Datum: 15.11.2007

Dymola-Infotag, IRT RWTH Aachen

Institut fürRegelungstechnik

EngineLib:Modellbildung des Luftpfads eines Dieselmotors

für HIL-Anwendungen

Frank Heßeler (RWTH Aachen, IRT)

Folie 2Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

15.11.2007

Inhalt

Einführung

Ziele in ZAMOMO

Motor-Modell

HIL-Testumgebung

1

2

3

4

Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung

Zusammenfassung5

Folie 3Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung

Folie 4Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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Struktur Motor / Regelaufgabe

Luftfilter

ATL

VTG

AGR

Q&

Q& Q&

λ

LLK

Frischluft

Ab

gas

Bm&

CR-Pumpe

AGR

Ladedruck

Stellgrößen

� VTG

� AGR-Ventil

Regelgrößen

� Ladedruck

� Frischluft bzw. AGR-Rate

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ZAMOMO: Einordnung des HIL-Modells

Modellbildung Regelung

CAD-Daten,Kenndaten

Motor

C1 C2 C3

C4 C5C6

SB1

J1 J2 J31 2

SB2

3

J4

J5

J64 5 6

PL1

PL2

PL37

8

9

J7

J8

10

11

R1

CO1

12

1314

CO2

1516R2

17

18 19 20 21

22

23

2425 26 27 28 29

3031 3233 3435

3637 3839 4041

CO3

42

R3

43

44TC1

CL1

4546

MP1

MP2MP3

MP4

MP5

MP6

MP7 MP8

MP9 MP10

MP11

MP12

MP13

MP14

MP15

MP16

MP17

MP18

MP19

MP20

MP21

CFD-Modell

Vereinfachungen,Daten

Vereinfachungen

HIL-Test

QV,&

auseinmm

dt

dm&& −=

auseinmm

dt

dm&& −=

Schluckm&

T ,mges&

LAGRmm && +

Beobachter-Modell

HIL-Modell

Steuergerät

Prädiktion

Umsetzung am

Prüfstand

Modellgestützte prädiktive Regelung

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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

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Folie 7Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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Modellreduktion

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Folie 8Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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Modellreduktion

QV, &

QV, &

LLK

V

ATL

AGR-K

auseinmm

dt

dm&& −=

auseinmm

dt

dm&& −=

Schluckm&

T ,mges

&

Drossel

LAGRmm && +

:ηηηη Kennfeld

:,m Π& ATL-Gleichungen

AGR-Ventil

VTG

ωJ,

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Folie 9Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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Gesamtmodell in Dymola

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Folie 10Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 11Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 12Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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)

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Folie 13Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 14Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 15Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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w_Setpoints

Setpoints

y_Strecke

w_Setpoint

Scopes

y_Strecke

u_k

A_k

B_k

C_k

z_Beobachter

delta_ x_Beobachter

y_Beobachter

Observer

Dymola

u_m

y_Strecke

delta_x_Beobachter

w_Setpoints

A_k

B_k

c_k

u_n

Controller

un0

K*u

Reglerentwicklung in Matlab/Simulink

� Dymola – Simulink Interface

� Dymola-Modelle bleiben

erhalten, Parametrierung

möglich

� Standardentwicklungsum-

gebung Simulink kann

weiter verwendet werden

� Verwendung von

Echtzeithardware durch

Realtime-Workshop möglich

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Folie 16Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 17Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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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

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Folie 18Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:

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