlet =⇒ Exhaust arbete och emissioner Fuel Valves Throttle Exhaust manifold Emissions Air Intake manifold Cylinder Catalyst Piston Intake Compression Expansion Exhaust Power En cykel = 2 varv = 4 π (= nr 2 π, med nr = 2) Innan vi går in på grundläggande beskrivning och principer –Vad är det som är svårt? –Vilka ambitioner (drömmar) finns? Crank shaft Vad är luft? Constituent Oxygen Nitrogen Argon Carbon dioxide Neon Helium .. . Symbol O2 N2 Ar CO2 Ne He Molar mass 31.999 28.013 39.948 44.010 Volume [%] 20.95 78.09 0.93 0.03 En enkel modell ◮ Syre är syre. ◮ Allt annat är atmosfärsiskt kväve. Air = O2 + 3.773 N2 Mass [%] 23.14 75.53 1.28 0.05 Bränsle Energibärare och energitäthet Fuel 100-octane petrol Motor petrol Diesel oil Carbon 85.1 85.5 86.3 Hydrogen 14.9 14.4 13.6 Sulphur 0.01 0.1 0.9 Vikt för 1 kWh för olika alternativa energikällor. (Källa: Ny Teknik 4 april 1996.) Storage medium Lead Acid Nickle Cadmium Natrium Sulphur Lithium Ion Lithium Composite Air Zink Gasoline Kemisk energi till termisk energi (värme) C8 H18 + 12.5 O2 −→ 8 CO2 + 9 H2 O + Värme Energivärde för ett bränsle: qHHV – Higher heating value (vattnet i vätskeform kondensering) qLHV – Lower heating value (vattnet i gasform) ◮ Bensin och diesel är (och kommer att vara) “lätta” drivmedelsalternativ för fordon. ◮ Alternativa bränslen i form av kolväten (biobränslen) dyker upp. Isooktan C8 H18 – ett vanligt referensbränsle qHHV = 47.8 [MJ/kg] qLHV = 44.3 [MJ/kg] Förbränning och stökiometri ◮ Weight/kWh 34 kg 18 kg 10 kg 10 kg 7 kg 4.5 kg 0.1 kg Luft/Bränsleförhållande och bränsleomvandlingsgrad Perfekt förbränning av ett kolväte b b b Ca Hb +(a + )(O2 + 3.773 N2 ) −→ aCO2 + H2 O+3.773(a+ )N2 4 2 4 ✶✵✵ ✛ ✙✚ ✾✵ ✘ ✗ ✔ ✓✕ ✽✵ ✓✗ ✖✖ ◮ ✕ Stökiometriskt luft/bränsle-förhållande ✔ ✌ ✼✵ ✒✓ ✑ ✏ ✎ (a + b4 )(2 · 16.00 + 3.773 · 2 · 14.007) ma och (A/F )s = (A/F ) = mf 12.01 a + 1.008 b ✍ ✻✵ ✌ ❙✜ ☛ ✢✣✤ ✣✆ ❈ ✦✜ ☛ ✢✣✤ ✣✆ ✺✵ ✵ ✶ ✷ ✸ ✹ ✺ Fuel/air equivalence ratio φ = ◮ Normaliserat luft/bränsle-förhållande λ= 1 (A/F ) och φ = (A/F )s λ Frigjord värme och en enkel modell Q = min(λ, 1) · mf · qLHV ✻ ✼ ❆ ✁✂✄☎✆✝ ✁✞✟ ✠✡ ❧ ✥☛☞ 1 λ (Källa Heywood (1988)). Frigjord värme och en enkel modell Q = min(λ, 1) · mf · qLHV Innehållsförteckning Medelvärdesmodellering Användning i industrin: Kursinformation Reglera luft och bränsle. Grundläggande om motor Simulera/analysera. Diagnostisera. Fuel Valves Motor – Principer Throttle Exhaust manifold Emissions Air Medelvärdesmodellering Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde Intake manifold Cylinder Catalyst Piston Power Crank shaft Ett sensor - aktuator perspektiv Stegsvar: Trottel → Luftmassflöde Samband mellan aktuator och sensorer samt sensorer inbördes. ṁat αth pi ṁfi θign λbc λac Catalyst Intake Exhaust Ti Mth Me Mload N Stegsvar: Trottel → Luftmassflöde Stegsvar: Trottel → Insugstryck Throttle −> Air mass flow Throttle angle [deg] 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 Time [s] 25 30 35 40 Air mass flow [kg/s] 0.015 0.01 0.005 0 Stegsvar: Trottel → Insugstryck Stegsvar: Bränsleinjektor → Lambda sensor Throttle −> Intake manifold pressure Throttle angle [deg] 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 Time [s] 25 30 35 40 Pressure [kPa] 80 60 40 20 0 Stegsvar: Bränsleinjektor → Lambda sensor −3 3.5 Stegsvar: Bränsleinjektor → Lambda sensor Fuel injector −> lambda sensor x 10 Timedelay and wall wetting 1.3 1.1 φ [] Fuel injection [s] 1.2 3 1 2.5 0.9 2 0 2 4 6 8 10 0.8 12 Fuel inj. − normalized φ=1/λ 0 2 4 6 time [s] 8 10 12 1.05 1.4 1.3 1 1.2 0.95 φ [] λ [] 1.1 1 0.9 0.9 0.8 0.85 0.7 0 2 4 6 Time [s] 8 10 12 Medelvärdesmodeller – MVEM 0.8 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 time [s] Modellering – Delsystem Trottelvinkel, luftflöden (ṁat , ṁac ), tryck pi , bränsleinjektor, bränsle film, transport av luft/bränsle, katalysator, sensorer, samt moment. ṁat αth pi ṁfi θign λbc λac Mean value engine models (MVEM) Approximativa tidsskalor (det finns ingen skarp gräns): 1. changes that take in the order of ∼3-1000 cycles to reach their final state are expressed by differential equations. 2. changes faster than 1 cycle are expressed by static relations. 3. changes slower than 1000 cycle are expressed by constants. Catalyst Intake Exhaust Ti Mth Me Mload N Modell 1: Trottelrörelse Input u Modell 2: Trottel med trottelregulator Driving Torque Load Torque (from air-flow) ◮ System med trottelservo + trottelaktuator ◮ Behövs en dynamisk modell? Torque Motor α = Gth (s)αref Spring Friction Gth = Drivande moment, Mth ⇒ Trottelvinkel, α Rörelsedynamik, DC-motor med återföringsfjäder (Newtons 2a lag) ◮ dα d 2α +a = b · (Mth − Mair ) − c · (α − α0 ) dt 2 dt Modellering av Mair är inte lätt (montering och aerodynamic) Användning: Reglerdesign av trottelservo. Luftintag – Luftflöde Behövs en andra ordningens modell? Kärnfrågor vid modellering ◮ Vad skall modellen användas till? ◮ Vilken nogrannhet behövs? Luftintag – Olinjäritet Luftflöde förbi gasspjäll (trottel) Allmän ekvation för strypning pa · A · C · Ψ(pr ) ṁat = √ RTa A – area C – “discharge coefficient” (formen på strypningen) Ψ(pr ) – olinjär funktion av tryckförhållandet pr = pa – tryck före pi – tryck efter 1 sτth + 1 pi pa Ψ (pr ) = s 2 γ γ+1 γ−1 2γ γ γ 2 pr > γ+1 γ−1 pr − pr s 2 γ+1 γ−1 γ−1 2γ 2 2 − γ+1 γ−1 γ+1 Flödeshastigheten begränsas av ljudhastigheten och den kritiska tryckkvoten är γ γ−1 2 pr ,crit = γ+1 där γ = cp cv . Luftintag – Olinjäritet 2 Luftintag – Area Compressible flow restriction 0.8 Sonic velocity Sub sonic velocity 0.6 Ψ(pr) [−] α α0 0.4 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Pressure ratio pr [−] 0.7 0.8 0.9 Kontraktion – Discharge coefficient 1 Gasspjäll med definition av vinkel för stängt spjäll α0 och verklig vinkel α i förhållande till spjällhuset. Högra figuren visar flödesarean. Ath = Ath (α) Cth = Cth (α) Qth (α) = Ath (α)Cth (α) Effektiv area Aeff (α) = Ath (α)Cth (α) Sammandragning av flödeslinjer Aeff = CD A Isentropic expansion Dissipation of kinetic energy −0.3216 pus pds Tus 3.9906 Contraction Modell 3: Luftintag – Ett system Sammanfattning av modellen Förslag till projektdel 1c. Regulator för luftflödet och trottel. ṁat = Gat (s)ṁat,ref ṁref Spjällhus Luftmassflödesregulator ṁth Luftmassflödesgivare Statiskt eller dynamiskt system? Gat (s) = αth 1 sτat + 1 Andra ordningens system? Elmotor αref Spjällservo Modell 1 uth Modell 2 Modell 3 Innehållsförteckning Kursinformation Grundläggande om motor Principer Luft och bränsle Motor – Principer Luft Bränsle Förbränning och luft/bränsle-förhållande Medelvärdesmodellering Exempel på stegsvar Trottelmodellering: Rörelse, reglering, luftflöde Trottelflöde
© Copyright 2024