Institut für Regelungstechnik EngineLib: Modellbildung des Luftpfads eines Dieselmotors für HIL-Anwendungen Frank Heßeler (RWTH Aachen, IRT)
Inhalt 1 Einführung 2 Ziele in ZAMOMO 3 Motor-Modell 4 HIL-Testumgebung 5 Zusammenfassung Folie 2
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
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
SB1 MP1 R3 MP4 46 43 PL3 CL1 MP5 MP6 9 7 8 16 14 MP9 MP7 MP21 MP20 J1 1 J2 2 J3 C1 C2 C322 J4 24 R2 PL1 PL2 R1 C4 13 MP18 18 19 MP8 20 21 J5 C5 CO1 25 26 27 28 29 MP10 31 30 33 32 35 34 37 36 39 38 41 40 4 5 J6 6 17 MP19 CO3 45 CO2 MP16 23 MP17 C6 15 3 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
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
Modellreduktion Folie 7
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
Gesamtmodell in Dymola Folie 9
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
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
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
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
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
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
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
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
Institut für Regelungstechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www.irt.rwth-aachen.de Folie 18