Designspecifikation. Version 1.0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin Datum: 14 oktober 2013

Transkript

1 Designspecifikation Version 1.0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin Datum: 14 oktober 2013 Status Granskad Camilla Larsson Godkänd

2 Projektidentitet Gruppmail: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvariga: Projektledare: Handledare: Lars Eriksson, Linköping Universitet Telefon: , Mail: Fredrik Wemmert, Volvo Cars Corporation Telefon: , Mail: David Törnqvist, Linköping Universitet Telefon: , Mail: Daniel Axehill, Linköping Universitet Telefon: , Mail: Camilla Larsson Andreas Thomasson, Linköping Universitet Telefon: , Mail: Gruppmedlemmar Namn Ansvarsområde Telefon Mail Camilla Larsson Projektledare camla539 Benjamin Lundahl Informationsansvarig benlu392 Christoffer Florell Testansvarig chrfl746 Johan Thornblad Ansvarig knack johth660 Olof Juhlin Dokumentansvarig oloju317 Robin Karlsson Kvalitets- & leveransansvarig robka927 Svante Löthgren Ansvarig SuperTurbo svalo459 Viktor Nyman Designansvarig vikny771

3 Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utfört av Granskad Första utkastet MOTOR VN Andra utkastet MOTOR CL Tredje utkastet MOTOR BL Första versionen OJ VN CL

4 Innehåll Innehåll IV 1 Introduktion Parter Syfte och Mål Användning Bakgrund Översikt Seriellt dubbelturbosystem SuperTurbo Knack Seriellt dubbelturbosystem Syfte och mål Motormodell Beskrivning Regulator Beskrivning Översiktlig reglering Observatörer Syfte Kort beskrivning Lågtrycksturbo Högtrycksturbo Implementering i Simulink Motor SuperTurbo Syfte och mål Modell Beskrivning Centrifugalkompressor Utväxling mellan motor och kompressor Observatörer Beskrivning Mekanisk kompressor Turboaggregatets kompressor Motor Reglering Beskrivning Driver gas pedal interpretation Throttle feed forward, feedback and anti-windup Turbo och Kompressor reglering Första läget: Ingen tryckuppbyggnad

5 4.4.6 Andra läget: Tryckuppbyggnad krävs av kompressorn Tredje läget: Turbon arbetar effektivt Wastegate-reglering Bypass-reglering Knack Syfte och mål Modell Implementering Regulator Konventionell regulator Stokastisk regulator Fordonsmodell 37 Litteraturförteckning 38

6 MOTOR 1 1 Introduktion Projektet MOTOR (Motor Och Turbo Optimalt Reglerat) ämnar att utveckla regulatorer för dels ett seriellt dubbelturbosystem och dels ett så kallat SuperTurbo-system där en mekanisk driven kompressor och en turbo sitter i serie. Regulatorn för dubbelturbon ämnas även att tas fram för att motverka knack. 1.1 Parter De parter som kommer att delta i detta projeket är Fredrik Wemmert från Volvo Car Corporation i form av kund. Beställare är Lars Eriksson och handledare är Andreas Thomasson, anställda hos Fordonssystem på Institutionen för Systemteknik vid Linköpings Universitet. Projektgruppen består av åtta studenter från Y- och M-programmen. Projektledare är Camilla Larsson. 1.2 Syfte och Mål I detta projekt kommer regulatorer för dels ett seriellt turbosystem och dels ett Super- Turbosystem utvecklas. Det seriella turbosystemet finns installerat på en motor i det motorlaboratorium som projektgruppen har att tillgå och därmed ämnas att validera regulator, modeller och simuleringar för detta mot verkligheten. SuperTurbo-systemet finns i dagsläget inte att tillgå, således är målet med att utveckla en regulator för detta att enkelt kunna installera ett sådant system i framtiden. Ett viktigt mål för regleringen av dubbelturbon är att kunna modellera och simulera knack. Knack är störande för föraren och kan orsaka stora skador på motorn och är därmed mycket önskvärt att motverka. 1.3 Användning Målet med de regulatorer som utvecklas är att kunna användas av kunden, Volvo Car Corporation, i deras nya motorfamilj VEA (Volvo Engine Architecture). De modeller och regulatorer som utvecklas för SuperTurbo-systemet skall enkelt kunna anpassas till en motor från VEA-familjen som Fordonssystem planerar att införskaffa till motorlaboratoriumet våren Bakgrund Överladdning av förbränningsmotorer används för att få en högre effekt utan att få en mycket högre bränsleförbrukning. Överladdning fås genom att öka luftflödet in i insuget så att trycket blir högre än atmosfärstryck. Därmed kan mer bränsle tillföras, vilket medför högre effekt. Överladdning med en enkel turbo eller mekanisk kompressor är i dagsläget vanligt i produktionsbilar, men använding av dessa i serie är inte alls lika utbrett. Genom att använda seriell dubbelturbo, SuperTurbo eller TurboSuper (mekanisk kompressor och turbo i serie) kan man åstadkomma bättre körbarhet och prestanda jämfört med enkelturbo eller enkelkompressor. Karaktäristik från de två aggregaten kan då kombineras och därmed erhålls de önskvärda egenskaperna över ett större varvtalsområde. VEA som motorarkitektur är nyskapande på det sättet att samtliga motorer, från instegsmodell till premium, är fyrcylindriga och med en slagvolym på 2 liter. Således är överladdning med exempelvis SuperTurbo ett sätt att åstadkomma högre effekter utan

7 MOTOR 2 att gå upp i slagvolym eller antal cylindrar. Syftet med hela konceptet är att kunna minska slagvolymen, och därmed bränsleförbrukningen, men samtidigt behålla hög prestanda och bra körkänsla. Den motor som dubbelturbosystemet kommer att utvecklas mot tillhör dock inte VEAfamiljen utan är tillverkad av General Motors. Motorn är även den en fyrcylindrig förbränningsmotor med en slagvolym på 2 liter. Insprutning sker genom direktinsprutning (ej portinsprutning) och motorn är även utrustad med laddluftkylare och variabel kamfasning.

8 MOTOR 3 2 Översikt Systemet består av modeller i Simulink och projektet bygger vidare på en befintlig motormodell. Huvudsakligen ska arbete läggas i blocken observatörer och regulatorer i figur 1. Förutom det som beskrivs i figuren ska även en modell för SuperTurbo tas fram. Figur 1: Översikt över systemet 2.1 Seriellt dubbelturbosystem Det befintliga systemet består av en fyrcylindrig, direktinsprutad Ottomotor med en slagvolym på 2 liter. Motorn är utrustad med dubbla turboaggregat i serie i en prototypkonstruktion, samt laddluftkylare och variabel kamfasning. Dubbelturbosystemet är konstruerat för dieselmotorer från början och klarar därmed av lägre temperaturer och laddtryck jämfört med de aggregat som sitter i konventionella Ottomotorer med enkel turbo. I originalutförande för motorn, med enkel turbo, är effektuttaget maximalt cirka 260 hk. Motorn är tillverkad av General Motors. Dubbelturbosystemet är utrustat med en mindre turbo för låga laster och en större för högre laster. Båda aggregaten är utrustade med wastegate-ventil och den mindre turbon är även försedd med en bypass-ventil för att kunna koppla förbi det när det inte används. På så sätt är det möjligt att reglera så att aggregaten körs individuellt, tillsammans eller inte alls. Modeller för motorn med tillhörande dubbelturbosystem har utvecklats av tidigare projekt hos Fordonssystem och finns tillgängliga att använda. De regulatorer som projekten utvecklade i samband med modellerna kan ej användas då dessa är sekretessbelagda av GM. Motorn är installerad i Fordonssystems motorlaboratorie till en bromsbänk enligt figur SuperTurbo En SuperTurbomatad motor är en motor som har både en mekanisk kompressor samt en turbomatad kompressor. Den mekaniska kompressorn får in luft från luftfiltret och ökar

9 MOTOR 4 trycket före turboaggregatets kompressor. Turbon ökar trycket ytterligare innan luften fortsätter in i motorn. 2.3 Knack Ordet knack kommer av det knackande ljud som hörs i motorn när delar av bränsleluftblandningen i en eller flera av cylindrarna självantänder. Vid självantändning frigörs stora mängder energi på ett okontrollerat sätt vilket skickar chockvågor genom cylinderväggen. Om knack tillåts fortgå kan det vara mycket skadligt för motorn med haveri som möjlig konsekvens.

10 MOTOR 5 3 Seriellt dubbelturbosystem Det seriella turbosystemet har två turbo-aggregat med varsin wastegate-ventil. Det mindre aggregatet har även en bypass-ventil, se figur 2. Figur 2: Systemskiss för en seriellt dubbelturboladdad motor 3.1 Syfte och mål Syftet med det seriella dubbelturbosystemet är att åstadkomma ett tillförlitligt och väl fungerande system som nya koncept kan testas på. Systemet skall regleras på ett sätt som tar hänsyn till systemets säkerhetgränser och i stort förbättrar systemets prestanda (jämfört med enkel turbo). Regulatorn skall hantera övergång mellan de två aggregaten stötfritt och ta hänsyn till aggregatens säkerhetsgränser i form av varvtal, temperatur och tryck. Det skall utvecklas observatörer som genom motormodellen och mätta signaler skall skatta de båda turboaggregatens varvtal med god noggrannhet. Observatörernas tillförlitlighet kommer att valideras mot mätvärden i motorlaboratoriet.

11 MOTOR Motormodell Motormodellen som finns att tillgå är av medelvärdestyp och är utvecklad under tidigare projekt. Under detta projekt ligger intresset i att få motormodellen att fungera väl med hög säkerhet Beskrivning Motormodellen beskriver luftflödet genom motorn och hur det påverkas av olika komponenter. Luften passerar först genom ett luftfilter och sedan genom det första turboaggregatets kompressorsteg. Därefter leds luften mot det andra turboaggregatets kompressorsteg, men här kan den även ledas genom en bypass-ventil som för luften förbi den andra kompressorn. Efter att luften lämnat kompressorn eller letts förbi når luften en intercooler där luften kyls för att undvika att motorn överhettar eller knackar. Sedan når luften trotteln som reglerar luftflödet till insuget som i sin tur delar upp luften mellan cylindrarna. När luften väl släpps in i cylindrarna genom att insugsventilen för respektive cylinder öppnas sprutas även bränsle in i cylinderloppet och en blanding av luft och bränsle uppstår. Blandingen komprimeras, antänds och leds sedan ut ur cylindern när avgasventilen öppnas. Luften, som nu är avgaser, leds sedan via grenrör till först det lilla turboaggregatets turbin, där luften kan ledas förbi genom en wastegate-ventil (wastegate, högtryck i figur 2), och sedan den större turbons turbin där den också kan ledas förbi med en wastegate-ventil. Därefter leds luften till avgasröret. 3.3 Regulator Reglering av den seriella turbomotorn ska utföras med hjälp av mätta tryck i motorn Beskrivning Regulatorn för turbosystemet styrs av ett begärt tryck i insugsröret, p im,ref som räknas om till ett begärt tryck efter intercoolern som tar hänsyn till tryckfall över trotteln enligt (1). Trottelregulatorn hanterar reglering av insugstryck. Storleken på p th kan justeras beroende på om man eftersträvar snabb respons eller effektivitet. Referenstrycket avgörs av det från föraren givna pedalläget samt varvtal. Utifrån referenstrycket och uppmätt tryck skapas reglerfelet e vilket används för att reglera tryck efter intercoolern. Tryckkvoter och varvtal används för att avgöra vilken turbin som ska vara aktiv. p ic,ref = p im,ref + p th (1) e = p ic,ref p ic (2)

12 MOTOR 7 Signal eller parameter bp ref bp pos wg hpref wg hppos wg lpref wg lppos p im p imref p ic,ref e p lim Π c,hp Π c,lp p th Beskrivning Referensvärde för bypassventil Position för bypassventil Referensvärde för wastegateventil högtryck Position för wastegateventil högtryck Referensvärde för wastegateventil lågtryck Position för wastegateventil lågtryck Tryck i insugsrör Begärt tryck i insugsrör Begärt tryck efter intercooler Reglerfel Gräns för tryckdifferens Kvot för tryck över högtryckskompressorn Kvot för tryck över lågtryckskompressorn Tryckfall över trotteln Tabell 1: Signaler och parametrar vid reglering Översiktlig reglering Regulatorer ska användas då differensen mellan begärt tryck i insugsröret och omgivningstryck är tillräckligt stor. Beroende på olika omständigheter som råder delas regleringen in i olika lägen. Då referenstrycket är nära omgivningstrycket används inte turboregleringen. Det innebär att bypassventilen samt båda wastegateventilerna är öppna. Högtrycksturbon Då det mindre aggregatet ska användas hålls bypassventilen stängd. Detta aggregat används vid låga varvtal. I det här läget är wastegateventilen tillhörande lågtrycksturbinen öppen. Lågtrycksturbon Vid höga varvtal används det större aggregatet. När endast lågtrycksturbon är aktiv är bypassventilen och wastegateventilen för högtrycksturbon öppna. Båda turboaggregaten Vid övergången från det mindre till det större aggregatet ska båda turbinerna vara aktiva samt bypassventilen stängd. Här regleras båda wastegateventilerna. I tabell 2 ges en lista för de olika fall som specificerats. Fall Öppna ventiler Ingen turboreglering wg hp, wg lp, bp Högtrycksturbin aktiv wg lp Båda turbinerna aktiva - Lågtrycksturbin aktiv wg hp, bp Tabell 2: Tabell över vilka aggregat som är aktiva vid olika förutsättningar För att avgöra om turboregleringen ska vara igång eller ej jämförs begärt tryck med omgivningstryck. Är differensen däremellan tillräckligt stor, p im,ref p amb > p lim, ställs signalen bc (boost control) till bc = 1, om ej är bc = 0. I figur 3 visas hur bc sätts.

13 MOTOR 8 Figur 3: Strategi för hur bc ska sättas För att avgöra vilka turboaggregat som ska vara igång använder man kvoten mellan referenstryck och tryck innan kompressorerna samt motorns varvtal. I figur 4 visas verkningsgrad beroende på varvtal och tryck för de två turboaggregaten. Färgade områden representerar lågtrycksturbon och de vita kurvorna representerar högtrycksturbon. Vid låga varvtal används endast högtrycksturbon. Då varvtalet närmar sig 3000 varv per minut och båda aggregaten arbetar i områden med hög verkningsgrad används båda aggregaten, sett i figur 4 motsvarar det tidiga delar av det gula området. Vid höga varvtal används endast lågtrycksturbon. Figur 4: Arbetsområden för turboaggregaten Utifrån de arbetsområden som bestämts för när vilken turbo ska vara aktiv avgörs vilken reglerstruktur som ska användas. Hur det väljs visas i figur 5. Genom lookup-tabellen aktiveras rätt mod, beroende på arbetsområde ger den ut ett värde 0, 1 eller 2. Signalen från lookup-tabellen filtreras genom ett FIR-filter som tar fram ett medelvärde av ett antal av de senaste samplingarna. Detta följs av två relän för att skapa hysteres som undviker oroligt beteende vid övergångar mellan moder.

14 MOTOR 9 Figur 5: Skiss fo r hur valet av aggregat ska implementeras I de olika blocken i figur 5 ska regleringen fo r de olika la gena implementeras. Da endast ett av aggregaten anva nds styrs motsvarande wastegate med en PID-regulator som tar ha nsyn till integratoruppvridning. I fallet da ba da aggregaten a r aktiva ska en mid-rangereglering implementeras fo r att fasa in det sto rre aggregatet samtidigt som det mindre a r aktivt. I ekvationerna (3) till (7) beskrivs hur PID-regulatorer fo r de tva wastegatevantilerna ska implementeras. Ekvation (4) och (5) representerar regulatorn och ekvation (6) och (7) tar ha nsyn till gra nser i styrsignal och hanterar integratoruppvridning. Parametrarna Kp, Tl och TD besta ms inviduellt fo r de olika regulatorerna. wgref = u(t) = Kp ((pic,ref pic ) + Ii = I[i 1] + 1 Tl Z t (pic,ref pic )dt TD 0 d pic ) dt Kp Ts (pic,ref pic ) Tl v = Kp (pic,ref pic ) + Ii + Kp TD (pic pic [i 1]) Ts u = min(max(umin, v), umax ) I[i] = Ii + Ts (u v) Tt (3) (4) (5) (6) (7) I fallet da ba da turboaggregaten a r aktiva och mid-range-reglering anva nds beskrivs strukturen av figur 6. I funktionsblocket skalas referenstryck till la gtrycksturbon utifra n varvtal och referenstryck efter intercoolern. Funktionen definieras sa att plpc,ref o kar fra n pamb fo r la ga varvtal, da den sto rre kompressorn bo rjar fasas in. Fo r o kande varvtal och ra tt tryck o kar plpc,ref mot pic,ref och da rmed o kar a ven plpc vilket go r att felet ehpc minskar och ho gtrycksturbon fasas ut. Kursnamn: Kurskod: Projekt: Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation

15 MOTOR 10 Figur 6: Beskrivning av hur mid-range-reglering ska implementeras För att säkerställa att att inga gränser för tryck, p max, temperatur, T max, och varvtal, N max, överskrids ska säkerhetssystem implementeras. Då observerade värden för tryck, p, temperatur, T, eller varvtal, N, överskrider begränsande värden (N lim, T lim, p lim ) ska lämpliga ventiler öppnas för att skydda systemet. Detta implementeras genom att sänka det maximala värdet på styrsignalerna till de två wastegateventilerna då gränsvärden överskrids. I ekvation (8) till (10) visas hur styrsignaler skalas då respektive gränsvärde (N lim, T lim, p lim ) har överskridits. Om flera gränser överskrids samtidigt ska det säkerhetssystem som befinner sig närmst sin maximala gräns användas. u max = u max = u max = 1 k N (N N lim ) k T (T T lim ) k p (p p lim ) + 1, N N lim (8), T T lim (9), p p lim (10)

16 MOTOR Observatörer Varvtalen för de två turboaggregaten (N 1 och N 2 i figur 2) ska skattas med hjälp av observatörer. Även tryck och temperatur efter respektive kompressorsteg kommer skattas. Övriga tillstånd som behövs för att reglera systemet antas kunna mätas i den testcell som motorn är monterad i Syfte De två turboaggregaten har maximala varvtal specificerade som absolut inte får överskridas, då det annars kan leda till skador och på sikt haverier. I testcellen finns det sensorer för aggregatens varvtal, men då sådana ej är förekommande i produktionsmotorer ämnas att utveckla fristående observatörer för dessa. För att kunna skatta varvtalen måste även temperatur och tryck efter varje turbos kompressorsteg skattas Kort beskrivning Observatörerna skattar tillstånd genom ekvationerna i motormodellen och de mätvärden som är tillgängliga. Vilka tillstånd som är observerbara beror på vilka tillstånd som mäts. Tillförlitligheten hos observatörerna kommer att valideras mot mätdata från motorlaboratoriet. Om observatörerna ej beter sig önskvärt kommer parametrar att ändras för att uppnå bättre resultat. Det är främst av säkerhetsskäl som varvtalen kommer att skattas. Regleringen av turboaggregaten kommer till stor del bero av tryckkvoten över respektive kompressorsteg, vilken också kommer att skattas Lågtrycksturbo Observatören kommer att skatta rotationshastigheterna med hjälp av en så kallad Lookuptabell. Med de givna kompressormapparna kan varvtalet skattas från luftmassflöde och tryckkvot. Således måste även luftmassflödet genom varje kompressorsteg samt tryckkvot över detta skattas. Luftmassflödet och trycken kommer att skattas med en observatör. För det första kompressorsteget (lågtryck-/stora aggregatet) anses dock luftmassflödet ṁ ct,lp vara känt då detta bör vara samma som efter luftfiltret, vilket mäts med luftmassemätaren. Tryckkvoten skattas med en verkningsgradsmodell enligt ekvationer 11 till 29. Insignaler Utsignaler Variabel Enhet Beskrivning T 1 K Temperatur efter luftfilter p 1 Pa Tryck efter luftfilter ṁ ct,lp kg/s Massflöde in i kompressorn (efter luftfilter) Variabel Enhet Beskrivning p 2 Pa Tryck efter kompressorn T 2 K Temperatur efter kompressorn Π c,lp - Tryckkvot över kompressorn η ct - Volymetrisk verkningsgrad

17 MOTOR 12 Parametrar Variabel γ Q11, Q12, Q22 ηct = ηct,max Enhet - Beskrivning Ratio av specifik va rme Anpassningsparametrar p m ct,lp m pct,lp,max Πc,lp 1 Πc,lp,max 1 T Q11 Q12 γ 1 T2 = T1 1 + p2 = p1 γ 1 Πc,lp ηct T2 T1 Πc,lp = Q12 Q22 pct,lp,max p m ct,lp m Πc,lp 1 Πc,lp,max 1 (11) (12) γ γ 1 (13) p2 p1 (14) Efter att tryckkvoten Πc,lp och verkningsgraden ηct erha llits skickas de in i en Lookuptabell som inneha ller interpolarade va rden fo r turboaggregatets varvtal, Ntc,lp, som funktion av Πc,lp och ηct,lp. Va rdena fo r turbovarvtalet har bera knats i ett stort antal arbetspunkter (kombination av verkningsgrad och tryckkvot o ver kompressorsteget) som erha llits fra n de givna kompressormapparna. Varvtalen har interpolerats i MATLAB med hja lp av funktionerna meshgrid och griddata. De interpolerade va rdena spa nner upp en yta enligt figur 7 fo r la gtryckturbon. Innan varvtalet kan anva ndas i vidare bera kningar omvandlas det till SI-enhet (rad/s). Low pressure turbo 5 x 10 2 Ntc,lp ηc,lp 1 Πc,lp Figur 7: Turbovarvtal som funktion av tryckkvot och verkningsgrad Kursnamn: Kurskod: Projekt: Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation

18 MOTOR 13 För att kunna beräkna varvtalet hos nästföljande turboaggregat måste massflödet efter den första kompressorn beräknas. Detta beräknas genom en kompressormodell enligt ekvationer 30 till 34 med in- och utsignaler enligt: Insignaler Utsignaler Parametrar Variabel Enhet Beskrivning T 1 K Temperatur efter luftfilter p 1 Pa Tryck efter luftfilter ω ct,lp rad/s Turbons varvtal Π c,lp - Tryckkvot över kompressorn Variabel Enhet Beskrivning ṁ c,e,lp kg/s Massflöde efter kompressorn Variabel Enhet Beskrivning γ - Ratio av specifik värme Π c,lp,max - Maximal tryckkvot över kompressorn ṁ c,corr,max Pa Maximalt korrigerat massflöde efter kompressorn Ψ max - Modellparameter c p,a J/KgK Specifik värmekapacitet luft T ref,c K Referenstemperatur för kompressormappen p ref,c Pa Referenstryck för kompressormappen d lp m Kompressorns hjuldiameter Π c,lp,max = ( ) U 2 2 Ψ γ γ 1 max + 1 2c p T 1 (15) U 2 = d lp 2 ω ct,lp (16) ( ) 2 Πc,lp ṁ c,corr = ṁ c,corr,max 1 (17) Π c,lp,max p 1 /p ref,c ṁ c,e,lp = ṁ c,corr (18) T1 /T ref,c Där Ψ max och ṁ c,corr,max är modellparametrar som kommer behövas skattas.

19 MOTOR Ho gtrycksturbo Fo r det andra turboaggregatet i serien (ho gtrycks-/det mindre turboaggregatet) skattas varvtalet Ntc,hp analogt med hur varvtalet skattades fo r la gtrycksturbon i avsnitt Fo rst skickas de erha llna va rdena fo r p2, T2 och m c,e,lp genom samma verkningsgradsmodell som anva ndes fo r det sto rre turboaggregatet enligt ekvation 11 till 29. Pa sa sa tt erha lls trycket, p3, och temperaturen, T3, efter det andra kompressorsteget samt tryckkvoten, Πc,hp och verkningsgrad, ηct,hp, fo r detta kompressorsteg. Varvtalet Ntc,hp skattas sedan a ven ha r med en Lookup-tabell som inneha ller interpolerade ma tva rden fo r varvtalet som funktion av tryckkvoten, Πc,hp och verkningsgraden, ηct,hp. Varvtalet skalas sedan om till radianer per sekund fo r att uppra ttha lla SI-standard. Eftersom det inte a r intressant att skatta massflo det efter detta kompressorsteg anva nds inte kompressormodellen som anva ndes fo r la gtrycksturbon utan man no jer sig ista llet ha r med utsignalerna p3, T3, och ωtc,hp. Trycket p3 kommer att a terkopplas mot trycket innan trotteln pic (efter intercoolern) (vilket antagligen kommer vara na got la gre a n p3 ) Implementering i Simulink De ekvationer och Lookup-tabeller som na mns i avsnitten och implementeras i Simulink enligt figur 8. Som synes i figuren kommer tryckkvoten, Πc, fo r respektive aggregat a terkoppplas fra n fo rega ende tidssteg via ett Transport Delay. Delay-blocken har ett initialvillkor som sa tter tryckkvoterna till 1 i fo rsta tidssteget, det vill sa ga att kompressorstegen inte arbetar alls. Detta inneba r alltsa att simuleringarna fa r ske fra n stillasta ende, eller i vilket fall ett la ge da r turboaggregaten inte anva nds. Det a terkopplade va rdet pa tryckkvoten kommer att anva ndas fo r att ra kna ut verkningsgraden i da varande tidspunkt enligt ekvation 11 och med denna bera knas sedan tryck och temperatur efter kompressorn fram och pa sa sa tt en ny tryckkvot. Denna a terkopplas sedan till na sta tidssteg. Bera kningen kommer pa sa sa tt bli iterativ. A terkopplingen av det ma tta trycket innan trotteln (det vill sa ga pic ) skapas genom att skicka in pic, la gga pa en konstantterm fo r att ta ha nsyn till tryckfallet fra n kompressor till trottel och sedan dra ifra n det fra n p3. Skillnaden mellan dessa tryck fo rsta rks sedan med en a terkopplingsfaktor L. Detta dras sedan ifra n trycket p2 fo r att pa sa sa tt kunna korrigera fel i trycket i verkningsgradsmodellen fo r la gtrycksturbon. Figur 8: Simulink-schema o ver observato ren fo r dubbelturbosystemet Kursnamn: Kurskod: Projekt: Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation

20 MOTOR Motor Trycket in till cylindern P im samt massflödet in i motorn ṁ im kommer att behöva observeras för att reglera turboaggregaten. Detta kommer ske helt enligt avsnitt

21 MOTOR 16 4 SuperTurbo Den befintliga modellen för en motor med dubbelturbo kommer att återanvändas och modifieras. I stället för ett extra turboaggregat kommer en mekanisk kompressor att implementeras. Resultatet blir en modell av en SuperTurbo. 4.1 Syfte och mål Syftet med SuperTurbon är att skapa en simulerbar modell och undersöka hur olika reglerstrategier påverkar en superladdad motors prestanda. Målet är att uppnå en motor med bra möjlighet till effektuttag utan ökad bränsleförbrukning (downsizing) och undvika turbolag i så lång utsträckning som möjligt. För att uppfylla målen ska en modell tas fram som är simulerbar i MATLAB/Simulink. Denna modell skall kunna kopplas till en riktig motor via exempelvis dspace och användas för att utföra olika experiment. I verkliga motorer finns begränsad tillgång till sensorer, vilket leder till att observatörer behöver designas. Dessa väljs ut för att observera olika strategiska signaler som sedan kommer att användas i regulatorstrukturen vars huvudsakliga uppgift i detta projekt är att undvika turbolag. 4.2 Modell I detta avsnitt behandlas endast modellering av den mekaniska kompressorn som implementeras i den redan befintliga modellen. För övriga delmodellermodeller hänvisas till befintlig modell (se avsnitt 3). Mycket inspration har hämtats ur Modeling and Control of Engines and Drivelines av Eriksson och Nielsen [1] Beskrivning Avsnitt 3 beskriver modellen som kommer att återanvändas. När det lilla turboaggregatet avlägsnas erhålls en motor med enkelturbo. Aggregatet som lämnas kvar är relativt stort vilket kommer att generera mycket effekt men orsaka turbolag. Med turbolag menas att turbon till en början inte kommer att kunna leverera det begärda insugstrycket som ett visst gaspådrag motsvarar. Detta på grund av tiden det tar för motorn att varva upp turboaggregatet. Den mekaniska kompressorns huvudsyfte är att minska detta turbolag genom att mata turboaggregatet med luft och därmed minska tiden det tar för aggregatet att nå det varvtal som levererar önskat insugstryck. Komprimeringen av luft kommer att modelleras som en isentropisk verkningsgrad på samma sätt som centrifugalkompressorn i turboaggregatet Centrifugalkompressor Kompressorn kommer att modelleras i fyra delar; luftmassans flöde, verkningsgrad, temperatur nedströms och momentet i kompressorn. Se figur 9 nedan. Insignaler Variabel Enhet Beskrivning w c rad/s Kompressorvarvtal p us Pa Tryck uppströms p ds Pa Tryck nedströms T us K Temperatur uppströms

22 MOTOR 17 Figur 9: Modell av SuperTurbons mekaniska kompressor. Utsignaler Variabel T qc m c Tc Enhet Nm kg/s K Beskrivning Kompressorns bromsande moment Massflo de genom kompressorn Temperatur efter kompressorn Parametrar Variabel Πc,max Dc Ψmax cpa γ m c m c,max m c,corr m c,corr,max Q11, Q12, Q22 pref,c Tref,c Enhet m J/KgK kg/s kg/s kg/s kg/s Pa K Beskrivning Tryckkvot, max Kompressorhjulets diameter Energio verfo ringskoeff. max Specifik va rmekapacitet luft Ratio av specifik va rme Luftmassflo de genom kompressor Luftmassflo de genom kompressor vid ηmax Korrigerat luftmassflo de genom kompressor Korrigerat luftmassflo de genom kompressor vid ηmax Anpassningsparametrar Referenstryck fra n kompressormapp Referenstemperatur fra n kompressormapp Ekvationer γ γ 1 U22 Ψmax Πc,max = +1 2cpa Tus s 2 Πc m c,corr = m c,corr,max 1 Πc,max (19) (20) pus /pref,c m c = m c,corr p Tus /Tref,c ηc = ηc,max Kursnamn: Kurskod: Projekt: m c p m c,max Πc 1 Πc,max 1 Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR T Q11 Q12 Q12 Q22 Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: (21) m c p m c,max Πc 1 Πc,max 1 (22) camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation

23 MOTOR 18 Parameterskattning U 2 = D c 2 w c (23) T q c = P c w c = ṁcc p (T c T us ) w c (24) Då inga mätdata finns tillgängliga väljs ett antal mätpunkter ur kompressormappen. Modellen anpassas efter dessa mätpunkter med hjälp av minstakvadratmetoden Utväxling mellan motor och kompressor Kompressorn är kopplad till motorn och påverkar motormomentet bromsande. Då kompressorn arbetar vid högre varvtal än motorn krävs någon form av växel som växlar upp motorns varvtal. Växeln styrs av en magnetväxel som modelleras diskret, antingen är den på eller av. Att kopplingen är diskret kan ställa till numeriska problem vid simulering vid av- och påslag, och kommer därför att rampas vid omslag. I växlingen måste förluster tas i beaktning och modelleras som en konstant friktionsfaktor. Se figur 10 nedan. Figur 10: Modell av kopplingen mellan motorns och kompressorns moment. Insignaler Utsignaler Variabel Enhet Beskrivning T q c Nm Kompressorns bromsande moment T q e Nm Motorns moment K cl - Koppling av/på (diskret) Variabel Enhet Beskrivning w c rad/s Kompressorns varvtal

24 MOTOR 19 Parametrar Variabel Enhet Beskrivning U - Utväxling η U - Växelns verkningsgrad η ωc - Dämpning och friktion i kompressorns axel J e kgm 2 Masströghetsmoment kompressor Ekvationer ω c = T q e(k cl Uη U ) T q c η ωc ω c J e (25) Parameterskattning Masströghetsmoment och utväxlingsförhållande tas optimalt från uppdragsgivaren, men sätts till en början till så kallade rimliga värden. Detta för att först och främst skapa en simulerbar miljö. Ekvation (25) integreras för att få kompressorvarvtal.

25 MOTOR Observatörer Figur 11: SuperTurbo med tillstånd som ska skattas I figur 11 syns de tillstånd som är av intresse vid skapande av observatörer. Tillstånden är benämnda enligt: (T1 P1) Efter luftfiltret (T2 P2) Efter mekanisk kompressor samt före turboaggregatets kompressor (T3 P3) Efter turboaggregatets kompressor (obs: T 3 T inletmanifold p.g.a. intercooler) (Tim Pim) Temperatur och tryck i insugsröret (T4 P4) Före turbin (T 4, P 4 = T exhaust, P exhaust ) (T5 P5) Efter turbin (NS) Mekaniska kompressorns varvtal (NTC) Turboaggregatets varvtal

26 MOTOR Beskrivning För att SuperTurbo-regulatorn ska fungera krävs mätvärden för ett antal olika dynamiska tillståndsvariabler. Motorer i dagens bilar innehåller ett antal sensorer som ej mäter samtliga önskade variabler. Av ekonomiska skäl är det ej aktuellt att introducera nya sensorer för att mäta dessa tillstånd. Detta medför att aktuella tillstånd måste skattas med hjälp av observatörer. För att reglering av SuperTurbo ska fungera behövs varvtalet för turbinaggregatet skattas. Till detta behövs ytterligare skattade parametrar i form av massflöden, temperaturer och tryck. Nedanstående avsnitt tar upp observatörernas design. Samtliga tillstånd i figur 11 gås igenom steg för steg i pilarnas riktning Mekanisk kompressor Temperatur T 1, tryck P 1, varvtalet för kompressorn NS samt luftmassflödet in till kompressorn ṁ c,in är kända tillstånd då sensorer mäter dessa. På samma sätt som för Seriellt dubbelturbosystem skattas T 2, P 2 och ṁ c,ut från ekvationer som använder sig av insignaler tryckkvot över kompressorn Π c,mk och volymetrisk verkningsgrad η c,mk. Varvtalet för den mekaniska kompressorn NS är känt eftersom den är kopplad till motorn och på så vis proportionell mot motorvarvtalet. Insignaler Utsignaler Variabel Enhet Beskrivning p 1 Pa Tryck innan kompressor T 1 K Temperatur innan kompressor ṁ c,in kg/s Massflöde in till kompressor N S varv/min Varvtal för kompressorn Variabel Enhet Beskrivning p 2 Pa Tryck efter kompressorn T 2 K Temperatur efter kompressorn Π c,mk - Tryckkvot över kompressorn η c,mk - Volymetrisk verkningsgrad ṁ c,mk kg/s Massflöde ut från kompressor

27 MOTOR 22 Parametrar Variabel Enhet Beskrivning Q 11, Q 12, Q 22 - Anpassningsparametrar γ - Ratio av specifik värme Π c,mk,max - Maximal tryckkvot över kompressorn ṁ c,corr,max Pa Maximalt korrigerat massflöde efter kompressorn Ψ max - Modellparameter c p,a J/KgK Specifik värmekapacitet luft T ref,c K Referenstemperatur för kompressormappen p ref,c Pa Referenstryck för kompressormappen d mk m Kompressorns hjuldiameter ω c,mk rad/s Kompressorhjulets vinkelhastighet U 2 rad/s Kompressorhjulbladshastighet [ η c,mk = η c,mk T 2 = T 1 + T 1 η mk (( p 2 p 1 ) γ 1 γ 1) (26) ṁ c,mk ṁ c,mk,max Πc,mk 1 Π c,mk,max 1 ] T [ ] [ Q11 Q 12 Q 12 Q 22 ṁ c,mk ṁ c,mk,max Πc,mk 1 Π c,mk,max 1 (27) ] ( ) γ T2 γ 1 p 2 = p 1 T 1 (28) Π c,mk = p 2 p 1 (29) Π c,max = ( ) U 2 2 Ψ γ γ 1 max + 1 2c p T 1 (30) U 2 = D mk 2 ω c,mk (31) ω c,mk = 2πNS 60 (32) ( ) 2 Πc,mk ṁ c,corr = ṁ c,corr,max 1 (33) Π c,mk,max p 1 /p ref,c ṁ c,mk = ṁ c,corr (34) T1 /T ref,c Parametrarna Ψ max och ṁ c,corr,max är parametrar som måste tas fram från motordata.

28 MOTOR Turboaggregatets kompressor Efter turboaggregatets kompressor fås T 3, P 3, NT C samt massflödet ut ur turboaggregatets kompressor ṁ c,e,lp enligt observatörsavsnittet för Lågtrycksturbo i Seriellt dubbelturbosystem Eftersom lågtrycksturboaggregatet är det samma som i Seriellt dubbelturbosystem kan denna observatörsstruktur återanvändas. Notera att massflödet in i turboaggregatets kompressor ṁ ct,lp är det samma som det utgående massflödet från den mekaniska kompressorn ṁ c,mk Motor Trycket in till cylindern P im samt massflödet in i motorn ṁ im beräknas med insignaler för de utgående tillstånden från turboaggregatets kompressor (T 3, P 3 och ṁ c,e,lp ) med ekvationer för intercooler och trottel. Temperaturen in till cylindern T im antas vara konstant då intercoolern antas kyla luften optimalt. Intercoolerns dynamik beskrivs som en volym med ekvationer för ideala gaslagen: Insignaler Utsignaler Parametrar Variabel Enhet Beskrivning ṁ in kg/s Massflöde in intercooler ṁ ut kg/s Massflöde ut intercooler T in K Temperatur in intercooler Variabel Enhet Beskrivning p ic Pa Tryck efter intercooler Variabel Enhet Beskrivning c v kj/kg K Specifik värmekapacitet R J/mol K Ideala gaskontanten ṁ = ṁ in ṁ ut (35) T ic = 0 = 1 [ṁ in c v (T in T ) + R(T in ṁ in T ṁ ut )] (36) mc v Temperaturdifferensen T ic är noll då konstant temperatur antas över intercoolervolymen. T ic fås från kompressormapp. ṁ in = ṁ c,e,lp (37) Tryck efter intercoolern fås enligt: ṁ ut = ṁ at (38) p ic = mrt ic V ic (39)

29 MOTOR 24 Trottelekvationer följer enligt: Insignaler Utsignaler Parametrar Variabel Enhet Beskrivning p ic Pa Tryck före trottel T ic K Temperatur före trottel p im Pa Tryck efter intercooler α th rad Trottelposition Variabel Enhet Beskrivning ṁ at kg/s Massflöde efter trottel Variabel Enhet Beskrivning γ - Ratio av specifik värme A eff m 2 Effektiv trottelarea Ψ i - Modell för lufthastighet Π - Mappningskoefficent ṁ at = p ic RTic A eff (α th )Ψ li (Π( p im p ic )) (40) A eff (α) = a 0 + a 1 cos(α) + a 2 cos 2 (α) (41) Med statiska mätningar skattas a 0, a 1 och a 2 med hjälp av minsta kvadratmetoden. Ψ li (Π) = Ψ 0 (Π) = { Ψ 0 (Π) Ψ 0 (Π li ) 1 Π 1 Π l i Massflödet in till cylindern skattas genom ekvationer: om Π Π li annars (42) 2γ γ 1 (Π 2 γ Π γ+1 γ ) (43) Π( p im ) = max( p im 2, ( p ic p ic γ + 1 ) γ γ 1 ) (44) Insignaler Utsignaler Variabel Enhet Beskrivning p im Pa Tryck in cylinder N varv/s Motorvarvtal T im K Temperatur in cylinder Variabel Enhet Beskrivning ṁ c kg/s Massflöde in cylinder

30 MOTOR 25 Parametrar Variabel Enhet Beskrivning η vol - Volymetrisk verkningsgrad V D m 3 Slagvolym n r - Takt R J/molK Ideala gaskonstanten ṁ c = η vol (N, p im ) p imnv D n r RT im (45) η vol skattas genom minsta kvadratmetoden för olika statiska mätningar: η vol = c 0 + c 1 N + c2 pim (46) Figur 12 visar hur observatören kommer att implementeras i Simulink för att skatta trycket in till cylindern p im. Figur 12: Observatör för trycket in till cylindern

31 MOTOR Reglering Målet med regleringen av SuperTurbon är att erhålla en momentkurva som motsvarar det önskade momentet med så litet fel som möjligt. Detta innebär även att transientövergångar ska kunna hanteras Beskrivning Regleringen av SuperTurbon är indelad i flera delsystem. De aktuatorer som måste regleras är wastegaten, trotteln och den mekaniska kompressorns koppling som styr dess varvtal. Reglering av dessa kommer att implementeras i ett block boost cont enligt figur 13. Figur 13: Implementering av boost control Systemblocket som heter boost cont i figur 13 innehåller själva regleringen av aktuatorerna och interpretation av gaspedalens position. Innehållet av boost controllern är avbildat i figur 14. Figur 14: Boost control Driver gas pedal interpretation För att ta reda på vilket tryck som ska produceras i insugsröret i godtycklig situation, behövs en interpretation av gaspedalens läge i relation till motorns varvtal. Interpretationen kommer att likna den som är avbildad i figur 15 nedan.

32 MOTOR 27 Figur 15: Gaspedalsinterpretation De båda blocken med frågetecken i är lookup tables och kommer behöva defineras vid implementeringen. Modellen baseras på ekvation (47) enligt nedan. bmep ref ges av ekvation (48). p im,ref = bmep ref C P 0 C P 1 (47) T q e,ref ges av ekvation (49) T q e,ref = bmep ref = 2πn rt q e,ref V D (48) { T q e,max (N e ) ped ped < 0.1 T q e,min (N e ) 0.1 ped else Med dessa tre ekvationer implementeras systemet i figur 15. (49) Throttle feed forward, feedback and anti-windup Trottelregleringen ska se till att trycket i insugsröret alltid är så nära det önskade värdet som möjligt. Regleringen kommer att bestå av två delar, en framkoppling och en återkoppling. Framkoplingen ges av ekvation (50) nedan. Vid implementeringen måste α thr,ref värde undersökas. Om det är negativt, har fel förtecken valts i ekvation (50). α thr,ref = a 0 Athr,eff,ref a 0 ± + ( a 1 ) (50) 2a 2 a 2 2a 2 A thr,eff,ref i ekvation (50) måste modelleras. Dess beroende av andra variabler visas i ekvation (51). A thr,ref = f(ṁ air,ref, Ψ(Π thr,ref ), T im, R air ) (51) T im och R air antas vara kända från tidigare modeller, mätinstrument eller observatörer. Π thr,ref ges av ekvation (52). Π thr,ref = p im,ref max(p im,ref, p ic ) (52)

33 MOTOR 28 Återkopplingen är en PI-regulator med tracking och implementeras enligt ekvation (53) - (73). e im,n = p im,ref p im (53) T s I thr,n = I thr,n 1 + K p,thr e im,n T i,thr (54) α thr,fb,n = K p,thr e im,n + I thr,n (55) α thr,n = α thr,fb,n + α thr,ff,n (56) α thr,max om α thr,n > α thr,max α thr,ref,n = α thr,n om α thr,min < α thr,n < α thr,max (57) α thr,min om α wg,n < α wg,min I thr,n = I thr,n + T s T t,thr (α thr,ref,n α thr,n ) (58) Turbo och Kompressor reglering Både turboaggregatet och den mekaniska kompressorn måste regleras. Regleringen implementeras i systemblocket Compressor and turbo control i figur 14. Eftersom turbon och den mekaniska kompressorn har olika arbetsområden kommer tre olika reglerstrategier behövas. Läge där varken turbo eller mekaniska kompressorn är aktiva Läge där mekaniska kompressor bygger upp tryck och turboaggregatet börjar varva upp Läge där mekaniska kompressorn inte längre är till nytta och bör vara inaktiv och turbon arbetar effektivt Var dessa arbetsområden ligger beror på komponenternas verkningsgrad i olika arbetspunkter. I figur 16 jämförs verkningsgraden för LPC med dels Eaton R410 (vänster) och R900 (höger). Där kan exempelvis noteras att turboaggregatet har sämre verkningsgrad vid låga massflöden och hög tryckkvot än vad de mekaniska kompressorerna har. I ett stationärt läge är massflödet genom kompressorn kopplat till motorns varvtal enligt ekvation 59 nedan. ṁ c = η vol (N e, p im ) p imn e V D n r RT im (59) Med figur 16 och ovanstående går de att resonera sig fram till vid vilket motorvarvtal infasningsområdet bör ligga för turboaggregatet. Detta visas i figur 17.

34 MOTOR 29 Figur 16: Jämförelse av verkningsgrad för olika arbetspunkter. Till vänster: LPC och R410. Till höger: LPC och R900. Figur 17: Visualisering av reglerstrategin Implementeringen av reglerstragegin visas i figur 18 nedan.

35 MOTOR 30 Figur 18: Implementering av reglerstrategin Första läget: Ingen tryckuppbyggnad I detta läge kommer kompressorn vara inaktiv och bypassen vara öppen så att luften flödar förbi kompressorn. Turboaggregatet är också inaktivt vilket innebär att wastegaten är öppen och turbinen inte förser kompressordelen med något moment. Här skapas inget extra tryck till insugsröret. Implementeringen ges i figur 19 Figur 19: Vid inaktivitet av turbo och kompressor Andra läget: Tryckuppbyggnad krävs av kompressorn I detta läge förser inte turbinen turboaggregatets kompressor med tillräckligt stort moment för att kunna fungera effektivt och man får turbolag. Därför ska den mekaniska kompressorn istället bygga upp trycket tills att turbon kan arbeta effektivt. Kopplingen förser den mekaniska kompressorn med ett moment och trycket regleras med hjälp av bypassventilen. Implementeringen av regulatorn visas i figur 20.

36 MOTOR 31 Figur 20: Kompressorn är aktiv och turbon varvar upp Delsystemet linear transition innehåller en funktion som begränsar den mekaniska kompressorns tryckuppbyggnad nära strategibytet. Figur 21: Linjär funktion för att begränsa kompressorn nära reglerstrategins gräns Tredje läget: Turbon arbetar effektivt I detta läge ligger turbon inom sitt arbetsområde och kan arbeta effektivt. Kompressorn inaktiveras genom kopplingen och bypassen öppnas, så att luften strömmar förbi den mekaniska kompressorn. Det innebär att endast wastegaten måste regleras. Implementeringen visas i figur 22.

37 MOTOR 32 Figur 22: Kompressorn är inaktiv och turbon arbetar effektivt Wastegate-reglering Wastegaten är den aktuator som påverkar trycket till turboaggregatets turbin. Regulatorn implementeras som en återkoppling. Regulatorns struktur kommer att likna den som beskrivs i kapitel Dock kommer felet som ska regleras att implementeras enligt ekvation (67) till (68). p ic,ref = p im,ref + p thr,ref (60) e ic,n = p ic p ic,ref (61) T s I wg,n = I wg,n 1 + K p,wg e im,n T i,wg (62) θ wg,fb,n = K p,wg e im,n + I wg,n (63) θ wg,n = θ wg,fb,n + θ wg,ff,n (64) θ wg,max om θ wg,n > θ wg,max θ wg,ref,n = θ wg,n om θ wg,min < θ wg,n < θ wg,max (65) θ wg,min om θ wg,n < θ wg,min I wg,n = I wg,n + T s T t,wg (θ wg,ref,n θ wg,n ) (66) p thr,ref är den önskade tryckförlusten över trotteln. p ic,ref är det önksade trycket i intercoolern innan trotteln. p ic är det aktuella trycket i intercoolern Bypass-reglering Bypassventilen är den aktuatorn som påverkar den mekaniska kompressorns tryckuppbyggnad. Om ventilen är helt öppen leds all luft förbi kompressorn och är den stängd leds all luft till kompressorn. Regleringen är mycket lik den i section p ic,ref = p im,ref + p thr,ref (67) e ic,n = p ic p ic,ref (68)

38 MOTOR 33 T s I bp,n = I bp,n 1 + K p,bp e im,n T i,bp (69) θ bp,fb,n = K p,bp e im,n + I bp,n (70) θ bp,n = θ bp,fb,n + θ bp,ff,n (71) θ bp,max om θ bp,n > θ bp,max θ bp,ref,n = θ bp,n om θ bp,min < θ bp,n < θ bp,max (72) θ bp,min om θ bp,n < θ bp,min I bp,n = I bp,n + T s T t,bp (θ bp,ref,n θ bp,n ) (73) p thr,ref är den önskade tryckförkusten över trotteln. p ic,ref är det önksade trycket i intercoolern innan trotteln. p ic är det aktuella trycket i intercoolern.

39 MOTOR 34 5 Knack Knack syftar till det mycket karaktäristiska ljud som uppstår när bränslet självantänder i en eller flera av cylindrarna. Då knack kan vara skadligt för motorn samt påverkar körupplevelsen negativt är det viktigt att det i motorns styrsystem finns en strategi för hur knackning hanteras. 5.1 Syfte och mål I en motor är det önskvärt att använda en tändvinkel som ligger precis på gränsen till att knack uppstår då detta är det mest optimala med avseende på förbränningseffektivitet. Ett vanligt sätt att åstadkomma detta har historiskt varit att med små steg avancera den relativa tändvinkeln tills dess att knack detekteras. Vid detektion retarderas sedan den relativa tändvinkeln starkt så knackningen upphör varvid processen börjar om igen. Detta innebär att motorn en stor del av tiden kommer att operera vid en tändvinkel som är långt ifrån optimal. Initialt ska en konventionell regulator konstrueras så att det kan garanteras att motorn ej skadas av knack. Vidare är det ett mål att utifrån en stokastisk modell simulera knackfenomenet samt att med stokastiska metoder konstruera en regulator som både bestämmer nödvändigheten av åtgärd samt magnituden hos åtgärden. Regulatorn kommer att tas fram med hjälp av inspiration hämtad från [2]. Detta kommer tillåta motorn att operera närmare optimal tändvinkel med bättre verkningsgrad och prestanda som följd. 5.2 Modell I det här kapitlet kommer knackmodellen beskrivas mer ingående. I modellen kommer knack att ses som en slumpmässig händelse vars sannolikhet beror på ett antal parametrar, framförallt förskjutningen av tändvinkeln θ samt trycket i insugsröret p im. Ett antagande som görs är att intercoolern kyler laddluften så pass väl att temperaturen i insugsröret T im kan anses vara konstant. Modellen kommer även att behöva motorvarvtalet w e för att avgöra hur lång tid en cykel tar. Täthetsfunktionen för sannolikheten att knack har inträffat kommer att mappas utifrån mätdata. Eftersom knack är skadligt för motorer kommer det inte kunna induceras i den motorn som finns tillgänglig i motorlaboratoriet. Istället kommer det utgås från redan framtagen mätdata som gjorts på en mer tålig motor, alternativt får en ny mätserie på en mer tålig motor utföras. När mätningarna är gjorda kommer kurvanpassning göras på mätdatan varvid den resulterande funktionen sedan läggas in som en look-up tabell i Simulink. På så sätt kommer det erhållas en sannolikhet för den arbetspunkten som motorn befinner sig i under varje tidsintervall av simuleringen. Ett exempel på en sån funktion kan ses i figur 23. Observera att värdena i figuren bara är påhittade och inte uppmätta utan bilden är bara till för att få en uppfattning om hur det kan se ut.

40 MOTOR 35 knacksannolikhet pim[bar] 0 2 deltatheta Figur 23: Ett exempel av ta thetsfunktion fo r knacksannolikhet Fo rutom look-up tabellen kommer modellen a ven besta av ett test. Fo r varje cykel kommer det fa s fram en knacksannolikhet pknack och sedan ko rs testet som helt enkelt a r att slumpa fram ett tal mellan 0 och 1. Testet kommer att utfo ras en ga ng fo r varje cykel. Om slumptalet ligger innanfo r knacksannolikheten kommer testet att skicka ut en knacksignal. Om slumptalet inte hamnar innanfo r knacksannolikheten kommer inget att go ras Implementering I Simulink kommer modellen att implementeras enligt figur 24. Ha r ser man de tva stora delarna som modellen a r uppbyggd av, na mligen look-up tabellen och delsystemet fo r knacktestet. Figur 24: O versikt av knackmodellen implementerad i Simulink Kursnamn: Kurskod: Projekt: Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation

41 MOTOR 36 En detaljerad bild pa delsystemet fo r knacktestet ses i figur 25. Figur 25: Delsystemet fo r knacktest 5.3 Regulator Under projektets ga ng ska tva olika strategier fo r att reglera knack underso kas. Till att bo rja med ska en traditionell knackregulator konstrueras att anva ndas som dels en sa kerhetsfunktion men ocksa som referenspunkt till mer komplexa reglulatorer. Speciellt a r det av intresse att underso ka om knack kan beskrivas som en stokastisk process och utifra n detta konstruera regulatorer. En schematisk bild o ver regulatorstrukturen ses i figur 26 Figur 26: O versikt regulatorstruktur fo r knackreglering Parametern fo r ta ndningseffektiviteten ηign kommer att skattas enligt ηign = θ θ θ θ (74) Formeln a r skattad fra n bilden pa sidan 114 i [1] Konventionell regulator Principen som anva nds i denna regulatorstruktur a r att vid varje knackfri cykel avancera den relativa ta ndvinkeln med ett litet inkrement kallat Kadv. Na r knack detekteras retarderas ta ndvinklen i na sta cykel med ett i sto rre steg kallat Kret. O ver tid ga ller att o kningen av ta ndvinkel ma ste vara lika stor som minskningen. Med en antagen sannolikhet fo r knack pknack ma ste de avancerande och retarderande fo rsta rkningarna fo rha lla sig pa fo ljande sa tt. Kret pknack = Kadv (1 pknack ) (75) Kadv = Kursnamn: Kurskod: Projekt: Reglerteknisk projektkurs TSRT10 MOTOR pknack Kret 1 pknack Mail: Dokumentansvarig: Dokumentnamn: (76) camla539@student.liu.se Olof Juhlin Designspecifikation