Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Model Based approach to Predict Boundary Conditions of a Single Cylinder Test Engine
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.).
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.).
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Huvudämnet i denna avhandling är användningen av prediktiva modeller för att styra randvillkor i en encylindrig motor. Encylindriga motorer används i utvecklingen av nya motorer för att studera förbränningskoncept. De utgör en modulär plattform för utveckling av bland annat nya ventilkoncept, förbränningsmetoder, bränsleinsprutningsmetoder och portkonstruktioner. I en produktionsmotor representeras turboaggregatet och motorn av ett kopplat dynamiskt system där motorns driftspunkt bestämmer avgasmottryck och insugstryck. Det är nödvändigt att utföra experiment på encylindriga motorer med rätt insug- och avgasmottryck för att studierna ska vara realistiska. Dessa encylindriga motorer har dock oberoende ventilstyrda insug- och avgassystem där driftspunkten för en produktionsfärdig flercylindrig motor simuleras. Därför finns det ett behov av att använda modellbaserade tekniker för att styra inlopps- och utloppstryck.

I denna avhandling har en metod utvecklats för att förutsäga randvillkor med hjälp av en skalad version av den encylindriga modellen tillsammans med en modell av ett turboaggregat. En detaljerad 1D modell av en encylindrig provcell skapades i AVL Boost. Modellen har sedan validerats med hjälp av mätdata och skalats till en flercylindermodell. En 0D Simulinkmodell har utvecklats utöver 1D modellen för att jämföra deras användning i en realtidsapplikation. Samtidigt tas det hänsyn till de avvikelser från verkliga processer som sker i båda modellerna. 0D modellen representerar en enkel motormodell för att förutsäga stationär prestanda genom att förutsätta kvasistationär strömning. Motivationen bakom att använda en sådan modell är att de förutsagda medelvärden av inlopps- och utloppstryckspår ger en mer realistisk referensparameter som kan användas för att styra randvillkoren på en encylindermotor.

Avgasturbinen har också modellerats i syfte att studera volutets dämpande effekt på det pulserande avgasflödet. Olika extrapoleringsmetoder för turbinmappar studerades där fysiskt baserade algoritmer användes för att extrapolera turbindata. Turbinvolutet och dess effekter på turbinprestanda har diskuterats tillsammans med uppskattning av effektiviteten hos turbinen under ostadiga flödesförhållanden. Dessa modeller har sedan kalibrerats och validerats mot vevaxelupplösta cylindertryck och cykelmedelvärderade parametrar från mätdata som erhållits från den encylindriga provmotorn. De fel och avvikelser mellan 0D- och 1D modellerna och mätdata identifierades och diskuterades. En styralgoritm baserad på den encylindriga 1D Boost simuleringen utvecklades för att reglera insug- och avgastryck och jämfördes sedan mellan 0Doch 1D modellerna för att utvärdera prestanda och noggrannhet.

Abstract [en]

The main topic of study in this thesis is the use of predictive models to control the boundary conditions of a single cylinder engine. Single cylinder engines are used to study combustion concepts in the development cycle of new engines. They provide a modular research platform to develop new valve train concepts, combustion methods, fuel injection methods, port designs among other things. In a production engine the turbocharger and engine represents a coupled dynamic system where the operating point of the engine sets the cylinder exhaust back pressure and the inlet pressure. Hence, it is necessary to provide single cylinder engines with correct charged air input and exhaust back pressure for the studies to be realistic. These single  cylinder engines however have independent charging systems and valves to simulate the operating point of a production multi cylinder engine. Therefore, there is a need to use model-based techniques to control the inlet and outlet pressure.

In this thesis a method was developed to predict the boundary conditions of the single cylinder test engine using a scaled version of the single cylinder model along with a turbocharger model. A detailed 1D model of the single cylinder test cell was created using AVL Boost. This model was then validated using measured data and scaled to a multi cylinder model. A 0D model, in the Simulink environment, was also developed together with the 1D model in order to compare their use in real time application. The 0D model represents a simple approach to engine modelling in order to provide steady state performance prediction, assuming quasi-steady flow. The motivation behind using such a model is that the predicted mean values of inlet and outlet pressure traces provide a more realistic reference parameter that can be used to control the boundary conditions in the single cylinder engine.

The turbine volute was also modelled in order to capture the dampening effect it has on the pulsating flow. Different turbine map extrapolation methods were also studied and physics based algorithms were used to extrapolate the turbine data. The turbine volute and its effects onthe turbine performance have been discussed along with some thoughts on estimating the efficiency of the turbine during unsteady flow conditions. These models were then calibrated and validated against crank angle resolved cylinder pressures and cycle averaged parameters from measured data obtained from the single cylinder test engine. The errors and deviations between the 0D and 1D model as well as from the measured data were identified and discussed. A control algorithm using the Single cylinder 1D Boost simulation, as the plant model, was developed in order to control the inlet and exhaust pressures. The algorithms were then compared between 0D model and 1D model for evaluating the performance and accuracy.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 55 p.
Series
, MMK 2016:162 MFM165
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-192549OAI: oai:DiVA.org:kth-192549DiVA: diva2:970634
External cooperation
AVL, Södertälje
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-09-14 Created: 2016-09-14 Last updated: 2016-09-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2642 kB)3 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2642 kBChecksum SHA-512
2d845c255b8d09fe55275ce3f2e6aaebb4d172503283ba2b6d45214bd5174307ad578acc77cc82422c0972800e6229501a32a1b2d3e382ba2fb3726e02483f3e
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Machine Design (Dept.)
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 3 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 4 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link