Projektmoment

Arbetsuppgifterna som utförts kan delas in i fyra huvudområden: Reglering av seriell dubbelturbo, Reglering och modellering av SuperTurbo, Reglering och simulering av Knack och Scavanging. Resultat och krav som ställdes inom dessa områden hittar du i rapporten och kravspecifikationen här.

Reglering av seriell dubbelturbo

Det befintliga systemet består av en fyrcylindrig, direktinsprutad Ottomotor med en slagvolym på 2 liter. Motorn är utrustad med dubbla turboaggregat i serie i en prototypkonstruktion, samt laddluftkylare och variabel kamfasning. Dubbelturbosystemet är konstruerat för dieselmotorer från början och klarar därmed av lägre temperaturer och laddtryck jämfört med de aggregat som sitter i konventionella Ottomotorer med enkel turbo. I originalutförande för motorn, med enkel turbo, är effektuttaget maximalt cirka 260 hk. Motorn är tillverkad av General Motors.

Det seriella dubbelturbosystemet är utrustat med en mindre turbo för låga laster och en större för högre laster. Båda aggregaten är utrustade med wastegate-ventil och den mindre turbon är även försedd med en bypass-ventil för att kunna koppla förbi det när det inte används. På så sätt är det möjligt att reglera så att aggregaten körs individuellt, tillsammans eller inte alls.

Modeller för motorn med tillhörande dubbelturbosystem har utvecklats av tidigare projekt hos Fordonssystem och finns tillgängliga att använda. De regulatorer som projekten utvecklade i samband med modellerna användes ej då dessa är sekretessbelagda av GM.

Motorn är installerad i Fordonssystems motorlaboratorie till en bromsbänk. Systemet som implementerades i MATLAB/Simulink har utseende enligt figuren till höger.

Under projektets gång har en regulator för dubbelturbon tagits fram som styr mot ett önskat trycjk i insugsröret med hjälp av wastegateventilerna för de två aggregaten.

Reglering och modellering av SuperTurbo

En SuperTurbomatad motor är en motor som har både en mekanisk kompressor och en turbomatad kompressor. Den mekaniska kompressorn får in luft från luftfiltret och ökar trycket före turboaggregatets kompressor. Turbon ökar trycket ytterligare innan luften fortsätter in i motorn.

Motorn som visas i bilden till vänster utvecklas för tillfället av Volvo Cars Corporation och är den motor som modellering och reglering är ämnad för.

Syftet med SuperTurbon var att skapa en simulerbar modell och undersöka hur olika reglerstrategier påverkar en superladdad motors prestanda. Målet är att uppnå en motor med bra möjlighet till effektuttag utan ökad bränsleförbrukning (downsizing) och undvika turbolag i så lång utsträckning som möjligt. Figuren till höger ger en förenklad bild över systemet.

För att uppfylla målen har en modell tagits fram som är simulerbar i MATLAB/Simulink. Denna modell kan kopplas till en riktig motor via exempelvis dSpace och användas för att utföra olika experiment. I verkliga motorer finns begränsad tillgång till sensorer, vilket leder till att observatörer har designats till modellen. Dessa har valts ut för att observera olika strategiska signaler som används i regulatorstrukturen vars huvudsakliga uppgift i detta projekt var att undvika turbolag.

Reglering och simulering av Knack

Ordet knack kommer av det knackande ljud som hörs i motorn när delar av bränsle-luftblandningen i en eller flera av cylindrarna självantänder. Vid självantändning frigörs stora mängder energi på ett okontrollerat sätt vilket skickar chockvågor genom cylinderväggen. Om knack tillåts fortgå kan det vara mycket skadligt för motorn med haveri som möjlig konsekvens.

I en motor är det önskvärt att använda en tändvinkel som ligger precis på gränsen till att knack uppstår då detta är det mest optimala med avseende på förbränningseffektivitet. Ett vanligt sätt att åstadkomma detta har historiskt varit att med små steg avancera den relativa tändvinkeln tills dess att knack detekteras. Vid detektion retarderas sedan den relativa tändvinkeln starkt så knackningen upphör varvid processen börjar om igen. Detta innebär att motorn en stor del av tiden kommer att operera vid en tändvinkel som är långt ifrån optimal. Initialt konstruerades en konventionell regulator så att det garanteras att motorn ej skadas av knack. Sedan användes en modell som utgick från tändvinkel och tryck i insugsröret för att simulera knackfenomenet. Sedan med stokastiska metoder konstruerades en regulator som både bestämmer nödvändigheten av åtgärd samt magnituden hos åtgärden. Regulatorn tog fram med hjälp av inspiration hämtad från PeytonJones. Detta tillåter motorn att operera närmare optimal tändvinkel med bättre verkningsgrad och prestanda som följd.

I bilden ser man hur modellen beskriver sannolikheten för att knack ska uppstå i olika arbetspunkter.

Scavenging

Scavenging är ett sätt att varva upp ett turboaggregat snabbare genom att låta luft strömma igenom cylindern och in i avgassystemet. Detta har testats i Fordonssystems motorlaboratorie.

Syftet var att se om det är möjligt att få turbinen att accelerera snabbare genom att tillåta ett visst överlapp på ventilernas öppningstider vid gaspådrag. Under tiden både insugs- och avgasventilerna är öppna så hjälper laddtrycket till att trycka ut avgaserna ur cylindern. Detta ökar dels trycket i grenröret samtidigt som avgaserna även kommer att ha en högre temperatur vilket möjliggör en större expansion.

De tester som gjordes visade på att man får en markant skillnad på turbinens acceleration då stegsvarstester gjordes. I bilden ser man turbinvarvtalet för olika överlapp mellan ventilernas öppningstider.