Building a GT-Power-in-the-Loop System comprising a Fast-Running Model as an Extended Digital Twin for a Single-Cylinder Research Engine

Due to the distinct characteristics of single-cylinder engines (SCE) regarding flow dynamics, platform structure and used auxiliaries, conventional multi-cylinder engine (MCE) turbochargers cannot be installed for utilization of the exhaust gas kinetic energy to compress the intake air. The purpose of this thesis was to compensate for this lack of a turbocharger and the disadvantages of the currently used Matlab turbocharger model, by creating an extended digital twin in the form of a virtual turbocharged MCE, whose calculated exhaust pressure can be sent to and utilized by a research SCE through real-time co-simulation. In this thesis, this extended digital twin went by the name GT-Power-in-the-Loop (GTPiL). A detailed, crank-angle resolved, one-dimensional model of a medium-speed and -bore engine is reduced to a fast-running model (FRM), used as a black box in a via Matlab initialized Simulink model. This model is communicating with the SCE’s control system using the Modbus protocolduring the measurement of an engine test point. The graphical user interface of the Simulink model also provides the operator with manual control of the FRM input if desired, and real-time monitoring of the FRM output. When the test point measurement is done the GTPiL system triggers a so-called “Start-Stop” (SS) simulation, that is an offline simulation initialized by an average of the measurement point’s last 300 cycles for the FRM input parameters and run until steady-state, with the purpose of saving the results of the FRM. An Excel macro is also triggered at this stage, to format and visually present the FRM outcome in an Excel file, saved together with the other GTPiL system related output files in a test point specific folder. A comparison of the FRM with the detailed model shows negligible differences in performance after the FRM conversion. A validation using measured engine data however reveals that the FRM needs a minor recalibration to better match engine air flow and especially the mean firing pressure during combustion. The calculated exhaust pressure is still within a 5% error margin of the measured engine output. To reproduce the exhaust system dynamics of an MCE when running a research SCE without a turbocharger, these flow dynamics must be modelled somehow. By using the GTPiL system instead of the currently used Matlab turbocharger model relying on injected water for its calculations, the operator receives a more robust way of modelling the exhaust system phenomena, and the flexibility of e.g. virtually testing different turbochargers and engines with various cylinder amount.

På grund av de distinkta karaktärsdragen hos singel-cylinder motorer (SCE) gällande flödesdynamik, plattformsstruktur och använda supportsystem, kan en multi-cylinder motors (MCE) konventionella turboladdare inte installeras för tillvaratagande av avgasens kinetiska energi för att komprimera insugsluften. Syftet med denna avhandling var att kompensera för denna brist på turboladdare och nackdelarna med den för tillfället använda Matlab turboladdarmodellen, genom att skapa en utvidgad digital tvilling i form av en virtuell turboladdad MCE, vars beräknade avgastryck kan skickas till och användas av en forsknings-SCE genom parallell simulering i realtid. I denna avhandling gick denna utvidgade digitala tvilling under namnet GT-Power-in-the-Loop (GTPiL). En detaljerad, vevaxelupplöst en-dimensionell modell av en mediumvarvig och -stor motor reduceras till en snabb simuleringsmodell (FRM), använd som en svart box i en via Matlab initialiserad Simulinkmodell, som kommunicerar med SCE kontrollsystemet genom att använda Modbusprotokollet. Det grafiska användargränssnittet i Simulinkmodellen ger också operatören manuell kontroll över input till FRM om så önskas, och realtidsmonitorering av dess resultat. När mätningen av en testpunkt har gjortstriggar GTPiL systemet en såkallad ”Start-Stop” simulering, vilket är en offline simulering initialiserad av ett medeltal av mätpunktens sista 300 cyklar för FRMs input parametrar och som körs tills den nått ett stabilt läge, med syfte att spara FRMs resultat. En Excel makro triggas också i detta skede, för att formatera och visuellt presentera FRMs resultat i en Excel fil, som sparas tillsammans med andra resultatfiler genererade av GTPiL systemet i en testpunktsrelaterad mapp. En jämförelse mellan FRM och den detaljerade modellen visar försumbara skillnader i prestanda efter FRM konverteringen. En validering med riktig experimentdata visar dock att FRM är i behov av en småskalig omkalibrering för att bättre matcha luftflödet genom motorn samt speciellt det genomsnittliga maximala cylindertrycket under förbränning. Det beräknade avgastrycket hålls ändå inom en felmarginal på 5% jämfört med detta uppmätta experimentdata. För att avbilda dynamiken i avgassystemet hos en MCE när man kör en forsknings-SCE utan turboladdare, så måste denna flödesdynamik modelleras på något sätt. Genom att använda sig av GTPiL systemet istället för den för tillfället använda Matlab turboladdarmodellen som förlitar sig på injicerat vatten i sin kalkyl, kan operatören få ett mera pålitligt sätt för att modellera fenomenen i avgassystemet, och flexibiliteten för att exempelvis virtuellt testa olika turboladdare och motorer med varierande cylinderantal.