EngineLib: Modellbildung des Luftpfads eines Dieselmotors für HIL-Anwendungen

Transkript

1 Institut für Regelungstechnik EngineLib: Modellbildung des Luftpfads eines Dieselmotors für HIL-Anwendungen Frank Heßeler (RWTH Aachen, IRT)

2 Inhalt 1 Einführung 2 Ziele in ZAMOMO 3 Motor-Modell 4 HIL-Testumgebung 5 Zusammenfassung Folie 2

3 Einführung Entwicklungsanforderungen: Abgasemissionen: NOx Partikel Leistung / Verbrauch NOx-Reduzierung mit Hilfe von AGR Reduzierung der Brennraum Temperaturen Senkung von NOx-Emissionen Erhöhung der Partikel- Emissionen Leistungssteigerung durch Aufladung bzw. Verbrauchsreduzierung durch downsizing Gekoppeltes Problem Entkoppelnde Regelstrukturen sinnvoll Test der Regler im HIL-Test Folie 3

4 Struktur Motor / Regelaufgabe m& B VTG Abgas Q & CR-Pumpe Q& ATL AGR AGR Ladedruck λ Q & LLK Frischluft Luftfilter Regelgrößen Ladedruck Frischluft bzw. AGR-Rate Stellgrößen VTG AGR-Ventil Folie 4

5 SB1 MP1 R3 MP PL3 CL1 MP5 MP MP9 MP7 MP21 MP20 J1 1 J2 2 J3 C1 C2 C322 J4 24 R2 PL1 PL2 R1 C4 13 MP MP J5 C5 CO MP J MP19 CO3 45 CO2 MP16 23 MP17 C MP11 MP12 42 J7 10 J8 11 MP3 12 MP13 MP14 TC1 MP15 44 MP2 SB2 AGR m L ZAMOMO: Einordnung des HIL-Modells Modellbildung Regelung Motor Steuergerät CAD-Daten, Kenndaten CFD-Modell Umsetzung am Prüfstand Vereinfachungen, Daten HIL-Modell HIL-Test Modellgestützte prädiktive Regelung Vereinfachungen Prädiktion m& ges,t Beobachter- Modell m & + V, Q & & dm =& m & m ein aus dt dm =& m & m ein aus dt m& Schluck Folie 5

6 Aufbau einer Motorbibliothek Ziel: Alle Komponenten des Luftpfads eines Motors sollen in verschiedenen Detaillierungsstufen vorhanden sein Volumina Kühler Turbolader Drosseln Motormodelle: Mittelwertmodell Kurbelwinkelaufgelöste Modelle Brennverlauf Wärmeübergang Füllung Diesel- bzw. Ottomotoren Einsatz als Basis für die Entwicklung von Streckenmodellen für die Reglerentwicklung und HIL-Test Folie 6

7 Modellreduktion Folie 7

8 Modellreduktion ATL VTG dm = m& ein m& aus dt m& ges, T η : Kennfeld m&, Π : ATL-Gleichungen Drossel J,ω AGR-K V, Q & V, Q & LLK AGR-Ventil V dm = m& ein m& aus dt m& Schluck m & + & AGR m L Folie 8

9 Gesamtmodell in Dymola Folie 9

10 ThermoPower-Bibliothek ThermoPower-Bibliothek 2.0 von Francesco Casella Basismodelle Quellen / Senken (Druck bzw. Massenstrom) Volumen Kompressor Single-Turbine Nutzt die Media-Bibliothek von Modelica Stoffmodelle für Gase und Flüssigkeiten NASA-Stoffdatenbank für Stoffgrößen als Funktion von T und p Hier: Ideales Gas (N2), Mehrstoffkomponenten möglich Frei verfügbar erweiterbar z.b. Kühler Folie 10

11 Modellierungsbeispiel: Kompressor Basisgleichungen für Turbomaschinen werden vererbt Code-Ausschnitt: partial model CompressorBase "Gas compressor" equation w = inlet.w; assert(w >= 0,"The compressor model does not support flow reversal"); inlet.w + outlet.w = 0 "Mass balance"; w*(hout - gas_in.h)*eta_mech = tau*omega "Energy balance"; hout-gas_in.h= 1/eta*(hout_iso-gas_in.h); PR=pout/gas_in.p "Pressure ratio"; shaft_a.tau + shaft_b.tau = tau; der(phi) = omega; Für alle Kompressorentypen gleich Charakteristik über Kennfelder für phic, eta und PR Folie 11

12 VTG-Turbolader Charakteristik über Kennfelder Kompressor verwendet die Methode mit Beta-Linien für die Verknüpfung der Kennfelder (phic, eta und PR) Turbine verwendet KF für phic und eta Keine VTG-Funktionalität Erweiterung der Kennfelder um 3D-Lookuptables für die VTG-Stellung Integration zum Turbolader Drallsatz mit Massenträgheitsmoment Konsistente Parametrierung über Record-Struktur Startwerte Unbekannte Startwerte für die Initialisierung: Drehzahl Drehmoment Erstellung der Kennfelder mit Hilfe von Messdaten und Matlab-Skripten (Polynome) Folie 12

13 Parametrierung des Turboladers Record-Strukturen für: Parameter des Turboladers Startwerte für Simulation Manuelle Startwerte: Drehzahl Drehmoment Beide sind nicht bekannt Quellen für Daten: Mat-Dateien können in Dymola eingelesen werden Auswahl von Recod- Elementen innerhalb des Modell einfach möglich Dies ermöglicht die konsistente Parametrierung der Modelle Folie 13

14 Motormodell Mittelwertmodell Physikalische Beschreibung von: Temperatur nach Motor Luftmassenstrom Drehmoment Seiliger-Vergleichsprozess Stoffmodell aus Media- Bibliothek Einspritzzeitpunkte Vollständige Stoffumsetzung Polynom für Reibung Drallsatz für Dynamik Folie 14

15 Reglerentwicklung in Matlab/Simulink Dymola Simulink Interface Dymola-Modelle bleiben erhalten, Parametrierung möglich un0 Dymola A_k y_strecke w_setpoint Scopes y_strecke B_k C_k z_beobachter Standardentwicklungsumgebung Simulink kann weiter verwendet werden u_m y_strecke u_kdelta_ x_beobachter y_beobachter Observer K*u delta_x_beobachter u_n w_setpoints w_setpoints A_k Verwendung von Echtzeithardware durch Realtime-Workshop möglich Controller B_k c_k Setpoints Folie 15

16 HIL-Simulation dspace dspace Code-Generierung mit Hilfe von Dymola Simulink- Interface und Realtime Workshop Test der Regler-Algorithmen auf HIL-Prüfstand Danach direkt am Prüfstand einsetzbar Typische Hardware im Automotive-Bereich Folie 16

17 Zusammenfassung Modelica vereinfacht die Erstellung von Simulationsmodellen Objektorientierung Physikalische Modellierung Freie Bibliotheken erhältlich Aufbau einer Motor-Bibliothek Luftpfad Motormodelle Matlab/Simulink für Reglerentwicklung kann weiterhin verwendet werden (Simulink-Interface) Gute C-Code Generierung Einsatz auf Echtzeithardware (dspace) möglich Folie 17

18 Institut für Regelungstechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 18