Kravspecifikation Version.3 Dokumentansvarig: Olof Juhlin Datum: 29 november 203 Status Granskad Camilla Larsson 203--29 Godkänd Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
Projektidentitet Gruppmail: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvariga: Projektledare: Handledare: camla529@student.liu.se http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/203/turbo/ Lars Eriksson, Linköping Universitet Telefon: 03-284409, Mail: larer@isy.liu.se Fredrik Wemmert, Volvo Cars Corporation Telefon: 03-3254033, Mail: fredrik.wemmert@volvocars.com David Törnqvist, Linköping Universitet Telefon: 03-28882, Mail: tornqvist@isy.liu.se Daniel Axehill, Linköping Universitet Telefon: 03-284042, Mail: daniel@isy.liu.se Camilla Larsson Andreas Thomasson, Linköping Universitet Telefon: 03-286862, Mail: andreast@isy.liu.se Gruppmedlemmar Namn Ansvarsområde Telefon Mail (@student.liu.se) Camilla Larsson Projektledare 073-694796 camla539 Benjamin Lundahl Informationsansvarig 073-623456 benlu392 Christoffer Florell Testansvarig 073-5045066 chrfl746 Johan Thornblad Ansvarig knack 070-466996 johth660 Olof Juhlin Dokumentansvarig 076-8303539 oloju37 Robin Karlsson Kvalitets- & leveransansvarig 070-35290 robka927 Svante Löthgren Ansvarig SuperTurbo 070-4885286 svalo459 Viktor Nyman Designansvarig 073-58385 vikny77
Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utfört av Granskad 0. 203-09-5 Första utkast MOTOR CL 0.2 203-09-7 Andra utkast MOTOR OJ 0.3 203-09-9 Tredje utkast MOTOR VN.0 203-09-24 Första versionen CL RK. 203-0-09 Korrigering av kravnummer. CL JT Tillagt krav efter önskemål från kund..2 203--20 Efter omförhandling har prio RK CL ändrats på krav 38 och 39. Krav 40 har delats upp i två krav..3 203--28 Krav 7 har modifierats och delats upp i 2 krav. Krav 32 och 64 har ändrats. RK CL Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
Innehåll Introduktion. Parter................................................2 Syfte och Mål............................................3 Användning.............................................4 Bakgrund..............................................5 Definitioner............................................ 2 2 Översikt av systemet 3 2. Grov beskrivning av produkten................................. 3 2.2 Komponenter........................................... 3 2.3 Beroenden till andra system................................... 3 2.4 Delsystem............................................. 4 2.5 Generella krav på hela systemet................................. 4 3 Seriellt dubbelturbosystem 5 3. Modell............................................... 5 3.2 Regulatorerna........................................... 5 3.3 Observatör av turbovarvtal................................... 6 4 SuperTurbo 7 4. Modell............................................... 7 4.2 Regulator............................................. 8 4.3 Observatörer........................................... 8 5 Knack 9 5. Modell............................................... 9 5.2 Regulator............................................. 9 5.3 Temperaturobservatör...................................... 0 6 Scavenging 6. Modell............................................... 6.2 Implementering.......................................... 7 Prestandakrav 2 8 Krav på vidareutveckling 2 9 Ekonomi 2 0 Leveranskrav och delleveranser 3 Dokumentation 4. Krav för dokumentation..................................... 4 2 Kvalitetskrav 5
MOTOR 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. En regulator för knack ska tas fram och scavenging kommer att undersökas. Kraven kommer presenteras i tabeller enligt strukturen nedan. Under Krav numreras kravet, Förändring beskriver huruvida kravet har blivit reviderat eller är ursprungligt, Kravbeskrivning ger en kort beskrivning av kravet och Prioritet definierar kravets prioritet enligt avsnittet Definitioner.5 på sida 2.. 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 medlemmar från Y- och M-programmen vid LiU. Projektledare är Camilla Larsson..2 Syfte och Mål I detta projekt kommer regulatorer för dels ett seriellt turbosystem och dels ett SuperTurbosystem utvecklas. SuperTurbo definieras som en kombination av ett mekanisk kompressor (Supercharger) och ett turboaggregat där de sitter i serie på ett sådant sätt att kompressorn sitter först och turbon efteråt (närmast insuget). 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. Även scavenging kommer att undersökas för att ta reda på om det ger några vinster med enkla medel. Viktiga mål för modelleringen och regleringen är att kunna modellera och simulera knack. Knack är störande för föraren och kan orsaka stora skador, rentav haverier, och är därmed önskvärt att motverka..3 Användning De regulatorer som utvecklas ämnas 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 ämnar att införskaffa till motorlaboratoriet våren 204..4 Bakgrund Överladdning av förbränningsmotorer används för att åstadkomma högre effekt genom att öka luftflödet in i insuget. Därmed kan mer bränsle tillföras vid bibehållen bränsleluftblandning, vilket medför högre effekt. Överladdning med en enkel turbo eller mekanisk Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 2 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 det åstadkommas bättre körbarhet och prestanda jämfört med enkelturbo eller enbart kompressor. Karaktäristik från de två aggregaten kan då kombineras och därmed ge bra prestanda över ett större varvtalsområde. VEA som motorarkitektur är nyskapande på det sätt 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 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 testas på tillhör dock inte VEA-familjen utan är tillverkad av General Motors. Motorn är dock 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. Denna motor är installerad i Fordonssystems motorlaboratorium och är tänkt att ersättas med en motor ur Volvos VEA-familj våren 204..5 Definitioner I denna kravspecifkation kommer krav att tilldelas en prioritet från ett () till tre (3). Prioritet ett syftar till sådana krav som vid projektets avslut (BP5) skall vara uppfyllda. Krav med prioritet två skall även de ämnas att vara uppfyllda vid leverans, men samtidigt är dessa inte nödvändiga för projektets avslut och kan därför förkastas vid resursbrist. Prioritet tre är sådana krav som kan genomföras först när samtliga krav av prioritet ett och två är genomförda och det vid tidpunkten är realistiskt att med dåvarande resurser genomföra dessa. Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 3 2 Översikt av systemet Systemet består av modeller i Simulink. Projektet bygger vidare på en befintlig motormodell. Huvudsakligen ska arbete läggas i blocken observatörer och regulatorer i. Förutom det som beskrivs i figur ska även en modell för SuperTurbo tas fram. Även implementering av så kallad scavenging ska undersökas. Figur : Översikt över systemet 2. Grov beskrivning av produkten Produkten som ska levereras består av flera olika delsystem. Kopplat till en motor med dubbelturbo ska regulator tillsammans med observatörer implementeras för styrning av laddtryck. Även en regulator för att reglera knack ska implementeras tillsammans med en knacksimulator. En annan del består i att undersöka och bygga modeller för överladdning med SuperTurbo. 2.2 Komponenter Komponenter som tillhör produkten är regulatorer och observatörer till dubbelturbon, en regulator för att motverka knack samt en simulator för att simulera knack i motormodellen. Även modeller för SuperTurbo ingår i produkten. Modeller och regulatorer implementeras i MATLAB och Simulink. Tillsammans med modellerna levereras också dokumentation i form av teknisk dokumentation och användarhandledning. Utöver det kommer också en hemsida och en film finnas som demonstrerar produkten. 2.3 Beroenden till andra system Produktens modeller är beroende av programvarorna MATLAB och Simulink. För att testa och demonstrera systemet mot den motorn som finns i motorlaboratoriet hos Fordonssystem används ett styrsystem bestående av dspace, MicroAutoBox och RapidPro. De modeller som levereras är beroende av tidigare modeller för motor och turbo tillhandahållna av Fordonssystem. Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 4 2.4 Delsystem De huvudsakliga delsystem som ingår ges i tabellen nedan. Regulator för dubbelturbo Modeller för SuperTurbo Knackregulator samt simulator Undersökning av scavenging 2.5 Generella krav på hela systemet Nedan listas krav som gäller för systemet som helhet. Original Motormodellen ska vara implementerad i Simulink 2 Original Samtliga delsystem ska kunna testas separat 3 Original Validering av modeller ska dokumenteras 4 Original Modellernas giltighetsområde och noggrannhet ska dokumenteras 5 Original Modeller ska valideras innan de testas på motor 6 Original Regulatorer ska ta hänsyn till integratoruppvridning 7 203--28 Reglerparametrar ska sättas så att man tar hänsyn till modövergångar i regulatorerna 7. 203--28 Övergångar mellan reglermoderna för dubbelturbo 2 och SuperTurbo ska vara stötfria. Med stötfria menas ett maximalt tryckfall eller tryckökning på 500 Pa i insugsröret 8 Original Regulatorernas begränsningar ska dokumenteras 9 Original Observatörernas begränsningar ska dokumenteras 0 Original Reglering ska göras med hänsyn till utrustningen i motorlaboratoriet Original Systemet ska se till att inga temperaturer överskrider tillåtna värden 2 Original Systemet ska se till att inga varvtal överskrider tillåtna värden 3 Original Systemet ska se till att inga tryck överskrider tillåtna värden 2 Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 5 3 Seriellt dubbelturbosystem Sedan tidigare finns ett system i form av den motor som beskrivs under avsnittet Bakgrund.4 på sida. Som tidigare nämnt är denna motor utvecklad av General Motors och det styrsystem med tillhörande regulatorer som utvecklats av tidigare studentprojekt går således inte att tillgå till följd av sekretess. Grundläggande modeller över motorn (med dubbelturbo) är dock tillgängliga. För att få ett tillförlitligt och väl fungerande system att utveckla bland annat knackreglering och scavenging på så måste de modeller som finns valideras och nya, grundläggande regulatorer för systemet utvecklas. 3. Modell Tabellen nedan visar de krav som modellerna ska uppfylla vid projektets slut. 4 Original Befintliga modeller från tidigare projekt skall valideras 5 Original Uppenbara fel i befintliga modeller skall åtgärdas 6 Original Modellen skall implementeras i det tillgängliga Simulink-schemat 3.2 Regulatorerna Tabellen nedan visar de krav som regulatorn ska uppfylla vid projektets slut. 7 Original En regulator för reglering av ett seriellt dubbelturbosystem skall tas fram 8 Original Regulatorn ska implementeras i den befintliga Simulinkmodellen 9 Original Regulatorn ska vara fristående från observatören 20 Original Regulatorn ska reglera mot det önskade trycket baserat på begärt moment 2 Original Det maximala varvtalet får inte överskridas på något av turboaggregaten 22 Original Regulatorn ska se till att tryck och temperaturer i systemet ligger inom tillåtna områden Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 6 3.3 Observatör av turbovarvtal Det är viktigt att varvtalen hos de två turboaggregaten inte överstiger erfoderliga maximalvärden. Då inga sensorer för varvtalen finns i produktionsmotorer behöver dessa skattas med hjälp av en observatör, även om det finns sensorer för detta i den laborationsuppställning som är tillgänglig. Således skall en observatör för varvtalen konstrueras. Tabellen nedan visar de krav som observatören av turbovarvtalen ska uppfylla vid projektets slut. 23 Original Observatören skall ge tillförlitliga skattningar för de båda turboaggregatens varvtal 24 Original Observatören skall implementeras i den befintliga Simulinkmodellen 25 Original Observatören skall vara fristående från regulatorn 26 Original Observatören skall kunna samköras med regulatorn Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 7 4 SuperTurbo Namnet SuperTurbo kommer från begreppen supercharger och turbocharger. Som namnet redan antyder så handlar det om en motortyp med både mekanisk kompressor samt turboaggregat. Den mekaniska kompressorn tar en liten del av utmomentet från motorn och komprimerar luften in till turboaggregatets kompressor. 4. Modell Figur 2 nedan visar ett förslag av modell för SuperTurbon. Luftfilter Mekanisk Kompressor Kompressor Intercooler Trottel Insugsrör Motor Drivlina Avgasrör Turbin Utblås Figur 2: SuperTurbons modellskiss Tabellen nedan visar de krav som modellerna ska uppfylla vid projektets slut. 27 Original Preliminär modell för den mekaniska kompressorn ska finnas 28 Original Modell för turboladdad motor ska imlementeras Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 8 4.2 Regulator Tabellen nedan visar de krav som olika regulatorer ska uppfylla vid projektets slut. 29 Original Regulatorn ska implementeras i den befintliga Simulinkmodellen 30 Original Regulatorn ska vara fristående från observatören 3 Original Regulatorn ska reglera mot det önskade trycket baserat på begärt moment 32 203--28 Den mekaniska kompressorn i serie med en turbo ska ge ett snabbare transientsvar på ett steg i tryck i insugsröret än vad turbon gör på egen hand 33 Original Tryck och temperaturer i systemet ska hållas inom tillåtna gränser 34 Original Den mekaniska kompressorn ska inte användas när motorns varvtal är över 3300 rpm 4.3 Observatörer Observatörer för tryck, temperatur och varvtal ska implementeras. Tabellen nedan visar de krav som observatörerna ska uppfylla vid projektets slut. 35 Original Observatörer ska implementeras i befintligt system 36 Original Observatörer ska vara fristående från regulatorn 37 Original Observatörer ska ge tillförlitliga skattningar på turbinvarvtal 38 203--20 Observatörer ska ge tillförlitliga skattningar 2 på temperatur i signifikanta punkter 39 203--20 Observatörer ska ge tillförlitliga skattningar på tryck i signifikanta punkter 2 Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 9 5 Knack Knack uppstår då bränsle-luftblandningen självantänder i cylindern. Då får man inte den fina flamfront som normalt erhålls utan bränslet brinner upp på ett okontrollerat sätt och sänder ut chockvågor. Dessa kan bidra till slitage och förhöjd värme som i sin tur kan förstöra motorn. 5. Modell Nedan beskrivs de krav som gäller för modellen. 40 203--20 En simpel modell för knack ska implementeras i Simulink med avseende på tryck i insugsröret och varvtal på motorn 40. 203--20 En mer avancerad modell som även tar hänsyn 2 till temperaturen i insugsröret ska tas fram 4 Original Modellen för knack ska integreras i den kompletta simuleringsmodellen för hela systemet 42 Original En mer avancerad modell som simulerar knack utifrån flamfrontstemperaturer och cylindertryck ska utvecklas 3 5.2 Regulator Nedan beskrivs de krav som gäller för regulatorn. 43 Original Det ska finnas en regulator som motverkar knack 44 Original Regulatorn ska vara fristående från observatörer och modell för att enkelt kunna im- plementeras i ett befintligt system 45 Original En regulator ska implementeras som använder tändningstider för att motverka knack 46 Original Regulatorn ska motverka knack genom att förändra bränsletillförseln och lutftillförseln in i cylindern 2 Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 0 5.3 Temperaturobservatör En observatör för temperatur innan cylindern ämnas tas fram om resurser finns. Observatören är dock inte nödvändig för att reglera det system som finns i motorlaboratoriet då det finns sensorer för önskade storheter. Nedan beskrivs de krav som gäller för observatören. 47 Original En observatör för temperatur ska tas fram 2 48 Original Observatören ska vara fristående från regulatorer och modell för att enkelt kunna implementeras i ett befintligt system 2 Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 6 Scavenging Scavenging är en teknik som består av att låta tiden som insugs- och utblåsventilerna är öppna överlappa. På så sätt kan man skapa ett direktflöde av luft mellan insugsrör och avgasrör för att snabbare öka hastigheten på turboaggregatet. Därmed går det snabbare att öka mängden luft till cylindrarna och på så sätt minskas turbolagg. Ytterligare en effekt kan vara att knack förebyggs då temperaturen sänks i cylindrarna. 6. Modell För att undersöka möjligheten att implementera scavenging med hjälp av ventiltilssystemet behövs modeller. 49 Original Experiment med scavenging skall utföras 50 Original En modell för scavenging skall tas fram 2 5 Original Modellen för svavenging implementeras i modellen för hela systemet 2 6.2 Implementering Nedan beskrivs de krav som finns för implementeringen. 52 Original En regulator för implementering av scavenging 2 med avseende att reducera turbolagg ska byggas 53 Original Regulatorn ska testas i motorlaboratoriet 2 Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 2 7 Prestandakrav Nedan listas de krav på prestanda som ställs på den slutgiltiga produkten. 54 Original Regulatorerna ska gå att köra i det befintliga styrsystemet 55 Original Hela systemet ska gå att simulera snabbare eller lika snabbt som realtid 2 8 Krav på vidareutveckling Om så önskas skall projektet kunna vidareutvecklas, och därför ställs krav på hur all dokumentation hanteras och arkiveras. 56 Original All dokumentation inklusive källkod skall sparas i elektronisk form 9 Ekonomi Under projektet finns vissa begränsningar. I detta avsnitt visas de krav på ekonomiska resurser som finns att tillgå. 57 Original Varje projektmedlem ska leverera 240 timmar 58 Original Handledare kan nyttjas under 60 timmar för handledning i motorlaboratorium 59 Original Handledare kan nyttjas under 25 timmar för övrig handledning Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 3 0 Leveranskrav och delleveranser I projektet ska 4 delleveranser ske. Alla datum som är av vikt i projektet med avseende på leveranser och delleveranser presenteras nedan. 60 Original 203-09-24 ska kravspecifikation, systemskiss och projektplan med tidsplan senast levereras 6 Original 203-0-08 ska designspecifikation och testplan senast levereras 62 Original 203-2-03 ska all funktionalitet, testprotokoll och användarhandledning senast levereras 63 203--28 203-2-06 ska en presentation där det visas att kraven i kravspecifikationen är uppfyllda med undantag av de krav som avser dokumentation som ska vara klar efter BP5, samt de krav som avser film, hemsida och poster då dessa ska vara klara senast till presentationen 203-2-9. De kravnummer som detta gäller är 3,4,8,9,57,58,59,60,65,66,67,68,69 64 Original 203-2-2 ska teknisk dokumentation, efterstudie, hemsida, projektfilm och posterpresen- tation senast finnas tillgängliga 65 Original Varje vecka ska tids- och statusrapporter lämnas till beställaren och handledare Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 4 Dokumentation All dokumentering sker på svenska och är skrivna enligt LIPS-modellen. Flertalet dokument kan användas för framtida projekt och utveckling av systemet. Dokument Syfte Målgrupp Format Kravspecifikation Lista vilka krav som finns i projektet Beställare PDF Systemskiss Beskriva systemet Beställare PDF överskådligt Projektplan Innehålla mål, delmål och Beställare/Projektgrupp PDF riktlinjer för projektet Tidsplan Redovisa hur arbetstiden Projektgrupp Excel planerats och följts Testplan Redovisa vilka test som Projektgrupp PDF behöver utföras för att validera kraven Designspecifikation Beskriva hur systemet ska utformas Beställare/Projektgrupp PDF Testprotokoll Visa hur validering av Beställare PDF krav gått Användarhandledning Beskriva hur systemet ska användas Användare PDF Teknisk dokumentation Beskriva systemet Beställare PDF utförligt Efterstudie Utvärdering av projektet Beställare/Projektgrupp PDF Poster Använda under konferens för att presentera projektet Studenter/Andra intressenter Poster & PDF Hemsida Göra reklam för ISY och Studenter/Andra intres- www- Film projektet Göra reklam för ISY och projektet senter Studenter/Andra intressenter sida Digital film. Krav för dokumentation Nedan listas de krav som finns för dokumentation. 66 Original Alla dokument ska vara skrivna på svenska 67 Original Alla dokument ska granskas av en person i projektgruppen 68 Original En film ska produceras och publiceras på YouTube Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin
MOTOR 5 2 Kvalitetskrav Kvalitetskrav är till för att säkerställa att produkten uppfyller och fungerar enligt kraven som ställts i detta dokument. 69 Original Modellerna ska klara testen specifierade i testplanen 70 Original Den kompletta produkten skall testas enligt testplan Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin