Systemskiss. Version 1.0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin Datum: 25 september 2013

Systemskiss Version 1.0 Dokumentansvarig: Olof Juhlin Datum: 25 september 2013 Status Granskad Svante Löthgren 2013-09-22 Godkänd

Projektidentitet Gruppmail: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvariga: Projektledare: Handledare: camla529@student.liu.se http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/2013/turbo/ Lars Eriksson, Linköping Universitet Telefon: 013-284409, Mail: larer@isy.liu.se Fredrik Wemmert, Volvo Cars Corporation Telefon: 031-3254033, Mail: fredrik.wemmert@volvocars.com David Törnqvist, Linköping Universitet Telefon: 013-281882, Mail: tornqvist@isy.liu.se Daniel Axehill, Linköping Universitet Telefon: 013-284042, Mail: daniel@isy.liu.se Camilla Larsson Andreas Thomasson, Linköping Universitet Telefon: 013-286862, Mail: andreast@isy.liu.se Gruppmedlemmar Namn Ansvarsområde Telefon Mail (@student.liu.se) Camilla Larsson Projektledare 073-6941796 camla539 Benjamin Lundahl Informationsansvarig 073-6213456 benlu392 Christoffer Florell Testansvarig 073-5045066 chrfl746 Johan Thornblad Ansvarig knack 070-4669916 johth660 Olof Juhlin Dokumentansvarig 076-8303539 oloju317 Robin Karlsson Kvalitets- & leveransansvarig 070-3512901 robka927 Svante Löthgren Ansvarig SuperTurbo 070-4885286 svalo459 Viktor Nyman Designansvarig 073-5118385 vikny771

Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utfört av Granskad 0.1 2013-09-17 Första utkastet MOTOR CL 0.2 2013-09-19 Andra utkastet MOTOR CL 0.3 2013-09-22 Tredje utkastet VN RK SL 1.0 2013-09-25 Första versionen - inga ändringar

Innehåll 1 Introduktion 1 1.1 Parter............................................... 1 1.2 Syfte och Mål........................................... 1 1.3 Användning............................................ 1 1.4 Bakgrund............................................. 1 2 Översikt 3 2.1 Seriellt dubbelturbosystem................................... 3 2.2 SuperTurbo............................................ 4 2.3 Knack............................................... 4 2.4 Scavenging............................................ 4 3 Seriellt dubbelturbosystem 5 3.1 Modeller.............................................. 5 3.1.1 Syfte............................................ 5 3.1.2 Beskrivning........................................ 6 3.1.3 Designprocess....................................... 6 3.2 Reglering av dubbelturbo.................................... 7 3.2.1 Syfte............................................ 7 3.2.2 Beskrivning........................................ 7 3.2.3 Designprocess....................................... 7 3.3 Observatör............................................ 7 3.3.1 Syfte............................................ 8 3.3.2 Beskrivning........................................ 8 3.3.3 Designprocess....................................... 8 4 SuperTurbo 9 4.1 Modeller.............................................. 9 4.1.1 Syfte............................................ 9 4.1.2 Beskrivning........................................ 10 4.1.3 Designprocess....................................... 10 4.2 Reglering............................................. 11 4.2.1 Syfte............................................ 11 4.2.2 Beskrivning av turboaggregat.............................. 11 4.2.3 Beskrivning av mekanisk kompressor.......................... 11 4.2.4 Designprocess....................................... 12 4.3 Observatörer........................................... 13 4.3.1 Syfte............................................ 13 4.3.2 Beskrivning........................................ 13 4.3.3 Design........................................... 14 5 Knack 15 5.1 Modeller.............................................. 15 5.1.1 Syfte............................................ 15 5.1.2 Beskrivning........................................ 15 5.1.3 Designprocess....................................... 15

5.2 Reglering............................................. 15 5.2.1 Syfte............................................ 16 5.2.2 Beskrivning........................................ 16 5.2.3 Designprocess....................................... 16 6 Scavenging 17 6.1 Modell............................................... 17 6.2 Implementering.......................................... 17

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 motorlaboratoriet våren 2014. 1.4 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

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.

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. Om möjlighet ges ska implementering av så kallad scavenging undersökas. 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 aggregegat 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 motorlaboratorium till en bromsbänk enligt figur 1.

MOTOR 4 2.2 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 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. 2.4 Scavenging Scavenging är en teknik som består av att låta tiden som insugs- och utblåsventilerna är öppna överlappa. Lyckas det 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.

MOTOR 5 3 Seriellt dubbelturbosystem Det befintliga systemet består av en motor enligt avsnitt 2.1 Seriellt dubbelturbosystem på sida 3. Figur 2: Systemskiss för en seriellt dubbelturboladdad motor 3.1 Modeller I detta projekt kommer tyngd läggas vid vidareutveckling av det befintliga systemet med tillhörande modeller. Således är det egentligen inte av största intresse att vidareutveckla motormodellen utan snarare att se till att det befintliga systemet fungerar väl och med hög säkerhet. 3.1.1 Syfte Syftet med de befintliga modellerna är att åstadkomma ett tillförlitligt och väl fungerande system som nya koncept kan testas på.

MOTOR 6 3.1.2 Beskrivning I figur 2 syns de två varvtal som ska skattas, N 1 och N 2. Observatören använder sig av aktuella vridmoment för kompressorn och turbinen för att skatta de önskade varvtalen. Modellen som finns att tillgå består av en motormodell av medelvärdestyp. Fordonsmodell (Plant Model) och förarmodell har utvecklats av tidigare projekt, men då dessa baserats på äldre koncept skall nya modeller skapas utifrån de som konstruerats i kursen Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (TSFS09). Motormodellen beskriver egentligen luftflödet genom motorn och hur det påverkas av olika komponenter. Det principiella utseendet för luftflödet genom systemet är enligt figur 2. 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 (se figur 2) 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 (wastegate, lågtryck i figur 2). Därefter leds luften till avgasröret. Ventilerna, det vill säga bypass-ventilen på den mindre turbon och de två wastegateventilerna, samt trotteln är de aktuatorer som kommer att regleras. Fordonsmodellen (Plant Model) är en modell som beskriver hur motorns varvtal (N) påverkas. Modellen simulerar ett komplett fordon med drivlina och den yttre påverkan, till exempel luft- och rullmotstånd, som fordonet utsätts för. På så sätt kan motormodellen simuleras vid olika arbetspunkter och scenarion eftersom fordonsmodellen tar hänsyn till förluster och dylikt. Egentligen är inte en fordonsmodell nödvändig för att simulera en motormodell, men den gör det möjligt att simulera den närmare ett verkligt fall där motorn faktiskt sitter i ett fordon. Förarmodellen används för att simulera en körcykel för fordonsmodellen. Denna modell simulerar sådant som gaspådrag, växel, koppling och broms för att åstadkomma en körcykel som liknar hur en verklig förare kan tänka sig agera vid olika situationer. Utsignalerna från denna modell påverkar i sin tur fordonsmodellen som genererar ett motorvarvtal (N) som påverkar motormodellen och på så sätt erhålls en komplett simuleringsmiljö. 3.1.3 Designprocess I och med att detta projekt egentligen inte syftar till att ta fram modeller för det befintliga systemet kommer designprocessen att bestå av att validera de modeller som redan finns. Anses vissa befintliga modeller otillräckliga eller rentav felaktiga ämnas de att utvecklas för att fungera bättre. Motormodellen är som nämnt redan utvecklad och tillgänglig att användas, men Fordonsoch Förarmodell behövs implementeras. Det finns ett färdigt skelett för fordonsmodellen från kursen Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor (TSFS09) där även en förarmodell är implementerad. I detta skelett implementeras motormodellen som finns tillgänglig från tidigare projekt, om än med vissa modifikationer. Exempelvis tar modellen inte hänsyn till bränsleinsprutning, vilket bör simuleras om reglering av knack ska fungera

MOTOR 7 väl. Mycket inspiration kommer att tas från Projekt 2 i TSFS09 för att modifiera den nuvarande motormodellen med avsikt att göra den mer överskådlig och korrekt. 3.2 Reglering av dubbelturbo Dubbelturbosystemet regleras på ett sådant sätt att en önskad motormomentskurva följs tillräckligt väl genom att reglera laddtryck för varje aggregat. Figur 3: Exempel på regulatorimplemtering för dubbelturbo 3.2.1 Syfte Turboaggregatens uppgift är att öka effekten hos förbränningsmotorn genom att öka insugstrycket till motorn och på så vis öka luftkoncentrationen i cylindern. Syftet med regulatorn är att styra ventiler så att turboaggregaten levererar önskat insugstryck till motorn. Regulatorn måste även ta hänsyn till att turboaggregaten inte överskrider sina maximala varvtal mellan turbin och kompressor. 3.2.2 Beskrivning Regulatorn har som mål att styra turbinaggregaten mot önskat insugstryck till motorn. Detta implementeras genom att reglera surge-ventilen innan förbränningsmotorn och de båda wastegate-ventilerna som syns i figur 2. Tillsammans med referenssignalen för önskat insugstryck kommer insignaler från observatören med skattade varvtal skickas in till regulatorn. För att turbinaggregaten inte ska överstiga sina maximala varvtal kommer regulatorn ta hänsyn till de skattade varvtalen. 3.2.3 Designprocess Regulatorn kommer ta in önskat motormoment som referenssignal. Insignaler består av aktuellt motorvarvtal, turboaggregatens skattade varvtal samt bypass-,trottel- och wastegateventilers lägen. Utsignaler från regulatorn blir styrsignaler till bypassventilen och båda wastegateventilerna. 3.3 Observatör Då inga sensorer finns på produktionsbilar för de storheter som styr turboaggregatens beteende behöver dessa tillstånd istället skattas med observatörer. Särskilt intressanta är varvtalen (N 1 och N 2 i figur 2) hos kompressor- och turbinsteg. Dessa observeras enligt figur 4

MOTOR 8 Figur 4: Observatör av varvtal i turboaggregat. 3.3.1 Syfte Observatörens syfte är att skatta tillstånden för de två olika varvtalen för båda turboaggregaten. Dessa varvtal är av intresse då en turbo kan uppnå extremt höga varvtal som konstruktionen inte klarar av. 3.3.2 Beskrivning Observatören använder sig av ett antal mätbara tillstånd samt utsignaler från motormodellen för att skatta önskade parametrar. 3.3.3 Designprocess I figur 2 syns de två varvtal som ska skattas, N 1 och N 2. Observatören använder sig av aktuella vridmoment för kompressorn och turbinen för att skatta de önskade varvtalen. Observatören kommer att valideras mot mätdata som samlats från den fysiska motorn.

MOTOR 9 4 SuperTurbo SuperTurbon består av en mekanisk kompressor och ett turboaggregat, som är kopplade i serie. Detta visas i figur 5 nedan. Figur 5: Systemskiss för en SuperTurboladdad motor 4.1 Modeller Genom att implementera matematiska modeller av SuperTurbon i MATLAB/Simulink kommer motorn att kunna simuleras och dess prestanda kommer att kunna undersökas. 4.1.1 Syfte Syftet med modellen är att undersöka hur motorns prestanda påverkas av den mekaniskt drivna kompressorn och dess regulator. Modellen kommer att implementeras i en datormiljö och simuleras. Resultaten kommer att utvärderas och efter bästa förmåga jämföras med uppmätta kördata för att utvärdera regulatorstrukturen. De ekvationer som tas fram vid modelleringsarbetet kommer att ligga till grund för framtagandet av observatörer. Tillståndsform är att föredra då det finns ett väl beprövat arbetssätt kring

MOTOR 10 denna modellrepresentation. Utöver detta kommer även kostsamma fel vid tester på den verkliga motorn att undvikas genom att optimera och utvärdera med hjälp av den simulerade modellen istället. 4.1.2 Beskrivning Grunden i modelleringen av SuperTurbon kommer att utgöras av luftens väg genom systemet. Detta är ett vanligt tillvägagångssätt vid modellering av motorer, och beskrivs väl i tillgänglig litteratur. Dessutom ger det en intuitiv flödesbild av systemet. För att ytterligare förtydliga luftens väg genom motorn delas motorn upp i ett antal delsystem, exempelvis trottel, kompressor, insugsrör och så vidare. Detta kommer att underlätta utvecklingsarbetet, felsökandet och skapa en mer överskådlig bild över hela systemet. Luften passerar först ett luftfilter som kommer påverka luftens tryck och flöde. Därefter passerar luftströmmen antingen genom den mekaniska kompressorn eller genom dess bypass-ventil, beroende på aktuell arbetsbelastning och begärt moment. Nästa steg är turboaggregatets kompressor där luftströmmen komprimeras ytterligare alternativt passerar oberörd genom dess bypass-ventil. Här kontrolleras även surge. Därefter kyls luften i intercoolern och passerar trotteln, som reglerar luftflödet, in till insugsröret. Från insugsröret fördelas luften till de olika cylindrarna och blandas med bränsle. Luft-bränsleblandningen antänds och ger ett moment ut från motorn. Avgaserna pressas av cylindern ut via grenröret till turbinen. Flödet genom turbinen regleras med wastegate-ventilen. Därefter flödar luften vidare till avgasröret. I enlighet med ovan kan insignalen, det vill säga begärt moment, aktueras med trotteln, bypass-ventilen samt kopplingen hos den mekaniska kompressorn, surge-ventilen hos turboaggregatets kompressor och wastegate-ventilen i turbinen. Se avsnitt 4.2. 4.1.3 Designprocess En befintlig modell av en seriekopplad dubbelturbo finns att tillgå. Där hämtas mycket inspiration, och många av delsystemen kommer att ligga till grund för SuperTurbons modell. I tillgänglig litteratur och avhandlingar finns mycket information att tillgå. I litteraturen är det vanligt att skapa system utifrån luftflödet samt att använda tillståndsform, vilket för enkelhetens skull används även i denna modellering i så lång utsträckning som möjligt. Extra djup litteraturstudie kommer att göras kring den mekaniska kompressorn då detta är ett delsystem som inte existerar i den befintliga modellen av dubbelturbon och alltså måste konstrueras från grunden.

MOTOR 11 4.2 Reglering För att den mekaniska kompressorn och turbon ska samverka på ett önskvärt sätt och ge bra svar på begärt moment krävs en reglering av systemets aktuatorer. Ett exempel på en del av turbostyrning ges i figur 6 nedan. Figur 6: Systemskiss för framkoppling av trottelvinkel. 4.2.1 Syfte För att den SuperTurbomatade motorn ska kunna köras optimalt, måste en del regulatorer integreras i systemet. Trycket ut från den mekaniska kompressorn, trycket in i insugsröret efter turboaggregatets kompressor och turboaggregatets wastegate behöver regleras. För att undvika slitage av komponenterna måste även turboaggregatets varvtal och temperatur kontrolleras. Syftet med regleringen är att motorns momentkurva ska följa börvärdet så bra som möljigt och med så små transientövergångar som möjligt. 4.2.2 Beskrivning av turboaggregat Turboaggregatet består av en kompressor som drivs av en turbin. Turbinen drivs i sin tur av trycket som uppstår i avgasröret efter cylindern. För att kunna styra varvtalet och därmed även trycket i insugsröret, finns en wastegate-ventil, som när den öppnas leder avgaserna runt turbinen istället och minskar varvtalet samt trycket efter kompressorn. För att undvika surge används en bypass-ventil runt kompressorn. Eftersom trycket före turboaggregatets kompressor beror på den mekaniska kompressorns varvtal, måste turboaggregatets regulator kunna kontrollera vilket tryck den mekaniska kompressorn ska producera. Syftet med turboaggregatets reglering är att den ska leda till ökad prestanda av hela systemet, utan att man får en mycket högre bränsleförbrukning. 4.2.3 Beskrivning av mekanisk kompressor Den mekaniska kompressorn använder sig av lite energi från motorns vevaxel för att bygga upp ett tryck innan turboaggregatets kompressor. Det finns en bypass-ventil som måste regleras så att trycket innan turboaggregatets kompressor inte blir för högt eller för lågt. Vid för lågt tryck kommer motorn att få en fördröjd momentkurva ( turbolag ). Regleringen av den mekaniska kompressorn styrs av turboaggregatets önskade tryck mellan kompressorerna. Syftet är att regulatorn ska kunna minimera turbolag, det vill säga

MOTOR 12 utöka turboaggregatets arbetsområde och minska fördröjningen i motorns moment. Detta kommer att leda till att motormomentet följer det önskade momentets kurva. 4.2.4 Designprocess Först kommer en motor med endast en turbo att regleras. Därefter kopplas även den mekaniska kompressorn in, och adderas till regulatorstrukturen. Stor vikt behöver läggas vid att undersöka hur den mekaniska kompressorn agerar i samspel med motorns varvtal och turboaggregatet, samt att övergången mellan de båda kompressorerna blir transientlös. Arbetsgången kommer alltså bli att först reglera turbon för att uppnå önskad effektökning och därefter reglera den mekaniska kompressorn för att undvika turbolag. Då regleringen ger ett utmoment som följer det önskade momentet väl, kan systemets reglering anses vara god. Inspiration till regulatorstruktur kommer att hämtas ur diverse böcker och avhandlingar inom området.

MOTOR 13 4.3 Observatörer Vissa signaler i motorn kommer inte kunna mätas, dessa signaler behöver därför skattas med observatörer. 4.3.1 Syfte Syftet med observatörerna är att kunna skatta värden på temperatur, varvtal och tryck på signifikanta ställen i systemet som saknar givare. Dessa värden är väsentliga för regleringen. Användning av observatörer håller priset nere och minskar sannolikheten för fel på grund av givare i systemet. 4.3.2 Beskrivning Figur 7 nedan visar tillstånden i systemet som kommer att ingå i observatörerna. Figur 7: Systemskiss för en SuperTurbomatad motor med (för observatörerna) intressanta tillstånd Förklaring av tillstånden i figur 7.

MOTOR 14 (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 Dessa tillstånd behövs för att kunna reglera trycket in i insugsröret. Tillstånden har dessutom maxgränser som ska förhindra slitage på komponenter. 4.3.3 Design Observatörerna kommer att implementeras med hjälp av MATLAB/Simulink. De använder kända värden som insignal för att skatta de tillstånd som är okända eller saknar givare. En observatör kan se ut som i figur 8 nedan. Figur 8: Exempel för en observatör implementerad i Simulink

MOTOR 15 5 Knack Knack uppstår då bränsleluft-blandningen självantänder i cylindern. Då får man inte den fina flamfronten 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. Detta motverkas genom att senarelägga tändningen av bränsleluftblandningen, kyla förbränningskammaren genom att spruta in mer bränsle samt förändra luftflödet in i cylindern. I figur 9 ses en översikt över knacksimuleringens placering i den totala modellen. Figur 9: Systemskiss för knackreglering och simulering 5.1 Modeller Nedan följer en beskrivning av de modeller som ska byggas upp kring knacksimuleringen. 5.1.1 Syfte Syftet med framtagandet av en modell över knackfenomenet är att bygga upp en simuleringsmiljö att prova olika reglerstrategier i. Med hjälp av detta kan sedan ett antal lovande regulatorer väljas ut för test och validering i provbänk. 5.1.2 Beskrivning Knackmodellen tar emot insugstryck, insugstemperatur och motorvarvtal som indata enligt figur 9 och utvärderar detta utifrån en experimentiellt framtagen sannolikhetsmodell för att bestämma om knack skett. När knack inträffat bestämmer knackregulatorn utifrån rådande förutsättningar hur tändvinkeln bör ändras. Denna ändring översätts sedan till en förändring i tändeffektiviteten som återkopplas in motormodellen. 5.1.3 Designprocess Knackmodellen är avsedd att utvecklas i två steg där fokus initialt ligger på att ta fram en simpel modell som kan implementeras i en simuleringsmiljö. Sekundärt skall mer komplicerade modeller av knackförloppet undersökas för att sedan implementeras i simuleringsmiljön. 5.2 Reglering Nedan följer en beskrivning för de regulatorer som ska byggas för att motverka knack.

MOTOR 16 5.2.1 Syfte Då cylinderknack som tillåts fortgå kan vara mycket skadligt för motorn är det viktigt att det finns en strategi för hantera knack om det uppstår. 5.2.2 Beskrivning Regulatorn tar in data från knacksensorn, insugstryck, insugstemperatur och motorvarvtal för att bestämma om knack inträffat, se figur 9. Regulatorn reglerar därefter i ett första steg tändvinkeln på lämpligt sätt. Om knacket ej upphör tar regulatorn beslut om att använda ytterligare åtgärder. Dessa kan vara att spruta in mer bränsle i cylindern samt att förändra luftflödet in i motorn. 5.2.3 Designprocess Första steget i att utveckla knackregulatorn är att undersöka vilka metoder att motverka knack som finns att tillgå. Regulatorn skall sedan i olika steg använda sig av de reglermetoder som tagits fram för att få motorn att återgå till knackfri drift.

MOTOR 17 6 Scavenging Skillnaden mellan en motor där scavenging finns och en där det inte existerar är i första hand att när avgasventilen är öppen för att blåsa ut avgaser låter man även insugsventilen vara öppen för att skapa ett direktflöde av luft däremellan. 6.1 Modell För att implementera scavenging behövs modeller. Specifikt behövs modeller som beskriver hur fyllnadsgraden ändras i cylindern då scavenging införs. Effekten av scavenging kommer bero på öppningstiderna för insugs- respektive avgasventilerna. Även hur temperaturen i cylindern påverkas av scavening ska undersökas. Vidare måste man också ta hänsyn till hur övriga delsystem påverkas, så som varvtalsskydd och temperaturskydd för turbiner. 6.2 Implementering Implementering av scavenging innefattar dels att ta fram tidigare nämnda modeller och sedan undersöka om scavenging kan utnyttjas för att förbättra motorns prestanda. Om det lyckas i motormodellen ska det också testas i motorlaboratoriet.