Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 1, pp (2008) Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT ANDRZEJ MRUK *, ZBIGNIEW PAWELSKI **, TOMASZ PAŁCZYSKI ** * Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych ** Politechnika Łódzka, Instytut Pojazdów, Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn W pracy zaprezentowano koncepcj sterowania układu napdowego pojazdu z silnikiem o ZS i przekładni bezstopniow CVT. W tym układzie obcienie silnika nie jest wprost proporcjonalne do połoenia pedału przyspieszenia. Połoenie pedału przyspieszenia jest interpretowane jako informacja o woli kierowcy, o zadanej prdkoci pojazdu i sposobie jej osignicia (jazda dynamiczna, ekonomiczna), czyli wyborze strategii jazdy. Obecne uwarunkowania ekologiczne, tj. normy EURO 3,4,5 wymagaj, by odpowiadajce im strategie jazdy były realizowane ekologicznie. Decyzja o wyborze przełoenia i stopniu obcienia silnika (proporcjonalnym do wielko- ci dawki oleju napdowego, 100% dla dawki maksymalnej) jest podejmowana w sterowniku nadrzdnym, poza kierowc, pozwalajc ostatecznie na ekonomiczn i ekologiczn prac całego układu napdowego. 1. Wstp Przekładnia bezstopniowa, ze wzgldu na moliwo cigłej zmiany przełoenia, wprowadza do układu napdowego dodatkowy stopie swobody. Umoliwia pełne wykorzystanie mocy silnika wg hiperboli stałej mocy na wykresie trakcyjnym pojazdu, w przeciwiestwie do układów ze stopniow zmian przełoenia. W zwizku z tym moliwe jest przyspieszanie pojazdu dziki cigłej zmianie przełoenia, przy stałej prdkoci ktowej silnika. Stopie obcienia silnika zapewnia wtedy wymagan dynamik pojazdu dziki nadwyce momentu obrotowego silnika w porównaniu do momentów oporów zredukowanych na wałek sprzgłowy przekładni CVT. Mona przyj róne wartoci stałej prdkoci ktowej silnika dla rónych strategii rozpdzania pojazdu: Jazda dynamiczna silnik powinien jak najszybciej osign prdko ktow momentu maksymalnego i moliwie długo utrzyma t prdko w procesie rozpdzania. Jazda ekonomiczna praca silnika w obszarach niskiego jednostkowego zuycia paliwa. Jazda ekologiczna praca silnika w obszarach niskiej toksycznoci spalin, patrz [1].

2 70 A. Mruk, Z. Pawelski, T. Pałczyski 2. Model układu napdowego z przekładni bezstopniow W pracach [2, 3] przedstawiono model układu napdowego z przekładni bezstopniow CVT. Do modelu silnika wykorzystano charakterystyki silnika VW1.9TDI typ AJM, wyznaczone na podstawie bada na hamowni silnikowej firmy Schenck w Instytucie Pojazdów, Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Łódzkiej. Punkty tych charakterystyk okrelono dla stanów ustalonych, tj. bez uwzgldnienia dynamiki przejcia od jednego punktu pomiarowego do kolejnego. Jako stopie obcienia silnika przyjto (w procentach) wielko dawki paliwa w odniesieniu do jej wartoci dla mocy maksymalnej. Przedstawienie charakterystyki uniwersalnej obcienia silnika w układzie trójwymiarowym (moment obrotowy silnika jako funkcja jego prdkoci ktowej i stopnia obcienia) jest nasz propozycj do realizacji bada symulacyjnych silnika w danym układzie napdowym. Charakterystyka uniwersalna oraz połczone z ni charakterystyki toksycznoci spalin to tzw. mapy robocze modelu symulacyjnego. Znajomo w danej chwili prdkoci ktowej silnika i jego stopnia obcienia umoliwia odczyt momentu obrotowego, a take warto emisji wybranego składnika toksycznego spalin z ww. map roboczych. Model przekładni bezstopniowej zbudowano dla warunków stacjonarnych z uwzgldnieniem tarcia kulombowskiego, natomiast jej dynamik oparto na modelu Ide [4], w którym współczynnik tarcia i sprawno wprowadzono do modelu w postaci trójwymiarowych map, zbudowanych w oparciu o wyniki bada eksperymentalnych z pracy [4]. 3. Koncepcja układu sterowania zintegrowanym układem napdowym z przekładni bezstopniow Dla proponowanego układu sterowania wielkoci wejciowe i wyjciowe, (rys. 1), mona scharakteryzowa nastpujco: a) V ZAD prdko pojazdu zadana, wynika z załoonego cyklu jazdy, moe to by wybrany test toksycznoci spali (np. ECE, FTP) lub jego cz (np. rozpdzanie z zadanym przyspieszeniem do prdkoci 28 m s (100 km h ) ). ω prdko ktowa silnika zadana, wynika z moliwoci utrzymania jej wartoci na stałym poziomie dziki zastosowaniu przekładni CVT, której warto mona uzaleni od kryteriów wynikajcych ze strategii jazdy (ekonomiczna, ekologiczna, dynamiczna). T opory ruchu, stanowi obcienie układu napdowego, wynikajce głównie z oporów powietrza, wzniesienia i sił bezwładnoci. V prdko pojazdu zrealizowana przez model symulacyjny, b) ZAD c) OP d) POJAZDU e) ω SILNIKA prdko ktowa silnika zrealizowana przez model symulacyjny.

3 Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT 71 T OP Rys. 1. Przyjte wielkoci wejciowe (linia cigła-wielko sterujca) i wyjciowe (linia przerywanawielko sterowana) w rozpatrywanym układzie napdowym. Fig. 1. Assumed input quantities (continuous line-steering quantity) and output (dashed line- steered quantity) at considered powertrain. Ww. wielkoci, ze wzgldu na sterowanie układem, mona podzieli na wejciowe-zadane (a-c, linia cigła) i wyjciowe-sterowane (d, e; linia przerywana), pomidzy którymi istniej zalenoci nieliniowe. Prezentowany układ regulacji posiada nastpujce zmienne sterowane: a) stopie obcienia silnika [%], b) przełoenie przekładni CVT [-]. Warto przełoenia przekładni CVT wpływa na zmian prdkoci ktowej silnika, a take na jego obcienie, natomiast stopie obcienia silnika wpływa na jego moment obrotowy. Zmienne sterowania s nazywane stopniami swobody układu [5, 6]. Dla porównania, klasyczny, stopniowy układ napdowy posiada jeden stopie swobody, stopie obcienia silnika, którego obszar działania rozszerzaj kolejne przełoenia. Moment obrotowy silnika jest sterowany stopniem obcienia silnika w celu osignicia załoonego przebiegu prdkoci pojazdu, a prdko ktowa silnika jest wielkoci wynikow. Moliwa tu jest skokowa zmiana prdkoci ktowej silnika w ramach zmiany dostpnych stopniowych przełoe. Cigła zmiana przełoenia przekładni CVT, jako dodatkowa zmienna sterowana (stopie swobody), umoliwia w ramach dostpnego zakresu przełoe przekładni bezstopniowej, kontrolowanie prdkoci ktowej silnika. Prdko ktowa silnika moe by utrzymywana na stałym poziome, w ramach rozpitoci przełoe przekładni CVT, wynikajcym z przyjtego sposobu jazdy. Moment obrotowy silnika, podobnie jak w układzie klasycznym, sterowany jest stopniem jego obcienia w celu osignicia załoonego przebiegu prdkoci. 4. Budowa modelu układu napdowego Powyej zaproponowana koncepcja układu sterowania została zrealizowana przy uyciu modelu symulacyjnego w programie Matlab R2008b Simulink, którego schemat przedstawia rysunek 2. W układzie regulacji ze sprzeniem zwrotnym wykorzystano dwa (zgodnie z liczb stopni swobody układu) regulatory PID (rys. 2). Parametry regulatorów zostały dobrane na drodze eksperymentu numerycznego w taki sposób, by układ sterowania był uniwersalny dla rónych zadanych przebiegów prdkoci (wynikajcych z testów

4 72 A. Mruk, Z. Pawelski, T. Pałczyski toksycznoci spalin: NEDC, FTP75, FTP72). Parametry regulatorów, które zapewniły przejazd pojazdu, z błdem odwzorowania prdkoci nieprzekraczajcym 10% w ramach ww. trzech cykli uznano za prawidłowe, zapewniajce uniwersalno układu sterowania. e V e ω Rys. 2. Schemat sterowania układem napdowym do budowy modelu w programie MatlabR2008a/Simulink. Fig. 2. Powertrain steering schema used at modeling with MatlabR2008a/Simulink. W omawianym układzie mamy dwie linie sterowania: 1. Sterowanie momentem obrotowym silnika przez zmian stopnia obcienia silnika. Na podstawie zadanego przyspieszenia pojazdu okrelono wymagan warto prdkoci pojazdu, która stanowi warto zadan dla rozpatrywanej linii sterowania. Porównujc warto tej prdkoci V ZAD z jej aktualn wartoci V POJAZDU wyznaczono uchyb regulacji e V, na podstawie którego w regulatorze PID obliczane jest wzmocnienie bdce stopniem obcienia silnika (%). Moment obrotowy silnika zmienia si tak, by zapewni wymagan prdko pojazdu. 2. Sterowanie prdkoci ktow silnika przez zmian przełoenia przekładni bezstopniowej CVT. Porównujc warto prdkoci ktowej silnika ω SILNIKA z zadan ω ZAD wyznaczono uchyb regulacji e ω, na podstawie którego w regulatorze PID obliczane jest wzmocnienie odpowiadajce przełoeniu przekładni bezstopniowej CVT. Przełoenie

5 Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT 73 przekładni bezstopniowej zmienia si tak, e zapewnia moliwie dług (w ramach rozpitoci przełoe przekładni CVT) prac silnika ze stał zadan prdkoci ktow. 5. Wyniki bada symulacyjnych Badania symulacyjne przeprowadzono dla wielu wariantów przebiegu prdkoci zadanej i rónych wartoci zadanej prdkoci ktowej silnika. W poniszej pracy zaprezentowano wybrane cztery warianty pracy modelu, które obrazuj podstawowe własnoci opisywanego układu sterowania, potwierdzaj jego prawidłowo. Poniej na rysunku 3 przedstawiono wyniki procesu rozpdzania pojazdu dla omawianego układu sterowania w czterech wariantach: a) utrzymanie stałej prdkoci ktowej silnika na poziomie 150 [rad/s] strategia minimalnej emisji NO X, b) utrzymanie stałej prdkoci ktowej silnika na poziomie 175 [rad/s] strategia jazdy dynamicznej, c) utrzymanie stałej prdkoci ktowej silnika na poziomie 275 [rad/s] strategia jazdy z minimaln emisj CO, d) utrzymanie stałej prdkoci ktowej silnika na poziomie 315 [rad/s] strategia z minimaln emisj CH. Przyjto czas rozpdzania pojazdu od prdkoci 0 [m/s] do 30 [m/s] ( 100 km ) h równy 24 s. Jak przedstawiono na rysunku 3, układ sterowania reaguje na zmian poziomu stałej prdkoci ktowej silnika. Niezalenie od wyboru poziomu prdkoci ktowej, krzywa narastania tej wielkoci jest nachylona do osi prdkoci pojazdu pod stałym ktem. Na rysunkach 3a i 3b widoczne jest niewielkie przeregulowanie prdkoci ktowej silnika, które mona zmniejszy wprowadzajc zmienne parametry regulatora, w funkcji stałej wartoci prdkoci ktowej silnika. W pocztkowej fazie ruszania pojazdu widoczny jest spadek prdkoci ktowej silnika, wynikajcy z procesu załczania sprzgła ciernego (strzałka na rys. 3a). Warto przyjtej stałej prdkoci ktowej silnika wpływa na strategi jazdy (np. ekonomiczna, dynamiczna). Przykładowo: utrzymanie stałej prdkoci ktowej silnika w pobliu maksymalnego momentu obrotowego zapewnia maksymaln dynamik pojazdu (rys. 3b). Dla porównania, na rysunku 4 przedstawiono przebieg zmiennoci prdkoci ktowej silnika pojazdu z silnikiem o ZI, wyposaonego w przekładni CVT z pracy [7]. Jak wida prdko ktowa silnika zmienia si w podobny sposób jak w opisywanym modelu. Strategia jazdy dynamicznej wydaje si by take podobna z powyej przedstawion. Rysunek 5 przedstawia przykładowe przebiegi zmiany przełoenia całkowitego w funkcji prdkoci pojazdu dla opisywanej próby.

6 74 A. Mruk, Z. Pawelski, T. Pałczyski a) b) c) d) Rys. 3. Przebieg prdkoci ktowej silnika w funkcji prdkoci pojazdu z utrzymaniem jest stałej wartoci na poziomie a)150 [rad/s], b) 175 [rad/s], c) 275 [rad/s], d) 315 [rad/s]. Fig. 3. Engine angular velocity course as the vehicle velocity function with constant holding this value at level: a) 150 [rad/s], b) 175 [rad/s], c) 275 [rad/s], d) 315 [rad/s]. Prdko ktowa silnika, rad.s Strategia E D Prdko samochodu, m.s -1 Rys. 4. Przebieg prdkoci ktowej silnika w funkcji prdkoci pojazdu dla dwóch strategii sterowania D-dynamiczna, E-ekonomiczna z pracy [7]. Fig. 4. Engine angular velocity courses as the vehicle velocity function for two steering strategies D-dynamic, E-economic from [7].

7 Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT 75 a) b) c) d) Rys. 5. Przebieg przełoenia całkowitego w funkcji prdkoci pojazdu z utrzymaniem jest stałej wartoci na poziomie: a) 150 [rad/s], b) 175 [rad/s], c) 275 [rad/s], d) 315 [rad/s]. Fig. 5. Total shift course as the vehicle velocity function with constant holding this value at level: a) 150 [rad/s], b) 175[ rad/s], c) 275 [rad/s], d) 315 [rad/s]. Jak wida krzywa przełoenia zmienia si w zalenoci od przyjtej wartoci stałej prdkoci ktowej silnika. Dla porównania na rysunku 6 przedstawiono dwa wykresy zmiany przełoenia w funkcji prdkoci pojazdu z prac [5, 6], potwierdzajce uzyskane wyniki zaprezentowane na rysunku 5. W pracy [8] (rys. 6a), przewidziano otrzymany w badaniach symulacyjnych przebieg zmiennoci przełoenia w funkcji prdkoci pojazdu. Take w pracy [7], (rys. 6b), odnajdujemy podobne potwierdzenie. Porównujc rysunki 3, 5 i 6 moemy wyróni nastpujce fazy pracy sterowania układem napdowym z przekładni CVT: 1. FAZA I rozpdzanie pojazdu przy stałym przełoeniu, w tej fazie silnik osiga załoon (zadan) prdko ktow silnika. 2. FAZA II rozpdzanie pojazdu przy stałej prdkoci ktowej silnika, w tej fazie nastpuje cigła zmiana przełoenia przy stałej (zadanej) prdkoci ktowej silnika. 3. FAZA III rozpdzania pojazdu przy stałym przełoeniu (maksymalnym), w tej fazie nastpuje zmiana prdkoci ktowej silnika od wartoci zadanej do maksymalnej.

8 76 A. Mruk, Z. Pawelski, T. Pałczyski Zwikszajc warto zadanej stałej prdkoci ktowej silnika zwiksza si zakres FAZY II. Zaleno ta ma charakter kinetyczny, a jej wystpienie stanowi dodatkowy argument potwierdzajcy prawidłowo zbudowanego modelu a) b) Przełoenie całkowite [-] Prdko samochodu, m.s -1 Rys. 6. Przebieg przełoenia całkowitego w funkcji prdkoci pojazdu: a) z utrzymaniem stałej prdkoci ktowej silnika [6], b) dla dwóch strategii rozpdzania pojazdu [7](E jazda ekonomiczna, D jazda dynamiczna). Fig. 6. Total shift course as the vehicle velocity function: a) With constant engine velocity holding [6], b) for two strategies of vehicle acceleration [7] (E- economy drive type, D-dynamic drive type). 6. Wnioski 1. Ze wzgldu na fakt, e wyniki naszych bada symulacyjnych znalazły swe potwierdzenie w pracach [4 9], prezentowan propozycj mona uzna za wysoce prawdopodobn. 2. Znamienn cech prezentowanego układu jest uzyskanie trzech charakterystycznych faz pracy, które s efektem nieliniowych własnoci modelu. Planowane dalsze prace: 1. Przewiduje si okrelenie wpływu wyboru wartoci stałej prdkoci ktowej silnika na wskaniki ogólne pracy układu napdowego, takie jak przebiegowe zuycie paliwa, toksyczno spalin, a take ograniczenia, jakie wynikaj z tak przyjtego algorytmu sterowania. 2. Zaproponowanie procedury wykorzystania prezentowanego układu do tworzenia map sterowania. Przewiduje si moliwo zbudowania mapy sterowania silnikiem (stopie obcienia silnika jako funkcja prdkoci pojazdu, połoenia pedału przyspieszenia) i przekładni bezstopniow (przełoenie przekładni jako funkcja prdkoci pojazdu i połoenia pedału przyspieszenia).

9 Koncepcja sterowania układem napdowym z przekładni CVT 77 Literatura [1] PAWELSKI Z., PAŁCZYSKI T.: Linie optymalne sterowania silnikiem. Archiwum Motoryzacji 1/2007. [2] PAWELSKI Z., PAŁCZYSKI T.: Wpływ krzywej sterowania przekładni CVT na zuycie paliwa i emisj spalin układu napdowego z silnikiem o ZS w cyklu ECE. KONES [3] PAWELSKI Z., PAŁCZYSKI T.: Model przekładni bezstopniowej z uwzgldnieniem tarcia kulombowskiego. Badanie symulacyjne w technice motoryzacyjnej, Susiec [4] VROEMEN B. G.: Component Control for the Zero Inertia Powertrain. CIP-DATA Library Technische Universiteit Eidhoven. [5] CARBONE G., MANGIALARDI L., VEENHUIZEN P.A.: Dynamics of CVT: comparison between theory and experiments. 12 th IFToMM World Congress, Besancon (France), June 18-21, [6] TENBERGE P.: Power transmission in continuously variable chain-gears a new mathematical model for very fast calculation of chain forces, clamping ratio, slip, and efficiency, [7] JANTOS J.: Zintegrowane sterowanie samochodowym spalinowym układem napdowym o przełoeniu zmiennym w sposób cigły. Monografia Politechniki Opolskiej, [8] D BICKI M.: Teoria samochodu, teoria napdu. WNT, Warszawa [9] BRACE C.J., DEACON M., VAUGHAN N.D., BURROWS C.R.: Operating point optimizer for integrated diesel CVT powertrain. Application of Powertrain and Fuel Technologies to Meet Emissions Standards for the 21st Century, Seminar code C517, June Conception of a powertrain with CVT steering S u m m a r y In this paper there was presented conception of Powertrain with diesel engine and CVT transmission steering. In the described system, engine load is not proportional directly to the acceleration pedal position. Acceleration pedal position is interpreted as driver will according to demanded vehicle speed and the way of achievement of it (dynamic drive, economic drive), it means, drive strategy choose. Nowadays, ecologic conditions, EURO 3, 4, 5 norms, require from appropriate drive strategies to be realized in ecological way. Shift ratio decision and engine load (proportional to the fuel dose, 100% for maximal dose) is taken at master CPU, besides of driver, enabling for economic and ecologic whole powertrain work. Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2007/2008 jako projekt badawczy rozwojowy o nr N /3749 (grant promotorski)