Dizel motorların modellenmesi,modele dayalı hava yolu ve emisyon kontrolörü geliştirilmesi
uygulanması / Modeling of diesel engines, development and application of model based airpath and emission controllers
Yazar: BÜLENT ÜNVER
Danışman: PROF. DR. METİN GÖKAŞAN ; PROF. DR. SETA BOGOSYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Fiziksel modelleme = Physical modelling ; Model kontrolü = Model control ; Optimal kontrol = Optimal control ; Sistem modelleme = System modelling ; Sistem parametreleri = System parameters

Özet:
Dizel motorlar yakıt tüketimi avantajları nedeniyle yaygın bir kullanım oranına sahiptir. Ancak  uyulmak zorunda olunan emisyon limitlerinin sürekli daralması daha gelişmiş kontrol sistemlerinin kullanımını beraberinde getirmiştir. Yasal emisyon limitlerine uyma zorunluluğu, kullanılan sensör ve eyleyici sayısının artmasına yol açmıştır. Artan kontrol değişkeni sayısı optimum motor kalibrasyonu için gerekli test sayısını, dolayısıyla geliştirme süre ve maliyetlerini arttırmıştır. Bu sebepler, daha gelişmiş kontrol algoritmalarının kullanımını zorunlu kılmış ve modele dayalı kontrol algoritmaları önem kazanmıştır.
Bu tez çalışmasında bahsi geçen problemlere çözüm bulmak amacıyla modele dayalı kontrolör tasarımı ve uygulaması üzerinde çalışılmıştır. Kontrolör tasarımı ve uygulaması pek çok ara basamaktan oluşmaktadır. Tez çalışmasında, kontrol yazılımı geliştirme süreç yapısı çizilmiş ve mümkün olduğunca ayrıntılı bir şekilde her basamak gerçekleştirilmiştir. Genel süreç yapısını çizmesi ve her adıma dair uygulama örneklerini içermesi açısından bu tez çalışmasının, literatürde bundan sonra yapılacak çalışmalar için önemli bir başvuru kaynağı olacağı düşünülmektedir.
Tezin ilk bölümünde çalışmanın amacı özetlenmiş, bu amaca yönelik literatürde yapılan çalışmalar incelenmiştir.
İkinci bölümde, dizel motorun çalışma prensipleri kısaca açıklanmış, yeni yasaların gerektirdiği koşulları sağlayabilmek için eyleyici sayısının artışına dikkat çekilmiştir.  Motor kontrol ünitesi (ECU) kalibrasyonunun önemi anlatılmış, eyleyici sayısının artışına paralel olarak kalibrasyon süre ve zorluğunun artışı vurgulanmıştır. Ağır ticari taşıtlar için emisyon limitleri verilmiş, Türkiye ve Avrupa?da uygulanacak EURO VI emisyon sertifikasyon testleri tanımlanmıştır.
Üçüncü bölümde hava yolu ve emisyon kontrolörü geliştirmede kullanılacak, gerçek motorla benzer davranışa sahip sistem modellerinin elde edilmesi anlatılmıştır. Bu amaçla literatürde kullanılan modeller araştırılmış, kontrole yönelik modellerin, parametreleri kolay kestirilebilir denklemlerden oluşmasına dikkat edilmiştir.  Öncelikle, incelenen model yapılarının her birinin üstün yönlerini kapsayacak şekilde elde edilen hava yolu model denklemleri paylaşılmıştır. Sonraki aşamada, elde edilen denklemler kullanılarak MATLAB/Simulink ortamında sistem modelleri oluşturulmuş, Ford OTOSAN dinamometrelerinde yapılmış ölçümler baz alınarak model parametreleri kestirilmiştir. 
Parametre kestirimleri için hava yolu modeli, giriş ve çıkışlarına dair ölçümler bulunan/ya da hesaplanabilen alt modellere ayrılmıştır. Alt modeller düzeyinde kestirilen parametreler, birleştirilmiş modelde aynen kullanılmış, model sonuçları dinamometre ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Model doğrulaması, EURO VI emisyon sertifikasyonunda kullanılan WHTC dinamometre testi kullanılarak yapılmıştır. Test dinamikliğinin fazla oluşu nedeniyle bu ayrıntıdaki model doğrulamalarında WHTC testi kullanılmasına literatürde sık rastlanılmamaktadır. Buna rağmen, hem modelleme hem de doğrulama testleri için kontrolde kullanılacak tüm hava yolu modeli çıkışlarına dair mutlak bağıl hata ortalamaları %10 hata bandı içerisinde  hesaplanmıştır. Model başarımının yüksek olması elde edilen hava yolu modelinin kontrolör tasarımına elverişli olduğunu göstermiştir.
Model başarımını bu denli yükselten etkenlerden bir tanesi hiç süphesiz ki dinamometre test/ölçüm sisteminin tutarlı ve oldukça fazla noktadan ölçüm alınması nedeniyle ayrıntılı sonuçlar vermesidir. 
Üçüncü bölümde, yanma/emisyon modelleri de elde edilmiştir. Literatürdeki olası yöntemler incelenmiş, eldeki hava yolu modeli, ölçümler ve geliştirilmek istenen çevrimiçi referans optimasyonu için en uygun yöntemin istatistiksel modelleme olduğu anlaşılmıştır. Regresyon sonucu elde edilen modeller/parametreler, gerçek ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Yine literatürde sık rastlanmayacak şekilde doğrulama için WHTC testi kullanılmıştır. Ayrıca literatürdeki yayınlarda modeli basitleştirmek adına tek bir enjeksiyon üzerinde durulmuş, genelde ön enjeksiyon etkileri göz ardı edilmiştir. Fakat endüstri uygulamalarında genellikle birden çok enjeksiyon yapılır ve emisyon çıkışları bu durumdan etkilenir. Bu çalışmada modeller, bahsi geçen çoklu enjeksiyon göz önüne alınarak elde edilmiştir. Ek olarak, yanma model sonuçlarının hava yolu modeli ile birlikte çalıştırılması durumunda da önemli bir bozulmaya uğramadığı anlaşılmıştır. Yine bu bölümde tümleşik modeli oluşturabilmek amacıyla araç ve ray basıncı modelleri elde edilmiştir.
Dördüncü bölümde, öncelikle kontrol yazılımı geliştirme aşamaları anlatılmıştır. Önemli bir geliştirme aşaması, çevrim içi donanım (HIL) uygulamasıdır. Bu nedenle, HIL mimarisi incelenmiş, bu tez çalışması için satın alınan HIL simülatör sistemi özellikleri anlatılmıştır. Sonraki aşamada HIL simülatöründe sistem modelleri ile birlikte kullanılan modeller tanımlanmıştır. Yapılan tanımlamalardan sonra üçüncü bölümde elde edilen modeller HIL sistemine aktarılmıştır. Sistem modellerinin girişleri HIL simülatöründe bulunan gerçek ECU?dan gelecek şekilde modelleme ve doğrulama (WHTC) testleri tekrarlanmıştır. HIL testleri sırasında, ECU?nun ürettiği referanslara HIL modellerinin yakınsadığı görülmüştür. Bu çalışmadaki önemli nokta, HIL modellerinin hava yolu referanslarına hangi eyleyici pozisyonları ile yakınsadığıdır. HIL testlerinde sistemde gerçek olarak bulunan eyleyici pozisyon ölçümleri dinamometre testindeki ölçümlerle karşılaştırılmıştır. 
VGT eyleyicisi pozisyonları, modelleme testinde %4.3, doğrulama (WHTC) testinde ise %7.7 mutlak bağıl hata ortalaması ile elde edilmiştir. Literatürde HIL testi sırasında hava yolu referansları başarı ile takip edilirken eyleyici pozisyonlarının bu denli düşük hata oranları ile elde edildiği başka bir çalışmaya rastlanılmamıştır. 
HIL testleri, bu tip çalışmanın dinamometre testleri sırasında yaşanabilecek olası hata durumlarına karşı daha dayanıklı olduğunu göstermiştir. Dinamometre testlerinde karşılaşılan eyleyicilerin referanslarına yakınsamaması gibi hatalar HIL testleri sırasında oluşmamış, ayrıca HIL testleri dinamometre testlerindeki hataların anlaşılması ve analiz edilmesinde aydınlatıcı olmuştur.
Beşinci bölümde, kontrol yazılımı geliştirme aşamalarından bir diğeri olan hızlı kontrol prototiplemesi ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Geliştirilen kontrolörlerin test edilebilmesi için kullanılan tam bypass ve kısmi bypass yöntemleri anlatılmıştır. Bu tezde tercih edilen kısmi bypass yöntemi daha ayrıntılı incelenmiş, bypass arayüz karşılaştırmaları yapılmıştır. Tezde kullanılan bypass sisteminin hangi kriterler dikkate alınarak seçildiği, satın alınan bypass sisteminin yazılım ve donanım ekipmanları anlatılmıştır. Sonraki aşamada bypass modellerinin oluşturulması ve prototipleme donanımında devreye alınması için takip edilen süreç özetlenmiştir. Uygulamada karşılaşılan sorunlar paylaşılmış, bu sorunların aşılması için bulunan çözümler açıklanmıştır. 
Takip eden aşamada bypass sistemi, HIL sistemi ve HIL sisteminde çalışan ECU bağlantıları yapılarak bypass modelleri test edilmiştir. Bypass için seçilen işaretler ve bu işaretlere dair bypass test sonuçları listelenmiştir.
Literatürdeki çalışmalarda, neredeyse tüm hava ve yakıt yolu referanslarının bypass edildiği bir bypass sistem tasarımı/uygulaması bulunamamıştır. Böyle bir tasarım ECU?daki alt kontrol yazılımlarının kısım kısım bypass edilerek, tüm ECU kontrol yazılımının geliştirilmesine imkan vermektedir. Ayrıca tasarlanan sistemin kolaylıkla gerçek motor üzerinde de çalıştırılabilmesi de önemli bir avantajdır.
Altıncı bölümde, kontrolör tasarımına geçilmiş, geliştirilen kontrolörler yazılım geliştirme sürecinde anlatıldığı gibi öncelikle model içi çevrim uygulaması ile test edilmiştir. Kontrolör yapısı olarak, verilen hava yolu referanslarını lineer olmayan bozucular ve parametre değişimleri altında izleyebilen en uygun kontrol yöntemlerinden biri olan kayan modlu kontrol (SMC) tercih edilmiştir. SMC kontrolör parametreleri önce model içi çevrim uygulamasında ayarlanmış, sonraki aşamada ise bypass sistemi yardımıyla HIL simülatöründe test edilmiştir. Kontrolörler, eyleyici pozisyon kontrollerini içeren iç çevrim ve hava yolu referans kontrollerini içeren dış çevrim olmak üzere iki seviyede gerçeklenmiştir. Geliştirilen kontrolörler, tanımlanan testler için referans takiplerini halihazırda dizel motoru kontrol etmek amacıyla geliştirilmiş, geliştirme seviyesi kalibrasyona sahip profesyonel ve ticari bir ECU?ya göre daha az hata ile gerçekleştirebilmiştir.
Mevcut ECU?nun içerisinde aynı amaç için tüm çalışma koşullarını kapsayacak şekilde kullanılan parametre sayısının birkaç binden fazla olduğu düşünüldüğünde, geliştirilen kontrolörler sayesinde çok daha az kontrol parametresi ile gerçekleştirilebilmesi önemli bir başarıdır. Ayrıca ECU?daki parametrelerin çok fazla deney gerektirdiği göz önüne alınırsa, elde edilen modeller sayesinde parametre kestirimleri yapılan SMC kontrolörlerinin geliştirme maliyetlerini azaltma potansiyeli çok önemlidir.
Yedinci bölümde, yakıt tüketimi ve emisyon anlamında optimum hava yolu ve yakıt yolu referanslarının belirlenmesi üzerinde çalışılmıştır. Önceki bölümlerde elde edilen hava yolu ve emisyon modellerinden yararlanılarak Ardışık Kuadratik Programlama (SQP) yöntemi kullanımıyla çevrimiçi (online) optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Elde edilen optimum referanslar, aynı test çevrimi için HIL simülatöründe mevcut ECU?nun ürettiği referanslarla karşılaştırılmıştır. 
Çevrimiçi optimizasyon sonucunda tüm kısıtlar sağlanırken testteki amaç ölçütü toplamında %7.8 azalma sağlanmıştır. Ayrıca test boyunca püskürtülen ana enjeksiyon miktarı toplamına göre %2.7lik yakıt iyileştirmesi elde edilmiştir. Kalibrasyon tablosu kullanmaksızın elde edilen bu iyileştirme motor üreticileri için devrim niteliğindedir. Şu ana kadar dizel motora ilişkin hava yolu kontrolü gibi uygulamalarda kullanılan model öngörülü kontrol yöntemleri, emisyon ve yakıt tüketimi için hava ve yakıt yolu referans optimizasyonu anlamında literatürde ilk defa kullanılmıştır.
Bu çevrimiçi optimizasyon yöntemi, kalibre edilmesi çok uzun süren test ve çaba gerektiren kalibrasyon tablolarına duyulan ihtiyacı ortadan kaldırmaya adaydır. Bu yöntem, günümüz emisyon limitleri içerisinde kalabilmek için bir çözüm olabildiği gibi amaç ölçütü ve kısıtların güncellenmesi ile gelecekteki emisyon limitleri için de kolaylıkla uygulanabilir bir çözüm yöntemidir.
Tezin son bölümünde ise, sonuçlar özetlenmiş ve ileride yapılabilecek çalışma konuları tartışılmıştır.

Abstract:
Diesel engines have a large usage area thanks to their advantages in fuel consumption. However, the constant reduction of emission limits that are to be complied with leads to the need of more advanced control systems. The obligation of compliance with legislation emission limits results in a rise in the number of sensors and actuators used. The soaring number of control variables increases the number of tests required for optimum engine calibration; accordingly, it increases development time and costs. These conditions necessitate the use of more advanced control algorithms, and model-based control algorithms gain importance.
Within the scope of this study, in order to find solutions for the above mentioned problems model-based controller design and application are focused on. The process of controller design and application has several substeps. In this study, the process structure of control software development is illustrated and each step is conducted as detailed as possible. This study is believed to become an important reference source for future studies since it encompasses general process structure and application samples for each step. 
In the first part of the study, the purpose of the study is summarized and studies in the literature having the same objective are reviewed.
In the second part of the study, the working principles of the diesel engine are briefly explained and the rise in the number of actuators to meet the conditions required by the new legislation is pointed out. The importance of engine control unit (ECU) calibration is explained and the increasing difficulty in calibration process is emphasized. Emission limits for heavy commercial vehicles are stated and EURO VI emission certification tests that are to be applied in Turkey and Europe are described.
In the third part of the study, development of system models that have similar behaviour with real engine and that are used in the development of airpath and emission controllers is explained. For this purpose, models used in the literature are searched and utmost attention is paid to ensure that control oriented models are composed of equations having easily estimated parameters.As for the first step, airpath model equations are shared. In the next step, using the formed equations, system models are developed in MATLAB/Simulink environment, and based on the measurements done using Ford OTOSAN engine dynamometers, model parameters are calculated.
For parameter estimation, airpath model is divided into submodels involving input and output measurements or signals that can be calculated from measurements. Exactly the same parameters estimated at submodel level are used in the combined model, and results of the model are compared with dynamometer measurements. Model is validated by using WHTC dynamometer test adopted in EURO VI emission certification. Due to highly dynamic test cycle, the use of WHTC test in model validations in this detail is not commonly observed in literature. Nevertheless, mean absolute relative error for airpath model outputs that are to be used both in modeling and in validation tests are calculated within %10 error band. The fact that the model behaves like real engine shows that the developed airpath model is appropriate for controller design.
It is no doubt that one of the factors contributing to the success of the model is the fact that dynamometer test/measurement system provides detailed and robust results.
In the third part of the study, combustion/emission models are developed. After reviewing existing methods in the literature, it is concluded that statistical modeling is the most suitable method for existing airpath model, measurements and online reference optimization to be developed. Models/parameters gathered by regression analysis are compared with actual measurements. WHTC test is adopted for validation, which is not very common in literature. Moreover, in order to simplify the model, only one injection is focused on and effects of pre-injections are mostly ignored in literature. In industrial applications, however, generally multi-injection strategy is used, which affects emission outputs. In the present study, models are developed considering the prementioned multi-injections. In addition, it is observed that results of combustion model are not destructed considerably when processed with airpath model. Besides, in order to construct combined HIL model, vehicle and rail pressure models are developed. 
In the fourth part of the study, firstly, the development stages of control software are explained. Hardware in the loop (HIL) is an important development stage. Therefore, HIL architecture is analyzed and the system properties of HIL simulator that is purchased for this study are explained. In the next stage, models used with system models in HIL simulator are described. Following the descriptions, models developed in the third part are embedded into HIL system. Modeling and validation (WHTC) tests are repeated in the way ensuring that real ECU in HIL simulator generates the inputs of the system models. During HIL tests, it is observed that HIL models follow the references generated by ECU. The important point in this study is in which actuator positions HIL models follow airpath references. During HIL tests, measurements of real actuator positions are compared with dynamometer test measurements.
VGT actuator positions are calculated with %4.3 mean absolute relative error in modeling test and with %7.7 mean absolute relative error in validation (WHTC) test. Examining the literature, it is concluded that there is no other study in which actuator positions are calculated with such low error ratios during HIL tests while airpath references are successfully tracked.
HIL tests also indicate that this kind of study is more robust in possible error conditions during dynamometer tests. During HIL tests, errors occuring in dynamometer tests such as actuators? not following their references are not observed. In addition, HIL tests help the errors to be identified and analyzed.
In the fifth part of the study, rapid control prototyping which is one of the stages of control software development is examined, and full bypass and partial bypass methods that are used in testing the developed controllers are explained. Partial bypass method which is adopted in this study is examined in a more detailed way, and bypass interfaces are compared. The factors considered while selecting the bypass system that is used in this study and the hardware and software equipments of purchased bypass system are explained. In the next stage, the process of the development of the bypass models and commissioning bypass models in prototyping hardware is summarized. The problems encountered during the application process are explained and possible solutions for the problems are suggested.
In the following stage, bypass models are tested by making connections in bypass system, HIL system and ECU in HIL system. Signals selected for bypass and bypass test results for these signals are listed.
It is observed that in literature there is no bypass system design/application  in which almost all airpath and fuel path references are bypassed. That kind of design makes it possible to develop the whole control algorithm by bypassing the subcontrol algorithms part by part in ECU. Furthermore, the fact that the designed system easily work in real engine is also an important advantange.
In the sixth part of the study, controller is designed and developed controllers are firstly tested by Model in the Loop (MIL) application as it is mentioned in software development process. As for the controller structure, sliding mode controllers (SMC) are selected because these type of controllers are appropriate for following airpath reference signals under all nonlinear disturbance and parameter changes. SMC controller parameters are first tuned in MIL application, and in the following stage they are tested in HIL simulator with the help of bypass system. Controllers are developed at two levels: one is inner loop including actuator position controls, and the other is outer loop including airpath reference controls. The developed controllers follow the reference values with less errors compared to professional and commercial ECU which has development level calibration and is designed to control diesel engine.
Considering the fact that the number of parameters used for the same purpose in the existing ECU is more than thousands, actualizing the control process by using far less control parameters thanks to the developed controllers can be mentioned as a great achievement.  In addition, considering the fact that parameters in the ECU require a large number of experiments, thanks to the developed models, it can be stated that SMC controllers have potential to reduce development costs, which is accepted as an important contribution.
In the seventh part of the study, it is aimed to specify airpath and fuelpath references to optimize emissions and fuel consumption. With the help of airpath and emission models developed in previous parts of the thesis and Sequential Quadratic Programming (SQP) method, online optimization is realized. Optimum references are compared with references that are produced by ECU working on HIL system for the same test cycle. 
As a result of online optimization, while all constraints are met, sum of objective function in the whole test is decreased by %7.8 compared to sum of objective function which is calculated according to ECU outputs working on HIL system. In addition, sum of main injection quantity in the whole test is decreased by %2.7 compared to sum of main injection quantity which is measured as an ECU output working on HIL system. These beneficial results are revolutionary for engine manufacturers as they are achieved without using calibration tables. Model predictive control methods related to diesel engine have been used for controllers like airpath until now. This thesis gains great importance since it is the first study in literature using these methods in the field of online airpath and fuelpath reference optimization to optimize emissions and fuel consumption. 
This online optimization method makes it possible to meet the need for calibration tables whose calibration requires too many tests and too much effort. This method is not only a solution to meet current emission legislations but also a solution for future emission legislations by updating objective function and constraints.
In the last part of the study, the results are examined and suggestions are offered for the future studies.