Model-based control of air and exhaust paths in a medium speed 4-stroke internal combustion engine
Adler, Mika (2019)
Adler, Mika
Åbo Akademi
2019
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019090627084
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019090627084
Tiivistelmä
The objective of the thesis was to create a model of the air and exhaust paths. The air path goes from the inlet air silencer, before the low-pressure turbocharger,to the cylinder inlet valve and the exhaust path goes from the cylinder exhaust valve to the low-pressure turbocharger turbine outlet. The model predicts pressures and temperatures in different parts of the air and exhaust paths as well as engine air mass flow. The model is intended to be used for a feed-forward controller for turbine wastegate to reduce controller windup. A model-based feedforward controller could potentially reduce time spent on parameter tuning if non-physical parameters are replaced with physical parameters.
The model was created in Simulink 2017a and parameters, such as turbo maps, were implemented using Matlab 2017a. The model does not capture flow and pressure pulses in the air and exhaust paths and is, therefore, a mean-value or quasi-steady-state model. However, the model does capture the transient behaviour of the system between two steady-state points. A Wärtsilä 6L20CRDF two-stage turbocharged engine was used as reference for modelling. The model is based on the physical properties of the reference engine. Turbocharger efficiencies and mass flows are based on mapped values proved by the manufacturer. Gas mode operation could be added with relatively small adjustments. The suggested adjustments for gas mode operation can be found under future work.
The largest absolute percentage errors for the model in steady-state was ± 16 % and was at the pressure at the high-pressure turbine inlet. The largest error for temperature estimations was ± 7% and was at the low-pressure turbine outlet. Errors could be decreased with improved interpolation of the mapped compressor efficiencies.
Three different simulations were compared against two sets of test data and all tests were at constant engine speed. The first two were steady-state simulations, while the third one simulated the transient engine operation. The first steady-state simulation used constant compressor efficiencies and engine compression ratio. The second steady-state simulation used mapped compressor efficiencies and engine compression ratio was based on inlet valve closing time. The third simulation was the transient simulation and was an engine load uptake from 0-100%; steady-state was achieved at 100% for the third simulation. Målet med avhandlingen var att modellera luft- och avgassystemets dynamik i en förbränningsmotor. Modellen predikterar tryck och temperatur i luft- och avgassystemet. Utöver detta predikteras även luftflödet till motorn med hjälp av idealgaslagen och cylinderns volymetriska fyllningsgraden. Modellens är framtagen för att få behövliga insignaler till en framkopplad modellbaserad regulator som styr positionen för högtrycksturbinens dumpventil.
Modellen har skapats i Simulink 2017a. Parametrar, som till exempel tabellerade värden för turboaggregatens prestanda, har implementerats med hjälp av Matlab 2017a. Modellen tar inte i beaktande enskilda flödespulser eller tryckpulser från motorns cylindrar utan är en medelvärdesmodell av systemet. Wärtsiläs laboratoriemotor, 6L20CRDF med sekventiell två stegs turboaggregat, har använts som referens för modellering av luft- och avgassystem. Tabellerade värden för turboaggregatens prestanda har använts för att modellera enskilda komponenter i turboaggregatet, som till exempel kompressorn och turbinen. Referensmotorn kan köras med både gas och diesel, men i detta arbete har endast drift med diesel beaktats. Modellering av luft- och avgassystemet i gasdrift kan implementeras i modellen genom relativt små förändringar. Dessa förändringar är presenterade under ”Future works”.
Det största absoluta procentuella felet i modellen i jämviktsläge var ± 16 % och var i trycket före högtrycksturbinen. Det största absoluta procentuella felet i den predikterade temperaturer var ± 7% och var efter lågtrycksturbinen. Felen kan minskas ytterligare genom noggrannare interpolation i de tabellerade värden av kompressorernas verkningsgrad i turboaggregaten.
Totalt har tre stycken olika simulationer utvärderats mot resultat från testkörningar med en laboratoriemotor. Alla testkörningar gjordes med konstant varvtal på motorn. De två första simulationerna jämfördes med den första testkörningen. I motor-experimentet ändras lasten ett flertal gånger. Modellvalideringen gjordes mot mätdata som registrerades då motorn uppnått jämnviktsläge. I den första simulationen användes konstant verkningsgrad för kompressorerna medan den andra simulationen använde tabellerade värden för kompressorernas verkningsgrad. I den andra simulationen varierade även motorns kompressionsförhållande och den volymetriska fyllningsgraden som en funktion av tidpunkten för insugsventilens stängning. I den tredje simulation validerades modellen för lastupptagning vid konstant varvtal. Lastupptagning varierade mellan 0% och 100%. Förutom trycket före lågtryckskompressorns, överskattades i det här fallet samtliga tryck något.
The model was created in Simulink 2017a and parameters, such as turbo maps, were implemented using Matlab 2017a. The model does not capture flow and pressure pulses in the air and exhaust paths and is, therefore, a mean-value or quasi-steady-state model. However, the model does capture the transient behaviour of the system between two steady-state points. A Wärtsilä 6L20CRDF two-stage turbocharged engine was used as reference for modelling. The model is based on the physical properties of the reference engine. Turbocharger efficiencies and mass flows are based on mapped values proved by the manufacturer. Gas mode operation could be added with relatively small adjustments. The suggested adjustments for gas mode operation can be found under future work.
The largest absolute percentage errors for the model in steady-state was ± 16 % and was at the pressure at the high-pressure turbine inlet. The largest error for temperature estimations was ± 7% and was at the low-pressure turbine outlet. Errors could be decreased with improved interpolation of the mapped compressor efficiencies.
Three different simulations were compared against two sets of test data and all tests were at constant engine speed. The first two were steady-state simulations, while the third one simulated the transient engine operation. The first steady-state simulation used constant compressor efficiencies and engine compression ratio. The second steady-state simulation used mapped compressor efficiencies and engine compression ratio was based on inlet valve closing time. The third simulation was the transient simulation and was an engine load uptake from 0-100%; steady-state was achieved at 100% for the third simulation.
Modellen har skapats i Simulink 2017a. Parametrar, som till exempel tabellerade värden för turboaggregatens prestanda, har implementerats med hjälp av Matlab 2017a. Modellen tar inte i beaktande enskilda flödespulser eller tryckpulser från motorns cylindrar utan är en medelvärdesmodell av systemet. Wärtsiläs laboratoriemotor, 6L20CRDF med sekventiell två stegs turboaggregat, har använts som referens för modellering av luft- och avgassystem. Tabellerade värden för turboaggregatens prestanda har använts för att modellera enskilda komponenter i turboaggregatet, som till exempel kompressorn och turbinen. Referensmotorn kan köras med både gas och diesel, men i detta arbete har endast drift med diesel beaktats. Modellering av luft- och avgassystemet i gasdrift kan implementeras i modellen genom relativt små förändringar. Dessa förändringar är presenterade under ”Future works”.
Det största absoluta procentuella felet i modellen i jämviktsläge var ± 16 % och var i trycket före högtrycksturbinen. Det största absoluta procentuella felet i den predikterade temperaturer var ± 7% och var efter lågtrycksturbinen. Felen kan minskas ytterligare genom noggrannare interpolation i de tabellerade värden av kompressorernas verkningsgrad i turboaggregaten.
Totalt har tre stycken olika simulationer utvärderats mot resultat från testkörningar med en laboratoriemotor. Alla testkörningar gjordes med konstant varvtal på motorn. De två första simulationerna jämfördes med den första testkörningen. I motor-experimentet ändras lasten ett flertal gånger. Modellvalideringen gjordes mot mätdata som registrerades då motorn uppnått jämnviktsläge. I den första simulationen användes konstant verkningsgrad för kompressorerna medan den andra simulationen använde tabellerade värden för kompressorernas verkningsgrad. I den andra simulationen varierade även motorns kompressionsförhållande och den volymetriska fyllningsgraden som en funktion av tidpunkten för insugsventilens stängning. I den tredje simulation validerades modellen för lastupptagning vid konstant varvtal. Lastupptagning varierade mellan 0% och 100%. Förutom trycket före lågtryckskompressorns, överskattades i det här fallet samtliga tryck något.