BRPI0721344A2

BRPI0721344A2 - Computação de liberação de calor baseada em pressão de cilindro auto ajustável

Info

Publication number: BRPI0721344A2
Application number: BRPI0721344-1A
Authority: BR
Inventors: Per Tunestal
Original assignee: Volvo Powertrain Ab; Scania Cv Ab
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2014-02-25
Also published as: US7974762B2; US20100004845A1; JP2010518384A; CN101627295B; RU2009128172A; RU2453821C2; JP5256443B2; EP2118633A1; WO2008095569A1; CN101627295A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "COMPUTAÇÃO DE LIBERAÇÃO DE CALOR BASEADA EM PRESSÃO DE CILINDRO AUTO AJUSTÁVEL".

Campo da Invenção

A presente invenção diz respeito a um método para calcular a taxa de liberação de calor um motor a pistão. Técnica Anterior

Em pesquisas de motor a pistão, a taxa de liberação de calor por um longo tempo tem sido uma ferramenta de diagnóstico muito importante. A fim de medir a taxa de libertação de calor, o procedimento padrão tem sido basicamente ligar o motor, medir a pressão no cilindro em função da posição do ângulo de crank e obter o chamado traço de pressão "motorizado", e, posteriormente, acionar o motor e registrar um traço de pressão "desligado". A diferença entre o traço de pressão motorizado e o traço de pressão desligado pode ser utilizada para determinar quais os efeitos de pressão que emanam de combustão, ou seja, a liberação de calor.

0 método descrito provê um resultado muito preciso, mas infelizmente é muito trabalhoso, a fim de obter um bom resultado, alguns diferentes efeitos de perda, tais como a transferência de calor para as paredes do cilindro, vazamento de gasolina, volumes de gretas e assim por diante, devem ser levados em conta.

Os últimos anos, os sistemas de diagnósticos a bordo tornaram-se uma ferramenta vital para permitir que os 5 fabricantes de automóveis e caminhões monitorem parâmetros do motor, e em um futuro próximo, poderá ser desejável para controlar a taxa de libertação de calor dos cilindros do motor; pelo controle da taxa de liberação de calor, é possível otimizar parâmetros de funcionamento do motor, por 10 exemplo, regulagem da ignição, tempo de injeção de combustível e montagem da injeção de combustível para proporcionar uma combustão mais eficiente e ambientalmente amigável como possível.

Como mencionado acima, que até agora tem sido muito 15 trabalhoso alcançar uma análise de calor libertado, e os valores de transferência de calor, fugas e volume de greta pode diferir à medida que o motor fica mais velho e desgastado, portanto, o conhecimento de métodos de obtenção de uma análise do calor libertado não são bem adaptados 20 para um sistema de diagnóstico a bordo.

É o objeto da presente invenção fornecer um método para a realização de uma computação de libertação de calor. O método permite um cálculo rápido do calor libertado, é "auto-ajustável", ou seja, compensa as diferenças de transferência de calor para as paredes do cilindro, as fugas e os volumes de greta, e pode ser usado tanto com transdutores pressão fornecendo pressão absoluta e transdutores de pressão proporcionando mudanças de pressão.

Sumário da Invenção

A presente invenção resolve os problemas acima referidos, fornecendo um método compreendendo as etapas de:

1. medir uma pressão de cilindro como uma função do ângulo de crank;

2. com base na referida medição, calcular um primeiro

expoente politrópico para um curso de compressão;

3. com base na referida medição, calcular um segundo expoente politrópico para um curso de expansão;

4. para um intervalo de ângulo de crank entre o curso de compressão e curso de expansão, realizando uma

interpolação do primeiro e segundo expoentes politrópicos;

5. exercer um cálculo de liberação de calor com base no referido expoente politrópico interpolado.

Se um sensor de pressão utilizado para controlar a pressão do cilindro deve ser um sensor sem uma escala de pressão absoluta, uma nova etapa de cálculo de um deslocamento de sensor de pressão poderia ser incluída. A pressão compensada pode ser estimada usando o referido expoente politrópico na relação politrópica entre pressão e volume.

A fim de obter uma interpolação tão simples e eficaz quanto possivel, a interpolação pode ser uma interpolação linear. Em outra concretização, a interpolação pode ser uma interpolação spline cúbica.

É benéfico se as etapas (2) e (3) compreendem as etapas de:

i. Definir um valor inicial do expoente politrópico;

ii. Calcular um traço de pressão modelo com base no

valor inicial do expoente politrópico;

iii. Calcular um desencontro de modelo para cada ângulo de crank;

iv. Calcular uma derivada com relação ao expoente politrópico da soma do quadrado dos desajustes;

v. Com base no resultado da etapa anterior, aumentar ou diminuir o expoente politrópico por uma determinada quantia;

vi. Reiterar as etapas II a IV com a diminuição ou aumento do valor do expoente politrópico;

vii. Calcular uma segunda derivada com relação ao expoente politrópico da soma do quadrado dos desajustes; viii. Alterar o valor de expoente politrópico de um montante correspondente à derivada dividida pela segunda derivada com um sinal negativo, e

ix. Repitir as etapas II, III, IV, VII e VIII, até ao montante correspondente ao valor absoluto da derivada

dividida pela segunda derivada ser menor do que um valor predeterminado.

Breve Descrição do Desenho

Na descrição seguinte, a invenção será descrita com referência ao único desenho, figura 1, que mostra um gráfico que representa um traço de pressão para curso de a compressão / expansão de um motor HCCI.

Descrição Das Concretizações

A figura 1 mostra um gráfico que representa uma curva 15 de pressão PT, mostrando a pressão do cilindro em função do ângulo de crank em um motor de pistão. O gráfico mostra a pressão do cilindro de uma revolução do motor, ou seja, posições de pistão do ângulo crank de -180 graus, CAD, (o que eqüivale ao centro morto inferior, ou BDC) , a 0 CAD (o 20 que eqüivale ao centro morto superior, CDC) e ainda até 180 CAD, o que também eqüivale a BDC.

Conforme mencionado, a curva de pressão mostra pressão do cilindro para uma revolução, e que é a revolução que envolve a combustão da carga no cilindro (a outra revolução em um motor de quatro tempos é dedicada à troca gasosa). Alguns eventos significativos podem ser vistos na curva de pressão:

De -180 a 0 CAD, uma compressão da carga ocorre, o 5 aumento de pressão no cilindro emana da diminuição do volume. Em um caso ideal, o aumento de pressão segue a lei dos gases ideais, mas a transferência de calor para ou das paredes do cilindro e a fuga de gás do volume do cilindro irá deslocar a curva de pressão.

A curva de pressão PT é gravada em um chamado motor

HCCI, ou seja, um motor que induz uma mistura de combustível e de ar (como um motor de ignição por faísca) , que é comprimido até que a carga auto-inicie (como um motor a diesel). Os princípios subjacentes dos motores HCCI têm 15 sido descritos em uma série de documentos técnicos (ver, por exemplo, Onishi et al, "Active Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC) - Uma Nova-Proces de Combustão Interna A New Combustion Proces for Internai Combustion Engines", SAE Paper 790501, Najt and Foster, "Compression - Ignited 20 Homogeneous Charge Combustion", SAE Paper 8302 64, Thring, "Homogeneous- Charge Compression-Ignition (HCCI) Engines", SAE Paper 892068 and Olsson et al, "A Turbo-Charged Dual- Fuel HCCI Engine", SAE Paper 2001-01-1896) e patentes, e.g. US 6 286 482. Como pode ser visto na figura 1, a curva de pressão PT faz um aumento vertiginoso pouco depois do TDC, ou seja, em 0 CAD. Este aumento de pressão é devido ã combustão, se não houver combustão, a pressão cairia após TDC. Após o pico de 5 pressão, a pressão vai diminuir, esta diminuição é devida ao aumento do volume que emana do pistão em movimento em direção a um aumento do volume em que o gás está contido.

Como mencionado no preâmbulo, o mais comum (e preciso) método para a realização de uma análise do calor libertado 10 é comparar uma curva de pressão "queimada" e "motorizada", ou seja, uma curva de pressão obtida em um motor sendo motorizado sem combustão, e um motor sendo operado com combustão. Supondo que todos os outros critérios são iguais, pode-se estimar que todas as diferenças na curva de 15 pressão entre o traço de pressão queimada e o traço de pressão motorizada são devidos à combustão. Aplicando as leis físicas bem estabelecidas torna possível deduzir a taxa de combustão, ou seja, o calor libertado.

A presente invenção diz respeito a um método de cálculo que permite uma libertação de calor, sem a necessidade de motorizar o motor e obter um traço de pressão "motorizado" para comparar. Os seguintes pressupostos básicos são feitos: A energia térmica liberada pela combustão é tratada como calor, e a única interação de trabalho com o meio ambiente é através do trabalho realizado pelo pistão, uma vez que viaja de 0 CAD a 180 CAD (ou seja, de TDC para BDC). Isso pode ser expresso pela equação dU = dQ-dW,

onde é dU é a mudança da energia interna, dQ é transferência de calor e dW é o trabalho mecânico realizado pelo gás na câmara de combustão.

Substituindo a variação interna de energia, ou seja, dU pela expressão do gás ideal, pode ser determinado que: dQ = nCvdT + pdV,

onde n é o número de moles preso dentro do cilindro, CV é a capacidade de calor de um volume constante, DT é a mudança de temperatura, p é a pressão e dV é mudança de volume.

A lei dos gases ideais pode ser utilizada para expressar dT, ou seja, a mudança de temperatura, em termos de pressão e de volume, substituindo dT na equação acima,

dQ = J^d(Pv) + Pdv

R é a constante universal do gás.

Como pode ser entendido, dQ pode ser considerada nulo, desde que não haja combustão ou transferência de calor entre as paredes e a carga do cilindro, em um cálculo de calor libertado da técnica anterior, deve-se assumir um valor da transferência de calor, caso contrário, o cálculo do calor libertado será inexato.

Segundo a invenção, no entanto, nenhuma hipótese de transferência de calor é feita; em vez disso, a transferência de calor é corrigida por uma correção de Cv.

0 método de acordo com a invenção implica uma "correção" de Cv antes e após a combustão (as perdas de calor são evidentemente maiores após a combustão, uma vez que a temperatura da carga é maior). Durante a combustão, o valor de CV é interpolado. As seguintes equações (2-3) só são válidas sob o pressuposto de que dQ = 0. Para facilitar, a equação (1) é reescrita para:

Onde Y = Cp / Cv (Cp = capacidade térmica a pressão constante).

Caindo os denominadores e combinando os dois diferenciais em (2) dá a relação politrópica

7-1 7-1

■—pdV + —~Vdp

d(pVr) = 0

(3) Assim, quando dQ é zero (o que eqüivale a não

dVy

combustão e sem transferência de calor), ^ <§ constante.

Em alguns casos, transdutores de pressão tendo niveis desconhecidos de pressão são utilizados para realizar as medições pressão no cilindro, o que significa que o nível de pressão deve ser identificado. Para esse efeito, a pressão medida (h) pode ser expressa como: pm = p + Ap1

onde p é a pressão real e ^ é o deslocamento de pressão.

A integração da (3) e aplicação de (4) produz a

equação utilizada para a identificação do deslocamento de pressão. (Observe que esta etapa é desnecessária, se um transdutor de pressão com um deslocamento de pressão conhecida é utilizado). Observe que K é utilizado em vez de 15 Y nas seguintes equações; γ é um símbolo aceito para a efetiva relação entre Cp e Cv, e as seguintes equações não proporcionam a verdadeira relação entre Cp e Cv. Pelo contrário, as seguintes equações politrópicas fornecem um expoente de uma curva a ser ajustada às pressões reais 20 medidas no cilindro. A equação para a identificação do deslocamento de pressão é então: (jp* - Δρ) V* = <Pmo - ΛΡΪ ^iT

(5)

Onde:

K é o expoente politrópico, PmO é a pressão medida de uma posição crank de referência; e Vo é o volume da referida posição crank de referência.

A fim de reduzir a influência do ruído da medição de pressão, que poderia ser benéfica se as posições crank de referência são selecionadas para ser tão perto de TDC como possível, no entanto, é crucial que as posições crank de 10 referência sejam selecionadas com base nas posições de crank onde não há combustão.

A fim de eliminar as dimensões físicas, (5) é reescrita para:

JPm

(6)

15

(6) pode ser expressa como:

y(ic) = <p(K)0

em que: A equação (7) está em uma forma que permite o método do algoritmo dos mínimos quadrados não lineares de Newton (apresentado em "Estimation of the in-cylinder air/fuel ratio of an internai combustion engine by the use of 5 pressure sensors", PhD thesis by Per Tunestal, Lund university, Faculty of engineering, 2001)), a única diferença sendo a dependência de K da saída, ie, de y.

Agora será mostrado como o algoritmo pode ser alterado para acomodar essa dependência, a mesma notação é adotada com o vetor do ângulo crank resolveu saídas e regressores dados por:

(9)

Onde yi ... yn são valores calculados de y (ver equação (8) ) para um array equidistante de posições de ângulo de crank,

(cpi ... cpn são valores calculados de cp (ver equação (8)) para o mesmo conjunto de posições de ângulo de crank equidistantes.

Isto dá equação vetorial:

Υ = ΦΘ (10)

0 vetor dos resíduos é definido por: D = Y - Φθ

E uma função de perda é definida por: J = DTD,

Onde Dt é a matriz de transposta de D; daí, J é um escalar. Em "Estimation of the In-cylinder air/fuel ratio of an internai combustion engine by the use of pressure sensors”, PhD thesis by Per Tunestal, Lund university, Faculty of engineering, 2001), é mostrado que:

J = Y1PY,

(11) Onde,

D = PY e

P é uma matriz projeção simétrica descrita por I - φ (ΦΤΦ)1ΦΤ.

Como bem conhecido por pessoas qualificadas na

técnica, o método de diferenças finitas exige uma expressão analítica para a derivada de J com respeito a K.

Isto pode ser obtido através da diferenciação da equação (10) com respeito a K, mantendo em mente que tanto

YeP são funções do K e utilizando o fato de que P é uma matriz Symmetrix. O primeiro termo é avaliado em "Estimation of the in- cylinder air/fuel ratio of an internai combustion engine by the use of pressure sensors”, PhD thesis by Per Tunestal, Lund university, Faculty of engineering, 2001), como

OK IlK

Enquanto o segundo termo pode ser reescrito usando a expressão para os residuais, em (11):

A derivada em relação a K da soma dos desajustes quadrados J pode, portanto, ser reescrita como

Onde os elementos de DY / dK e d0 / dK pode ser expressa como:

cí« (Ικ ^ V J \V /

Com uma expressão analítica de DJ / dK, o método de diferenças finitas de Newton pode ser aplicada para

minimizar a perda da função. 0 método apresenta convergência superlinear; na prática, isto implica uma convergência de poucas iterações. Iteração k é definida por:

iteração k.

Como poderia ser entendido, as posições crank entre as quais o valor k é calculado devem ser escolhidas de modo que seja absolutamente certo que não ocorre combustão, em um motor de ignição (ou seja, de motores de ignição por faisca), o inicio de combustão não vai ser mais cedo do que o da ignição e por uma um motor CI (ou seja, a ignição por compressão ou motores a diesel), início de combustão será após a primeira injeção de combustível.

Na figura 1, as posições crank correspondentes às porções espessas MeM' da curva de pressão foram utilizadas para calcular os valores K antes e depois da combustão, respectivamente; como pode ser visto, estas posições crank estão localizadas a uma distância "segura" do tempo de combustão. No entanto, é crucial não escolher intervalos crank situados muito longe do evento de

Onde Ht é a aproximação das diferenças finitas d2J / dk2 na combustão, uma vez que o valor K, em seguida, irá diferir muito dos valores K em mãos durante a combustão (como pode ser entendido, a influência da transferência de calor durante a compressão e expansão assemelha-se à influência 5 de transferência de calor durante a combustão quanto mais perto as posições crank investigadas são da combustão) Pode-se notar que as referidas posições crank de referência devem estar situadas dentro das posições crank MeM'. Deve ser igualmente notado que as porções M e M' 10 preferencialmente devem ser localizadas nas porções "dobradas" da curva de pressão PT; como bem conhecido por pessoas qualificadas na técnica, uma operação de ajuste de expoente é mais precisa se o traço ao qual este deve ser ajustado exibe uma curva.

Como poderia ser entendido a partir da equação acima,

o método de acordo com a invenção precisa de alguns valores de entrada para K, de outra forma, o método não irá funcionar. Em uma concretização preferida da invenção, o valor inicial de K é ajustado para 1,3, uma vez que a 20 experiência mostra que o valor K está no intervalo de cerca de 1,2 a 1,4. (para o ar puro, y, ou seja, o real expoente isentrópico termodinamicamente correto, está perto de 1,4). O método, no entanto, trabalhará com qualquer valor inicial de K razoavelmente bem escolhido, mas para um valor mal escolhido, o número de iterações necessário para obter um bom resultado será maior.

A primeira e a segunda iterações diferem um pouco das iterações consecutivas. Conforme mencionado, a primeira 5 derivada do erro (ou seja, J na equação 10) pode ser obtida analiticamente (equação 12), mas para a segunda derivada, resulta de dois ciclos consecutivos devem ser comparados. Conforme definido na última equação acima, ou seja

Kit-i-i Kkl^k ^ Q novo valor de K para uma iteração seguinte é a 10 derivada negativa do erro em relação a K dividida pela segunda derivada de J com relação a K, no entanto, antes da primeira iteração, não existe valor para a segunda derivada. A fim de resolver este problema, durante a primeira iteração (quando o erro e a derivada do erro foram 15 calculadas) , o valor de K é alterado por um determinado valor, com direção determinada pelo sinal da primeira derivada de J com relação a K.

Isto dá o critério de iteração como segue:

Para a primeira iteração, um determinado valor de K é definido. Em uma concretização preferida da invenção, este valor é definido em 1,3, mas pode ser configurado para qualquer valor, por exemplo, variando de 1 a 2. Durante a primeira iteração, a primeira derivada do erro (ou seja, J) pode ser calculada, e dependendo do sinal da primeira derivada, o valor de K é aumentado ou diminuído de um montante previamente, por exemplo, 0,01.

Para a segunda e seguintes iterações, é possível aumentar ou diminuir o valor K pela negativa da primeira derivada dividida pela segunda derivada.

Finalmente, algumas palavras devem ser mencionadas sobre a interpolação do valor entre as duas posições crank correspondentes às porções mais espessas MeM ' . Esta 10 interpolação poderia ser, obviamente, uma interpolação linear, mas qualquer tipo de interpolação pode ser utilizada; um método de interpolação provavelmente dando um melhor resultado é uma " interpolação spline cúbica".

O calor libertado é calculado substituindo o expoente Y isentrópico na bem-conhecida equação de liberação de calor por k. Isto dá a equação de liberação de calor modificada:

áQ - K 'príV + Vdp κ-l' jc-i

Acima, algumas concretizações da presente invenção têm sido descritas. Esta descrição não é, porém, destinada a limitar o escopo de aplicação da invenção; em vez disso, o escopo de aplicação da invenção é definido nas reivindicações anexas.

Claims

1. Método para cálculo automático do calor libertado em um motor a pistão, compreendendo as etapas de: a. medir uma pressão de cilindro como uma função do ângulo de crank; b. com base na referida medição, calcular um primeiro expoente politrópico para um curso de compressão; c. com base na referida medição, calcular um segundo expoente politrópico para um curso de expansão; d. para um intervalo de ângulo de crank entre o curso de compressão e curso de expansão, realizando uma interpolação do primeiro e segundo expoentes politrópicos; e. exercer um cálculo de liberação de calor com base no referido expoente politrópico interpolado.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa adicional de cálculo de um deslocamento de sensor de pressão.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o deslocamento de sensor de pressão é estimado usando os referidos expoentes politrópicos na relação politrópica entre a pressão e o volume.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a interpolação é uma linear interpolação.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a interpolação é uma interpolação por spline cúbica.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as etapas (b) e (c) compreendem as etapas de: i. definir um valor inicial para o expoente politrópico, ii. calcular um modelo de traço de pressão com bas no valor inicial do expoente politrópico, iii. calcular um modelo de desequilíbrio para cada ângulo de crank, iv. calcular uma derivada com relação ao expoente politrópico da soma dos desequilíbrios quadrados, v. com base no resultado da etapa anterior, aumentar ou diminuir o expoente politrópico por uma quantia predeterminada, vi. reiterar as etapas ii a iv com a diminuição ou aumento do valor do expoente politrópico, vii. calcular uma segunda derivada com relação ao expoente politrópico da soma dos desequilíbrios quadrados, viii. alterar o valor dos expoente politrópicos de um montante correspondente à derivada dividida pela segunda derivada com um sinal negativo, e ix. repitir as etapas ii, iii, iv, vii e viii, até ao montante correspondente ao valor absoluto da derivada dividida pela segunda derivada com um sinal negativo ser menor do que um valor predeterminado.