Innehållsförteckning
TSFS09 – Modellering och Reglering av Motorer
och Drivlinor – Fö 8
Motor – Knack
Oktantal
Oktantal & Knack
Motor – Övergripande reglering, tändning, tomgång, knack och
knackreglering
Tändningsreglering
Ytterligare detaljer om Motor
Lars Eriksson - Kursansvarig
Mer (A/F) Reglering
Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik
Linköpings universitet
[email protected]
Jonströmmar
November 6, 2015
Tändningsloopen
Repetition – Ottocykelns effektivitet
Viktigaste reglerlooparna för bensinmotorer. Den översta är
lambda-regulatorn och den nedersta är tändningsregulatorn.
ηf ,i = 1 −
1
rcγ−1
Efficiency for the Otto cycle
0.8
γ=1.4
0.7
Lambda
feedback control
Normalfall γ = 1.3
0.6
γ=1.3
From engine sensors
and driver requests
Open loop &
feedforward
fuel manager
*
Injector
hardware
λ
sensor
γ=1.2
ηfi
Torque based structure
0.5
0.4
0.3
Air
manager
Ignition
timing
manager
Throttle
+
Engine
Engine torque
Knocksensor
Ignition
hardware
Knock
detection & control
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 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?
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
6
severe knock
9o
7
oscillations
Bränslets oktantal:
Motstånd mot självantändning vid höga kompressioner.
Definierar referensbränslen:
oscillations
Cylinder pressure [Pa]
8o
◮
n-heptan ON=0. Lång rak molekyl
◮
isooktan ON=100. Kort kompakt molekyl.
Hur bestäms oktantalet?
2
1
2
−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”.
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
Litet mer om varför kompressionen är begränsad?
RON & MON
Arbetspunkter för ON bestämning
Research
Motor
600 rpm
900 rpm
13◦ BTDC
19 − 26◦ BTDC
fixed
f (rc )
◦
◦
52 C (125 F) 149◦ C (300◦ F)
Inlet temperature
Inlet pressure
1 atm
0.0036-0.0072 kg/kg dry air
Humidity
Coolant temperature
100◦ C
Air to fuel ratio
Adjusted for maximum knock
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
Innehållsförteckning
Motor – Knack
Alla cykler visar att högre kompressionstal ger bättre effektivitet,
vad är problemet?
◮
begränsning på maxtrycket
◮
värmeöverföring dQ 6= 0
◮
ökade emissioner
En dieselmotor har högre kompressionstal än en bensinmotor, och
det är ett av skälen till dieselmotorns högre effektivitet.
Tändningsreglering
Samverkan tänding, moment
Tändning och knack
Motor – Moment
Ytterligare detaljer om Motor
Mer (A/F) Reglering
Jonströmmar
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.
Torque based structure
From engine sensors
and driver requests
Lambda
feedback control
Open loop &
feedforward
fuel manager
*
Injector
hardware
+
Ignition
hardware
Air
manager
Ignition
timing
manager
λ
sensor
Engine torque
Engine
Throttle
Knocksensor
Knock
detection & control
Tändningsreglering – Hårdvara
◮
Tändtidpunkt
◮
Tändenergi
Tändningstidpunkt ←→ Cylindertryck och MFB
Positionerar förbränningen relativt kolvrörelsen och styr
pV-diagrammet
Sex cylindertryck i arbetspunkten 2000 rpm 50 Nm.
Kapacitivt resp. induktivt system, det senare är vanligast.
Capacitive ignition system
Inductive ignition system
Cylinder pressure
30
Ubatt
C
2
R
Spark
Plug
Gap
1
Pressure [bar]
25
1
R
2
Ubatt
L
Spark
Plug
Gap
20
15
10
5
0
−100
−80
−60
−40
−20
0
20
40
60
80
100
120
40
60
80
100
120
Mass fraction burned x
b
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
−100
−80
−60
Var finns tändtidpunkten?
−40
−20
0
20
Crank angle [deg]
Var finns PPP och xb = 0.5?
Tändningstidpunkt ←→ pV-diagram
Bränsleförbrukning–Moment, Tändningstidpunkt och MBT
2.5
50
2
45
Engine Torque [Nm]
Pressure [MPa]
MBT
1.5
1
0.5
0
40
35
30
0
1
2
3
4
Volume [m 3]
5
6
7
25
−35
−30
−25
−20
−4
Tändkrokar – “Ignition Fish Hooks”
−15
−10
−5
0
5
Ignition angle [deg]
x 10
Tändtidpunktens betydelse för emissionerna
Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.
Centrerat runt ∆θ = θign − θign,opt
Mean cylinder temperature
3500
Experimental data for ignition timing efficiency
1.1
3000
1
2500
0.9
T [K]
2000
0.8
ηign
1500
0.7
1000
0.6
500
0.5
0
−200
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
0.4
−30
−20
−10
0
θign−θign,opt
10
20
30
40
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
Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad.
10 konsekutiva cykler
End−gas temperature
900
800
Cycle−to−cycle variations
20
600
500
400
300
−200
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
Ändgastemperaturen för olika tändtidpunkter. Senare tändtidpunkt
ger lägre temperaturer.
Knackreglering
Knackdetektering – Hårdvara
Cylinder pressure [bar]
T [K]
700
15
10
5
0
−100
−50
0
50
Crank angle [deg]
100
150
En cykel med snabb förbränning är mer benägen att knacka.
Knackdetektering – Signalerna
Bandpassfiltrera signalen – Likrikta (eller kvadrera) – Integrera
Tre signaler med ringning i frekvensbandet för cylinderns egenmod.
θign
1.5
Ion sensing
BP
LP
Cylinder pressure
1
EMS
Cylinder pressure
0.5
Ion current
Rectifier
Knock sensor
0
Knock sensor
−0.5
−20
Tidsfönster i vevaxeldomänen och mät energiinnehållet Ei för cykel
i.
−10
0
10
20
Crank angle [deg]
30
40
50
60
Knackreglering
Illustration av knack reglering med justering β nedåt γ uppåt.
20
1
Spark advance [deg]
Vid detektion flytta snabbt bort, gå sedan mot gränsen.
if (Ei > limit)
α=α+β
else
α = min(α − γ, 0)
end
θign = θff + α
β - stor för snabbt skydd
γ - liten för att gå sakta mot gränsen
Knackreglering – Söka sig mot knackgränsen
Ignition advance
Knackreglering – Söka sig mot knack gränsen
0
−1
−2
18
16
14
12
10
−3
0
200
400
Cycle number
600
0
500
1000
1500
Cycle number
2000
Tändtidpunktens betydelse för avgastemperaturen
Medeltemperatur för olika tändtidpunkter.
Mean cylinder temperature
3500
Knackreglering kompenserar för inverkan av parametervariationer.
◮
Omgivningstemperatur
3000
◮
Omgivningstryck vid olika höjder
2500
◮
Oktantal for olika bränslen
◮
Motorernas tillverkningstolerans och åldring
Kompressionsförhållandet kan ökas med 1 enhet.
Återkopplad reglering, jämfört med konservativ kalibrering:
Bränsleförbrukningen reduceras med omkring 7 %. För
turboladdade motorer är vinsterna större.
T [K]
2000
1500
1000
500
0
−200
−150
−100
−50
0
Crank angle [deg]
50
100
150
200
Sen tändning ger högre avgastemperatur.
–Hög last och knack, skydda katalysator med andra motmedel
(λ < 1). –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.
20
Lambda
feedback control
10
0
−5
model
measurement
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Intake manifold pressure [bar]
1.4
1.6
1.8
2
From engine sensors
and driver requests
5
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
Torque based structure
BMEP [bar]
15
Open loop &
feedforward
fuel manager
*
Air
manager
Ignition
timing
manager
Injector
hardware
λ
sensor
Engine
Throttle
+
Engine torque
Knocksensor
Ignition
hardware
Knock
detection & control
Momentstyrning med tändning
Snabb aktuator för moment.
◮
Moment neddragning vid växlingar.
◮
Hjälp vid tomgångsreglering.
◮
Vid ytterligare moment neddrag används “fuel cut”.
Tomgångsreglering med stöd från tändningen
Tomgångsreglering med stöd från tändningen
v [m/s], N [100 rpm]
Första delen av NEDC, tomgångsreglering aktiv.
Två aktuatorer för momentet: luft och tändning.
PID
Me,s
ηign
(10.18)
∆θign
(7.58)
Torque [Nm]
+
+
10
M − long
M − short
50
0
pim − ref
p
im
50
− actual
0
60
θign,opt
∆θ
ign
40
∆θ
ign
[°]
Me,a
N − real
N − idle
v − ref
v − real
20
−50
100
θign
[kPa]
N
Air manager
∆Ma
-
30
0
100
αref
im
+
Me,ref
p
∆Ml
Nref
Me,l
20
0
40
50
60
70
80
90
100
110
time [s]
Innehållsförteckning
Fortsatt analys av arbetsprocessen
Motor – Knack
Tändningsreglering
Ideal Ottocykel, icke idealgas (cp och cv varierar).
Cykeleffektivitet som funktion av φ = 1/λ och rc .
Högre rc ger högre η
0.7
0.7
0.65
Ytterligare detaljer om Motor
0.65
φ=0.1
r =25
c
0.6
0.6
0.55
γ ändras med φ
0.55
φ=1.0
f
Efficiency − η
f
0.5
Efficiency η
Mer (A/F) Reglering
0.45
0.4
Jonströmmar
0.5
Knä vid φ = 1
Jfr momentmodellen
min(1,λ) = min(1, φ1 )
0.45
0.4
r =5
c
0.35
0.35
0.3
0.3
φ=1.5
0.25
0.2
0.25
5
10
15
20
Compression ratio r [−]
c
25
0.2
0
0.5
1
Fuel air ratio φ [−]
1.5
”Fullständig” förbränning
λ-svep – Mätningar på en Ottomotor
Cykel till cykel variationer
45
Fuel constant − Efficiency max
Air constant − Power max
Alla styrvariabler konstanta, lambda reglering urkopplad.
10 konsekutiva cykler
40
35
Cycle−to−cycle variations
Cylinder pressure [bar]
Engine torque [Nm]
20
30
25
20
15
10
5
0
−100
10
5
0.7
15
0.8
0.9
1
1.1
Air/fuel ratio λ [−]
1.2
1.3
−50
0
50
Crank angle [deg]
1.4
Minst variation runt λ = 0.9
Innehållsförteckning
Motor – Knack
45
40
Tändningsreglering
35
Ytterligare detaljer om Motor
Engine torque [Nm]
30
25
Mer (A/F) Reglering
20
15
Jonströmmar
10
5
Fuel constant − Efficiency max
Air constant − Power max
0
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Air/fuel ratio λ [−]
1.2
1.3
1.4
1.5
100
150
Andra regulatorer som påverkar λ
EGR reglering (Exhaust Gas Recirculation)
Varför:
Minska NOx .
Bättre dellastbeteende pi -ökar.
Minska knacktendenserna vid hög last (kyld EGR).
Vad:
Blanda oförbrända gaser med förbrända.
Hur:
Öppna ventil mellan insugssystem och avgassystem.
Avstängd vid tomgång och fullast.
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.
EGR, Purge, PCV.
EMS
EGR
valve
pi
Purge
valve
pcc
λbc
Throttle
Carbon
canister
Fuel tank
Fuel vapor
PCV
orifice
Diagnostic
valve
Air
Öppen styrning, kalibrering. ↔ Återkopplad reglering.
Avdunstningskontoll (Purgeventilreglering)
Varför: HC emissioner.
Vad: Tömmer kolkanistern på
HC.
Hur: Öppna ventilen in till
insugssystemet.
Utmaningar: Hålla λ = 1 och
körbarhet vid ventilöppnandet.
1% volymflöde med HC ⇒
∼20% i λ.
–Binär ventil (svårt).
–Kontinuerlig ventil (lättare).
Avstängd vid tomgång och
fullast.
Avdunstningskontroll & Diagnosventil
Några ytterligare reglerstrategier
Några ytterligare reglerstrategier
200
Knock limited
150
50
0
Innehållsförteckning
Motor – Knack
λ=1
Rough
running
0
Engine Overspeeding – Fuel Cut
Engine Torque [Nm]
λ<1
100
Idle speed control
Kallstart:
Cylinderindividuell λ-reglering
Upprikning vid maxlast
Tomgångsreglering
Övervarvningsskydd
Motorbromsning (overrun)
◦ Emissioner (light-off tid)
◦ Uppfetning
Engine Overrun – Fuel Cut
1000
2000
3000
4000
Engine speed [RPM]
5000
6000
Jonströmmar
Använd tändstiftet när det inte används för tändning
Tändningsreglering
Ignition Coil
HV side
Spark plug
Mer (A/F) Reglering
Secondary
Jonströmmar
Dwell time and
timing control
Iign
Iion
-
Rm +
+
-
Electrons
and ions
Ubatt
Primary
LV side
Umeas
Interpretation
Ytterligare detaljer om Motor
Cam phasing
Misfire detection
Knock intensity
Pre ignition
Coil failure
Plug fouling
Combustion stability
Cylinder balancing
Fuel quality
Lambda
EGR
Cylinder pressure
MFB
PPP
7000
Jonströmmar och cylindertrycket
Innehållsförteckning
Motor – Knack
Oktantal
Oktantal & Knack
Cylinder Pressure − 10 Cycles
3
Pressure [MPa]
2.5
2
1.5
1
0.5
0
−40
−30
−20
−10
0
10
20
30
40
50
60
30
40
50
60
Ionization Current − 10 Cycles
3
2.5
Tändningsreglering
Samverkan tänding, moment
Tändning och knack
Motor – Moment
Current
2
1.5
Ytterligare detaljer om Motor
1
0.5
0
−40
−30
−20
−10
0
10
20
Crank Angle [deg]
Mer (A/F) Reglering
Direkt mätning i cylindern. Återkoppling från förbränningen.
Jonströmmar