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.), Internal Combustion Engines.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Internal Combustion Engines.
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 randvillkori en encylindrig motor. Encylindriga motorer används i utvecklingen av nya motorer för att studeraförbränningskoncept. De utgör en modulär plattform för utveckling av bland annat nyaventilkoncept, förbränningsmetoder, bränsleinsprutningsmetoder och portkonstruktioner. I enproduktionsmotor representeras turboaggregatet och motorn av ett kopplat dynamiskt system därmotorns driftspunkt bestämmer avgasmottryck och insugstryck. Det är nödvändigt att utföraexperiment på encylindriga motorer med rätt insug- och avgasmottryck för att studierna ska vararealistiska. Dessa encylindriga motorer har dock oberoende ventilstyrda insug- och avgassystemdär driftspunkten för en produktionsfärdig flercylindrig motor simuleras. Därför finns det ett behovav 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 skaladversion av den encylindriga modellen tillsammans med en modell av ett turboaggregat. Endetaljerad 1D modell av en encylindrig provcell skapades i AVL Boost. Modellen har sedanvaliderats med hjälp av mätdata och skalats till en flercylindermodell. En 0D Simulinkmodell harutvecklats utöver 1D modellen för att jämföra deras användning i en realtidsapplikation. Samtidigttas det hänsyn till de avvikelser från verkliga processer som sker i båda modellerna. 0D modellenrepresenterar en enkel motormodell för att förutsäga stationär prestanda genom att förutsätta kvasistationär

strömning. Motivationen bakom att använda en sådan modell är att de förutsagdamedelvärden av inlopps- och utloppstryckspår ger en mer realistisk referensparameter som kananvändas för att styra randvillkoren på en encylindermotor. Avgasturbinen har också modellerats i syfte att studera volutets dämpande effekt på det pulserandeavgasflödet. Olika extrapoleringsmetoder för turbinmappar studerades där fysiskt baseradealgoritmer användes för att extrapolera turbindata. Turbinvolutet och dess effekter påturbinprestanda har diskuterats tillsammans med uppskattning av effektiviteten hos turbinen underostadiga flödesförhållanden. Dessa modeller har sedan kalibrerats och validerats motvevaxelupplösta cylindertryck och cykelmedelvärderade parametrar från mätdata som erhållitsfrån den encylindriga provmotorn. De fel och avvikelser mellan 0D- och 1D modellerna ochmätdata identifierades och diskuterades. En styralgoritm baserad på den encylindriga 1D Boostsimuleringen utvecklades för att reglera insug- och avgastryck och jämfördes sedan mellan 0D-och 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 boundaryconditions of a single cylinder engine. Single cylinder engines are used to study combustionconcepts in the development cycle of new engines. They provide a modular research platform todevelop new valve train concepts, combustion methods, fuel injection methods, port designsamong other things. In a production engine the turbocharger and engine represents a coupleddynamic system where the operating point of the engine sets the cylinder exhaust back pressureand the inlet pressure. Hence, it is necessary to provide single cylinder engines with correctcharged air input and exhaust back pressure for the studies to be realistic. These single cylinderengines however have independent charging systems and valves to simulate the operating point ofa production multi cylinder engine. Therefore, there is a need to use model-based techniques tocontrol the inlet and outlet pressure. In this thesis a method was developed to predict the boundary conditions of the single cylinder testengine using a scaled version of the single cylinder model along with a turbocharger model. Adetailed 1D model of the single cylinder test cell was created using AVL Boost. This model wasthen validated using measured data and scaled to a multi cylinder model. A 0D model, in theSimulink environment, was also developed together with the 1D model in order to compare theiruse in real time application. The 0D model represents a simple approach to engine modelling inorder to provide steady state performance prediction, assuming quasi-steady flow. The motivationbehind using such a model is that the predicted mean values of inlet and outlet pressure tracesprovide a more realistic reference parameter that can be used to control the boundary conditionsin the single cylinder engine. The turbine volute was also modelled in order to capture the dampening effect it has on thepulsating flow. Different turbine map extrapolation methods were also studied and physics basedalgorithms were used to extrapolate the turbine data. The turbine volute and its effects on theturbine performance have been discussed along with some thoughts on estimating the efficiencyof the turbine during unsteady flow conditions. These models were then calibrated and validatedagainst crank angle resolved cylinder pressures and cycle averaged parameters from measured dataobtained from the single cylinder test engine. The errors and deviations between the 0D and 1Dmodel as well as from the measured data were identified and discussed. A control algorithm usingthe Single cylinder 1D Boost simulation, as the plant model, was developed in order to control theinlet and exhaust pressures. The algorithms were then compared between 0D model and 1D modelfor evaluating the performance and accuracy.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 55 p.
Series
, MMK 2016:162 MFM165
National Category
Vehicle Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-192643OAI: oai:DiVA.org:kth-192643DiVA: diva2:971590
External cooperation
AVL MTC, Södertälje
Subject / course
Internal Combustion Engineering
Educational program
Master of Science - Engineering Design
Presentation
2016-06-20, AVL MTC, Transmissionsvägen 2, Södertälje, 13:00 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-09-19 Created: 2016-09-16 Last updated: 2016-09-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

ICE_2016_AVL(4130 kB)11 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4130 kBChecksum SHA-512
8708d1c355ca43379fe774eb6bf0ffebed707c817a4238f8cb03aef9e2d803e81edd5457a2d23758d0b0f6ef357b0b5ce997dbb01effa4dfb4290f6e93bc7d87
Type fulltextMimetype application/pdf
fulltext(2642 kB)3 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 2642 kBChecksum SHA-512
2d845c255b8d09fe55275ce3f2e6aaebb4d172503283ba2b6d45214bd5174307ad578acc77cc82422c0972800e6229501a32a1b2d3e382ba2fb3726e02483f3e
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Internal Combustion Engines
Vehicle Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 14 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: 5 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link