Design Of An Intelligent Boost Pressure Controller For A Series Sequential Turbocharged Diesel Engine

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015SERİ BAĞLI AŞIRI DOLDURMA SİSTEMİNE SAHİP DİZEL MOTORLAR İÇİN AKILLI MANİFOLD BASINCI KONTROLCÜSÜ TASARIMI ÖZET Otomotiv kontrolü uygulamaları içerisinde içten yanmalı motorların kontrolü önemli bir araştırma ve geliştirme konusu olarak yer etmiştir. İçten yanmalı motorların yüksek düzeyde doğrusal olmayan davranış göstermesi, göreceli olarak daha hızlı bir sistem dinamiğine sahip olması ve sistem-donanım kısıtlarının (Emisyon, donanım-parça limitleri, performans gereklilikleri) çok çeşitli biçimlerde olmasından dolayı, motor kontrolü uygulamalarında Elektronik kontrol ünitesi yazılımında bir çok kalibrasyon parametresine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu parametreler iki boyutlu- bir boyutlu tablolar veya sabitler şeklinde Elektronik kontrol ünitesi yazılımında mevcuttur. Endüstriyel anlamda kullanılan motor kontrolcüleri genellikle PID-PI yapısında olmakta olup, kontrolcü saturasyonunu önleyici anti-windup ve ileribesleme kontrolcü yapıları ile beraber kullanılabilmektedir. Günümüzde emisyon seviyelerin artışı ve müşterilerin performans- yakıt tüketimi beklentileri, içten yanmalı motorların kontrolündeki kısıtları arttırmış ve motor kontrol problemi genel olarak daha çok boyutlu ve daha çok değişkenli bir hale gelmiştir. Buna ek olarak, sistemlerin karmaşıklığı arttıkça, donanım-parça kısıtları ve limitleri de doğru orantılı olarak artmıştır. Günümüzde, modern dizel motorlarında kontrol çevrimleri temel olarak iki alt sistem üzerinden değerlendirilebilir. Dizel yanma çevrimine göre silindir içine püskürtülen yakıtın basıncı ve miktarının kontrolü yakıt hattının kontrol sisteminin temel görevini oluşturur. Common-Rail sistemlerdeki, ray basıncı geri beslemesi ile Elektronik kontrol ünitesi tarafından motorun çalışma koşullarına göre belirlenen ray basıncı kontrolü sağlanır. Yakıt sisteminden farklı olarak diğer temel kontrol çevrimi de silindir içine giren havanın miktarının ve basıncının kontrolüdür. Bu çevrim de kendi içerisinde iki temel kontrol çevrimine ayrılır. Birincisi, hava debisinin Egzoz Gazı geridönüşüm sistemi ve hava hattı giriş gaz kelebeği ile kontrolüdür. Egzoz gazı geri çevrimi ile amaçlanan silindir içi yanma sonu sıcaklıklarının düşürülüp, Nox emisyonlarının azaltılmasıdır. Hava hattındaki bir diğer kontrol çevrimi ise hava basıncının kontrolüdür. Dizel motorlar atmosferik basınçlı olarak da çalışabileceği gibi, günümüzde yüksek hızlı modern dizel motorları basınçlandırılmış emiş havası ile çalışmaktadır. Bu şartlandırma ise temel olarak aşırı doldurma üniteleri kullanılarak sağlanmaktadır. Aşırı doldurma üniteleri genel olarak egzoz gazı tahrikli veya mekanik tahrikli olarak iki temel tipte kullanılmaktadır. Egzoz gazı tahrikli aşırı doldurma ünitelerinde manifold basıncı kontrolü, değişken geometrili türbinler kullanılarak veya atık havası tahliye valfleri kullanılarak sağlanmaktadır. Seri bağlı aşırı doldurma sistemleri; birbiri ardınca bağlanmış iki farklı egzoz gazı tahrikli kompressor-türbin ünitelerinden oluşan aşırı doldurma sistemleri anlamına gelmektedir. Bu tip sistemlerin sahip olduğu avantajlar aşağıda sıralanmıştır. • Yüksek aşırı doldurma basınçlarından kaynaklanan yüksek silindir içi ortalama efektif basınçlar • Daha yüksek toplam aşırı doldurma verimi • Daha yüksek silindir çıkışı-yanma sonun sıcaklıkları • Düzeltilmiş düşük-yük tepkisi Öte yandan bu sistemin sahip olduğu bazı dezavantajlar da aşağıda listelenmiştir. • Turbo gecikmesindeki artış. (Bunun nedeni iki farklı aşırı doldurma sisteminin ivmelendirilmesidir.) • Daha yüksek ısı sığası. • Daha büyük paketleme ve mekanik tasarım kısıtları Yukarıdaki dezavantajların büyük kısmı, Seri bağlı aşırı doldurma sisteminin kontrolü ve regülasyonu ile önemli ölçüde düzeltilmektedir. Böylelikle, daha yüksek motor hava debisi aralığında sistemin efektif çalışması sağlanmaktadır. Bu tip sistemlerde manifold basıncı kontrolü, iki ayrı türbine parallel olarak bağlı bypass ve atık havası tahliye valfleri ile sağlanabilir. Bazı sistemlerde, türbinlerden bir tanes değişken geometriye de sahip olabilir. Seri bağlı aşırı doldurma sistemleri, iki kademelei aşırı doldurma sistemleri olarak da isimlendirilmektedir. Dizel motorlarda hava hattının önemli bir alt sistemi olmasının yanı sıra, çok değişkenli kontrol imkanı ve iki kademeli aşır doldurma sistemleri motor kontrol uygulamaları için örnek bir uygulama haline getirmektedir. İki kademeli aşırı doldurma sistemlerinde mevcut endüstriyel kontrolcüler, kazanç- değişimli genişletilmiş PID-PI kontrolcü yapısına sahiptir. Bu tip kontrolcülere ait yazılım, elektronik kontrol ünitesinde 500'den fazla parametre ile uygulamaya dönüştürülmektedir. Tüm bu parametrelerin kalibrasyonu için motor dinamometresi ve araç testleri gerçekleştirilmektedir. Bunlara ek olarak, Sistem limitleri ve kısıtları için ayrıca testler yapılmaktadır. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmanın kapsamı; sistem basınç limitlerini ve parça kısıtlarını tasarım sırasında içeren ve daha hızlı bir şekilde kalibre edilebilen manifold basınç kontrolcüsü tasarımı ve uygulaması gerçekleştirmektir.Bu amaçla yapılan literatür araştırması sonucunda, Model tahmini kontrolcü (MPC) yapısı kullanılacak kontrolcülerin ana yapısı olacak şekilde seçilmiştir. Kısıtlı optimal kontrol yapısının kullanılması, giriş- çıkış kısıtlarının tasarım sırasında hesaba katılması ve çevrimiçi optimizasyon gibi noktalar MPC yapısının seçilmesindeki temel ölçütler olarak belirlenmiştir. Tüm bu noktalara rağmen, MPC kontrol algoritmasının temel kısıtı, çevrimiçi optimizasyon için gereken mikroişlemci gücüdür. Bu kısıtı ortadan kaldırmak için, explicit MPC metodu uygulanmıştır. Böylelikle, belirli bir aralıkta çevrimdışı olarak belirlenen kontrolcü katsayıları, kontrolcünün gerçek zamanlı çalışması sırasında doğrudan sisteme uygulanmış ve çevrimiçi optimizasyon sırasına gereken mikroişlemci gücünden tasarruf sağlanmıştır. Kontrolcü tasarımından önceki temel aşama olarak sistem modelleme aşaması belirlenmiştir. Bu çalışmada, iki kademeli aşırı doldurma sistemi doğrusal ve doğrusal olmayan model olarak iki farklı biçimde modellenmiştir. Doğrusal olmayan modelin temel kullanım amacı, kontrolcü performansını çevrimdışı simülasyonlarda test etmektir. Bu nedenle gerçek motora mümkün olduğunca yakın sonuçlar vermesi için, doğrusal olmayan motor modellenmesi sırasında bir boyutlu gaz dinamiği bazlı modeller tercih edilmiştir. Dizel motorlarda meydana gelen termodinamik ve kinetik prosesler milisaniyeler mertebesinde tamamlanmaktadır. Akışkan hareketinin mikroskobik yapısı ve türbülasndan dolayı, moturun çevrimleri arasında değişkenlik kaçınılmazdır. Gerçekte, motordaki akışkan hareketi, ortalama değer modellerindeki gibi sabit değil, darbeli bir karakteristik gösterir. Bu tip darbeli akışın modellenmesi, motor modelinin simülasyon ortamında gerçek motora çok yakın bir davranış göstermesini sağlar. Bir boyutlu modelleme metodolojisindeki boyut kavramı, akışkanın hareketinin temsil edildiği boyutu ifade eder. Bu modelleme metodunda, akışkan hareketi bir boyutlu, boyuna veya eksenel yönde ifade edilmektedir. Akış alanı içerisinde birden fazla durum değişkeni için kütle ve enerjinin korunumu denklemlerinin çözülmesi ile akış alanı hakkında daha detaylı bir bilgiye erişilmektedir. Bu çalışmada bir boyutlu motor modeli, WAVE paket programında gerçekleştirilmiş ve WAVE RT yardımı ile MATLAB-SIMULINK ortamına aktarılmıştır. Doğrusal olmayan motor modelinin doğrulanması ise, sürekli rejim ve geçici rejim test verilerine göre gerçekleştirilmiştir. Doğrulanmas sonuçlarında birçok temel fiziksel değişkenler maksimum %10 hata görülmüştür. Bu hassasiyet seviyesi motor modelinin kontrol uygulamalarında kullanılabileceğini doğrulamıştır. Doğrusal model ise iki kademeli aşırı doldurma sisteminin doğrusal tepkisini veren bir model olarak, MPC tasarımında tahmin modeli olarak kullanılmıştır. Yukarıda bahsedilen bir boyutlu gaz dinamiğine göre modellenmiş motor modelinin doğrusallaştırılması mümkün olmadığı için, doğrusal modelin oluşturulmasında sistem tanıma metodolojisi kullanılmıştır. Yapılan çalışmalarda motorun tüm çalışma bölgesinde tek bir doğrusal modelin yeterli miktarda hassasiyete sahip olmadığı görülmüştür. Bu nedenle, motorun çalışma bölgesi temel olarak 7 farklı bölgeye ayrılmış ve her bölge ayrı bir lokal doğrusal model oluşturulmuştur. Sistem tanıma işlemi gereken giriş-çıkış testleri ve verileri, motor dinamometresinde gerçekleştirilmiştir. Alınan bu veriye göre N4SID ve PEM metodlarına göre oluşturulan modeller, nonlinear sisteme yakın sonuçlar vermiştir. Kontrolcü tasarımı her bir lokal doğrusal bölge için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Kontrolcü tasarımında temel olarak dikkat edilen noktalar, Kalman filtresi tasarımı ve kalibre edilmesi, Tahmin ve kontrol ufukları ve Sistem kısıtları ile ağırlandırmasının yapılmasıdır. Explicit MPC'e ait kontrolcü kurallara ve formülasyonu Hybrid Toolbox kullanılarak MATLAB-SIMULINK ortamında gerçekleştirilmiştir. Kontrolcü tasarımında iki adet kontrolcü tasarlanmıştır. İlki, sadece TBV valfi ile kontrolün sağlandığı ve WG valfinin sürekli kapalı olduğu ve kontrol edilmediği tek giriş ve tek çıkışlı (SISO) kontrolcü. İkinci kontrolcü ise, TBV ve WG'in ikisini de giriş olarak hesaba katan çok-giriş- çok çıkışlı MIMO kontrolcü. Kontrolcülerin testleri sırasındaki performans metrikleri olarak, endüstriyel manifold basıncı kontrolcülerinde kullanılan ölçütler kullanılmıştır. Çevrimdışı benzetimler, MATLAB-SIMULINK ortamında gerçekleştirilmiş ve yukarıda bahsedilen doğrusal olmayan motor modeli kullanılmıştır. Simülasyonlar sırasında 2 farklı veri kümesi kullanılmıştır. İlk kümede, sabit motor hızında yüke verilen basamak sinyallerinde kontrolcünün tepkisi ölçülmüştür. İkinci benzetim kümesinde, biçok basamak ve rampa sinyalini içinde barındıran karışık dinamik test çevrimleri kullanılmıştır. Yapılan benzetim sonuçlarında, gerek maksimum aşım gerekse tırmanma zamanı olarak, performans metriklerinin üzerinde sonuçlar alınmıştır.Ayrıca benzetim sonuçlarında bir diğer önemli nokta da, MIMO ve SISO kontrolcülerin birbirine yakın sonuçlar vermesidir. Bunun sebebi, MIMO kontrolcünün optimal WG çıkışını genellikle tamamen kapalı olarak hesaplamasıdır. Kontrolcülerin çevrimdışı doğrulanmasından sonra,son doğrulanma gerçek zaraç ve motor üzerinde yapılan testler ile icra edilmiştir. Araç testleri ile motor dinamometresinde yapılan testlerde farklı metodlar kullanılmıştır. Ancak her iki metodta da hesaplanan kontrol sinyalleri doğrudan ECU tarafından iletilmiştir. Araç testleri daha çok subjektif değerlendirme amacıyla kullanılmıştır. Yapılan testlerde kontrolcülerin referans takibi yeterli olarak gözlemlenmiştir. Testler sırasında, kompresör ve türbinlerin çalışması gerek sıcaklık gerekse de hızlar açısından limitlerin içerisindedir. Şasi dinamometresinde ve motor dinamometresinde yapılan testlerde ise tekrarlanabilirlik yüksek olduğu için MPC'nin performansı, endüstriyel kontrolcüler ile karşılaştırılmıştır. Test sonuçlarında, MPC'nin genellikle PID'ye yakın, bazı noktalarda ise daha iyi bir referans takibi performası gösterdiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, istatistiksel olarak MPC daha düşük bir manifold basıncı sapması göstermiştir. Bu çalışmada alınan sonuçlarda, MPC'nin çok değişkenli kontrol ve sistem kısıtlarını içermesi bakımından, iki kademeli aşırı doldurma sistemi basınç kontrolcüsü olarak endüstriyel PID'lerin yerini alabilecek alternatif bir kontrolcü olduğu gösterilmiştir. Öte yandan MPC'nin hassasiyetinin doğrudan kullanılan modellere bağlı olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle ileriki çalışmalarda, fiziksel bri model kullanarak daha fazla sistem kısıtı ve EGR sisteminin modele dahil edilmesinin kontrolcü tasarımındaki etkileri değerlendirilecektir.DESIGN OF AN INTELLIGENT BOOST PRESSURE CONTROLLER FOR A SERIES SEQUENTIAL TURBOCHARGED DIESEL ENGINE SUMMARY As a subsystem of automotive control field, engine control has evolved as one of the key research areas in control applications. Due to having highly nonlinear behaviour, relatively fast system dynamics and variety of constraints (emissions, Hardware limitations, performance requirements), engine controls softwares includes vast amounts calibrateable map and curves. Current methods in engine controls are mainly employing conventional PID-PI schemes with additional map based feedforward compensation with anti windup controllers. With the increasing complexity of the engine control systems resulting from stringent emissions and customer performance requirements, control problem is becoming multi-dimensional and multi-variable. Moreover, as the system complexity increases, hardware limitations and constraints are increased proportionally. Today, state of the art diesel engine airpath control is basically consists of two controller loops. First loop is controlling the amount of total air for EGR operation and the second loop is controlling the Boost pressure for performance requirement and efficient combustion. Main actuators for MAF control are intake throttle and low/high pressure EGR valve where for Boost pressure control Variable Nozzle Turbocharger(VNT) and Wastegate valves. The term two-stage turbocharging described by system which involves 2 turbocharger units connected in series. This layout has several advantages. • Higher boost pressure levels resulting in high mean effective pressures. • Increased charging efficiency • Higher engine out temperatures • Better low-end torque Below are the drawbacks of two-stage turbocharged system. • Increased turbolag as two rotors needs to be accelerated • Higher thermal inertia • Bigger hardware package Control and regulation of two stage system increases the effectiveness of turbocharger operation and results in wider flow range. The Boost level can be controlled via regulation of exhaust energy utilized by two stage turbines, using actuators such as a Turbine Bypass Valve (TBV), wastegate (WG) or VNT. Two stage turbocharger system sometimes called as series sequential turbocharger system. As being one of the key elements of diesel engine airpath as well as multivariable control capability makes the two-stage turbocharged diesel engine control a challenging control application. Standard industrial boost pressure controllers for two-stage turbocharged diesel engine control employs gain-scheduled PI-PID controllers with boost pressure feedback. There are more than 500 parameters to be tuned which requires high level of engine dynamometer and vehicle testing. In addition, over-boost and under boost capability of the system should be considered seperately by calibrating rate limitation or by means changing boost pressure setpoints. In this thesis the main focus is to design an intelligent boost pressure controller which would reduce the time required to calibrate controllers as well as incorporating system pressure limits explicitly. Model predictive control stands as a candidate controller algorithm in terms of constrained optimal control formulation enables to handle input, output and state constraints via a online computation of optimal input trajectories. Big drawback of this method is the computational effort required. Explicit MPC method is based on the replacement of the online optimization with offline calculations with apriori knowloedge about system states, input and outputs. Quadratic cost function in optimal control formulation can be analyzed as a multi-parametric quadratic programme. Modeling of the two-stage turbocharger system is a key milestone to achieve satisfactory control design. During this study, two-stage turbocharged system has been modeled in terms of nonlinear and linear models. Nonlinear model is used to simulate controller performance offline. Nonlinear model has been chosen as 1D model which incorporates 1-dimensional fluid flow across engine ducts. 1D engine model has been modeled in WAVE and then converted into MATLAB-SIMULINK environment by means of WAVE RT module. 1D engine offers several advantages over mean value engine models in terms of reduced parametrization, therefore data requirements. Linear model has been used to model system linear response to be used as a prediction model in MPC formulation. As nonlinear model includes complex fluid dynamics compared to mean value engine models, linearization would not be feasible. Therefore parameter identification methods has been used to derive linear models. It would not be feasible to define one local model for entire engine operating region, therefore engine operating region has been divided into 7 main sub-regions which have individual local linear models. The input-output data has been recorded during real-time engine dynamometer testing and post-processed in MATLAB-SIMULINK. The PEM and N4SID methods offerred best fits and been used a black-box models. Controller design has been performed seperately for each of the local linear regions. Controller design has been performed by introducing Kalman filter, Prediction-Control horizon tuning as well as constraint and weighting definitions. Explicit MPC formulation has been calculated by using MATLAB Hybrid Toolbox offline. Two controllers has been designed. SISO controller employs TBV only control action in which WG is always set as zero. Whereas MIMO controller utilizes both TBV and WG. Controller objective are defines based on the experience in industrial boost pressure controller sign off criteria. Offline simulations are performed in MATLAB-SIMULINK environment with the WAVE RT nonlinear model. 2 simulation sets are defined with mixed transient cycles and simulations at fixed engine speed with small-medium and large boost pressure setpoint applied. Simulation results shows that overall response of the system satisfied controller objective in terms of both overshoot and rise time. In addition MIMO and SISO controller shows close performance where in MIMO controller optimal control action is mostly calculated as fully closed. As controllers are validated with offline simulations by using high fidelity nonlinear engine model, final validation has been performed by a series of in-vehicle and engine dynamometer testing. 2 different methods have been used for controller implementation. In vehicle testing has both been performed random testing on road for subjective evaluation as well as testing on chassis dynamometer. Test results shows that controller setpoint tracking performance is satisfactory. During the testing, compressor and turbine operation is observed to be inside hardware limits. Chassis dynamometer testing includes the replication of customer cycles and NEDC to compare conventional PID based controller and MPC performance. MPC performance shows close at some points even better against PIDs. Statistical analysis of boost deviation is also smaller in MPC operation compared to PIDs. Engine dynamometer testing consists of step response tests a fixed engine speed where load is changing. MPC performance satisfies the controller objectives in terms of rise time and overshoot. During this study MPC proves to be succesfull candidate to replace conventional PID in terms of multivariable control capability and constraint handling. On the other hand it should be noted that MPC performance is strongly affected by prediction model accuracy. Further study, shall contain the inclusion of mean value 0D engine model with compressor speed estimation as well as effect of EGR operation.DoktoraPh