TURBO Teknisk Dokumentation. 8 december 2009

TURBO Teknisk Dokumentation 8 december 9

Granskad 9--6 Godkänd Status

Projektidentitet Beställare: Lars Eriksson, Linköping University Telefon: +46 3 8449, E-post: larer@isy.liu.se Köpare: Per Andersson Telefon: +46 5 85334, E-post: per.andersson@gm.com Kursansvarig: David Törnqvist, Linköping University Telefon: +46 3 888, E-post: tornqvist@isy.liu.se Projektledare: Sebastian Ljungberg Telefon: +46 73 76355, E-post: seblj8@student.liu.se Handledare: Andreas Thomasson, Linköping University Telefon: +46 3 8573, E-post: andreast@isy.liu.se Oskar Leufvén, Linköping University Telefon: +46 3 8994, E-post: oleufven@isy.liu.se Projektmedlemmar Namn Ansvar Telefon E-post Sebastian Ljungberg Projektledare 7376355 seblj8 Anders Karlsson Dokumentansvarig 7366485 andka96 Anders Olofsson Informationsansvarig 7969 andol5 Adrian Eilertsen Ansvarig regulator 7377397 adrei94 Kenny Jönsson Testansvarig 734836 kenjo746 Magnus Selldén Designansvarig 7436 magse3 Pontus Skoog Ansvarig för modell 7496537 ponsk637

Innehåll Introduktion 6. Bakgrund............................... 6. Användning.............................. 6 Översikt 7. Beskrivning av systemet som ska regleras............. 8. Beskrivning av reglersystemet.................... 9.3 Beroenden till andra system..................... 9.4 Delsystem............................... 9 3 Motormodell 3. Motorbeskrivning........................... 3. Modellbeskrivning.......................... 3.. Kontrollvolymer....................... 3.. Inkompressibel flödesrestriktion............... 3 3..3 Kompressibel flödesrestriktion................ 3 3..4 Kompressorer......................... 4 3..5 Bypass- och wastegate-ventiler............... 6 3..6 Intercooler.......................... 7 3..7 Trottel............................. 7 3..8 Massflöde genom motorn.................. 8 3..9 Bränslemassflöde....................... 9 3.. Momentgenerering...................... 9 3.. Temperatur ut från motorn till turbin........... 3.. Turbiner............................ 3..3 Adiabatisk blandning.................... 3..4 Hastighet hos turbin- och kompressoraxel......... 3 3.3 Parametrisering............................ 3 3.3. Kompressorer......................... 4 3.3. Turbiner............................ 7 3.3.3 Övriga delmodeller...................... 3 3.4 Validering............................... 3 3.4. Lågtryckskompressor..................... 3 3.4. Högtryckskompressor..................... 33 3.4.3 Lågtrycksturbin........................ 37 3.4.4 Högtrycksturbin....................... 38 3.4.5 Övriga delmodeller...................... 4 3

Teknisk Dokumentation 4 4 Plant model 45 4. Beskrivning.............................. 45 4. Design................................. 47 5 Observatörer 48 5. Inledande beskrivning........................ 49 5. Teoretisk bakgrund.......................... 49 5.. Grundläggande observatörsdesign.............. 49 5.. Ekvationer för observatörsdesignen............. 5 5..3 Observerbarhet........................ 5 5..4 Strukturell observerbarhet.................. 5 5.3 Motormodellen på funktionell form................. 5 5.3. Översättning av modellen till funktionell form....... 5 5.3. De olika blockens motsvarighet i funktionell form..... 5 5.3.3 Resultat och validering.................... 53 5.3.4 Linjärisering av motormodellen............... 55 5.4 Implementering av observatören................... 58 5.4. Beräkning av optimala återkopplingsmatriser....... 59 5.4. Val av intressanta arbetspunkter.............. 59 5.4.3 Återkopplingsmatrisernas egenskaper............ 6 5.4.4 Design av look up-tabell................... 6 5.4.5 Utvecklingsmodell i Simulink............... 63 5.4.6 Införande av observatörsåterkoppling............ 65 5.4.7 Observatör med okänd insignal............... 7 5.5 Analys av observerbarhet...................... 73 5.5. Strukturell observerbarhet.................. 73 5.5. Systemets observerbarhet.................. 76 5.6 Sammanfattning........................... 77 6 Regulator 78 6. Ursprungsmodellen.......................... 78 6.. Reglering av bypassventilen A............... 79 6.. Styrning av wastegaten A 3................. 79 6..3 Styrning av wastegaten A 4................. 8 6. Linjärisering.............................. 8 6.3 Skattning av regulatorparametrar.................. 86 6.4 Övergångar enligt grundidén.................... 88 6.4. Resultat............................ 9 6.4. Problem............................ 9 6.5 Försök till åtgärd av problem.................... 93 6.6 Övergångar med tryck........................ 6.6. Aggregatväxling med tryck................. 6.7 Reglering med ett aggregat..................... 6.8 Varvtalsbegränsning......................... 7 Referenser 4 Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 5 Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utförda Av Granskad. 9-- Utkast Alla AK. 9--3 Redigerad Alla SL.3 9--6 Redigerad Alla PS Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kapitel Introduktion I detta projekt har en regulator konstruerats för att reglera en sekventiell dubbelturbo. Regleringen ser till att växlingen mellan aggregaten sker utan momentstörning. Dubbelturbon har ett mindre aggregat som ger bättre respons på låga motorvarvtal och ett större som ger bra respons vid högre motorvarvtal. Regulatorns uppgift är alltså att se till att växlingen mellan aggregaten sker utan att detta uppfattas av föraren. Vi har även implementerat säkerhetsfunktioner så att inget av turboaggregaten överskrider tillåtet varvtal eller temperatur. Att hålla nere priset för en motor i produktion är viktigt. Därför har de extra mätsignaler som krävs därför skattats med hjälp av observatörer. Därmed undviks kostnaden för ytterligare sensorer.. Bakgrund De senaste decennierna har biltillverkare lyckats allt bättre med reglering av turboaggregat. Detta har lett till att bilmotorer med enkelturbo är ganska vanligt i dagens bilar. När man använder en turbo vill man att den ska öka trycket i insugsröret. På så vis kan man få in mer luft till cylindrarna och då kunna spruta in mer bränsle. Görs detta får man ut högre moment och effekt från motorn. Problemet med att använda en turbo är att den bara kan levereralämpligt tryck i vissa delar av motorns arbetsområde. Använder man två turboaggregat av olika storlek så kommer de att kunna leverera lämpligt laddtryck i olika delar av motorns varvtalsområde. Motorn kan då lämna en jämnare effekt- och momentkurva.. Användning En modell har använts och en regulatorprototyp har skapats i utvecklingsmiljö. Om projektgruppens regulator anses tillfredställande kan den komma att användas av fordonsindustri i realtidssytem för reglering av dubbelturbo. 6

Kapitel Översikt Moment Motor Bromsbänk Mätsignaler Styrsignaler Bromsmoment Observatör Regulator Körcykel Begärt insugstryck Gaspedal/styrsystem Figur.: Systemet i sin helhet, inkopplat i motortestcell. Figuren ovan visar hela systemet då det är inkopplat i motortestcellen. De delsystem som ska konstrueras åskådliggörs av blocken Observatör och Regulator. Den turbomotor som ska regleras sitter kopplad till en bromsbänk. I bromsbänken kan en körcykel läggas in, vilket belastar motorn på olika sätt. 7

Teknisk Dokumentation 8. Beskrivning av systemet som ska regleras A Motor Turbo för lågt varvtal A C T A 3 C T A 4 Turbo för högt varvtal Figur.: Principskiss över systemet som ska regleras. Till vänster ses hur insugs-luften flödar in till motorn via kompressorerna och till höger hur avgaserna påverkar turbinerna. Systemet består av två turboaggregat där luftmassflödet ut från motorn driver turbinerna som i sin tur driver respektive kompressor på insugssidan. Det finns en givare för luftmassflöde som är placerad efter luftfiltret. Det finns även en givare för tryck och temperatur efter trotteln (A ). Efter motorn finns en lambdasensor placerad. På insugssidan finns en bypass-ventil (A ) som kan leda luften förbi det mindre turboaggregatets kompressor. Det finns även en trottel (A ) för finjustering av luftflödet. På avgassidan finns först en wastegate-ventil (A 3 ) som kan leda avgaserna förbi turbinen för låga varvtal. Därefter finns en motsvarande wastegate-ventil (A 4 ) som kan leda avgaserna förbi turbinen för höga varvtal. Aktuatorerna tillhörande de tre ventilerna och trotteln är det som reglersystemet kan påverka. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 9. Beskrivning av reglersystemet Regulatorsystemet ska bestå av flera block och använda observatörsskattningar för tryck, vartal och temperaturer hos turboaggregaten. Utifrån dessa värden ska regulatorblocket styra trycket innan trotteln så nära det önskade som möjligt. Regulatorn ska genomföra växlingen mellan turboaggregaten så att den sker utan momentstörning och dessutom tillse att inga kritiska värden för varvtal, tryck och temperaturer överskrids..3 Beroenden till andra system Systemet kommer att samverka med övriga delsystem i Simulink. Mätsignaler som finns tillgängliga i dagens produktionsmotorer kommer att utnyttjas i kombination med observatörer. Det skall även gå att använda regulatorn utan observatörer om dessa ersätts med mätsignaler. Ref Konverterare Regulator Observatörer Aktuatorer Givare System Figur.3: Principskiss över de olika delsystemen. Delsystemen inom den streckade rutan är de system som ska konstrueras..4 Delsystem I figur.3 ses de delsystem som ska tas fram i projektet. Delsystemet som kallas konverterare kommer att översätta det begärda momentet till ett önskat tryck efter intercoolern, kallat P ic. För att göra detta kommer konverteraren ta in uppgifter från det övriga systemet, t.ex. motorvarvtalet. De andra två delsystemen är regulatorn och observatören. De beskrivs båda mer ingående i ansnitt 5 och 6. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kapitel 3 Motormodell Ett av huvudsyftena med modellen är att skapa en plattform att utföra tester mot. Modellen kan användas för att simulera och verifiera funktionaliteten hos regulatorer och observatörer. Först beskrivs motorns uppbyggnad och därefter de olika delmodellerna. Kapitlet avslutas med att redovisa parametriseringen av turboaggregaten samt valideringen av dessa. 3. Motorbeskrivning För att få en röd tråd genom systembeskrivningen är det intuitivt att följa luftens väg genom systemet, det vill säga från insuget av ny luft till utblåset av avgaserna. Först passerar intagningsluften ett luftfilter, därefter första kompressorsteget som tillhör det stora turboaggregatet. Efter den stora kompressorn kan luften ledas två vägar. Dels direkt till det mindre turboaggregatets kompressor, eller om så önskas, via den bypass-ventil som kan styra en stor del av luftflödet förbi detta kompressorsteg. Därefter passerar luften genom en intercooler där luften kyls. Nästa steg utgörs av trotteln som reglerar luftflödet in till insugsröret där luften fördelas till cylindrarna. I cylindrarna blandas luften med bränsle och därefter antänds luft-bränsle-blandningen. De förbrända gaserna pressas ut ur cylindrarna på avgassidan. Här finns först det lilla turboaggregatets turbin placerad. Flödet förbi denna kan regleras med en av de två wastegate-ventilerna. Slutligen passerar avgaserna det stora turboaggregatets turbin. I likhet med den första turbinen kan även flödet förbi denna regleras med tillhörande wastegateventil. 3. Modellbeskrivning Implementeringen i Simulink följer en given modelleringsmetodik. I denna modelleras komponenterna och förbindelserna mellan dessa som restiktioner och kontrollvolymer. Givet tryck och temperatur före och efter en restriktion bestämmer denna massflödet och flödestemperaturen. De rör och förbindelser som sammankopplar komponenterna utgör kontrollvolymer. Temperaturen och trycket i dessa bestäms av massflödet in och ut från kontrollvolymen. För varje del

Teknisk Dokumentation listas insignaler, utsignaler samt aktuella ekvationer med tillhörande parametrar. Informationen är mer att betrakta som en översikt. Det förekommer inga härledningar eller mer ingående analys av de ekvationer som tecknas. Detta görs avsiktligt för att få ett lättöverskådligt och kärnfullt innehåll. Vid behov så finns mer detaljerade beskrivningar att tillgå, se exempelvis Andersson (5) och Eriksson, Nielsen (8). I figur 3. visas en översikt av motormodellens implementering i Simulink. 8 Ambient Conditions p_amb T_amb W_af W_es 8 W_af [kg/s] 5 T_es [K] T_af p_af p_es[pa] T_lp_t p_lp_t 9 W_c_lp [kg/s] p_af [Pa] 6 w_lp_tc [rad/s] T_lp_c [K] 4 T_hp_t [K] W_hp_c [kg/s] 7 w_hp_tc [rad/s] T_hp_c [K] K u_bp [...] W_ic [kg/s] Ground W_ic Ground 3 C T_cool T_ic [K] A_th [m^] 3 T_em [K] rad/s > U/min w_e W_th [kg/s] W_th Ground 3 W_cyl [kg/s] 9 T_af [K] 8 Low Pressure Turbine and wastegate 7 6 p_i m [Pa] p_em[pa] p_im lambda [ ] T_im Exhaust T_im [K] Manifold Engine Control Volume 5 T_ic p_ic p_ic [Pa] Throttle Compressible Restriction 4 p_lp_c [Pa] p_hp_c [Pa] T_hp_c p_hp_c 3 T_lp_c p_lp_c T_hp_t 5 T_em p_em n_e K conv Ground 5 W_e Terminator T p p_hp_t 7 W_e_fg p up T up m flow effective area T down T flow p down Intake Manifold Control Volume mflow up T up Q in T down mflow down m flow T flow Q in T p p_lp_p T_lp_t w_lp_tc u_lp_wg p_lp_t T_hp_t T_lp_turb m_es Tq_t T p Low Pressure Turbine Control Volume Low Pressure Compressor Low Pressure Compressor Control Volume m*_c T_c Tq_c p_raf T_Raf w_tc p_rc Tq_c w_tc Tq_t LP TC dynamics Intertia with friction Intercooler Incompressible Restriction and Temperature Intercooler model Control Volume mflow up T up Q in T down mflow down mflow e T ti Tq_e air Flow T p p em w_e T im p im lambda m flow T T flow p T p T_cool [K] p_up T_up T_down p_down Q in W_ic T_fwd_flow [K] mflow up T up Q in T down mflow down Tq_c T_c m*_c High Pressure Compressor and bypass p_raf T_Raf w_tc p_rc Tq_c w_tc Tq_t HP TC dynamics Intertia with friction T p p_hp_p T_hp_t w_hp_tc u_hp_wg p_em T_em High Pressure Turbine Control Volume High Pressure Turbine and wastegate High Pressure Compressor Control Volume p up T up mflow up T up Q in T down mflow down T_hp_turb m_es Tq_t Ground 4 Ground 7 mflow up T up Q in T down mflow down Exhaust System Incompressible Restriction Ground 6 Bypass effective area T down p down m flow T flow Air filter Incompressible Restriction Air filter Control Volume Ground u_hp_wg [...] _ mflow up T up Q in T down mflow down T p T flow p down p down T flow T down T down m flow p up T up p up T up m flow p_amb [Pa] T_amb [K] 6 4 u_lp_wg [...] 3 Figur 3.: Motormodellen implementerad i Simulink Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3.. Kontrollvolymer De flesta kontrollvolymerna (receivers) modelleras på samma sätt. Detta gäller exempelvis kontrollvolymen efter luftfiltret, mellan kompressorerna eller efter intercoolern. De kontrollvolymer som skiljer sig från de övriga i vår implementation är kontrollvolymerna för låg- och högtryckskompressorerna samt grenröret för avgaserna. I kontrollvolymen för låg- och högtryckskompressorerna tas endast ett massflöde och en temperatur som insignaler, vilka är viktade från uppoch nedströms samt bypassen. I kontrollvolymen för grenröret tar man även hänsyn till värmeöverföring. Modellen för en kontrollvolym inkluderar viktig dynamik. Till detta används två tillstånd som tar hänsyn till mass- och energibalansen i systemet. Insignaler ṁ us kg/s Massflöde uppströms ṁ ds kg/s Massflöde nedströms T us K Temperatur uppströms T ds K Temperatur nedströms Q in J/s Värmeflöde in till systemet Utsignaler p R T R Pa Tryck i kontrollvolymen K Temperatur i kontrollvolymen Parametrar V R m 3 Volym T init K Initieringtemperatur p init Pa Initieringstryck C p - C v - Kvoten mellan C p och gamma R J/kg K Gaskonstant γ - Kvoten mellan specifikt värme Initieringsvärdet för T R ges direkt av parametern T init. Initieringsvärdetför m R fås från T init och P init via ideala gaslagen. Ekvationer dm R (t) = ṁ us ṁ ds (3.) dt dt R (t) = RT ( R ṁ us c p T us ṁ ds c p T ds dm ) R(t) c v T R + dt p R V R c v dt Q in (3.) dp R (t) dt = Rṁ ds V dt R (t) dt Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson (3.3)

Teknisk Dokumentation 3 3.. Inkompressibel flödesrestriktion Den inkompressibla flödesrestriktionen används för att modellera komponenter som luftfilter, intercooler och katalysator. Insignaler p us p ds T us T ds Pa Tryck uppströms Pa Tryck nedströms K Temperatur uppströms K Temperatur nedströms Utsignaler ṁ kg/s Massflöde genom restriktionen T K Temperatur hos flödet Parametrar Pa H s r m K Flödesresistans genom restriktionen p lin P a Gräns för linjärisering Ekvationer p r = p us p ds (3.4) pus p H ṁ = rt us p p lin pus (3.5) annars H rt us p plin T = T us (3.6) 3..3 Kompressibel flödesrestriktion I de flödesrestriktioner där flödet håller hög hastighet måste man ta hänsyn till gasens kompression. Detta är aktuellt i komponenter som trottel, bypass- och wastegate-ventiler. Notera att den effektiva arean tillkommer som insignal. Insignaler A eff m Effektiv area p us Pa Tryck uppströms p ds Pa Tryck nedströms T us K Temperatur uppströms K Temperatur nedströms T ds Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 4 Utsignaler ṁ kg/s Massflöde genom restriktionen T K Temperatur hos flödet Parametrar γ - Kvot mellan specifikt värme R J/kgK Gaskonstant C D - Utströmningskoefficient Ekvationer ṁ = C DA r p us Ψ(Π) (3.7) RTus A eff = C D A (3.8) ( ) γ+ (γ ) γ γ+, Π Π crit Ψ = (3.9) [Π γ+ γ Π γ ], Π > Π crit Π crit = 3..4 Kompressorer γ γ ( ) γ γ γ + (3.) I motormodellen ingår två stycken radiala turbokompressorer. En kompressormodell är uppdelad i fyra delmodeller som beskriver luftmassflöde, effektivitet, utgångstemperatur samt moment. Modellens komplexitet är vald så att den ska vara tämligen enkel. Trots dess enkelhet klarar den ändå av att beskriva de mest intressanta delarna av kompressormappen på ett tillfredsställande vis. Den ursprungliga elliptiska modellen för luftmassflödet har utökats så att modellen även kan hantera tryckkvoter lägre än ett. För en tryckkvot lägre än ett frångås den elliptiska modellen och massflödet viks av längs en rät linje mot ett lämpligt värde. Parametriseringen av kompressorerna beskrivs ingående i avsnitt 3.3.. Valideringen av kompressorerna redovisas i avsnitt 3.4. Insignaler ω tc rad/s Turbovarvtal p us Pa Tryck uppströms p ds Pa Tryck nedströms T us K Temperatur uppströms Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 5 Utsignaler Tq c Nm Kompressorns moment ṁ c kg/s Kompressorns massflöde T c K Kompressorns utgångstemperatur Parametrar γ - Kvot mellan specifikt värme D c m Kompressorns diameter K,K - Anpassningsparametrar ṁ cηmax kg/s Massflöde vid η max Π cηmax - Tryckkvot vid η max η max - Maximal effektivitet η min - Minimal effektivitet a,a,a,a - Anpassningsparametrar c pa J/kg/K Värmekapacitivitet för luft Luftmassflöde: För tryckkvot Π c används följande elliptiska modell. U c = ω tc D c Ψ c = c pa T us Π Φ cpar = ṁ c = γa γa c U c K Ψ c (3.) (3.) (3.3) K ) Φ cpar (3.4) ( pus R a T us π 4 D c U c Parametrarna K och K har skattats med hjälp av lsqcurvefit i Matlab med målfunktionen Ψ ck +Φ ck =. För tryckkvoter Π c < används istället en rätlinjig funktion enligt x = Π c Π c Π c (3.5) ṁ c = ( x)ṁ c, +xṁ c (3.6) där ṁ c, är den punkt i massflödet då Π c =. Vidare är x skillnaden mellan ṁ c och ṁ c,. Parametern Π c har tilldelats värdet.5 och ṁ c är vald till ett värde större än max{ṁ c, }. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 6 Effektivitet: Tus /T std ṁ ccorr = ṁ c (3.7) p us /p std [ ] a a Q = (3.8) a a [ ] ṁ χ = ccorr ṁ cηmax + (3.9) Π c Π cηmax η c = η max χ T Qχ (3.) Parametrarna har fastställts genom att använda kommandot lsqcurvefit i Matlab. Temperatur ut γa T cout = T us + Π γa c (3.) η c Moment 3..5 Bypass- och wastegate-ventiler T qc = c p a ṁ c (T cout T us ω tc ) (3.) De aktuatorer som används för att reglera tryck är en bypassventil på insugssidan och två seriekopplade wastegateventiler på avgassidan och modelleras på samma sätt som en kompressibel flödesrestriktion. Då en wastegate öppnas och stängs förändras trycket snabbt. Öppen wastegate ger lägre tryck i avgassystemet vilket ger lägre pumpförluster men även att cylindern kan fyllas med mer luft vilket höjer förbränningskvaliteten och motorns effektivitet. Insignal u wg [-] Kontrollsignal Utsignal A wg,eff [m ] Effektiv WG-area Effektiv WG-area A wg,eff = C d A wgmax u wg (3.3) Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 7 3..6 Intercooler Intercoolern kyler av och delvis förhindrar det inkommande luftflödet, men sänker även trycket vilket modelleras som en inkompressibel flödesbegränsning. Insignaler ṁ ic [kg/s] Intercoolerns massflöde T c [K] Kompressortemperaturen p a [Pa] Trycket efter luftfiltret p c [Pa] Kompressortrycket Utsignal T ic [K] Temperaturen efter intercoolern Parametrar H ic [ Pa s ] Flödesresistans genom restriktionen Kkg P linic [Pa] Linjärt tryck a,a,a,a 3 [-] Konstanter T cool [K] Temperatur ṁ cool [kg/s] Massflöde Tryckförlust över intercoolern Temperaturförändring över intercoolern p ic = p c p ic = H ic T c W ic p c (3.4) 3..7 Trottel T icout = max(t cool,t c +ɛ(t c T cool )) (3.5) ɛ = a +a ( T c +T cool W ic )+a W ic +a 3 (3.6) W cool Med trotteln reglerar man trycket i insugsröret och modelleras som en kompressibel flödesrestriktion. Insignaler u th [-] Trottelsignal ɛ [,] Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 8 Utsignaler A eff [m ] Effektiv trottelarea Parametrar C D,th [-] Utströmningskoefficient d th [m] Trottelrörets diameter A th [m ] Trottelarea α [rad] Trottelvinkel α max [rad] Maximal trottelvinkel [rad] Vinkel med stängd trottel α 3..8 Massflöde genom motorn α = u th (α max α )+α (3.7) A th (α) = πd th cos(α) ( 4 cos(α ) ) (3.8) A eff = A th (α)c D,th (3.9) (3.3) För att modellera massflödet genom motorn utnyttjas fyllnadsgraden η vol. Andelen residualgaser beskrivs som en funktion av kompressionsvolymen samt trycket i insugsrör och grenrör. Beskrivningen av η vol förutsätter isentropisk kompression och expansion av residualgaserna. Insignaler ω e rad/s Motorvarvtal p im Pa Tryck i insugsröret p em Pa Tryck i grenrör T im K Temperatur i insugsröret Utsignaler ṁ e,air kg/s Luftmassföde genom motorn Parametrar V d m 3 Slagvolym R J/kg K Gaskonstant r c - Kompressionsgrad R J/kg K Gaskonstant γ - Kvot mellan specifikt värme C ηvol - Konstant för fyllnadsgrad Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 9 3..9 Bränslemassflöde V d ω e p im ṁ e,air = η vol (3.3) 4πRT im ( ) /γ r c pem p im η vol = C ηvol (3.3) r c Bränslemassflödet in till motorn beräknas utifrån det inströmmande luftmassflödet och anpassas till λ c det vill säga förhållandet mellan luft och bränsle i motorn. Insignaler ṁ e,air [kg/s] Luftmassföde λ c [-] Luft/bränsleförhållande Utsignaler ṁ e,fg ṁ e,f [kg/s] Bränsle/Luftmassföde [kg/s] Bränslemassföde Parametrar (A/F) s [-] Stökiometriskt luft/bränsleförhållande ṁ e,f = 3.. Momentgenerering ṁ e,air (A/F) s λ c (3.33) ṁ e,fg = ṁ e,f +ṁ e,air (3.34) Momentet genrerat av bränslemotorn modelleras av tre olika arbeten, brutto arbetet ifrån motorn, pumparbetet och friktionsarbetet. I momentmodellen så modelleras flödet av bränsle och luft som ett totalt flöde genom motorn till avgasröret. Tq = W n 4π = W ig W p W f 4π (3.35) Bruttoarbetet, pumparbetet samt friktionsarbetet modelleras enligt följande ekvationer: W p = V d (p em p im ) W ig = m f q LHV η ig (λ c,θ ign,v d,ω e ) W f = V d FMEP (3.36a) (3.36b) (3.36c) Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation Det antas att bruttoarbetets effektivitet är en funktion av luft- och bränsleförhållandet. η ig (λ c,θ ign,v d,ω e ) = η ig min(,λ) (3.37) Den modell som används för att modellera FMEP är: FMEP = ξ aux [(.464+.7mps.8 ) Π bl 5 ( ).5.75 (3.38) +.5 BMEP] B BM EP modelleras på följande sätt: BMEP = C Tq +C Tq ṁ a ω e 4π V d (3.39) Det antas att de varierande transportfördröjningarna ifrån bränsleinsprutningen till momentuppbyggnad är försummade. Insignaler ṁ e,fuel [kg/s] Bränslemassflöde ṁ e,air [kg/s] Luftmassflöde p im [Pa] Insugstryck p em [Pa] Avgastryck ω e [rad/s] Motorhastighet Utsignaler Tq e,cs [Nm] Moment vid vevaxeln Parametrar T em [K] Avgastemperaturen 3.. Temperatur ut från motorn till turbin De varma avgaser som strömmar ut från motorn till grenröret avger värme till omgivningen. Detta leder till att temperaturen hos avgaserna sänks. Detta modelleras som en kontrollvolym innan högtrycksturbinen. Det finns även en kontrollvolym efter högtrycksturbinen som påminner om denna, dock modelleras denna lite annorlunda. Förlusten i värme modelleras som en funktion av luftmassflöde samt en värmeöverföringskoefficient. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3.. Turbiner Eftersom det finns två stycken turboaggregat i detta motorsystem finns det även två stycken turbiner, en mindre som sitter närmast motorn samt en större turbin som sitter utanför den mindre i avgassystemet. En turbin utnyttjar energin i avgaserna från motorn och genererar ett moment som överförs till kompressorn via en axel. Det finns även två stycken wastegate-ventiler som är placerade över respektive turbin. Syftet med dessa är att kunna reglera avgasflödet genom turbinerna. Är båda wastegate-ventilerna öppna så kommer större delen av avgasflödet att passera genom dessa och turbinerna genererar inget nämnvärt moment. Om man däremot stänger någon av ventilerna måste hela avgasflödet passera genom tillhörande turbin. Denna varvas då upp och börjar leverera ett moment till dess kompressor. Parametriseringen av turbinerna beskrivs ingående i avsnitt 3.3.. Valideringen av kompressorerna redovisas i avsnitt 3.4. Massflödet genom turbinen är nästan helt oberoende av dess hastighet och därmed kan man göra en ganska bra modell av tryckförhållandet över turbinen. Turbinen uppträder som en flödesrestriktion som reducerar temperaturen av massflödet. Följande ekvationer beskriver flödet genom turbinen: Π t = p t (3.4) p { em k Π k t, Π k t < ṁ tcorr = (3.4), annars Turbinens effektivitet beror på turbinbladens hastighet. Denna hastighet är definerad som: r t ω tc BSR = ) (3.4) ( γeg cpeg T em ( ) γeg Π t För att säkerställa att BSR inte blir komplext måste följande olikhet vara uppfylld: ( Π t ) γeg γeg < Givet att man vet BSR så modelleras turbinens effektivitet av en parameter. Denna parameter är turbinens maximala effektivitet η tmax. Givet dessa parametrar ges turbinens effektivitet av: ( ) ) BSR BSRmax η t = η tmax ( BSR max (3.43) Temperaturskillnaden över turbinen kan modelleras enligt följande: T tout = T t = T em T em ( Π γeg γeg t ) η t (3.44) Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation Effekten skapad av turbinen samt genererat moment modelleras av följande ekvationer: [ ] P t = ṁc peg T em (Π t ) γ γ η t (3.45) Tq t = P t ω tc (3.46) Massflödet som flödar genom turbinen modelleras på följande sätt: ṁ t,norm = C Π K t (3.47) ṁ t = p em Tem ṁ t,norm (3.48) Insignaler T em [K] Avgastemperaturen ω tc [rad/s] Turbinaxelns varvtal p t [Pa] Trycket i turbinen p em [Pa] Avgastrycket Utsignaler Tq t [Nm] Turbinens moment T t [K] Temperaturen efter turbinen ṁ t [kg/s] Luftmassflödet efter turbinen Parametrar k [-] Modellparameter k [-] Modellparameter γ eg [ ] c p,eg [J/kg K] Specifika värmen i gasen 3..3 Adiabatisk blandning För att beskriva hur gaserna blandas efter bypass-ventilen och dess kompressor eller efter en wastegate-ventil och dess turbin används följande modell. Insignaler T K Temperatur hos flöde T K Temperatur hos flöde ṁ kg/s Massflöde ṁ kg/s Massflöde Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3 Utsignaler T mix K Temperatur hos blandningen ṁ tot kg/s Totalt massflöde Parametrar c p, J/kg K Värmekapacitivitet för flöde c p, J/kg K Värmekapacitivitet för flöde T mix = ṁc p, T +ṁ c p, T ṁ c p, +ṁ c p, (3.49) ṁ tot = ṁ +ṁ (3.5) 3..4 Hastighet hos turbin- och kompressoraxel Vinkelhastigheten på axeln som sammankopplar turbinen och kompressorn kan modelleras genom att använda Newtons andra lag för roterande system. I modellblocket ingår även vinkelhastighetsbegränsningar ω min och ω max. Differentialekvationen för den roterande hastigheten ω tc ges av: Insignaler dω tc dt = J tc (Tq t Tq c ) µ f ω tc (3.5) Tq c Tq t [Nm] Kompressormoment [Nm] Turbinmoment Utsignaler ω tc [rad/s] Vinkelhastighet på turbin- och kompressoraxel Parametrar J tc [-] Tröghetsmoment µ f [-] Friktionskoefficient ω max rad/s Maximal rotaionshastighet ω min rad/s Minimal rotationshastighet rad/s Initieringsvärde för rotationshastighet ω init 3.3 Parametrisering Sedan tidigare fanns god kännedom om parametrarna i motorn B35R. Denna motor är på.3 liter och utvecklar cirka 3hk. Den är utrustad med enkelturbo, fasta kamaxlar och portinsprutning. Den motor som har varit placerad Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 4 i testcellen och varit aktuell i detta projekt är (L85)LNF. Denna motor är fyrcylindring och på liter, utrustad med variabla kamfasningar in/ut samt direktinsprutning. Med den twinscroll-enkelturbo som den är utrustad med i originalversionen levererar den cirka 6hk. Då båda dessa motorer är relativt likvärdiga i sin geometri och prestanda har flertalet parametrar från B35R återanvänts. Parametriseringen har enbart inriktats på de två turboaggregaten. 3.3. Kompressorer I modellen för kompressorerna så finns det okända parametrar som beror av systemet. Dessa måste skattas utifrån uppmätt data och till detta används Matlab-kommandot lsqcurvefit. Först skattades de parametrar som beskriver massflödet genom de två kompressorerna. Motsvarande parametrar för mass- K,lpc =.786 K,lpc = 7.9 Ψ max,lpc =.76 Φ max,lpc =.47 Tabell 3.: Skattade parametrar för massflödet genom lågtryckskompressor. flödet skattas för högtryckskompressorn i tabell 3.. Efter att alla parametrar K,hpc =.98 K,hpc = 5.5 Ψ max,hpc =. Φ max,hpc =.69 Tabell 3.: Skattade parametrar för massflödet genom högtryckskompressor. för massflödet genom låg- och högtryckskompressorerna har skattats så ska de okända parametrar som beskriver kompressorernas effektivitet skattas. a = 36.777 a = -3.95 a = -3.95 a =.74 ṁ cηmax =.3 Π cηmax =.7 η max =.743 Tabell 3.3: Skattade parametrar för effektiviteten av lågtryckskompressorerna. Motsvarande parametrar för högtryckskompressorns effektivitet skattas och värdena för parametrarna erhålls i tabell 3.4. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 5 a = 5.685 a = -6. a = -6. a =.65 ṁ cηmax =.65 Π cηmax =.56 η max =.737 Tabell 3.4: Skattade parametrar för effektiviteten av högtryckskompressorerna. Validering av kompressorparametrar För att validera att modellerna tillsammans med de skattade parametrarna är tillräckligt bra jämfördes dessa mot uppmätt data. I figur 3. plottas tryckkvoten mot massflödet för olika varvtal på lågtryckkompressorn och i figur 3.4 för högtryckskompressorn. Som man kan se stämmer modellen ganska bra för tryckkvoter på upp till.5. Vid större tryckkvoter så stämmer modellen mindre bra men det gör ingenting eftersom vi inte kommer arbeta vid högre tryckkvoter än.5. Tryckkvoter lägre än ett stöddes inte i vår ursprungliga modell och därmed fick vi implementera ett specialfall. För en tryckkvot lägre än ett frångås den elliptiska modellen och istället låter man massflödet vika av längs en rät linje mot ett lämpligt värde. Detta ses tydligt i figur 3. och figur 3.4. 4 LP Kompressor, Luftmassflöde, Uppmätt = heldragen, Modell = steckad 3.5 3.5 Tryckkvot [ ].5.5...3.4.5 Luftmassflöde [kg/s] Figur 3.: Map för lågtryckskompressorn med mätdata och tillhörande modell. Modellen för lågtryckskompressorns effektivitet valideras mot uppmätt data i figur 3.3. Det relativa felet visas i figur 3.3 och vi ser att maximala relativa felet ligger strax under %. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 6 LP Kompressor, Effektivitet, Uppmätt = heldragen, Modell = steckad.7 Effektivitet [ ].6.5..4.6.8...4.6.8.. Luftmassflöde [kg/s] LP Kompressor, Relativt fel i effektivitet Relativt fel [%] 8 6 4.5.5 Kompressorvarvtal [RPM] x 4 Figur 3.3: Modell av lågtryckskompressorns effektivitet mot uppmätt data samt det relativa felet. Även i figur 3.4 där massflödet genom högtryckskompressorn valideras så kan man se att modellen beskriver verkligheten väldigt bra för tryckkvoter lägre än.5 och detta är inget problem eftersom vi inte arbetar i de höga tryckkvoterna. I figur 3.5 modelleras högtryckskompressorns effektivitet samt det relativa felet och somman kan se såpassarmodellen ganskabramed verkligheten.den skiljer sig endast med max 9 % ifrån verkligheten. Massflöde [kg/s].6.4...8 Högtryckskompressor, Massflödesvalidering Uppmätt massflöde Modellerat massflöde 4 6 8 Simuleringstid [ ] 4 Relativt fel [%] 3 4 6 8 Simuleringstid [ ] Figur 3.4: Map för högtryckskompressorn med mätdata och tillhörande modell. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 7 HP Kompressor, Effektivitet, Uppmätt = heldragen, Modell = steckad.7 Effektivitet [ ].6.5...3.4.5.6.7.8.9.. Luftmassflöde [kg/s] HP kompressor, Relativt fel effektivitet Relativt fel [%] 8 6 4.6.8..4.6.8..4.6 Kompressorvarvtal [RPM] x 5 Figur 3.5: Modell av högtryckskompressorns effektivitet mot uppmätt data samt det relativa felet. 3.3. Turbiner I modellen för turbinerna så finns det okända parametrar som beror av systemet. Dessa måste skattas utifrån uppmätt data och till detta används Matlabkommandot lsqcurvefit. Följande skattningar erhölls för hög- och lågtrycksturbaggregaten. K,hpt =.38954 K,hpt =.573 BSR max,hpt =.44 η max,hpt =.4694 Tabell 3.5: Skattade parametrar för massflödet genom högtrycksturbinen samt effektivteten. Motsvarande parametrar för massflödet och effektiviteten skattas för lågtrycksturbinen i tabell 3.6. K,lpt =.469 K,lpt =.334 BSR max,lpt =.59 η max,lpt =.6538 Tabell 3.6: Skattade parametrar för massflödet genom lågtrycksturbinen samt effektivteten. Validering av turbinparametrar För att validera att modellerna tillsammans med de skattade parametrarna är tillräckligt bra så jämförs dessa mot uppmätt data. I figur 3.6 plottas modellerat Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 8 massflöde genom högtrycksturbinen och som man kan se så stämmer modellen väldigt bra överrens med uppmätt mätdata. Skattningen för effektiviteten för högtrycksturbinen blir något sämre men fortfarande tillräckligt bra då skillnaden är som mest % mellan modellen och uppmätt data. En illustration för detta kan ses i figur 3.7 3.8 x 3 Validering av W t för skattade parametrar k och k för högtrycksturbon Massflöde [kg/s] 3.6 3.4 3. 3 W t W th att.8 35 4 45 5 55 6 65 Varvtal [rad/s].7 Förhållandet mellan skattad W t och uppmätt W t. Relativt fel [%].6.5.4.3.. 5 5 5 3 Figur 3.6: Modellerat massflöde genom högtrycksturbinen validerat mot uppmätt data..5 Validering av eta t för skattade parametrar max eta t och BSRmax för högtrycksturbon Effektivitet [ ].49.48.47.46.45.44 η t η th at.43 35 4 45 5 55 6 65 Varvtal [rad/s] Förhållandet mellan skattad eta t och uppmätt eta t. 8 Relativt fel [%] 6 4 5 5 5 3 Figur 3.7: Högtrycksturbinens modellerade effektivitet validerat mot mätdata. Validering för de skattade parametrarna för lågtrycksturbinen kan ses i figurerna 3.8 och 3.9. Parametrarna för massflödet genom lågtrycksturbinen ger en bra modell med endast 3 % som största skillnad. Modellen för effektiviteten Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 9 däremot ger precis som modellen för högtrycksturbinen ett någorlunda bra modell med % som största skillnad..5 Validering av W t för skattade parametrar k och k för lågtrycksturbon Massflöde [kg/s]. W t W that.5.4.6.8..4.6.8 Varvtal [rad/s] x 5 Förhållandet mellan skattad W t och uppmätt W t. 4 Relativt fel [%] 3 5 5 5 3 35 4 45 Figur 3.8: Modellerat massflöde genom lågtrycksturbinen validerat mot uppmätt data..75 Validering av eta t för skattade parametrar max eta t och BSRmax för lågtrycksturbon Effektivitet [ ].7.65.6 η t η that.55.4.6.8..4.6.8 Varvtal [rad/s] x 5 Förhållandet mellan skattad eta t och uppmätt eta t. Relativt fel [%] 8 6 4 5 5 5 3 35 4 45 Figur 3.9: Lågtrycksturbinens modellerade effektivitet validerat mot mätdata. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3 3.3.3 Övriga delmodeller I detta avsnitt listas utvalda parametrar från B35R som har använts i motormodellen. Kontrollvolymer Värden på samtliga kontrollvolymer. V [m 3 ] Efter luftfilter. Mellan kompressorerna. Efter HP-kompressorn.6 Efter intercooler.5 Insugsrör.8 Avgaskammare.5 Mellan turbinerna. Efter LP-turbinen. Inkompressibla flödesrestriktioner Flödesresistans (H) samt gräns för linjärisering (p lin ) för samtliga inkompressibla flödesrestriktioner. H [ Pa s m K ] p lin [P a ] Luftfilter.8565e+8 6 Intercooler 3.4678e+8 8 Katalysator.954e+8 Kompressibla flödesrestriktioner Utströmninskoefficient (C d ) samt maximal area (A max ) för de kompressibla flödesrestriktionerna. C d [-] A max [m ] Trottel 3.778e-5 LP-Wastegate.9 5.e-4 HP - Wastegate.9.8 HP - Bypass.9.8 Motor Ett antal av motorns parametrar såsom slagvolym, kompressionsgrad, cylinderantal mm. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3 Cylinderdiameter.83 [m] Slaglängd.83 [m] Vevstakslängd.4 [m] Slagvolym (V d ).8 [m 3 ] Kompressionsförhållande (r c ) 9.5 [-] Antal cylindrar (n cyl ) 4 [-] 3.4 Validering I detta avsnitt valideras motormodellen och dess delmodeller. Valideringen går i regel till så att den delmodell som ska valideras kopieras från huvudmodellen och isoleras från övriga delmodeller. Därefter ges insignalerna i form av lågpassfiltrerad sensordata varpå de resulterande utsignalerna från delmodellen kan jämföras med motsvarande sensordata. Fokus har lagts på valideringen av turboaggregaten och dess delmodeller. Delmodellerna mellan HP-kompressorn och HP-turbinen slås samman och valideras som en enhet. 3.4. Lågtryckskompressor Efter att de okända parametrarna i kompressormodellerna har skattats utförs en validering av kompressormodellerna i sin helhet. Detta görs genom att kompressormodellen simuleras med mätdata i form av tryck före och efter kompressorn, temperatur innan kompressorn samt respektive turboaggregats axelhastighet. Ur modellen kommer det modellerade luftmassflödet genom kompressorn och detta jämförs med uppmätt luftmassflöde. Den uppmätta sensordatan är väldigt brusig och därför måste denna filtreras med ett lågpassfilter. Hur signalerna ser ut efter lågpassfiltreringen kan bland annat ses i figur 3.. Simulink-schemat för simuleringen för lågtryckskompressorn kan ses i figur 3...6 x 5 Filter pressure before LPC.378 x 5 Filter pressure after LPC.55.376 Pressure [p].5.45 Pressure [p].374.37.4 Raw data Filtered data.37 Raw data Filtered data.35 3 4 5 6 7 8 9 Time [s].368 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 3.6 Filter temperature before LPC 35 Filter temperature after LPC Temperature [K] 3.4 3. 3 3.8 Raw data Filtered data 3.6 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 7.8 x 4 Filter LP axisspeed Temperature [K] 349.8 349.6 349.4 349. Raw data Filtered data 349 3 4 5 6 7 8 9 Time [s].8 Filter massflow Anglespeed [rad/s] 7.75 7.7 7.65 Raw data Filtered data 7.6 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Massflow [kg/s].7.6.5.4 Raw data Filtered data.3 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Figur 3.: Uppmätta mätsignaler som lågpassfiltrerats. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 3 Low Pressure Compressor p_bef_lpc p_raf m*_c mdot_sim_lp T_bef_lpc T_Raf N_tc_lp K w_tc T_c T_sim_lp p_lpc rpmrad p_rc Tq_c Figur 3.: Simuleringsmodell för lågtryckskompressorn. I figur 3. plottas den simulerade temperaturen efter lågtryckskompressorn mot uppmätt temperatur och som man kan se i den nedre grafen så stämmer modellen väldigt bra med uppmätt sensordata, då dessa skiljer sig endast med maximalt.8 %. Temperatur efter lågtryckskompressor Temperatur [K] 354 35 35 348 346 Uppmätt data Simulerad data 344 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringssteg [ ]. Relativt fel mellan modell och uppmätt data Relativt fel [%].5..5 5 5 5 3 35 4 45 5 Simuleringssteg [ ] Figur 3.: Validering av temperatur ut ifrån lågtryckskompressorn I figur 3.3 kan man se hur två olika körningar med olika varvtal på motorn passar in mot modellen för lågtryckskompressorn. De simulerade körningarna stämmer väldigt bra mot uppmätt data för de två varvtalen på lågtrycksturbon som körs. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 33 4 3.5 559 rpm 7764 rpm 387 rpm 3973 rpm 476 rpm 549 rpm 648 rpm 7433 rpm LP Kompressor, Luftmassflöde, Uppmätt = heldragen, Modell = steckad 3.5 Tryckkvot [ ] 394.93 rpm.5 76893.747 rpm.5.5..5..5.3.35.4.45.5 Luftmassflöde [kg/s] Figur 3.3: Två körningar för lågtryckskompressorn plottad tillsammans med modellen och uppmätt mätdata. 3.4. Högtryckskompressor På samma sätt som för lågtryckskompressorn så validering av modellen för högtryckskompressorn efter att modellens parametrar skattats och validerats. Detta görs genom att kompressormodellen simuleras med mätdata i form av tryck före och efter kompressorn, temperatur innan kompressorn samt respektive turboaggregats axelhastighet. Ur modellen kommer det modellerade luftmassflödet genom kompressorn och detta jämförs med uppmätt luftmassflöde. Den uppmätta sensordatan är väldigt brusig och därför måste denna filtreras med ett lågpassfilter. Hur signalerna ser ut efter lågpassfiltreringen kan bland annat ses i figur 3.6. Simulink-schemat för simuleringen för lågtryckskompressorn kan ses i figur 3.4. High Pressure Compressor and bypass p_lpc p_raf Tq_c T_lpc T_Raf N_tc_hp K w_tc T_c T_sim_hp p_hpc rpmrad p_rc m*_c mdot_sim_hp Figur 3.4: Simuleringsmodell för högtryckskompressorn. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 34.5 x 5 Filter pressure before LPC.86 x 5 Filter pressure after LPC Pressure [p]..5..5 Raw data Filtered data. 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Pressure [p].855.85.845.84.835 Raw data Filtered data.83 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 94.8 Filter temperature before LPC 38. Filter temperature after LPC 94.6 38 Temperature [K] 94.4 94. Temperature [K] 37.8 37.6 94 Raw data Filtered data 37.4 Raw data Filtered data 93.8 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 3.3 x 4 Filter LP axisspeed.6 Filter massflow Anglespeed [rad/s] 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 Raw data Filtered data 3. 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Massflow [kg/s].4...8.6.4 Raw data Filtered data. 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Figur 3.5: Uppmätta mätsignaler som lågpassfiltrerats. I figur 3.4 så illustreras det simulerade massflödet genom högtryckskompressorn mot uppmätt massflöde genom motorn. Som man kan se så stämmer modellen ganska bra överrens med mätdatan med maximalt 3 % relativt fel. Detta anses tillräckligt bra. Figur 3.7 modelleras temperaturen efter högtryckskompressorn. Även detta ser ganska bra ut och skiljer maximalt ungefär 3.5 % ifrån mätdatat. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 35 Pressure [p].5 x 5 Filter pressure before LPC..5..5 Raw data Filtered data. 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Pressure [p].86.855.85.845.84.835.83 94.8 Filter temperature before LPC 38. 94.6 38 Temperature [K] 94.4 94. Temperature [K] 37.8 37.6 94 Raw data Filtered data 93.8 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 37.4 3.3 x 4 Filter LP axisspeed.6 Anglespeed [rad/s] 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 Raw data Filtered data 3. 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Massflow [kg/s].4...8.6.4. Figur 3.6: Uppmätta mätsignaler som lågpassfiltrerats. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 36 35 34 Högtryckskompressor, Temperaturvalidering Uppmätt massflöde Modellerat massflöde 33 Temperatur [K] 3 3 3 9 8 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ] 3.4 3. 3. Relativt fel [%] 3.8 3.6 3.4 3. 3. 3.8 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ] Figur 3.7: Validering av temperatur ut ifrån högtryckskompressorn I figur 3.8 kan man se hur två olika körningar med olika varvtal på motorn passar in mot modellen för lågtryckskompressorn. De simulerade körningarna stämmer väldigt bra mot uppmätt data för de två varvtalen på lågtrycksturbon som körs. De varvtalen som fanns tillgängliga ifrån mätdata ligger mellan modellen men det går att validera att de stämmer genom att se i vilket förhållande de ligger mellan kurvorna för 75 389 rpm och 5597 rpm. 3 HP Kompressor, Luftmassflöde, Uppmätt = heldragen, Modell = steckad.5 75389 rpm 5597 rpm 5584 rpm 8596 rpm 9 rpm 393 rpm 467 rpm 6349 rpm Tryckkvot [ ].5 9376.3856 rpm 67533.4396 rpm.5..4.6.8...4.6.8. Luftmassflöde [kg/s] Figur 3.8: Två körningar för högtryckskompressorn plottad tillsammans med modellen och uppmätt mätdata. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 37 3.4.3 Lågtrycksturbin För att validera modellen för lågtrycksturbinen så plockas denna delmodell ut ifrån den stora motormodellen vilket kan ses i figur 3.9. Som insignaler till modellen används filtrerad mätdata. Att datan lågpassfiltreras beror på att den uppmätta mätdatan är väldigt brusig. Skillnaden mellan den ofiltrerade mätdatan och den filtrerade mätdatan kan ses i figur 3.. p_lpt p_lpt T_lp_turb T_sim_lp T_lpt T_lpt N_tc_lp C u_lp_wg K rpmrad w_lp_tc u_lp_wg m_es mdot_sim_lp p_hpt p_hpt T_hpt T_hpt Tq_t Figur 3.9: Simulink-schemat som användes för validering av lågtrycksturbinen. Pressure [p].66.64.6.6 x 5 Filter pressure before LPT Raw data Filtered data.58 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Pressure [p].34.3.3.8.6 x 5 Filter pressure after LPT Raw data Filtered data.4 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 8 Filter temperature before LPT 957.5 Filter temperature after LPT 79.5 Temperature [K] 79 78.5 78 77.5 Raw data Filtered data Temperature [K] 957 956.5 Raw data Filtered data 77 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 956 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] 5.7 x 4 Filter LP axisspeed.5 Filter massflow Anglespeed [rad/s] 5.6 5.5 5.4 Raw data Filtered data Massflow [kg/s]..5. Raw data Filtered data 5.3 3 4 5 6 7 8 9 Time [s].5 3 4 5 6 7 8 9 Time [s] Figur 3.: Lågpassfiltrerad mätdata jämfört med ofiltrerad mätdata. Utsignalerna ur modellen för lågtrycksturbinen är massflödet och temperaturen. Dessa simulerade värden jämförs sedan med det uppmätta massflödet och temperatur. Resultat av detta kan ses i figur 3. och figur 3.. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 38.8 Simulerat massflöde mot uppmätt massflöde efter LPT.75.7.65 Massflöde [kg/s].6.55.5.45.4.35.3 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ] Figur 3.: Simulerat massflöde jämfört mot uppmätt massflöde. Simulerad temperatur mot uppmätt temperatur efter LPT 99 98 97 Temperatur [K] 96 95 94 93 9 9 9 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ] Figur 3.: Simuleratd temperatur jämfört mot uppmätt temperatur. 3.4.4 Högtrycksturbin På samma sätt som för låg- och högtrycksturbinerna så plockades modellen för högtrycksturbinen ur motormodellen och insignalerna togs ifrån uppmätt mätdata. Som utsignaler ur turbinmodellen så kommer temperaturen, massflödet samt momentet genererat av turbinen. För att validera turbinmodellen användes dock bara temperaturen och massflödet. Resultatet av detta kan ses i figur 3.3 där temperaturen är plottad samt i figur 3.4 där massflödet jämförs mot uppmätt massflöde i motorn. Simulink-schemat som användes vid simuleringen kan ses i figur 3.5. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Teknisk Dokumentation 39 Temperatur [K] 5 Högtryckskompressor, Temperaturvalidering Uppmätt massflöde Modellerat massflöde 95 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ].68.67 Relativt fel [%].66.65.64.63.6 3 4 5 6 7 8 9 Simuleringstid [ ] Figur 3.3: Simulerad temperatur jämförs mot uppmätt temperatur. Sträckad linje är den simulerade temperaturen Massflöde [kg/s].35.3 Högtryckskompressor, Massflödesvalidering Uppmätt massflöde Modellerat massflöde.5 4 6 8 Simuleringstid [ ] 8 Relativt fel [%] 6 4 4 6 8 Simuleringstid [ ] Figur 3.4: Simulerat massflöde jämförs mot uppmätt massflöde. Sträckad linje är det simulerade massflödet. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT Dokumentansvarig: Anders Karlsson