Mathematical model of turbocharger shaft speed calculation in a diesel engine

Neste trabalho construiu-se e verificou-se um modelo matemático capaz de realizar o cálculo da rotação do eixo do turbocompressor aplicado a um motor Diesel, para futura implementação de uma função de software no programa da unidade de comando do motor, de forma a permitir a criação de estratégias de proteção contra sobre rotação do eixo do turbocompressor. O modelo foi construído com utilização de modelagem de fenômenos físicos que ocorrem em algumas partes do motor, junto com tabelas obtidas através de testes empíricos do motor. O modelo foi criado de modo a aproveitar os sensores atualmente disponíveis no motor de série, utilizados pelo sistema de injeção eletrônica. O parâmetro de vazão de ar admitido, calculado pela unidade de controle do sistema de injeção também foi aproveitado. Após a criação do modelo, este foi verificado inicialmente simulando-se variações nas entradas (quantidade injetada de combustível e acionamento da válvula EGR) e analisando-se a reação ocorrida na saída do modelo (rotação do eixo do turbocompressor). Foram realizadas medições em um banco de testes para o levantamento do mapa de temperatura do coletor de escape em condição estacionária. Para a verificação do modelo em um caso real, foram coletados dados de diversos parâmetros de funcionamento de um motor diesel instalado em um veículo de testes da MWM International. Os parâmetros de entrada coletados foram inseridos no modelo e o valor de rotação medido confrontado com o valor calculado. Ajustes nos submodelos foram necessários para a estimação dos parâmetros do modelo através da minimização do erro encontrado. O erro encontrado diminuiu sensivelmente, porém ainda se manteve alto para ser considerado como uma informação confiável para a implementação no software da unidade de comando do motorIn this work, it was intended to create a model capable to calculate the turbocharger shaft speed of a Diesel engine, for future implementation of an algorithm in the engine's Electronic Control Unit software, as a protection strategy against turbocharger shaft overspeed. The model was built using physical phenomenon modeling from some parts of the engine, among tables obtained by empiric tests of the engine. The model was created in order to use current sensors available in the series production engine, which is used by electronic fuel injection system. The intake air flow parameter, already calculated by ECU, was also used. After the model creation, it was verified simulating input variation (fuel injected quantity and EGR valve command) and analyzing the model output (turbocharger shaft speed). Measurements in bench test were performed in order to create an exhaust manifold temperature map in steady condition. In order to check the model in a real case, several operating parameter data were collected from a Diesel engine installed in a test vehicle from MWM International. The acquired data was inserted in the model and the turbocharger shaft speed was crosschecked against the calculated value. Adjustments in submodels were necessary to parameter estimation through minimizing of error found. The error decreased significantly, however it remained too high to be considered a reliable information for implementation in the controller's softwar