ENGINE TORQUE AND SPEED CONTROL IN PASSENGER CAR POWER TRAIN

Transkrypt

1 Journal of KOES Internal Combustion Engines o. ISS 3 45 EGIE ORQUE AD SPEED COROL I PASSEGER CAR POWER RAI Jerzy Jantos Politechnika Opolska Mikołajczyka 5, 45-7 Opole jantos@po.opole.pl, tel , fax Abstract he integrated control in passenger car power train demands a collaboration between an automatic algorithm and the driver. Elaborated control space method solves the problem with the greatest autonomy for the automatic algorithm. he driver s control on vehicle longitudinal acceleration and its speed is kept. Control algorithm designed with use of this method was identified in simulation experiments. he results show that the power train characteristic is improved. SEROWAIE MOMEEM OBROOWYM I PRĘDKOŚCIĄ KĄOWĄ WAŁU KORBOWEGO SILIKA ZI W SAMOCHODOWYM UKŁADZIE APĘDOWYM Streszczenie Zintegrowane sterowanie w układzie napędowym samochodu osobowego wymaga opracowania metody współdziałania algorytmu automatycznego z człowiekiem kierującym samochodem. Opracowana metoda przestrzeni sterowań rozwiązuje ten problem w sposób zapewniający maksymalną autonomię dla algorytmu automatycznego. Jednocześnie zachowuje ona niezbędny poziom kontroli kierowcy nad przyspieszeniem i prędkością liniową samochodu. Zaprojektowany przy wykorzystaniu tej metody algorytm sterowania momentem obrotowym i prędkością kątową wału korbowego silnika ZI zidentyfikowano za pomocą badań symulacyjnych. Uzyskane wyniki dowodzą korzystnej zmiany charakterystyki bezstopniowego układu napędowego. OZACZEIA i g przełożenie przekładni głównej, i max przełożenie maksymalne w układzie przeniesienia napędu i min przełożenie minimalne w układzie przeniesienia napędu i p przełożenie przekładni bezstopniowej, i t przełożenie teoretyczne w bezstopniowym układzie przeniesienia napędu, M t teoretyczny moment obrotowy silnika, m ef moc silnika dla krzywej efektywnej, kw t teoretyczna moc silnika, kw α wymagana moc napędowa, kw v prędkość liniowa samochodu, m/s α wychylenie pedału przyspieszenia, % Θ uchylenie przepustnicy, % ω prędkość kątowa wału korbowego, rad/s minimalna prędkość kątowa wału korbowego, rad/s ω min WYKAZ SKRÓÓW DPK dolna graniczna prędkość kątowa wału korbowego EPK efektywna prędkość kątowa wału korbowego ESC engine speed control (sterowanie prędkością kątową wału korbowego) 89

2 ESR engine speed regulation (regulacja prędkości kątowej wału korbowego) EC engine torque control (sterowania momentem obrotowym silnika) engine torque and speed control (sterowanie momentem obrotowym i prędkością kątową wału korbowego silnika) GPK górna graniczna prędkość kątowa wału korbowego HS hamowanie silnikiem KD Kick Down MPK minimalna prędkość kątowa MPS maksymalna prędkość kątowa wału korbowego PS najmniejsza prędkość kątowa wału korbowego POD prędkość odcinania dawki paliwa PRU prędkość liniowa ruchu ustalonego SDOS symulator drogowego obciążenia silnika SP stała wartość przełożenia w układzie napędowym UP układ przeniesienia napędu WP wzrost przełożenia w układzie napędowym ZP zmniejszanie przełożenia w układzie napędowym. WPROWADZEIE Rola człowieka kierującego samochodem w zintegrowanym systemie sterowania układem napędowym [,,7,8] powinna ograniczać się wyłącznie do sterowania prędkością ruchu. Założenie takie wymaga opracowania odpowiedniej metody współdziałania kierującego samochodem człowieka z automatycznym układem sterowania. Szczegółowe rozwiązania zawarte w tej metodzie mają bardzo duże znaczenie. Kierujący samochodem Sterowanie prędkością (położenie pedału przyspieszenia) Sterownik układu napędowego (wymagna moc napędowa) Algorytm Sterowanie parametrami eksploatacyjnymi Wymagana prędkość kątowa (ESC) Wymagane położenie przepustnicy (EC) Sterownik upn Sterowanie sprzęgłem oraz przekładnią Prąd sterujący elektrozaworami Sterownik silnika Sterowanie przepustnicą, wtryskiem oraz zapłonem Położenie przepustnicy. dawka paliwa, kąt wyprzedzenia zapłonu Układ napędowy Rzeczywista prędkość kątowa Rzeczywisty moment obrotowy Samochód Rzeczywista siła napędowa Prędkość samochodu Otoczenie 9

3 Rys.. Zintegrowany system sterowania układem napędowym Z jednej strony muszą gwarantować niezbędny poziom kontroli kierującego nad prędkością liniową i przyspieszeniem samochodu, z drugiej zaś zapewniać jak największą autonomię działania dla układu automatycznego. ym samym, w zintegrowanym systemie sterowania układem napędowym, bezpośredni wpływ kierującego człowieka na którykolwiek z obiektów wchodzących w skład rozpatrywanego systemu jest wykluczony. Strukturę zintegrowanego systemu sterowania układem napędowym, rozważanego w ramach tego opracowania przedstawiono za pomocą schematu blokowego (rys.). Podstawową, niezależną wielkością wejściową jest w rozważanym systemie położenie pedału przyspieszenia (PP). ie przekłada się ono jednak bezpośrednio na stan jakiegokolwiek układu wykonawczego. W sterowniku układu napędowego sygnał położenia PP jest wielkością wejściową algorytmu sterowania momentem obrotowym i prędkością kątową wału korbowego silnika (engine torque and speed control ). Algorytm obejmuje zbiór tych procedur, których zadaniem jest opracowanie szczegółowych zadań dla układów sterujących podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi silnika. Ze schematu (rys.) wynika, że system sterowania zintegrowanego odznacza się równoległym przepływem sygnałów. Możliwe jest, zatem niezależne sterowanie momentem obrotowym (engine torque control EC, realizowane w silniku ZI za pomocą zmian położenia przepustnicy) jak i prędkością kątową wału korbowego (engine speed control ESC, realizowane za pomocą zmian przełożenia w układzie przeniesienia napędu).. PRZESRZEŃ SEROWAŃ SAMOCHODOWEGO UKŁADU APĘDOWEGO Problem współpracy algorytmu automatycznego sterującego pracą układu napędowego, z kierującym samochodem człowiekiem jest jednym z najważniejszych, wymagających rozwiązania zagadnień. a możliwość zróżnicowanej interpretacji ruchu i położenia PP wskazano już w pracach [4,5]. Jednak traktowanie położenia PP jako kategorycznego żądania jakiejkolwiek wielkości (momentu obrotowego, siły napędowej, przyspieszenia wzdłużnego) byłoby zbędnym ograniczeniem elastyczności sterowania. W celu zagwarantowania możliwie jak największej swobody działania układu automatycznego opracowano specjalną metodę rozpoznawania zamiarów kierującego samochodem człowieka i ich przetwarzania na szczegółowe zadania sterowania. Metodę tę zilustrowano na przykładzie syntezy algorytmu obejmującego dwie wzajemnie powiązane procedury: EC oraz ESC. Algorytm odpowiedzialny za sterowanie momentem obrotowym i prędkością kątową wału korbowego silnika jest oparty na metodzie, w której kluczową rolę odgrywa ocena położenia punktu S w trójwymiarowej przestrzeni sterowań. Przestrzeń sterowań zintegrowanego systemu sterowania układem napędowym samochodu osobowego zilustrowano za pomocą schematu (rys.). Położenie punktu S w tej przestrzeni określają wartości jego współrzędnych, tj.: wychylenie PP, chwilowa prędkość kątowa wału Prędkość silnika MPK EPK Pedał S' imax PS MPS S DPK S"' KD GPK imin POD S" PRU Prędkość samochodu Rys.. Przestrzeń sterowań zintegrowanego systemu sterowania 9

4 korbowego oraz chwilowa prędkość samochodu. Wymienione wielkości są w układzie napędowym samochodu osobowego dostępne pomiarowo a zakres ich zmian jest ograniczony. Linie granicznych wartości rozważanych współrzędnych wyznaczają na płaszczyznach przyjętego układu odniesienia obszary sterowań dopuszczalnych. Obszar sterowań dopuszczalnych wyznaczony na płaszczyźnie o współrzędnych położenie PP - prędkość kątowa wału korbowego (pole wyznaczające możliwe położenie punktu S ) nazwano polem sterowań silnika. Obszar sterowań dopuszczalnych wyznaczony na płaszczyźnie o współrzędnych położenie PP -prędkość jazdy (pole wyznaczające możliwe położenie punktu S ) nazwano polem sterowań samochodu. Zaś obszar sterowań dopuszczalnych na płaszczyźnie o współrzędnych prędkość liniowa samochodu - prędkość kątowa wału korbowego (pole wyznaczające możliwe położenie punktu S ) nazwano polem sterowań układu przeniesienia napędu. Podstawą działania algorytmu jest ocena położenia punktów S, S oraz S w stosunku do krzywych charakterystycznych przebiegających przez poszczególne pola sterowań. W polu sterowań silnika jest rozpatrywane położenie punktu S w stosunku do krzywej: minimalnej prędkości kątowej (MPK), oraz efektywnej prędkości kątowej (EPK). Krzywa MPK łączy te punkty pola sterowań silnika, które wyznaczają minimalną prędkość kątową wału korbowego umożliwiającą uzyskanie wymaganej mocy napędowej. Krzywa EPK łączy natomiast takie punkty, w których prędkość kątowa wału korbowego zapewnia najwyższą sprawność ogólną silnika dla zapotrzebowania mocy wynikającego z chwilowego położenia PP. W polu sterowań samochodu również wyznaczono dwie krzywe charakterystyczne, wyznaczające: prędkość liniową ruchu ustalonego (PRU) oraz prędkość liniową odcinania dawki paliwa (POD). Ze względu na ograniczenia konstrukcyjne jest w opracowanej metodzie analizowane położenie punktu S w polu sterowań UP. Zadaniem algorytmu jest m.in. utrzymywanie punktu S w przestrzeni sterowań dopuszczalnych. Zatem w przypadku, gdy punkt S przekroczy linię maksymalnej prędkości kątowej wału korbowego silnika (MPS) jest aktywowana procedura uniemożliwiająca dalszy wzrost prędkości kątowej wału korbowego. Procedura ta zmniejsza przełożenie UP (w automacie stopniowym załącza wyższy bieg). Przeciwnie, przekroczenie linii najmniejszej prędkości kątowej wału korbowego silnika (PS) skutkuje wzrostem przełożenia przekładni (redukcją biegu w automacie stopniowym) zapobiegającym zdławieniu silnika. Poza utrzymywaniem punktu S w przestrzeni sterowań dopuszczalnych, wykorzystano pole sterowań UP do realizacji sterowania adaptacyjnego. Celowi temu służą linie poziome. ieruchoma linia kick down (KD) oraz ruchome linie: dolnej prędkości kątowej wału korbowego silnika (DPK) i górnej prędkości kątowej wału korbowego (GPK). 3. ALGORYM SEROWAIA ZIEGROWAEGO Algorytm różni się istotnie od sposobu sterowania układem napędowym realizowanego w znanych aplikacjach. Zasadnicza różnica polega na zamianie nadrzędnej wielkości sterowanej. W znanych aplikacjach taką nadrzędną wielkością sterowaną jest moment obrotowy silnika zaś prędkość kątowa wału korbowego jest wielkością regulowaną. Podstawowe niedomagania takiego rozwiązania, nazwanego systemem regulacji prędkości kątowej wału korbowego (engine speed regulation -ESR), omówiono w pracach [3,9]. W opracowanej metodzie sterowania zintegrowanego, nadrzędną wielkością sterowaną jest natomiast prędkość kątowa wału korbowego. Jednak proste odwrócenie zadania sterowania i zastąpienie regulacji prędkości kątowej regulacją momentu obrotowego nie jest możliwe. Przeszkodą podstawową są trudności związane z pomiarem rzeczywistego momentu obrotowego silnika. ie mniej istotne przeszkody wynikają 9

5 z ograniczonego zakresu i dynamiki zmian prędkości kątowej wału korbowego. Z tego powodu w algorytmie obok prędkości kątowej wału korbowego wielkością sterowaną jest moment obrotowy silnika. W odróżnieniu jednak od systemu regulacji prędkości kątowej, jest on w opracowanym algorytmie jedynie podrzędną wielkością sterowaną. Efektywna praca silnika nie pozwala, bowiem na całkowicie niezależne sterowanie momentem obrotowym i prędkością kątową wału korbowego silnika. Problem wzajemnego powiązania obydwu wielkości sterowanych rozwiązano za pomocą algorytmu, który zilustrowano schematem blokowym (rys.4). Start Otoczenie ESC Wartości stałe: C, C, ρ, Cx, A, rd, imin, ig współczynniki wielomianów Obliczenia: MPK, EPK, DPK, GPK, PRU,POD,, KIEROWCA α ω < PS ω < MPK ω > EPK ω > GPK v > PRU < DPK ω v > ODP WP SP ZP HS EPK rd it = v i g EPK r d i t = i t = ip V i g α > ef min α < ef EC PRZEKŁADIA BEZSOPIOWA t = α t = ef POJAZD t M = t ω SILIK θ = f ( ω, M t ) Zespół przepustnicy ω Rys. 3. Algorytm W celu poznania wpływu algorytmu sterowania zintegrowanego układem napędowym, na podstawowe własności samochodu przeprowadzono niżej omówione badania identyfikacyjne. 93

6 4. BADAIA IDEYFIKACYJE Badania identyfikacyjne wykonano techniką symulacji cyfrowej i stanowiskowej [6]. Ze względu na porównawczy charakter tych badań obok algorytmu, w pakiecie do symulacji, zaprogramowano także algorytm ESR dla efektywnej () oraz dynamicznej strategii sterowania () układem napędowym. Zgodnie bowiem z przyjętym założeniem, algorytm powinien odznaczać się korzystnymi cechami algorytmu ESR dla obydwu strategii sterowania i nie wykazywać ich charakterystycznych wad. Stan dynamiczny wynikający ze skokowej zmiany położenia pedału przyspieszenia konsekwentnie wykorzystano również w przeprowadzonej analizie porównawczej. a wykresach (rys.4) przedstawiono wyniki symulacji procesu rozpędzania od prędkości początkowej ok. 7 m/s przy pełnym wychyleniu pedału przyspieszenia. a) b) c).5 6 Przełożenie.5.5 Pochodna przełożenia, /s Moc, kw Rys. 4. Wyniki symulacji procesu rozpędzania z pełnym wychyleniem PP; a) prędkość zmiany przełożenia, b) przełożenie przekładni, c) moc napędowa Zróżnicowany zakres wzrostu przełożenia w przekładni (rys.4a) oraz odmienna prędkość zmiany przełożenia (rys.4b) istotnie wpływają na chwilową moc napędową (rys.4c). Wyraźny, chwilowy spadek mocy napędowej w przypadku algorytmu, powoduje wprawdzie jedynie niewielkie zmniejszenie prędkości liniowej (rys.5a), ale znaczna ujemna wartość przyspieszenia liniowego (rys.5b) oraz jego pochodnej (rys.5c), świadczą o niekorzystnym przebiegu procesu przejściowego i znaczącym obniżeniu komfortu jazdy. ymczasem algorytm dzięki programowaniu prędkości zmiany przełożenia nie prowadzi do ujemnego przyspieszenia liniowego. Wprawdzie moc napędowa nie zmienia się w sposób tak regularny jak w przypadku algorytmu to jednak najmniejsza wartość pochodnej przyspieszenia liniowego wskazuje na dużą płynność ruchu w tej fazie rozpatrywanego procesu. a) b) c) Prędkość, m/s 4 6 Przyspieszenie, m/s - Pochodna przyspieszenie, m/s Rys. 5. Wyniki symulacji procesu rozpędzania z pełnym wychyleniem PP; a) prędkość liniowa, b) przyspieszenie liniowe, c) pochodna przyspieszenia liniowego 94

7 Można zatem stwierdzić, że faza obciążeniowa procesu przejściowego w przypadku algorytmu przebiega w sposób korzystny. Wpływ algorytmu sterownia na przebieg prędkościowej fazy procesu przejściowego jest szczególnie wyraźnie widoczny podczas rozpędzania samochodu z częściowym wychyleniem PP. Wyniki symulacji takiego procesu rozpędzania przedstawiono na wykresach (rys.6). Krzywa chwilowego położenia przepustnicy (rys.6a) dowodzi, że algorytm w odróżnieniu od algorytmu ESR, zapewnia pełne wykorzystanie istniejącego zapasu momentu obrotowego do przyspieszania mas wirujących związanych z wałem korbowym silnika. Bezpośrednio po skokowej zmianie położenia PP, przepustnica jest całkowicie otwierana a następnie wraz ze wzrostem prędkości kątowej wału korbowego jej uchylenie zmniejsza się. a) b) c) Przepustnica, % A B C 4 8 ESR Prędkość, rad/s B C 4 8 Prędkość, m/s PRU B 4 8 Czas,s Rys. 6. Wyniki symulacji procesu rozpędzania z częściowym wychyleniem PP; a) prędkość liniowa, b) przyspieszenie liniowe, c) pochodna przyspieszenia Z chwilą gdy, wynikająca z prędkości kątowej wału korbowego, moc napędowa dla krzywej efektywnej osiągnie, zależny od położenia PP, poziom mocy wymaganej (pkt. A rys.6a), uchylenie przepustnicy zostaje powiązane z prędkością kątową wału korbowego (rys.6b). a zaś jest w tej fazie procesu przejściowego kinematycznie sztywno sprzężona z prędkością liniową samochodu (rys.6c). Po osiągnięciu zadanej prędkości liniowej (pkt. B na rys.6), prędkość kątowa wału korbowego a więc również i uchylenie przepustnicy, maleje do poziomu odpowiadającego efektywnemu reżimowi pracy silnika dla wymaganej mocy napędowej (pkt. C na rys. 6). aki sposób sterowania przepustnicą, podążającą za zmieniającą się prędkością zapewnia wierne śledzenie krzywej efektywnej w polu pracy silnika. Charakterystyczny przebieg zmian uchylenia przepustnicy znajduje odbicie w krzywej siły napędowej na kołach samochodu (rys.7a). Algorytm sprawia, że w procesie rozpędzania jest ona utrzymywana na wysokim, w przybliżeniu stałym poziomie, zaś po osiągnięciu zadanej prędkości liniowej szybko spada do wartości niezbędnej do pokonania chwilowego, podstawowego oporu ruchu. ymczasem algorytm ESR charakteryzuje, niekorzystny hiperboliczny spadek siły napędowej wraz ze wzrostem prędkości liniowej samochodu. a) b) c) Siła napędowa, k ESR 4 8 Sprawność Paliwo, dm 3 / km Rys. 7. Wyniki symulacji procesu rozpędzania z częściowym wychyleniem PP; a) siła napędowa, b) sprawność ogólna, c) zużycie paliwa 95

8 Kolejne wykresy dowodzą, że te pozytywne zmiany własności jezdnych samochodu uzyskano bez pogorszenia efektywności pracy układu napędowego. Sprawność układu napędowego (rys.7b) w przypadku algorytmu jest na poziomie algorytmu i wyraźnie przewyższa sprawność uzyskiwaną w przypadku algorytmu. Podobnie zużycie paliwa (rys.7c), mimo chwilowo wyższej wartości, jest dla całego procesu rozpędzania w przypadku algorytmu na poziomie zużycia paliwa dla algorytmu. 5. WIOSKI Algorytm prowadzi do korzystnych zmian charakterystyki bezstopniowego układu napędowego. Wyróżnienie w procedurze ESC czterech odrębnych stanów pracy przy zastosowaniu uniwersalnej (niezależnej od szczegółowej konfiguracji konstrukcyjnej) metody ich wyboru nadaje układowi napędowemu, o przełożeniu zmiennym w sposób ciągły, cechy układu o nieskończonej liczbie biegów wirtualnych. W rezultacie uzyskuje się pożądane sprzężenie kinematyczne pomiędzy prędkością kątową wału korbowego oraz prędkością liniową samochodu. Jednocześnie znaczącemu ograniczeniu ulega zakres zmiany prędkości kątowej wału korbowego wynikający ze wzrostu wychylenia PP tj. w obciążeniowej fazie procesu przejściowego. Ograniczenie tego zakresu zmian powiązane z wykorzystaniem pełnego zapasu momentu obrotowego (procedura EC) do przyspieszania mas wirujących związanych z wałem korbowym silnika, korzystnie wpływa na siłę napędową w procesie przejściowym. LIERAURA [] BRACE C.J., VAUGHA.D. BURROWS C.R., DEACO M.: Integrated control strategies for a direct-injection diesel engine and CV, EAEC Barcelona 999, s [] COSACIS P., LEORA F.: Global Powertrain Control, FISIA'98, 998, nr F98P56 [3] GAJDOWICZ M.: Bezstopniowa przekładnia cierna jako regulator pracy silnika spalinowego w trakcji samochodowej, Silniki spalinowe nr -/99, s , 99 [4] JAOS J.: Engine torque dosage in passenger car, Journal of KOES, Internal Combustion Engines, Warszawa, vol. 8, o. -, s [5] JAOS J.: Interpretation and scaling of acceleration pedal in passenger car, Materiały konferencyjne 8 th European Automotive Congress, Bratislava, SAIS 7 [6] JAOS J.: System identyfikacji układu silnik - samochód techniką symulacji stanowiskowej, Journal of Kones nr, vol.,warszawa - Lublin 994, s. 8-3 [7] Laan M., Luh J.: Model-based Variator Control Applied to a Belt ype CV, International Congress on Continuously Variable Power ransmission CV 99, Eindhoven 999, s. 5.. [8] ISHIGAYA M., AMURA., YASUE H., KASUGA S., SUGAYA M.: Development of oyota s new Super CV, SAE Paper --87, s