Turbocharger inlet temperature observer model for diesel internal
Dizel içten yanmalı motorlarda turboşarj giriş sıcaklığı izleyici modeli
- Tez No: 605699
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Müşteriler araçlarından daha iyi performans ve daha düşük yakıt tüketimi beklerken, gün geçtikçe egzoz gazlarının çevreye verdiği zararı azaltmak için emisyon regülasyonları daha sıkı hale getirilmektedir. Diğer yandan araç üreten firmalar ise hem müşteri hem de regülasyon isterlerini sağlayacak yüksek performanslı, düşük yakıt tüketimli ve yasal emisyon limitlerini sağlayan araçlar üretmek zorundadırlar. Zorlayıcı bu hedefler doğrultusunda gelişmiş araç ve egzoz gazı arıtıcı kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Gelişmiş kontrol sistemlerinin kullanılmasıyla beraber gerek sistem cevabının hızlı olması, gerek taşıt üretim maliyetlerini düşüreceğinden dolayı model tabanlı motor kontrolünün önemi artmaktadır. Egzoz manifoldu gaz sıcaklığı araç, motor ve egzoz gazı arıtıcı kontrol sistemleri için önemli bir parametredir ve motor performansını ve egzoz gazı arıtıcı sistem seçimini etkilemektedir. İçten yanmalı motorlarda egzoz gazı sıcaklığının önemli olduğu bazı durumları şu şekilde sıralayabiliriz; sabit geometrili turboşarjlı motorlarda egzoz gazı baypas edilerek gaz arıtıcı sistemlere daha yüksek sıcaklıkta egzoz gazı aktarımı sağlanmaktadır. EGR sistemi NOx emisyon değerlerinin azaltılmasında etkin bir sistemdir. Egzoz gazı sıcaklığı, yüksek basınçlı EGR'lı motorlarda EGR sistemi kontrolünde önemli bir parametredir, gerek emme manifoldu gaz giriş sıcaklığı, gerek EGR gazı soğutucusu çalışma noktalarının belirlenmesinde etkilidir. Emme manifolduna alınan havasının kısılması genellikle“motor regen modu”yani dizel partikül filtresinin temizlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Emme manifolduna alınan hava kısılarak manifold basıncı azaltılır, dolayısıyla motora alınan hava miktarı da azaltılmış olur. Bu durumda motorda daha zengin bir hava yakıt karışımı oluşacak ve yanma sonrası egzoz gazı sıcaklıkları artacaktır. Oluşan yüksek sıcaklıklı egzoz gazına dizel partikül filtresi temizlenmesinde ihtiyaç duyulmaktadır. Egzoz gaz sıcaklığının önemli olduğu diğer bir motor kontrol ünitesi fonksiyonu ise turboşarj ve motor sistemlerinin korunması fonksiyonlarıdır. Egzoz gazı sıcaklığı turboşarj sisteminin çalışmaya uygun en yüksek sıcaklığı geçmemesi amacıyla kullanılarak, sistemin donanımsal olarak zarar görmesi önlenmektedir. Ayrıca yanma sonrası oluşacak yüksek egzoz gazı sıcaklıkları pistonlarda çizilmelere sebep olabilmektedir. Egzoz gazı sıcaklığı bu olumsuz durumların önlenmesi amacıyla motor donanım koruma fonksiyonlarında da kullanılmaktadır. Genel olarak egzoz gazı sıcaklığını içten yanmalı motorlarda performans, emisyon ve motor dayanımı gibi fonksiyonlarda kullanılan önemli bir parametre olarak kabul edebiliriz. İçten yanmalı motorlar için önemli bir parametre olan egzoz gazı sıcaklığını modellenmesi amacıyla birçok akademik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda egzoz gazı sıcaklığını modellemek amacıyla araç sürüşüne bağlı sistem modelleri, silindir içi basınç değerleri kullanılarak yapılan modeller, yapay sinir ağının kullanıldığı modeller, matematiksel ve termodinamik modeller ve egzoz gazı sıcaklığı izleyici modelleri kullanılmıştır. Yapılan bu tez çalışması ise temel olarak egzoz gazı izleyici model çalışmasından faydalanarak modellenen egzoz gaz sıcaklık değerinin daha yüksek doğrulukta tahmin edilmesi amaçlanmaktadır. Model içeriğini sabit/statik hız- tork noktalarından elde edilen veriler kullanılarak regresyon modeli ve ikinci dereceden model ile elde edilen açık çevrim egzoz sıcaklık (T3) değerinin elde edilmesi, elde edilen T3 değeri kullanılarak adyabatik genişleme ile elde edilen turboşarj çıkış sıcaklık değerinin sağlanması, turboşarj çıkışı ile egzoz arıtıcı sistemlerden olan katalist giriş sıcaklık sensörü (T4) arasında meydana gelen ısı kaybı dikkate alınarak elde edilen katalist giriş sıcaklık modeli yer almaktadır. Kalman Filtre kullanılarak tahmin edilen T4 sıcaklık değerlerinin sensör değerleri ile karşılaştırılarak T4 sıcaklık değeri farkının minimize edilerek modellenen T3 sıcaklık değerinin ölçülen T3 sıcaklık değerine yakınsaması amaçlanmaktadır. Regresyon metodu ile açık çevrim egzoz sıcaklık değerinin elde edilmesi amacıyla motor dinamometresinde farklı motor soğutma suyu sıcaklığında 1000rpm-4500rpm aralığında statik/sabit motor hızı-tork noktalarında test ölçümleri alınmıştır. Motor test odasına alınmadan önce gerekli basınç, sıcaklık, turbo şaft hızı gibi enstrümantasyonları yapılmıştır. Enstrümantasyon işlemlemleri tamamlanmış motor gerekli kontroller yapıldıktan sonra dinamometre paletine alınmıştır. Motor testleri, motor için karşı yükü oluşturacak dinamometre, motor giriş havası şartlandırma cihazı, motor soğutma suyu şartlandırma cihazı, ara soğutucu şartlandırma cihazı, yağ şartlandırma cihazı, yakıt şartlandırma ve debi ölçüm cihazı, silindir içi basınç ölçüm cihazı, blow-by ölçüm cihazı ve emisyon cihazlarının bulunduğu dinamometre test odasında yapılmıştır. Elde edilen test verileri kullanılarak egzoz gaz sıcaklığına etki eden değişkenlerin belirlenmesi amacıyla Temel Bileşenler ve Regresyon Analizi yapılmıştır. Turboşarj giriş sıcaklık modeli için gerekli değişkenler belirlendikten sonra T3 sıcaklık değeri açık çevrim olarak modellenmiştir. Her ne kadar elde edilen test verileri ile Turboşarj verimi ve Turboşarj şaft hızı değişkenlerinin de regresyon metodu ile modelleri oluşturulmuş olsa da doğruluk değeri daha yüksek olan test verilerinden elde edilen Turboşarj verimi ve şaft hızı değerleri kullanılmıştır. Sonraki aşamada regresyon ve ikinci derece eğri uydurma metodu ile tahmin edilen T3 sıcaklık verisi kullanılarak Turboşarj sisteminin adyabatik genişleme ile yaptığı iş denkleminden Turboşarj çıkış gaz sıcaklık değeri hesaplanmıştır. Bu hesaplama esnasında gerek regresyon metodu ile elde edilen Turboşarj verim değerleri gerek enstrümantasyon verilerinden elde edilen verim değerleri kullanılabilir. Çalışmanın devamında Turboşarj adyabatik genişleme denklemlerinden sağlanan sıcaklık değeri kullanılarak katalist öncesi bölüme kadar olan ısı kayıpları ve katalist giriş sıcaklık (T4) değeri hesaplanmıştır. Kalman Filtresi kullanılarak elde edilen T4 sıcaklık değeri sensör değeri ile karşılaştırılır. Tahmin edilen T4 sıcaklık değeri ile sensör ile ölçülen T4 sıcaklık değeri arasındaki fark değeri açık çevrim T3 sıcaklık değerine beslenir. Böylece regresyon ve ikinci dereceden eğri uydurma metodu ile modellenen açık çevrimli T3 sıcaklık değerinin hata oranı oluşturulan kapalı çevrim modeli azalmıştır. Doğrulama testleri sonucunda oluşturulan turboşarj giriş sıcaklık modelinin araç ve motor kontrol ünitesinin hangi fonksiyonlarında kullanılabildiği değerlendirilmiş ve modelin geliştirilmesi amacıyla hangi çalışmaların yapılması gerektiği özetlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Day by day while customers are expecting better performance and lower fuel consumption from their vehicles, emission regulations are being made more stringent to reduce the environmental impact of exhaust gases. On the other hand, vehicle manufacturers have to produce vehicles that provide high performance, low fuel consumption and legal emission limits that will provide both customer and regulatory requirements. In order to meet these challenging targets, advanced vehicle and exhaust aftertreatment control systems are needed. The importance of model based motor control is increasing, with the use of advanced control systems, as system response is fast and vehicle production costs are reduced. Exhaust manifold gas temperature is an important parameter for vehicle, engine and exhaust aftertreatment control systems, and affects engine performance and aftertreatment system selection. Some cases where the exhaust gas temperature is important can be listed; the exhaust gas is bypassed in fixed geometry turbocharged engines to provide exhaust gas transfer at higher temperatures to the aftertreatment systems.The EGR system is an effective system for reducing NOx emission values. The exhaust gas temperature is an important parameter in the control of the EGR system and in high pressure EGR engines, it is also effective both the intake manifold temperature and the EGR gas cooler operating points determination. The throttling of intake air is usually used for“engine regen mode”, for cleaning diesel particulate filter (DPF). The manifold pressure is reduced by intake throttling thus reducing the amount of air taken into the engine. In this case, the engine will have a richer air-fuel mixture and the engine exhaust gas temperatures will increase and high temperature exhaust gas is used to clean the DPF. Another function of the engine control unit, where the exhaust gas temperature is important, is the function of turbocharger and engine protection. The exhaust gas temperature is used to prevent the turbocharger system from exceeding the maximum operating temperature, so that the system is not damaged in hardware. In addition, high exhaust gas temperatures that may occur after combustion can cause piston scuff to prevent this adverse condition exhaust gas temperature is also used in engine protection functions. In general, the exhaust gas temperature can be considered as an important parameter for functions such as performance, emission and engine hardware protection in internal combustion engines. Many academic studies have been carried out to model the exhaust gas temperature, which is an important parameter for internal combustion engines. In these studies in order to model the exhaust gas temperature, system models related to vehicle driving, models using in-cylinder pressure values, models using artificial neural network, mathematical and thermodynamic models and exhaust gas temperature observer models were used. This thesis study aims at predicting the modeled exhaust gas temperature value with higher accuracy by taking advantage of the exhaust gas observer model study. This model contains; obtaining open-loop exhaust temperature (T3) value by regression model using data collected from steady state speed-torque points, providing the turbocharger outlet temperature value generated by adiabatic expansion using the obtained T3 value, calculating catalyst inlet temperature using heat loss formulas between turbocharger outlet and catalayst inlet. It is aimed to compare the modeled T4 temperature values with the sensor values and to predict the T4 temperature with using Kalman Filter so that the modeled T3 temperature value converges to the measured T3 temperature value. The obtained T3 model was validated at both steady-state and transient maneuvers. In order to obtain the open loop exhaust temperature by regression method, test measurements were taken at steady-state engine speed-torque points in the engine dynamometer at 1000rpm-4500rpm at different engine coolant temperatures. Before taking the Diesel engine to the engine test room, necessary instrumentation such as pressure, temperature, turbine shaft speed was made and taken to the dynamometer pallet. Engine tests were run in the test chamber which contains, dynamometer to create counter-load for engine, engine inlet air conditioner, engine coolant conditioner, intercooler conditioner, oil conditioner, fuel conditioning and flow meter, in-cylinder pressure meter, blow-by meter and the emission devices. Using the obtained test data, the T3 temperature value is modeled as an open loop using variables affecting the exhaust gas temperature. Besides T3 model, turbocharger efficiency and turbocharger shaft speed were modeled by regression method. In the next step, the turbocharger outlet gas temperature value is calculated from the equation of work done by adiabatic expansion of the turbocharger system using T3 temperature data estimated by the regression method. During this calculation, the turbocharger efficiency values obtained by both the regression method and the instrumentation data calculation can be used. Using the temperature value obtained from the turbocharging isentropic expansion equations, the heat losses up to the pre-catalyst fraction were calculated and the catalyst inlet temperature (T4) value was obtained. The calculated T4 temperature is compared to the T4 temperature sensor value required to drive the emission regulation and control of the exhaust aftertreatment systems. With using Kalman Filter, T4 temperature value is predicted then compared with the measured T4 temperature value. T4 differences is added to the open loop temperature T3 to minimize the T3 error. When we compare the temperature data obtained by using Kalman Filter, which is generated by the data received at the steady state speed-torque points, the error amount of the modeled T3 value decreases compared with the open loop regression model.
Benzer Tezler
- Disel motorların değişken yük koşullarında bilgisayar yardımı ile incelenmesi
Computer aided simulation of diesel engines linder variable load conditions
CENGİZ BULUT
- Çift girişli türbinli ve tahliyeli aşırı doldurma sistemi korelasyonu ve prototipler için optimizasyonu
Investigation of twin-scroll turbine in turborchargers and using of wastegate system effects
HÜSEYİN BERK ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Dizel motor modeli ile entegre bir aşırı doldurma ünitesi tasarım ve optimizasyon modeli geliştirilmesi
Development of a turbocharger design and optimization model integrated with the diesel engine model
MERT ALPAYA
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
PROF. DR. CENGİZ CAMCI
- Dizel bir motorun rakım performansının turboşarj kompresörü optimizasyonuyla arttırılması
Increasing the altitude performance of a diesel engine via turbocharging compressor optimization
ENES ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- Yüksek devirli gemi diesel motorlarının analitik ve deneysel incelenmesi
An Analytical and exeperimental investigation of high speed marine diesel engines
OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL