FBE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/41

Gözat

Konu "Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol" ile FBE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer modeli ve EGR-VGT sistemlerinin model öngörülü kontrolü
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016) Karakaş, Şafak Cemal ; Söğüt, Oğuz Salim ; 441696 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği ; Naval Architecture and Marine Engineering
    Bu doktora tez çalışmasında egzoz gazı devridaim (Exhaust Gas Recirculation - EGR) ve değişken geometrili türbin (Variable Geometry Turbine - VGT) sistemlerini içeren türboşarjlı dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer yöntemi (Mean Value Model - MVM) kullanılarak matematik modeli oluşturulmuştur ve bu model kullanılarak NOx emisyon miktarını ve yakıt sarfiyatını düşürmeyi amaçlayan bir model öngörülü denetleyici (Model Predictive Controller - MPC) tasarlanmıştır. Kullanılan dizel motor 12.7 litre hacminde, 6 silindirli, EGR ve VGT sistemlerine sahiptir. Yakıt akışı, EGR aktüatör sinyali ve VGT aktüatör sinyali model girişleri, yüklenen moment miktarı bozucu, motor devri, üretilen moment miktarı, hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı ise model çıkışlarıdır. Hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı değişkenleri geri besleme sinyalleri olarak kullanılmaktadır. Geri besleme sinyali olarak sıklıkla kullanılan hava-yakıt oranı yerine oksijen-yakıt oranının kullanılmasının nedeni EGR sistemi ile yanma odasına gönderilen egzoz gazının oksijen içermesi ve duman üretimi açısından oksijen miktarının hava miktarından daha önemli bir konumda olmasıdır. Geri besleme sinyali olarak yine sıklıkla kullanılan havanın kütle debisi (MAF) ve hava manifoldu mutlak basıncının (MAP) kullanılmamasının nedeni ise tasarımı yapılan denetleyicinin pompalama momentini azaltarak yakıt sarfiyatını azaltmayı amaçlaması ve hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranının pompalama momenti ile doğrudan bağlantısının bulunmasıdır. Bu çalışmada kullanılan matematik model, dizel motor hava akış sistemlerinin modellenmesinde kullanılan bir yöntem olan ortalama değer yöntemi (Mean Value Modelling - MVM) kullanılarak elde edilmiştir. Bu yöntem termodinamik bağıntıların ampirik ifadelerle birlikte kullanılmasını temel alır ve motor ve türboşarjer dönme dinamiği ile manifoldlardaki basınç ve kütle değişimlerini ifade eden birinci mertebe doğrusal olmayan diferansiyel denklemler içerir. Elde edilen matematik model Matlab Simulink ortamında kodlanarak sistemin benzetimi yapılmıştır. Sistemde atmosferden alınan taze hava kompresörden geçerek sıkıştırılır. Kompresör çıkışında hava ısı değiştiricisinden geçirilerek soğutulur. Daha sonra taze hava egzoz gazı devridaim (Exhaust Gas Recirculation - EGR) sisteminden gelen egzoz gazı ile birleştirilir ve elde edilen karışım hava manifoldundan geçirilerek silindirlere gönderilir. Silindirlerden çıkan egzoz gazının bir kısmı egzoz manifoldundan geçtikten sonra EGR sistemine alınır, EGR ısı değiştiricisinden geçirilerek yeniden taze hava ile karıştırılıp hava manifolduna gönderilir. Egzoz gazının kalan kısmı değişken geometrili türbinde (Variable Geometry Turbine - VGT) türboşarjere dönme hareketi verdikten sonra dış ortama atılır. Bu çalışmada motordan elde edilen moment, gros indike moment ile pompalama ve sürtünme momentlerinin farkı olarak ifade edilmektedir. Motor devri ise motor momenti ve yük momentine bağlı bir diferansiyel denklemle ifade edilmektedir. Manifold basınçları ve oksijen oranları kütlenin korunumu ve ideal gaz kanunlarının türetilmesiyle elde edilen diferansiyel denklemler kullanılarak modellenmiştir. Egzoz manifoldu sıcaklığı ideal gaz Seiliger çevrimi hesaplamaları kullanılarak elde edilmiştir. Türboşarjer devri ise Newton'un ikinci kanunu kullanılarak oluşturulan, türbin ve kompresör güçlerine bağlı bir diferansiyel denklem kullanılarak modellenmiştir. EGR aktüatör dinamiği için ikinci, VGT aktüatör dinamiği için birinci mertebeden doğrusal diferansiyel denklemler kullanılmıştır. Sistem durumları aşağıda verilmektedir: - Motor devri - Hava manifoldu basıncı - Egzoz manifoldu basıncı - Hava manifoldundaki oksijen oranı - Egzoz manifoldundaki oksijen oranı - Türboşarjer devri - EGR aktüatör durumları (iki adet) - VGT aktüatör durumu Tasarımı yapılan model öngörülü denetleyici NOx emisyon miktarını Euro 6 kriteri olan 0.4 gr/kWsa değerinin altında tutmaya, aynı zamanda motorun yakıt sarfiyatını da minimum değere indirmeye çalışmaktadır. Doğrusal olmayan çalışma bölgesi dokuz doğrusal alt bölgeye ayrılmış ve her bir bölge için ayrı bir MPC denetleyicisi tasarlanmıştır. Motor devri ve yakıt miktarına göre konumu belirlenen bir anahtar aracılığıyla hangi denetleyicinin çalışması gerektiği belirlenmektedir. Sistemi kumanda etmek için EGR açıklık oranı ve VGT açıklık oranı, geri besleme sinyalleri olarak ise hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı kullanılmaktadır. Motor devri ve yakıt girişi değerleri bir anahtar fonksiyonu aracılığıyla çalışma noktasının hangi doğrusal bölgede olduğunu belirlemek için kullanılmakta ve bu sayede hangi alt bölgeye ait denetleyicinin kullanılacağına karar verilmektedir. Her alt bölge için ayrı birer doğrusal model oluşturulmuştur ve her alt bölge için farklı referans değerleri bulunmuştur. Doğrusal modelleri elde etmek için her alt bölgeye ait doğrusallaştırma noktaları belirlenmiş, daha sonra bu noktalar civarında sistem tanılama yöntemleri kullanılmıştır. Doğrusallaştırma noktalarının tespit edilmesi için her noktadaki yakıt girişi, motor devri, EGR ve VGT aktüatör sinyalleri değerlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Seçilen noktaların hangi motor devri ve yakıt girişi değerlerinde olacağına karar verilirken fiziksel sistemin doğrusal olmayan çalışma bölgesi eşit aralıklarla bölünmüş, elde edilen bölgelerin orta noktalarının değerleri alınmıştır. Doğrusallaştırma noktalarındaki EGR ve VGT aktüatör girişleri değerlerinin ne olacağına karar verirken bu noktaların aynı zamanda denetleyici için referans noktası olarak kullanılacağı gözönüne alınmıştır çünkü bu değerler MPC denetleyicisinde kontrol sinyali olarak kullanılmaktadır. Bu durumda kontrol amaçlarını sağlayan noktaların bulunması için haritalar oluşturulmuştur. Uygun noktaların haritalardan seçilmesi sayesinde her bölge için çalışma noktasında EGR ve VGT aktüatör girişleri değerlerinin ne olacağı belirlenmiş olmaktadır. Doğrusallaştırma noktalarının belirlenmesinin ardından doğrusal durum-uzay modellerini elde etmek için sistem tanılama yöntemleri "Matlab System Identification Toolbox" kullanılarak uygulanmıştır. Yakıt miktarı ve motor devri sabit kabul edilerek doğrusal olmayan modelde EGR ve VGT aktüatör girişlerine +-%10 bant genişliğiyle PRBS (Pseudorandom binary sequence) sinyalleri uygulanmıştır. Elde edilen hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı çıkış sinyalleri kullanılarak iki giriş iki çıkışlı doğrusal durum-uzay modelleri oluşturulmuştur. Elde edilen doğrusal modellerin geçerliliğini göstermek için doğrusal olmayan ve doğrusal modellerin aynı PRBS sinyaline verdiği cevapların birbirleriyle uyumlu olup olmadıklarına bakılmış, ayrıca çapraz korelasyon testi uygulanmış ve sonuçların kabul edilebilir olduğu görülmüştür. Doğrusal modellerin elde edilmesinden sonra "Matlab Model Predictive Toolbox" kullanılarak her bölge için ayrı bir MPC denetleyicisi tasarlanmıştır. Öngörü ufku, kontrol ufku ve ağırlık katsayıları denemeler sonucunda belirlenmiş ve kontrol sinyallerinde EGR aktüatur girişi için %0-%80 ve VGT aktüatör girişi için %20-%100 kısıtlamaları kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde denetleyicinin çalıştırılması neticesinde dokuz çalışma bölgesinin yedisinde NOx emisyonlarının düşürüldüğü, ikisinde ise düşürülemediği ancak kontrolsüz sistemde üretilenden daha fazla NOx üretilmediği görülmüştür. Ayrıca dokuz çalışma bölgesinin altısında yakıt sarfiyatının düşürüldüğü görülmektedir. Sistem uygun bir süre içerisinde referans noktasına getirilmekte ve sürekli rejime girmektedir. Bu durum denetleyicinin yörünge izleme performansının güçlü olduğunun işaretidir. Sonuçlar MPC`nin klasik haritalandırma yaklaşımından üstünlüğünü gösteren geçici rejim cevabını düzeltebilme ve standart yaklaşımdan (PID) üstünlüğünü gösteren sistem değişkenlerinin birbirleriyle etkileşimini göz önüne alma özelliklerini taşıdığını göstermektedir. Ayrıca denetleyicinin aynı motor için tasarlanmış olan iki farklı denetleyici ile de performansının karşılaştırılması yapılmıştır ve MPC denetleyicisinin diğer denetleyicilerden daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Bu sebeplerden MPC yönteminin EGR ve VGT sistemlerine sahip dizel motorlarında hava akış sistemini kontrol etmek için iyi bir yöntem olduğu görülmektedir. Gelecek çalışmalarda iki kademeli EGR ve VGT sistemlerine sahip dizel motorlarda emisyonların düşürülmesi için MPC denetleyicisi tasarlanması, otomatik pilot ve dinamik konumlandırma sistemleri (Dynamic Positioning System - DPS) için yakıt girişini de kumanda edecek kontrol sistemleri oluşturulması ve birden fazla motoru birbirleriyle etkileşimli olarak beraber çalıştırabilmek için yakıt girişini kumanda etme çalışmaları yapılması planlanmaktadır.