Funkce ídící jednotky a optimalizace pístového spalovacího motoru
Kv ten 2012
Ing. Karel Páv, Ph.D.
2 / 29
OBSAH
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor . 2. Filozofie ízení spalovacího motoru. 3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek. 4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek.
3 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor íklad p epl ovaného zážehového motoru
4 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor íklad p epl ovaného vzn tového motoru
5 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor Lambda sonda, lambda regulace 1 0.9 0.8 0.7
U [V]
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.6
0.7
0.8
0.9 1 Lam bda [-]
1.1
1.2
1.3
Ukládání O2 hem chudé fáze CeZrO3 v 3-cestném katalyzátoru:
1 O2 2
CeZrO4
6
ti_lam [%]
4 2 0 -2 -4
Korekce doby vst iku
vls_up, vls_down [V]
-6 1.2
Nap tí na -sond za katalyzátorem
Nernst v lánek Yttria stabilised zirconia (YSZ):
Nap tí na -sond p ed katalyzátorem
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
EN
0.0 0
1
2
3
4
5
time [s]
6
7
8
9
10
pO2 , amb RT ln 4F pO2 ,cav
6 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor Širokopásmová (lineární) lambda sonda (UEGO senzor) pexh pcav Pump cell Nernst cell EN
pamb
Diffusion hole
Ambient reference 1.10
1.05 Lambda [-]
Nernst v lánek je zde využit jako: • Kyslíková pumpa • M ící lánek
(~1000K)
1.00
0.95
0.90 0
5
10
15
20 t [s]
25
30
35
40
7 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor
U [V]
ízení ak ních len PWM Signál
t=konst.
t=konst.
Nosná frekvence: 10Hz – 1kHz
t [s]
8 / 29
1. Senzory a ak ní leny spalovacích motor Solenoidový injektor (Pumpe-Düse)
Piezo injektor (Common Rail)
~250 element
Dosednutí jehly EMG ventilu do sedla
Po átek vst iku
9 / 29
2. Filozofie ízení spalovacího motoru Systém ízení n-alfa
Pedál plynu
Klapka
Otá ky motoru
Základní hodnoty
Kone né hodnoty
Doba vst iku
Doba vst iku
edstih zážehu
Korekce základních hodnot
EGR
edstih zážehu EGR ...
... ené veli iny Teplota vzduchu Intenzita klepání Bohatost sm si Nap tí baterie ...
10 / 29
2. Filozofie ízení spalovacího motoru Systém ízení n-MAP (n-MAF) Základní hodnoty
Model sacího potrubí
Doba vst iku
Otá ky motoru Tlak v sání (MAP)
Množství vzduchu (MAF)
edstih zážehu EGR ...
Teplota vzduchu
ené veli iny
Kone né hodnoty
Teplota vzduchu Intenzita klepání Bohatost sm si
Korekce základních hodnot
edstih zážehu EGR ...
Nap tí baterie
Doba vst iku
...
11 / 29
2. Filozofie ízení spalovacího motoru Momentový model ízení Kone né hodnoty Pedál plynu
Požadovaný moment motoru
Momentový model motoru (p ímý a inverzní)
Otá ky motoru
Klapka Doba vst iku edstih zážehu
ené veli iny
EGR
Tlak v sání ...
Teplota vzduchu Intenzita klepání Bohatost sm si Nap tí baterie ...
12 / 29
2. Filozofie ízení spalovacího motoru Bez momentového modelu ízení Nastavovací leny
ídící funkce
Klapka
Regulace volnob hu
edstih
Oh ev katalyzátoru
Bohatost sm si
Omezova otá ek
Omezova rychlosti
Odpojení vst iku
Kontrola trakce
S momentovým modelem ízení Nastavovací leny
Klapka
edstih
Bohatost sm si
Odpojení vst iku
Momentový model ízení ídící funkce
Regulace volnob hu
Oh ev katalyzátoru
Omezova otá ek
Omezova rychlosti
Kontrola trakce
13 / 29
2. Filozofie ízení spalovacího motoru MDM ízení (Modellbasiertes zylinderDruckgeführtes Motormanagement) ené Messgrößen Messgrößen veli iny Lambda_ist
-
Auswertung Zpracování Auswertung Adaption Adaption WandfilmWandfilmmodell modell
ídící Kenngrößen Kenngrößen veli iny KraftstoffKraftstoffmodell modell /
Lambda_soll
WandfilmWandfilmmodell modell Drosselklappenwinkel
mKWF_i Luftmasse aus Vorsteuermodell mL_VS_i
w_DK
Laufruhe
Umgebungsdruck pUmg
Regulované Stellgrößen Stellgrößen veli iny
Regelung Regulace Regelung Kraftstoffdampfdruck (Kraftstoffmodel) pDF
mKVBr_i Kraftstoffmasse Brennraum
x
Kraftstoffmasse mKEV_i
über EV
LED
Kraftstoffmasse aus Wandfilm
Sensorkopf ASIC Lichtleiter
KaltstartKaltstartoptimierung optimierung
Photodiode opto-elektronische Einheit
AGR-Ventilpositionskorrektur w_AGR_K
AGR-Regelung AGR-Regelung
Temperatur Motor tmot Temperatur Ansaugluft tans
Zylinderdruck pz_i
ZylinderZylinderdruckdruckauswertung auswertung
Mitteldruck Pmi_i mRG_Z_i Restgasmasse w_SL_i Schwerpunktlage
Fehler Verbrennungsaussetzer E_ASE_i
AussetzerAussetzererkennung erkennung LeerlaufLeerlaufregelung regelung SchwerpunktSchwerpunktlageregelung lageregelung
Drosselklappenwinkelkorrektur
w_DK_K
-
Zündwinkelkorrektur w_ZW_K_i
Druck
Kurbelwinkel w_KW
I_KL_i Klopfintensität
Klopfregelung Klopfregelung
Lichtleiter
Membran
Bedingung Leerlauf B_LL
Abstand (d)
14 / 29
3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek íklad pro výpo et korekce p edstihu zážehu p i startu Množství vzduchu ve válci
Otá ky motoru Teplota chladící kapaliny
Teplota nasávaného vzduchu
Tlak okolí
15 / 29
3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek
16 / 29
3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek
17 / 29
3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek
18 / 29
3. Nástroje pro kalibraci ídících jednotek
Vývoj kalibra ních systém pro atmosférické zážehové motory 25000
Po et ídících konstant, 1D, 2D a 3D polí Po et m ených veli in 20000
15000
10000
5000
0 1998
2001
2004
2006
2009
2010
19 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Vzn tové motory Turbo Diesel Common Rail
20 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Vzn tové motory • Hlavními sledovanými parametry jsou m rná spot eba paliva, emise NOx, kou ivost a hluk. • Dalšími sledovanými veli inami jsou teplota výfukových plyn , otá ky turbodmychadla, maximální spalovací tlak a ostatní složky emisí výfukových plyn . • Vždy se jedná o nalezení kompromisního nastavení. 6
NOx [g/kWh]
5 4 3 2 1 0 6
Kourivost [-]
5 4 3 2 1 0
BSFC [g/kWh]
260 255 250 245 240 235 230 2
3
4
5
6
7
8
9
Pocatek vstriku [°KH pred HU]
10
11
12 0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
EGR[%]
15.0
17.5
20.0
22.5 1.98
2.00
2.02
2.04
2.06
2.08
Lambda [-]
2.10
2.12
2.14
21 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Vzn tové motory - indikátorové diagramy 100
áste né zatížení
70
1400
100
60
1200
90
80
50
1000
70
40
800
30
600
20
400
10
200
90
80
50
PCYL [bar]
I [J]
60
Q [J/°KW]
PCYL [bar]
70 60 50 40 30
40
20
0
30
0
-10
10 0
-200
20
-40
-20
0
20 40 60 Crank Angle [deg]
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Volume
10 0 -360
-270
-225
-180
-135
-90
-45 0 45 Crank Angle [deg]
90
135
180
200
180
80
2000
180
160
70
1750
160
60
1500
140
50
1250
40
1000
30
750
100
I [J]
120
PCYL [bar]
2250
Q [J/°KW]
90
140
225
270
315
360
Plné zatížení
200
PCYL [bar]
-315
120 100 80
20
500
60
80
10
250
40
60
0
0
20
-10
40
0
-250 -40
-20
0
20 40 60 Crank Angle [deg]
80
100
120
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Volume
20 0 -360
-315
-270
-225
-180
-135
-90
-45 0 45 Crank Angle [deg]
90
135
180
225
270
315
360
22 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Mezicyklová variabilita spalovacího procesu Vzn tový motor
Zážehový motor
200
90
180
80
160
70 60
120
PCYL [bar]
PCYL [bar]
140
100 80
40
20
20
10
0
0 -360 -315 -270 -225 -180 -135 -90
-45 0 45 90 Crank Angle [deg]
135 180 225 270 315 360
-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90
190
80
180
70
PMAX [bar]
PMAX [bar]
40 30
60
170 160
= 0,7 bar * = 0,4 %
150 140
-45 0 45 90 Crank Angle [deg]
135 180 225 270 315 360
60 50
= 4,2 bar * = 7,2 %
40 30
= 0,1 bar * = 0,4 %
25.0
= 0,1 bar * = 1,0 %
13.0 IMEP [bar]
25.5 IMEP [bar]
50
24.5 24.0 23.5
12.5 12.0 11.5 11.0
0
10
20
30
40
50 Cycle
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50 Cycle
60
70
80
90
100
23 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Zážehové motory [-]
1.20
265
1.15
100 8 0.8 92 0.
9 0 .9
60
[-]
96
4
270
0
1.05
6
0. 9
0.
8
27
1.10 0.8
0
0. 9
0. 9
80 M [Nm]
BSFC [g/kWh]
120
280
280
1.00
290
29 0
0.95
300
300
0.90
40
320
3 20
0.85 350
35 0
20
0.80 10
15
20
25
30
35
40
45
IGN [°KH]
0 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
n [1/min]
120
120
BSFC [g/kWh]
IGN
100
100
[°KH]
15
10
15
250
270
270
280 290
280 290
40
300
60
30
30 0
40
320
320
30
350
350
20
25
35
60
20
25
0 26
260
20
80
0 25
M [Nm]
M [Nm]
80
400
400
20
500
35
500
0
0 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
n [1/min]
4000
4500
5000
5500
6000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
n [1/min]
4000
4500
5000
5500
6000
24 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek 45
40
40
35
35
30
30 PCYL [bar]
45
25
20
25
20
15
15
10
10
5
5
0
0 -315 -270
-225
-180 -135
dQ d
-90
1 1
-45 0 45 Crank Angle [deg]
90
dV p d
135
180
225
270
315
360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Volume
dp V d
Doporu ené hodnoty : Použití
1,32
Zážehové motory s vn jším tvo ením sm si
1,35
Zážehové motory s p ímým vst ikem paliva
1,37
Vzn tové a plynové motory
90
1800
80
1600
70
1400
60
1200
50
1000
40
800
30
600
20
400
10
200
0
0 -40
-20
-0
20 40 Crank Angle [deg]
60
80
Q [kJ/m3]
-360
dQ [kJ/m3deg]
PCYL [bar]
Zážehové motory – vliv polohy ho ení
25 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Zážehové motory – vliv polohy ho ení
íklad m ení sníma em momentu s rychlou odezvou
90
1800
80
1600
70
1400
60
1200
50
1000
40
800
30
600
20
400
10
200
75
M [Nm]
Q [kJ/m3]
65 60 55 50
Optimální poloha t žišt ho ení: 5-10°KH
Q50%
45
0
0 -35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0 5 10 Crank Angle [deg]
15
20
25
30
35
40
45
-10
50
-5
0
5
10
15
Q50%
20
25
30
35
[deg]
75
40 35
70
30
65
25 M [Nm]
[deg]
-40
Pmax
dQ [kJ/m3deg]
70
20 15
60 55
10
50
5
Optimální poloha maxima tlaku: 10-15°KH 45
0 -10
-5
0
5
10 Q50%
15 [deg]
20
25
30
35
0
5
10
15
20 Pmax [deg]
25
30
35
40
26 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek Propojení s ídícím systémem brzdového stanovišt Analogové signály tlaku
TCP/IP FireWire
IndiCom
Puma
Senzory a ak ní leny
ené veli iny
Inca ETK CAN
ASAM - Association for Standardization of Automation and Measuring Systems MCD - Measuring Calculation Diagnostics
TCP/IP
27 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek DoE – Design of Experiment vody použití: • Redukce optimaliza ního asu, resp. po tu m ených bod • Optimaliza ní nástroj pro víceparametrické systémy • Možnost plné automatizace procesu • Možnost transportu optimalizovaných polí p ímo do ídící jednotky motoru
Stru ná charakteristika metody: • Matematický popis chování víceparametrického systému • Zjišt ní koeficient polynomu regresním po tem ze zm ených bod • Nalezení optimálního nastavení motoru
28 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek
mpal
R=2
R=1
mpal
mpal
DoE – Design of Experiment
ign ign
m pal
A B
ign
C
D
ign
E
2 ign
2 ign
F
m pal
a bx1 cx2 n
dx3 ex4
x1
x2
x3
x4
x1
x1 x1
x2 x1
x3 x1
x2
x1 x2
x2 x2
x3
x1 x3
x4
x1 x4
ign
c
2 ign
a d e b f g c h i
Regrese - Metoda nejmenších tverc y
a b
y
x4 x1
a b
yx1
x3 x2
x4 x2
c
yx2
x 2 x3
x3 x3
x4 x3
d
yx3
X … po et neznámých
x2 x4
x3 x4
x4 x4
e
yx4
R
P
X
Ri 1 i 1
ád polynomu
P … po et parametr
29 / 29
4. Kalibrace (optimalizace) ídících jednotek DoE – Design of Experiment Pre-processing • Vytvo ení matice zkoumaných režim motoru • Zadání rozsahu m ných parametr • Zadání zakázaných kombinací parametr • Zadání ádu polynom popisujících vliv m ných parametr • Zadání limitních hodnot m ených veli in Processing • On-line sledování procesu m ení • Automatické rozší ení o nové m ené body z cílem zvýšit kvalitu modelu • Automatické hledání okrajových stav • Automatická validace zm ených dat Post-processing • Odstran ní neplausibilních zm ených hodnot • Konkretizace matematického popisu chování víceparametrického systému • Optimalizace regula ních parametr s užitím váhových faktor výstupních veli in pro každý pracovní bod motoru nebo pro celý jízdní test vozu (NEDC (MVEG), FTP, HWFET, JC, ...) • Export optimalizovaných ídících polí p ímo do ídící jednotky motoru
