Model Based approach to Predict Boundary Conditions of a Single Cylinder Test Engine

Abstract: Huvudämnet i denna avhandling är användningen av prediktiva modeller för att styra randvillkor i en encylindrig motor. Encylindriga motorer används i utvecklingen av nya motorer för att studera förbränningskoncept. De utgör en modulär plattform för utveckling av bland annat nya ventilkoncept, förbränningsmetoder, bränsleinsprutningsmetoder och portkonstruktioner. I en produktionsmotor representeras turboaggregatet och motorn av ett kopplat dynamiskt system där motorns driftspunkt bestämmer avgasmottryck och insugstryck. Det är nödvändigt att utföra experiment på encylindriga motorer med rätt insug- och avgasmottryck för att studierna ska vara realistiska. Dessa encylindriga motorer har dock oberoende ventilstyrda insug- och avgassystem där driftspunkten för en produktionsfärdig flercylindrig motor simuleras. Därför finns det ett behov av att använda modellbaserade tekniker för att styra inlopps- och utloppstryck. I denna avhandling har en metod utvecklats för att förutsäga randvillkor med hjälp av en skalad version av den encylindriga modellen tillsammans med en modell av ett turboaggregat. En detaljerad 1D modell av en encylindrig provcell skapades i AVL Boost. Modellen har sedan validerats med hjälp av mätdata och skalats till en flercylindermodell. En 0D Simulinkmodell har utvecklats utöver 1D modellen för att jämföra deras användning i en realtidsapplikation. Samtidigt tas det hänsyn till de avvikelser från verkliga processer som sker i båda modellerna. 0D modellen representerar en enkel motormodell för att förutsäga stationär prestanda genom att förutsätta kvasistationär strömning. Motivationen bakom att använda en sådan modell är att de förutsagda medelvärden av inlopps- och utloppstryckspår ger en mer realistisk referensparameter som kan användas för att styra randvillkoren på en encylindermotor. Avgasturbinen har också modellerats i syfte att studera volutets dämpande effekt på det pulserande avgasflödet. Olika extrapoleringsmetoder för turbinmappar studerades där fysiskt baserade algoritmer användes för att extrapolera turbindata. Turbinvolutet och dess effekter på turbinprestanda har diskuterats tillsammans med uppskattning av effektiviteten hos turbinen under ostadiga flödesförhållanden. Dessa modeller har sedan kalibrerats och validerats mot vevaxelupplösta cylindertryck och cykelmedelvärderade parametrar från mätdata som erhållits från den encylindriga provmotorn. De fel och avvikelser mellan 0D- och 1D modellerna och mätdata identifierades och diskuterades. En styralgoritm baserad på den encylindriga 1D Boost simuleringen utvecklades för att reglera insug- och avgastryck och jämfördes sedan mellan 0Doch 1D modellerna för att utvärdera prestanda och noggrannhet.