Model predictive control of a turbocharged diesel engine with exhaust gas recirculation

Günümüzde içten yanmalı motorların tekonolojisi son derece ilerlemiş ve elektronik kontrol uygulamalarının bir çok örneği içten yanmalı motorlarda uygulanır hale gelmiştir. 21. Yüzyıl ile birlikte otomotiv endüstrisi aşırı doldurma teknolojisini kullanarak motorların hacminde küçülmeye gitmiştir. Böylelikle birim hacimden üretilen motor gücü yükselmiştir. Öte yandan emisyon regülasyonları giderek sıkılaşmakta ve içten yanmalı motorlarda farklı ekipmanların emisyonları düşürmesi için kullanılması gerekmektedir. Egzoz gaz çevrimi sistemi Nox emisyonlarını azaltması için yanmış egzoz gazının bir bölümünü tekrardan emme manifoldu vasıtası ile silindirlere yöneltir. Bunun sonucu ise hava yakıt karışımında daha az oksijen bulunması ve NOx oluşmunun en büyük sebebi olan silindir için yanma sıcaklığının düşürülmesidir.Sonuçta aşırı doldurma ve egzoz gaz çevrimi bugun her dizel motorda bulunan birer teknoloji haline gelmiştir. Modern bir dizel motorda otomatik kontrol sistemleri fazlasıyla kullanılmaktadır. Mekanik motordan elektronik motora geçilmesi ile kontrol algoritmaları karmaşıklaşmış ve kalibrason süreci uzamıştır. Günümüzde otomotiv üreticilerinin en çok araştırma yaptığı konulardan bir tanesi içten yanmalı motorlarda bulunan bu kontrol sistemlerinin en isabetli şekilde kontrol edilmesi ve bunun da en kısa sürede yapılmasıdır. Bu durum şüphesiz ki dinamometrelerden sanal test merkezlerine geçilmesinde ve içten yanmalı motorların bilgisayar ortamında modellenmesine ve benzetiminin yapılmasına sebep olmuştur. Aşırı doldurma sistemi, egzoz gazına bağlanan bir türbine ile emme hattına bağlanan bir kompressor ve bunları birbirine bağlayan bir şafttan oluşur. Egzoz gazı türbini çevirerek mekanik bir enerji yaratır ve bu enerji şaft ile kompressöre aktarılarak, kompressörün emme manifolduna sıkıştırılmış hava göndermesini sağlar. Havanın yoğunluğu ne kadar artarsa volumetrik verim o kadar artacak ve böylelikle daha küçük hacimdeki motorlardan daha çok güç elde edilebilecektir. Öte yandan, egzoz gaz sistemi egzoz akışının bir kısmını tekrardan bir soğutucudan geçirdikten sonra emme manilfolduna aktarır. İki sistemin de hem egzoz ve emme manifoldu ile olan ilişkisi, çok girişli çok çıkışlı bir sistemin oluşmasına sebep olur. Öte yandan endüstride dizel motor hava yolu problemi iki ayrı tek giriş tek çıkış sistem olarak ele alınır. Bu durum beraberinde bir çok sorunu ve ek çalışmayı getirir. Zira, egzoz gaz çevrimi doğrudan egzoz ile emme manifoldu arasındaki basınç farkı ile sürülmektedir ve bu hat doğrudan aşırı doldurma sistemine bağlıdır. Çalışmada standart kontrolör yapılarının sisteme tek giriş tek çıkış iki ayrı sistem gibi yaklaşıldığında nasıl kötü sonuçlar verdiği irdelenmiştir. Bu durumdan kurtulmak için açık çevrim ileri besleme sisteme eklenmiş ve daha isabetli sonuçlar alınmıştır. Son yıllarda, motor modellenmesine verilen önem giderek artkmaktadır. Bunun en önemli sebebi şüphesiz giderlerin azaltılması ve zamandan elde edilen kazançtır. Bu çalışmada yüksek modelleme kapasitesine sahip AVL Boost RT programı ile aşırı doldurmalı ve egzoz gaz çevrimli dizel motor modeli elde edilmiştir. Boost RT çalışma prensibi ve denklemleri ayrıca açıklanmıştır. Programın kullanılmasının şüphesiz en büyük avantajı, modelleme fazının daha kolaylıkla geçilerek kontrol uygulamaları kısmına daha çok zaman ayırabilmesi ve diğer araştırma alanlarından insanların da içten yanmalı motorlar üzerinde benzetim yapabilmesidir. Bu çalışmada elde edilen dizel motor modelinin hava yolu üzerinde standart PID kontrolörün performansı Ziegler Nichols ve genetik algoritma metodları ile kalibre edilerek incelenmiştir. Ardından, otomotıv sektöründeki popüler kontrol uygulaması, açık çevrim ileri besleme sisteme eklenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Hava yolu sisteminin iki ayrı çevrimi türbin kanat pozisyonu girişi ve emme manifoldu basıncı bir sistem, egzoz gaz çevrim valfi pozisyonu girişi ve emme manifoldu hava akışı çıkışı olacak şekilde iki ayrı tek giriş çıkış sistem halinde incelenmiştir. AVL Boost RT yazılımı ile gerçek zamanlı çalışan ve dolayısı ile çevrim dışı test sistemlerinde kullanılması mümkün karmaşık modeller elde edilebilir. Boost RT ile yapılan model rahatlıkla Simulink ortamına veya test merkezine aktarılarak benzetim imkanı sağlanır. Boost RT ile modelleme yapılırken dikkat edilmesi gereken önemli hususlar motorun silindir çapı, hacmi, kran mili uzunluğu ve daha niceleri gibi önemli parametrelerin bilinmesi gerekliliğidir. Çünkü, blok tabanlı bir modelleme programı olan yazılım, benzetimi yapılacak her element için gereken karakteristik bilgiyi soracaktır. Aşırı doldurma sistemi modellenirken örneğin, eğer tedarikçiden elde edilen kompresör ve türbin haritaları mevcutsa bu haritalar ilgili blokların içerisine yerleştirilmelidir. Aksi takdirde aşırdı doldurma sisteminde daha basit bir modelleme yaklaşımı olarak sabit verim kullanılabilir. Egzoz gazı çevrim modellemesi ise biraz daha karmaşıktır. Doğru akışın yakalanması için kompressör çıkış basıncı ve egzoz basıncının isabetli şekilde modellenmesi gerekir. Çalışmada emisyonlar açısından bir bakış doğrudan bulunmadığı için egzoz manifoldundan sonra türbine yer verilmiş sistemin geri kalanı modellenmemiştir. Fakat bu noktada isabetli egzoz basıncı modellenmesi için egzoz hattında bulunan emisyon düşürücü sistemleri temsil edecek bir ters basınç yaratılmıştır. Çalışmanın önerdiği diğer bir kontrol uygulaması ise, standart PID kontrolör yerine, sistem üzerinde çok giriş çok çıkış yapısının uygulanabileceği model öngörülü kontroldür. Model öngörülü kontrol, sistemin modelini kullanarak gelecekteki çıkışlarını öngörererk belirlenen optimizasyon problemini çözer. Bu çalışmada kullanılan sistem modeli giriş – çıkış verilerine dayanarak 4. dereceden bir durum uzay denklemidir. Model öngörülü kontrolör de doğrusaldır ve kısıtlar eyleyici pozisyonlarına göre belirlenmiştir. Model öngörülü kontrol yapısı gereği çok giriş çok çıkış sistemlerle başa çıkabilir. Yapılan işlemler temel olarak belirli bir ufuk boyunca ki ufuk sistemin geleceği anlamına gelir, sistemin gelecekteki davranışları hesaplanarak bir sonraki kontrolör çıkışı için quadratik bir optimizasyon problemi çözülür. Bu noktada sistemin çok giriş ve çok çıkışlı olması sadece işlem karmaşasını artırıken sistemin kısıtları da hesaplamalara eklendiğinde, kontrolörün bir sonraki yanıtı ortaya çıkan kısıtlı optimizasyon probleminin çözümüdür. Model öngörülü kontrol günümüzde, proses endüstirisinde sıklıkla kullanılmaktadır. Buradaki sistemlerin çok giriş ve çok çıkışlı lineer olmayan sistemler olduğu düşünülürse, PID kontrolör bu gibi sistemler karşısında yeterli performansı gösterememektedir. Öte yandan proses endüstirsindeki sistemlerin dinamiği oldukça yavaştır ve model öngörülü kontrolör için gerekli hesaplamaların yapılması için gereken zaman vardır. Son on sene içerisinde, motorlu taşıtlardaki motor kontrol modüllerinin tamamen elektronik hale gelmesi ve hesap kapasitelerinin yükselmesi ile model öngrörülü kontrolün otomotiv sektöründe de uygulamaları başlamıştır. Çalışmada kullanılan diğer önemli bir metod, şüphesiz ki genetik algoritma ile yapılan PID kalibrasyon işlemidir. Genetik algoritma ile PID kontrolörün kalibrasyonun yapılması yeni bir şey olmamakla beraber, otomotiv alanında hava yolu hattı için daha önce kullanılmamıştır. Bu noktaya gelinmesini sağlayan en önemli gelişme bilgisayar ortamında yapılan gerçekci içten yanmalı motor modelleri ile yapılan benzetimlerdir. Bir kez becerikli bir model ve benzetim ortamı kurulduğunda, gerçek hayatta saatler sürecek ve ekonomik açıdan handikap yaratacak testler otomatik olarak bilgisayar ortamında sürdürülebilir. Böylece günümüzde otomotiv sektöründeki en büyük mücadelelerden biri haline gelen en kısa zaman içerisinde en uygun fiyata en başarılı ürün fikri gerçeklenebilir. Bu araştırmanın sonucunda model öngörülü kontrolörün standart PID kontrolörlere göre daha başarılı bir kontrolör performansı sergilediği görülmüştür. PID yapısının kalibrasyonu için ise Ziegler Nichols yerine genetik algoritmanın kullanılması yine kontrolör performansını arttıracaktır. Model öngörülü kontrolör tasarlanırken henüz genel geçer bir metoda ulaşılamamıştır. Bu bir nevi dezavantaj olmakla beraber kontolör tasarımını doğrudan etkliyen kısıtlar ve kısıt kazançlarının sistem yanıtını nasıl değiştireceğine dair çalışmalar yapılmıştır. Neticede, iki farklı model öngörülü kontrolör yapısı önerilmiştir ki bunlardan bir tanesi agresif ve hızlı bir cevba sahipken diğeri daha yumuşak ve aşımsız bir performans sergiler. Bu kontrolörlerden hangisinin kullanılacağı sistemden sisteme farklılılk gösterecektir. Öte yandan, otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılan açık çevrim ileri besleme kontrol yapısının standard kontrolör yapılarına olan katkısı doğrulanmıştır. Model öngörülü kontrolörün normal kontrölör yapılarına karşı olan en büyük avantajı sistemin kalibrasyonunun basitliği ve çok daha az değişkene sahip olmasıdır. Kısaca model öngörülü kontrol yapısı kullanıldığında eforların büyük çoğunluğu model tanılamada harcanıcak ve arkasından kontrolör tasarımı kolaylıkla gerçekleştirilecektir.