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Type: Dissertação
Title: Desenvolvimento de modelagem matemática e observador experimental para cálculo em tempo real das características de funcionamento de compressores radiais de turbocompressores automotivos
Authors: José Arthur Gonçalves da Silva Teixeira
First Advisor: Jose Guilherme Coelho Baeta
First Referee: Fabricio Jose Pacheco Pujatti
Second Referee: Sergio de Morais Hanriot
Abstract: Os motores a combustão interna (MCI) do tipo alternativo são a principal fonte de potência no setor de transportes. Como consequência, MCIs passam por recorrentes pressões para o aumento da eficiência energética em conjunto da redução de emissões. Os turbocompressores (TC) são dispositivos empregados a fim de alcançar um conjunto com maior eficiência energética que um MCI de aspiração natural com potência equivalente. A otimização do processo de seleção e o controle de TCs tem tido papel cada vez mais crucial no projeto e na calibração do sistema de controle eletrônico de MCIs, fazendo uso de ferramentas como a modelagem orientada ao controle. Neste trabalho é apresentada uma proposta de observador de compressores centrífugos de TCs automotivos empregando a modelagem orientada ao controle para emprego em ensaios de MCIs em bancada dinamométrica. Três estratégias de modelagem encontradas no estado da arte, denominadas neste trabalho como modelagens Jensen & Kristensen (J&K), Stricker e Polinomial, e os modelos termodinâmicos para o cálculo do desempenho de compressores foram ajustadas e validadas com dados experimentais em regime permanente de um TC BIAGIO BBV 1000 levantados na bancada de ensaio a quente de TCs do LabTURBO - CTM UFMG. Selecionou-se a estratégia de modelagem J&K para o desenvolvimento do observador de compressores devido ao fato desta modelagem apresentar baixos níveis de incerteza necessitando aproximadamente 0;0580ms por ponto de operação para estimar ṁcorr, Πt-t e ηis. Observaram-se no ajuste os intervalos de previsão [-1;11%;0;89%] para Πt-t e [-4;06%;4;14%] para ηis. Para a validação dentro da região mapeada, foram observados ER de 0;20% com σER de 0;25% para Πt-t e ER de 1;54% com σER de 2;82% para ηis. Por fim, foram observados na validação em baixas rotações ER de -0;28% com σER de 0;58% para Πt-t e ER de 15;53% com σER de 16;90% para ηis. A modelagem J&K foi então implementada no programa controlador da bancada de ensaio a quente de TCs. O observador resultante aproveitou medições de temperatura e de pressão a montante do compressor e as medições de rotação do TC e de vazão pelo compressor. O observador contou ainda com interface para apresentação do desempenho calculado ao operador durante ensaios através de mapas de desempenho do compressor e, nos pontos de interesse, com a criação de relatórios de experimento. Simulou-se uma curva de operação de um MCI na bancada de ensaio a quente de TCs para a validação do observador proposto. Foram observados na validação do observador ER de -1;11% com σER de 0;23% para a previsão de ṁcorr, ER de 0;70% com σER de 0;80% para a previsão de Πt-t e ER de 6:83% com σER de 17;73% para a previsão de ηis. Baseado nas incertezas apresentadas pelo observador, o algoritmo do observador foi considerado apto a determinar o estado termodinâmico do compressor durante ensaios de MCIs alternativos.
Abstract: The reciprocating type internal combustion engines are the main power source in the transportation sector. Thus, recurrent demands for energy efficiency increase and emission reduction are imposed. The turbochargers are devices used aiming an engine with greater energy efficiency than a naturally aspirated engine with equivalent power output. The optimisation of the turbocharger matching and its control has been increasingly crucial in the internal combustion engine project and its electronic control systems parameters calibration processes, making use of tools like the control-oriented modelling. A control-oriented modelling-based turbocharger observer for engine test in dynamometer bench is proposed in this work. Three modelling approaches found in the state of art, namely J&K, Stricker and Polynomial modelling, and the thermodynamic models for compressor performance calculation where fitted and validated against steady state experimental data from a BIAGIO BBV 1000 tested at the LabTURBO - CTM UFMG turbocharger test bench. The J&K modelling approach were selected to develop the observer due to its low uncertainty levels needing around 0;0580ms to estimate ṁcorr, Πt-t and ηis in each operation point. It was observed prediction intervals of [-1;11%;0;89%] for Πt-t and [-4;06%;4;14%] for ηis of the fitted models. The validation inside the mapped region resulted in an ER of 0;20% with σER of 0;25% for Πt-t and ER of 1;54% with σER of 2;82% for his. Finally, the validation in lower angular speed resulted in ER of -0;28% with σER of 0;58% for Πt-t and ER of 15;53% with σER of 16;90% for his. The J&K was implemented in the test bench controller software. The resulting observer used compressor upstream temperature and pressure measuring and compressor mass flow rate and turbocharger angular speed measuring from the control. The observer also has a user interface for presenting the performance estimation during tests and experiment report creation for points of interest. An internal combustion engine operating curve was simulated in the turbocharger test bench to validate the proposed observer. The observer validation resulted in a ER of -1;11% with σER of 0;23% for ṁcorr prediction, ER of 0;70% with σER of 0;80% for Πt-t prediction and ER of 6:83% with σER of 17;73% for ηis prediction. Based on the uncertainties presented during validation, the observer algorithm was considered apt to estimate the compressor thermodynamic state during internal combustion engine tests.
Subject: Engenharia mecânica
Modelagem matemática
Motores de combustão interna
Turbocompressores
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/34599
Issue Date: 30-Oct-2020
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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