Design and Optimization of In-Cycle Closed-Loop Combustion Control with Multiple Injections
Författare
Summary, in Swedish
Ett samhälle med ökande behov av transporttjänster och stort behov av minskade växthusgasutsläpp måste bryta sitt beroende av fossila bränslen. Introduktionen av alternativa, elektrifierade, fordonsdrivlinor kräver tekniska lösningar och långsiktiga ekonomiska investeringar som inte finns än. Samtidigt ökar efterfrågan på förbränningsmotorbaserade drivlinor, eftersom de på ett tillförlitligt och ekonomiskt sätt kan leverera det mekaniska arbete som behövs för tunga transporter. Biobränslen spelar alltså en nyckelroll i ett hållbart transportsystem.
Allt hårdare utsläppslagstiftning ökar kraven på motorns styrsystem och kräver i sin tur fler och fler sensorer och ställdon. Ökad användning av biobränslen med varierande förbränningsegenskaper ställer ytterligare krav på styrsystem för att säkerställa låg bränsleförbrukning och hög driftsäkerhet. Avhandlingen behandlar analys, design, implementering och tillämpning av algoritmer för återkopplad dieselförbränningsreglering. Genom mätning av trycket i motorns cylindrar kan förbränningens övervakas snabbt nog för att styra flera bränsleinsprutningar i en och samma cykel. Detta koncept benämns "in-cycle closed-loop combustion control" vilket kan översättas med "återkopplad styrning under pågående förbränning". Pilot- och huvudinsprutning av bränsle analyseras och beräknas inom nanosekunder och sker baserat på det uppmätta cylindertrycket i en FPGA (Field Programmable Gate Array).
Vid små pilotbränslemängder måste bränsleinsprutarna aktiveras under kort tid vilket leder till stor osäkerhet i mängden bränsle som sprutas in. Samspelet mellan pilotinsprutning och huvudinsprutning studeras i avhandlingen och en strategi för hur huvudinsprutningen kan justeras för att kompensera för t.ex. utebliven pilotinsprutning beskrivs. En virtuell pilotbränslemängdssensor baserad på tryckmätningen anger bränslemängden med en noggrannhet på ±0.5mg. En prediktiv modell utvecklades för de fall då tidsfördröjningen var för stor.
I avhandlingen jämförs direkta och indirekta metoder för att minimera bränsle-förbrukningen genom återkopplad styrning under förbränningen. Direkta metoder innebär att bränsleinsprutningen och förbränningen styrs så att den beräknade bränsle-förbrukningen blir så låg som möjligt medan indirekta metoder försöker bibehålla förkalibrerade förbränningsegenskaper (t.ex. förbränningstidpunkt) som ger lägsta bränsle-förbrukning. Med direkta metoder uppnåddes en ökning av verkningsgraden med 0.42%enheter. En begränsande faktor var lineariseringen i regulatorn som var nödvändig för att hantera regleringen i FPGA. Den indirekta metoden ledde till minskad förbränningsvariation och höjde verkningsgraden samtidigt som samtliga hårdvaru- och utsläppsbegränsningar uppfylldes. Reglering i förbränningscykeln minskar känsligheten för pilotmisständning och verkningsgraden ökas med 0.6%enheter för motorlaster i mellanregistret och med 1.8%enheter för låga laster genom att förbränningstidpunkten styrs under förbränningen till sitt kalibrerade värde.
Hårdvarukraven för den typ av styrning som beskrivs i avhandlingen analyserades och ett verktyg för utvärdering av systemkostnaderna togs fram.
Allt hårdare utsläppslagstiftning ökar kraven på motorns styrsystem och kräver i sin tur fler och fler sensorer och ställdon. Ökad användning av biobränslen med varierande förbränningsegenskaper ställer ytterligare krav på styrsystem för att säkerställa låg bränsleförbrukning och hög driftsäkerhet. Avhandlingen behandlar analys, design, implementering och tillämpning av algoritmer för återkopplad dieselförbränningsreglering. Genom mätning av trycket i motorns cylindrar kan förbränningens övervakas snabbt nog för att styra flera bränsleinsprutningar i en och samma cykel. Detta koncept benämns "in-cycle closed-loop combustion control" vilket kan översättas med "återkopplad styrning under pågående förbränning". Pilot- och huvudinsprutning av bränsle analyseras och beräknas inom nanosekunder och sker baserat på det uppmätta cylindertrycket i en FPGA (Field Programmable Gate Array).
Vid små pilotbränslemängder måste bränsleinsprutarna aktiveras under kort tid vilket leder till stor osäkerhet i mängden bränsle som sprutas in. Samspelet mellan pilotinsprutning och huvudinsprutning studeras i avhandlingen och en strategi för hur huvudinsprutningen kan justeras för att kompensera för t.ex. utebliven pilotinsprutning beskrivs. En virtuell pilotbränslemängdssensor baserad på tryckmätningen anger bränslemängden med en noggrannhet på ±0.5mg. En prediktiv modell utvecklades för de fall då tidsfördröjningen var för stor.
I avhandlingen jämförs direkta och indirekta metoder för att minimera bränsle-förbrukningen genom återkopplad styrning under förbränningen. Direkta metoder innebär att bränsleinsprutningen och förbränningen styrs så att den beräknade bränsle-förbrukningen blir så låg som möjligt medan indirekta metoder försöker bibehålla förkalibrerade förbränningsegenskaper (t.ex. förbränningstidpunkt) som ger lägsta bränsle-förbrukning. Med direkta metoder uppnåddes en ökning av verkningsgraden med 0.42%enheter. En begränsande faktor var lineariseringen i regulatorn som var nödvändig för att hantera regleringen i FPGA. Den indirekta metoden ledde till minskad förbränningsvariation och höjde verkningsgraden samtidigt som samtliga hårdvaru- och utsläppsbegränsningar uppfylldes. Reglering i förbränningscykeln minskar känsligheten för pilotmisständning och verkningsgraden ökas med 0.6%enheter för motorlaster i mellanregistret och med 1.8%enheter för låga laster genom att förbränningstidpunkten styrs under förbränningen till sitt kalibrerade värde.
Hårdvarukraven för den typ av styrning som beskrivs i avhandlingen analyserades och ett verktyg för utvärdering av systemkostnaderna togs fram.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2021-04-20
Språk
Engelska
Fulltext
- Available as PDF - 11 MB
- Download statistics
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
LTH, Lund University
Ämne
- Energy Engineering
Nyckelord
- Diesel Combustion
- Pilot-Main Injection
- Pilot Mass Estimation
- Cylinder Volume Estimation
- Bayesian Estimation
- In-Cycle Combustion Controllability
- In-Cycle Combustion Control
- Model Predictive Combustion Control
- Stochastic Combustion Optimization
- Hardware Quantification
Status
Published
Projekt
- Closed-Loop Diesel Control - Part 2
- Closed Loop Diesel Control part 3
Handledare
- Ola Stenlåås
- Per Tunestål
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7895-828-3
- ISBN: 978-91-7895-827-6
Försvarsdatum
14 maj 2021
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture hall KC:A, Kemicentrum, Naturvetarvägen 14, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund.
Opponent
- Ming Zheng (Prof.)