Desenvolvimento de modelagem matemática e observador experimental para cálculo em tempo real das características de funcionamento de compressores radiais de turbocompressores automotivos

• Autor(a) principal: José Arthur Gonçalves da Silva Teixeira
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/34599
• topic: Motor a combustão interna; Turbocompressor; Compressor centrífugo; Matching; Modelagem orientada ao controle; Observador; Engenharia mecânica; Modelagem matemática; Motores de combustão interna; Turbocompressores

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.