Advanced

Turbo Charged Low Temperature Combustion - Experiments, Modeling and Control

Aulin, Hans LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ekonomin och välfärden är starkt beroende av tillförlitlig transport och energiförsörjningsteknologi. En stor del av denna teknik bygger på användandet av förbränningsmotorer. Då dessa till antalet är så stort utgör de tillsammans en stor miljöbelastning. Därför måste det läggas stora resurser på förbättrad motorstyrning och avgasrening.



En av restprodukterna från förbränningsmotorer är koldioxid. Denna är en växthusgas som fått stor medial uppmärksamhet pga dess inverkan på den globala uppvärmningen. Baserat på detta och sinande oljekällor måste åtgärder vidtas för att minska bränsleförbrukningen.



HCCI- och PPC- förbränning är båda förbränningskoncept som,... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ekonomin och välfärden är starkt beroende av tillförlitlig transport och energiförsörjningsteknologi. En stor del av denna teknik bygger på användandet av förbränningsmotorer. Då dessa till antalet är så stort utgör de tillsammans en stor miljöbelastning. Därför måste det läggas stora resurser på förbättrad motorstyrning och avgasrening.



En av restprodukterna från förbränningsmotorer är koldioxid. Denna är en växthusgas som fått stor medial uppmärksamhet pga dess inverkan på den globala uppvärmningen. Baserat på detta och sinande oljekällor måste åtgärder vidtas för att minska bränsleförbrukningen.



HCCI- och PPC- förbränning är båda förbränningskoncept som, om de styrs på rätt sätt, kan ge låg bränsleförbrukning samtidigt med renare utsläpp. Troligen kommer förbränningen i morgondagens motorer att gå till på detta sätt. Men vad är det som skiljer motorer med denna typ av förbränning från en vanlig diesel motor? Mycket är likt, de arbetar alla enligt samma princip med de fyra takterna insug, kompression, expansion och avgas. Bränslet självantänds av den höga temperatur som uppstår under kompressionen. Den största skillnaden mellan de olika koncepten är tidpunkten då bränslet sprutas in i cylindrarna. I en dieselmotor sprutas bränslet in när förbränningen skall starta. I PPC-motorer sprutas bränslet in något tidigare och för HCCI motorer sprutas det in mycket tidigare under själva insugs takten. Detta innebär att man för PPC och HCCI får en tändfördröjning. Detta är önskvärt då det ger en jämnare Temperaturfördelning under förbränningen vilket har en positiv inverkan på utsläppen.



Svårigheterna med dessa två koncept är att de är svåra att styra så att självantändningen uppstår vid önskad tidpunkt. Denna tidpunkt som ofta benämns förbränningsfasningen bör inträffa några få rotationsgrader efter att kolven har passerat sitt övre vändläge.



Ett viktigt hjälpmedel är en sensor som känner av förbränningsfasningen. Sensorns signal övervakas kontinuerligt av en dator. Baserat på hur signalen beter sig styr datorn ut lämliga åtgärder som korrigerar insprutningstidpunkt, bränslemängd, spjällägen etc. Styr datorn fel kan motorn antingen misstända eller i värsta fall förstöras.



En stor del av detta arbete handlar om hur denna styrning ska ske för att HCCI- och PPC-motorer ska ge den bästa kompromissen mellan prestanda, bränsleförbrukning och utsläpp. För att lyckas med styrningen har matematiska motormodeller utvecklats. Dessa ökar förståelsen av hur motorerna beter sig. Modellerna har gjort det möjligt att utforma framkopplings- och återkopplingsstrukturer. En modell av motorn beskriver hur motorn beter sig när man styr den på ett visst sätt. För framkopplingen vänder man på modellen och får alltså svaret på hur man ska styra motorn för att den ska bete sig på ett visst sätt. Återkopplingen kompenserar för felaktigheter i framkopplingen genom att jämföra det verkliga beteendet med det önskade beteendet och korrigera så att de stämmer överens.



Flertalet olika förbränningssensorer kan användas till återkopplingen. Det första alternativet är tryckgivare som sitter monterade i varje cylinder. Dessa känner av varje förbränning med stor noggrannhet. Tryckgivare är det klart dyraste alternativet men också bäst.



Ett annat alternativ är jonströmssensorn. Denna mäter mängden joner som bildas när förbränningen sker. Genom att lägga en elektrisk spänning över ett elektrodgap i cylindern uppstår en ström under förbränningen som kan mätas. Strömmens utseende beror på hur förbränningen går. För att kunna använda jonströmmen även vid låg belastning på motorn, då jonströmmen är mycket svag, utvecklades ett filter för att kunna undertrycka bruset. Detta gav förbättringar men det var inte möjligt att nå ända ner till tomgång.



Den sista sensorn är en väldigt precis momentsensor som sitter monterad mellan utgående axel från motorn och svänghjulet. Ekvationer togs fram som gjorde det möjligt att med hjälp av momentmätningar kunna räkna ut vad som händer i varje cylinder. Resultaten från dessa experiment visade att även denna typ av sensor skulle kunna ersätta tryckgivaren, men det behövs mer prov för att kunna vara riktigt säker.



Sammanfattningen är att renare förbränningsmotorer går att få fram. Styrmässigt är dock HCCI avsevärt mycket svårare jämfört med PPC, Mycket på grund av den långa tändfördröjningen. På grund av utmaningarna med HCCI ligger konceptet fortfarande långt fram i tiden innan det kommer i produktion. Bensin-PPC däremot har större potential och kommer troligen att finnas i produktion inom 5 till 10 år. Det är också troligt att antingen tryckgivare eller jonströmssensorer kommer att användas för återkopplingen av förbränningsfasningen. (Less)
Abstract
Both the global economy and the society in general are dependent on the availability of reliable transportation. Most transportation technology involves the use of internal combustion engines in one way or another. Because of the large numbers of internal combustion engines in use around the world, their emissions have a significant environmental impact. Therefore, considerable efforts have been invested into developing more sophisticated engine control systems and improving engine combustion behavior and post-treatment systems. These efforts have resulted in significant reductions in NOx, CO, HC, and particulate matter emissions and further improvements can be expected. Emissions of the green house gas CO2 were once unregulated, but has... (More)
Both the global economy and the society in general are dependent on the availability of reliable transportation. Most transportation technology involves the use of internal combustion engines in one way or another. Because of the large numbers of internal combustion engines in use around the world, their emissions have a significant environmental impact. Therefore, considerable efforts have been invested into developing more sophisticated engine control systems and improving engine combustion behavior and post-treatment systems. These efforts have resulted in significant reductions in NOx, CO, HC, and particulate matter emissions and further improvements can be expected. Emissions of the green house gas CO2 were once unregulated, but has recently become the focus of considerable attention because of its role in global warming. The formation of CO2 in an internal combustion engine is directly dependant on its efficiency. This, together with the fact that the Earth's oil resources are finite and rapidly diminishing, means that there remains a need for improvements in engine efficiency. Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Partially Premixed Combustion (PPC) are “low-temperature” combustion techniques that can, if implemented correctly, allow for the development of engines with improved efficiency and low emissions of particulate matter and NOx.



The objective of the work described in this thesis was to obtain insights into how these low temperature combustion processes can be controlled so as to achieve a high degree of combustion stability, low noise, and reliable transient performance. A set of control-oriented models of HCCI engines were developed. These models capture the engines dynamic behavior and have been used to design controllers that were tested on a real Turbo Negative Valve Overlap (NVO) HCCI Engine. Engines using these controllers exhibited improved transient performance compared to engines using a more conventional controller design.



A number of difficulties relating to load range and controllability were encountered in the studies on HCCI engines; it was suggested that PPC engines might suffer less from these problems. PPC represents a significant advance on HCCI in terms of controllability. However, in order to satisfy modern emissions criteria, it is necessary to operate PPC engines with extensive Exhaust Gas Recirculation (EGR). This presents some challenges relating to excessive rates of pressure increase during transient load increases. This problem was solved using a dual-injection strategy and model-based control.



Low-load PPC operation is difficult with high octane fuels. Various methods for extending the load tolerated by PPC were proposed; some, such as switching to SI mode, were evaluated experimentally. To the best of the author's knowledge, these experiments were the first instances in which the mode of operation of an active engine was changed from SI to PPC and back.



In both PPC and HCCI, combustion is highly sensitive to environmental conditions. Some of these are not easy to measure or understand with sufficient accuracy to predict their impact. Some kind of combustion event feedback is therefore necessary. To this end, piezo-electric pressure sensors, an ion current sensor and a high precision torque sensor were evaluated as feedback sensors that could potentially provide this data.



The piezo-electric pressure transducer was found to be superior to the alternatives. Its readings are precise and provide accurate feedback on combustion timing. The ion current sensor was found to be a useful alternative at high and intermediate loads; unfortunately, at low loads, the signal-to-noise of the ion current signal is poor. An algorithm was proposed to improve the detection of the ion current, and was somewhat successful. Using a novel technique, data from the torque sensor was used in conjunction with combustion and black box models to obtain information on the combustion phasing. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Stobart , Richard, Loughborough University, United Kingdom
organization
alternative title
Turboladdad Lågtemperatur Förbränning - Experiment, Modellering och Reglering
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
HCCI, PPC, CAI, NVO, low temperature combustion, torductor, ion current, control, modeling, combustion feedback, sensors
pages
137 pages
publisher
Tryckeriet i E-huset, Lunds universitet
defense location
Auditorium M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2011-04-20 10:15
ISSN
0282-1990
ISBN
978-91-628-8274-7
language
English
LU publication?
yes
id
1cc6ed21-5999-43b0-9943-aabf137cfccf (old id 1858443)
date added to LUP
2011-03-25 08:39:54
date last changed
2016-09-19 08:44:48
@phdthesis{1cc6ed21-5999-43b0-9943-aabf137cfccf,
  abstract     = {Both the global economy and the society in general are dependent on the availability of reliable transportation. Most transportation technology involves the use of internal combustion engines in one way or another. Because of the large numbers of internal combustion engines in use around the world, their emissions have a significant environmental impact. Therefore, considerable efforts have been invested into developing more sophisticated engine control systems and improving engine combustion behavior and post-treatment systems. These efforts have resulted in significant reductions in NOx, CO, HC, and particulate matter emissions and further improvements can be expected. Emissions of the green house gas CO2 were once unregulated, but has recently become the focus of considerable attention because of its role in global warming. The formation of CO2 in an internal combustion engine is directly dependant on its efficiency. This, together with the fact that the Earth's oil resources are finite and rapidly diminishing, means that there remains a need for improvements in engine efficiency. Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Partially Premixed Combustion (PPC) are “low-temperature” combustion techniques that can, if implemented correctly, allow for the development of engines with improved efficiency and low emissions of particulate matter and NOx. <br/><br>
<br/><br>
The objective of the work described in this thesis was to obtain insights into how these low temperature combustion processes can be controlled so as to achieve a high degree of combustion stability, low noise, and reliable transient performance. A set of control-oriented models of HCCI engines were developed. These models capture the engines dynamic behavior and have been used to design controllers that were tested on a real Turbo Negative Valve Overlap (NVO) HCCI Engine. Engines using these controllers exhibited improved transient performance compared to engines using a more conventional controller design.<br/><br>
<br/><br>
A number of difficulties relating to load range and controllability were encountered in the studies on HCCI engines; it was suggested that PPC engines might suffer less from these problems. PPC represents a significant advance on HCCI in terms of controllability. However, in order to satisfy modern emissions criteria, it is necessary to operate PPC engines with extensive Exhaust Gas Recirculation (EGR). This presents some challenges relating to excessive rates of pressure increase during transient load increases. This problem was solved using a dual-injection strategy and model-based control.<br/><br>
<br/><br>
Low-load PPC operation is difficult with high octane fuels. Various methods for extending the load tolerated by PPC were proposed; some, such as switching to SI mode, were evaluated experimentally. To the best of the author's knowledge, these experiments were the first instances in which the mode of operation of an active engine was changed from SI to PPC and back. <br/><br>
<br/><br>
In both PPC and HCCI, combustion is highly sensitive to environmental conditions. Some of these are not easy to measure or understand with sufficient accuracy to predict their impact. Some kind of combustion event feedback is therefore necessary. To this end, piezo-electric pressure sensors, an ion current sensor and a high precision torque sensor were evaluated as feedback sensors that could potentially provide this data. <br/><br>
<br/><br>
The piezo-electric pressure transducer was found to be superior to the alternatives. Its readings are precise and provide accurate feedback on combustion timing. The ion current sensor was found to be a useful alternative at high and intermediate loads; unfortunately, at low loads, the signal-to-noise of the ion current signal is poor. An algorithm was proposed to improve the detection of the ion current, and was somewhat successful. Using a novel technique, data from the torque sensor was used in conjunction with combustion and black box models to obtain information on the combustion phasing.},
  author       = {Aulin, Hans},
  isbn         = {978-91-628-8274-7},
  issn         = {0282-1990},
  keyword      = {HCCI,PPC,CAI,NVO,low temperature combustion,torductor,ion current,control,modeling,combustion feedback,sensors},
  language     = {eng},
  pages        = {137},
  publisher    = {Tryckeriet i E-huset, Lunds universitet},
  school       = {Lund University},
  title        = {Turbo Charged Low Temperature Combustion - Experiments, Modeling and Control},
  year         = {2011},
}