TURBO Systemskiss 5 december 2009 Status Granskad 2009-09-21 SL Godkänd
Projektidentitet Beställare: Lars Eriksson, Linköping University Telefon: +46 13 284409, E-post: larer@isy.liu.se Köpare: Per Andersson Telefon: +46 52 085334, E-post: per.andersson@gm.com Kursansvarig: David Törnqvist, Linköping University Telefon: +46 13 281882, E-post: tornqvist@isy.liu.se Projektledare: Sebastian Ljungberg Telefon: +46 73 7163551, E-post: seblj118@student.liu.se Handledare: Andreas Thomasson, Linköping University Telefon: +46 13 285713, E-post: andreast@isy.liu.se Oskar Leufvén, Linköping University Telefon: +46 13 281994, E-post: oleufven@isy.liu.se Projektmedlemmar Namn Ansvar Telefon E-post Sebastian Ljungberg Projektledare 0737163551 seblj118 Anders Karlsson Dokumentansvarig 0730664850 andka096 Anders Olofsson Informationsansvarig 0702196920 andol225 Adrian Eilertsen Ansvarig regulator 0737273197 adrei294 Kenny Jönsson Testansvarig 0730481360 kenjo746 Magnus Selldén Designansvarig 0704030620 magse321 Pontus Skoog Ansvarig för delsystem 0704926537 ponsk637
Innehåll 1 Dokumenthistorik 4 2 Introduktion 5 2.1 Syfte och mål............................. 5 2.2 Bakgrund............................... 5 2.3 Användning.............................. 5 3 Översikt 6 3.1 Beskrivning av systemet som ska regleras............. 7 3.2 Beskrivning av reglersystemet.................... 8 3.3 Beroenden till andra system..................... 8 3.4 Delsystem............................... 8 4 Modeller 9 4.1 Motormodell............................. 9 4.1.1 Syfte.............................. 9 4.1.2 Beskrivning.......................... 9 4.1.3 Designprocessen....................... 10 4.2 Plant Model.............................. 10 4.2.1 Syfte.............................. 10 4.2.2 Beskrivning.......................... 10 4.2.3 Designprocessen....................... 11 5 Observatörer 12 5.1 Beskrivning och design........................ 12 5.2 Gränssnitt............................... 13 6 Regulator 14 6.1 Beskrivning.............................. 14 6.2 Gränssnitt............................... 14 6.3 Reglerstruktur............................ 14
Systemskiss 4 1 Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utförda Av Granskad 0.1 2009-09-18 Utkast AK AO 1.0 2009-09-21 Ändrad enligt beställarens kommentarer. AK SL
Systemskiss 5 2 Introduktion I detta projekt ska en regulator konstrueras för att reglera en sekventiell dubbelturbo. Regleringen ska bland annat se 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. Naturligtvis finns det även en viktig säkerhetsaspekt inblandad. Inget av turboaggregaten får överskrida tillåtna varvtal och temperaturer. Att hålla nere priset för en motor i produktion är viktigt. Så många som möjligt av de extra mätsignaler som krävs ska därför skattas med observatörer. Därmed undviker man kostnaden för ytterligare sensorer. 2.1 Syfte och mål Syftet med projektet är att utveckla en modell för och regulator till en motor med dubbelturbo. Detta för att ersätta en stor motor med en mindre utan att påverka körupplevelsen och samtidigt få en lägre bränsleförbrukning. Det är även meningen att antalet sensorer som behövs ska reduceras för att hålla priset nere. 2.2 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. Gör man detta så får man ut högre moment och effekt från motorn. Problemet med att använda en turbo är att den bara kan leverera lämpligt 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 effektoch momentkurva. 2.3 Användning Modell och regulatorprototyp kommer att användas i utvecklingsmiljö. En lyckad regulator kan komma att användas av fordonsindustri i realtidssytem för reglering av dubbelturbo.
Systemskiss 6 3 Översikt Moment Motor Bromsbänk Mätsignaler Styrsignaler Bromsmoment Observatör Regulator Körcykel Begärt insugstryck Gaspedal/styrsystem Figur 1: 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.
Systemskiss 7 3.1 Beskrivning av systemet som ska regleras A 2 Motor Turbo för låg last A 1 C T A 3 C T A 4 Turbo för hög last Figur 2: Principskiss över systemet som ska regleras. Till vänster ses hur insugsluften 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 2 ). Efter motorn finns en lambdasensor placerad. På insugssidan finns en bypass-ventil (A 1 ) som kan leda luften förbi det mindre turboaggregatets kompressor. Det finns även en trottel (A 2 ) för finjustering av luftflödet. På avgassidan finns först en wastegateventil (A 3 ) som kan leda avgaserna förbi turbinen för låglast. Därefter finns
Systemskiss 8 en motsvarande wastegate-ventil (A 4 ) som kan leda avgaserna förbi turbinen för höglast. Aktuatorerna tillhörande de tre ventilerna och trotteln är det som reglersystemet kan påverka. 3.2 Beskrivning av reglersystemet Regulatorsystemet kommer att 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. 3.3 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. 3.4 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.
Systemskiss 9 4 Modeller Att bygga tillförlitliga modeller av motor och fordon är mycket viktigt. Dessa utgör grunden för regulatorer, observatörer och simuleringar. Två modeller ska tas fram och implementeras i Simulink: En medelvärdesmodell för motorn. En fordonsmodell - Plant Model. För ökad tydlighet har respektive modell tilldelats ett separat avsnitt. 4.1 Motormodell 4.1.1 Syfte Ett av huvudsyftena med denna modell är att skapa en plattform att utföra tester mot. Modellen kan användas för att simulera och verifiera funktionaliteten hos regulatorerna innan dessa körs mot den riktiga motorn. Vid arbetet erhålls också en ökad förståelse för de olika delkomponenterna. De ekvationer som tas fram vid modelleringsarbetet kommer att utnyttjas vid utvecklingen av observatörerna. Målet bör vara att teckna modellen på tillståndsform. Denna form har många fördelar och det finns en välbeprövad metodik för att hantera dessa. 4.1.2 Beskrivning Motormodellen ska vara komplett i det avseendet att samtliga huvudkomponenter inuti och i direkt anslutning till motorn ska ingå. En rättfram metod vid modellbygget är att bryta ner hela systemet i delmodeller. En sådan delmodell kan t.ex. utgöras av ett kompressorsteg, en trottel eller en turbin. För att få en röd tråd genom systembeskrivningen är det intuitivt att följa luftens väg genom systemet, d.v.s. 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. I figur 4 visas en skiss över motormodellen. De nämnda ventilerna och trotteln utgör de aktuatorer som reglersystemet har att tillgå. Mer information om hur dessa är tänkta att styras finns i avsnitt 6.
Systemskiss 10 Luftfilter Kompressor - Högtryck Kompressor - Lågtryck Bypass Intercooler Trottel Insugsrör Katalysator Utblås Turbin - Högtryck Wastegate Turbin - Lågtryck Wastegate Förgreningsrör Motor Figur 4: Principskiss över Simulink-schemat för motorn. Pilarna illustrerar funktionella beroenden mellan blocken. 4.1.3 Designprocessen I tillgängligteori finns en hel del värdefull kunskap att hämta. Det är därför inte troligt att det kommer att behöva utvecklas och tas fram helt nya samband för att beskriva komponenterna. Snarare kommer en stor del av arbetet att handla om att tillgodogöra sig tillgänglig teori, sålla ut relevant information, och sedan sätta samman de olika delarna på ett klokt sätt. I dagsläget finns bra modeller för motorer med enkelturbo att tillgå. Med utgångspunkt från en sådan har man en god grund att bygga vidare från. De delsystem som är gemensamma för de båda motortyperna kan med fördel återanvändas. 4.2 Plant Model 4.2.1 Syfte Denna modell kommer att användas för att köra simuleringar på ett helt fordon. I denna modell sätts motorn in i sitt rätta sammanhang. Genom att simulera olika körcykler kan man bilda sig en uppfattning om hur väl regulatorerna, i samspel med observatörerna, skulle prestera i ett riktigt fordon. Målet är att den modell som tas fram ska återspegla egenskaperna hos en genomsnittlig personbil. Det är värt att nämna att en fungerande fordonsmodell inte är en förutsättning för att kunna simulera den tidigare nämnda motormodellen. I slutändan påverkar fordonet egentligen bara varvtalet (N). Därmed bör olika scenarion och arbetspunkter kunna ställas in genom att ändra värdet på N som parameter. 4.2.2 Beskrivning Den stora delen av fordonsmodellen utgörs av drivlinan. Här beskrivs systemet från motorns utmoment till den framåtdrivande kraften som verkar på hjulen. På vägen passeras en rad komponenter som exempelvis växellåda, drivaxel och hjul. För att göra en trovärdig modell måste man här ta hänsyn till friktionen hos lager och uppvridningar i de axlar som ingår. De små förlusterna är förvisso intressanta men en betydligt större och viktigare del utgörs av de yttre krafter
Systemskiss 11 som verkar på fordonet. Vi har typiskt ett luftmotstånd, rullmotstånd och en gravitationskraft, som alla verkar bromsande på fordonet. I figur 5 visas en skiss över fordonsmodellen. Drivlina Motor Koppling Växellåda Kardanaxel Slutväxel Drivaxel Hjul Omgivning Fordon/Chassi Figur 5: Principskiss över fordonsmodellen. Pilarna illustrerar funktionella beroenden mellan blocken. 4.2.3 Designprocessen Fordonsmodellen är på intet sätt unik för detta projekt. Detta innebär att samtliga ekvationer och samband som beskriver delkomponenterna bör finnas tillgängliga i lämplig litteratur. Arbetet skulle således kunna bestå av att välja ut lämpliga modeller och implementera dessa i Simulink. Med stor sannolikhet finns det dock redan färdiga Simulink-modeller att tillgå. Efter granskning skulle kan man kunna tänka sig att testa någon av dessa till att börja med.
Systemskiss 12 5 Observatörer I dagens produktionsmotorer finns sensorer vars mätsignaler kan användas. För att reglera en motor med dubbelturbo krävs dock fler värden än dessa. Då kostnaden för extra sensorer ska minimeras kommer dessa extra värden att skattas med observatörer så långt det är möjligt. I figuren nedan visas de värden för tryck, temperatur och varvtal som är av intresse. T7,P7 Motor Intercooler T3,P3 T4,P4 C N1 T T2,P2 T5,P5 C N2 T T1,P1 T6,P6 Figur6:DevärdensomommöjligtskaobserverasärtryckenP i,temperaturerna T i och varvtalen N i. 5.1 Beskrivning och design Observatörerna utnyttjar tillgängliga mätvärden i kombination med ekvationerna från motormodellen. Vilka tillstånd som kan skattas avgörs av systemets observerbarhet. Observerbarheten beror i sin tur på vilka mätvärden som kan användas. För att verifiera observatörernas funktionalitet kommer de skattade värdena att jämföras med mätdata insamlade från motortestcellen. I samband med att detta görs kommer parametrar såsom observatörsförstärkning att justeras. Det är viktigt att observatörerna lämnar tillförlitliga skattningar då regulatorn använder sig av dessa. Är skattningarna alltför felaktiga kan turboaggregatens begränsningar överskridas vad gäller varvtal och temperatur.
Systemskiss 13 5.2 Gränssnitt Observatörerna kommer att implementeras i Simulink och vara fristående från regulatorn. Tillgängliga sensormätvärden utgör insignaler och skattningar baserade på dessa är utsignaler. Utsignalerna kan användas av regulatorn. 1 2 Sensor 1 Tryck 3 Sensor 2 Temperatur 4 Begärt moment Ventillägen In1 Observatör Out1 3 Varvtal 2 Temperatur 1 Tryck Figur 7: Insignaler levereras till observatörerna, som därefter skattar intressanta värden och ger dessa som utsignaler.
Systemskiss 14 6 Regulator 6.1 Beskrivning Regulatorn är den mjukvara som ska styra ventiler så att turboaggregaten levererar önskat laddtryck. I figur 8 ses en översikt av regulatorn så som den är tänkt att konstrueras. Se avsnitt 6.3 för mer information om reglerdesignen. Förutom att kontrollera laddtryck ska regulatorn se till att turboaggregatens övre gränser för tryck, varvtal och temperaturer inte överskrids. Observatrör Regulator Regulator 1 Önskat varvtal, N 1 Önskat varvtal, N 2 Aktuator A 1, A 2 min(α N 1,max,N 1 ) min(β N 2,max,N 2 ) Regulator 2 Regulator 3 Aktuator A 3 Aktuator A 4 Figur 8: Regulatorns struktur. Regulator 1 kommer att ge styrsignaler till regulator 2 och 3. 6.2 Gränssnitt Regulatorn kommer att konstrueras i Simulink och får indata från observatören i form av aktuella tillstånd för det system som ska regleras. Regulatorn kommer även att få information om önskat vridmoment från fordonets styrsystem/gaspedalens läge. 6.3 Reglerstruktur Målet med reglering kommer att vara att styra trycket efter intercoolern P ic strax över önskade insugstrycket P iö då detta ger en energieffektiv reglering eftersom förlusterna över trotteln blir små. Regulatorn kommer att designas
Systemskiss 15 som flera olika regultatorer enligt figur 8. Den översta regulatorn kommer att vara den som styr vilket tryck som levereras till trotteln. För att kunna göra problemet enklare så kommer regulator 1 ge önskat varvtal till regulator 2 och 3 som ger styrsignaler till ventilerna A 2 och A 3 för att reglera varvtalen N 1 och N 2.