The HCCI Engine – High Load Performance and Control Aspects

Abstract

Current combustion engines provide excellent performance for vehicle propulsion and power generation. However, recent demands from society ask for higher efficiencies and lower emissions. These requirements are hard to meet with current technology and call for new solutions.



Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI, offers a potential to combine high efficiency with very low emissions. It operates with high compression ratio and without throttling, thus avoiding some sources of efficiency penalties of the spark ignited engine. Due to the usage of compression ignition, premixed and very lean, or diluted, mixtures can be used. Highly diluted mixtures keep the combustion temperature low and minimize production of Oxides of Nitrogen, NOX. On the other hand, the diluted operation causes lower power density as well as higher emissions of Unburned Hydrocarbons, HC. The HC can be oxidized in a catalyst, but lower the combustion efficiency and thus also the brake thermal efficiency. Compression ignition of a premixed charge is also very challenging from a controls perspective: there is no direct means of controlling the onset of combustion.The results presented in this thesis are mainly based on experiments. These are performed on two different truck size Diesel engines and one passenger-car size engine, converted to HCCI. For the diesel engines the displacement volume is between 1.5 and 2 l/cylinder and the speed ranges from 1000 to 2000 rpm. Double fuel systems are used, providing one fuel that is easy to ignite and one fuel more reluctant to auto ignition. By adjusting the ratio between the two fuels, the onset of combustion is controlled. The fuels used are n-heptane, isooctane, ethanol, gasoline, natural gas and hydrogen; in all cases port injected. For the passenger-car size engine the displacement is only 0.3 l/cylinder and the tested speed range is 1000 to 5000 rpm. This engine uses fully blended gasoline RON92 and is controlled either by its variable compression ratio or by the mixing valves for heated and cool air.The thesis discusses operating domain, efficiency, emissions and control of HCCI engines. The HCCI process is compared to the existing processes for Spark Ignited, SI, engines and Direct Injected Compression Ignition, DICI, engines. It is shown that the HCCI process is somewhat closer to the ideal Otto cycle, compared to the other processes. The influences on efficiency of heat losses, friction, boost, compression ratio and combustion are discussed in comparison to SI and DICI engines. Emissions of NOX, HC and CO are also discussed. Different methods for characterizing and controlling the HCCI combustion are outlined and demonstrated.



The fundamental aspects of controlling the HCCI combustion are outlined and discussed. The real-time requirements are reviewed with respect to a controller implementation in a PC. Process characteristics are identified and compared for different operating points. Qualitative characterization as well as state of the art System Identification are applied. Two strategies of controller design are discussed and compared. Both the manually tuned PID controller and the more systematic method of LQG controller design are shown to give acceptable controller performance.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Förbränningsmotorer används på flera platser i samhället där energi behöver göras tillgänglig i form av mekaniskt arbete eller elektrisk energi. Den kanske mest kända tillämpningen är som kraftkälla i en personbil. Förbränningsmotorerna har givetvis ett antal fördelar som bidragit till deras popularitet och omfattande användning - lågt pris, kompakthet, driftsäkerhet och hyffsad verkningsgrad i omvandlingen av kemiskt bunden energi i bränslet till mekaniskt arbete. Tyvärr har den också nackdelar som blir allt tydligare, inte minst på grund av den höga användningen - avgaserna innehåller skadliga ämnen och bränsleanvändningen tär på ändliga tillgångar av fossila bränslen. Samhället ställer därför allt högre krav, både på renare avgaser och lägre bränsleförbrukning.



Det går inte att göra underverk i arbetet med att förbättra energiomvandlingen. Fysikaliska lagar sätter fundamentala begränsningar och praktiska hänsyn gör att verkliga motorer aldrig kan nå ända fram till vad som vore teoretiskt möjligt. Däremot leder den tekniska utvecklingen och den ökade förståelsen för de bakomliggande processerna till att förbränningsmotorn kommer allt närmre idealet.



HCCI, homogen kompressionsantändning, är en möjlig väg att närma sig den ideala motorn. Precis som i bensinmotorn förblandas bränsle och luft i insuget, men andelen luft är betydligt större i HCCI-motorn. Likheterna med dieselmotorn består i att luften inte stryps av något gasspjäll, kompressionsförhållandet är högt och luft-bränsleladdningen självantänder på grund av den höga temperaturen efter kompressionen. Likheterna med dieselmotorn gör att HCCI-motorn får ungefär samma verkningsgrad, i vissa fall till och med högre.



Den utspädda blandningen av bränsle och luft leder till att förbränningen sker under förhållandevis låg temperatur. På så vis undviks bildningen av både kväveoxider, NOX, och sot. Oförbrända rester av bränslet och kolmonoxid slipper tyvärr ur motorn, men dessa går relativt enkelt att oxidera till koldioxid och vatten med en oxidationskatalysator. På det här sättet kan dieselmotorns låga bränsleförbrukning kombineras med de rena avgaserna från en bensinmotor med trevägskatalysator.



Utmaningarna för HCCI består bland annat av att styra självantändningen så att den sker vid rätt tillfälle och att få ut tillräckligt högt moment ur motorn trots att luftandelen är så hög. Avhandlingen, ”The HCCI Engine – High Load Performance and Control Aspects”, handlar om just dessa problem. Möjligheten att nå höga moment med hjälp av turboöverladdning demonstreras praktiskt, men också problemen med pumpförluster i samband med detta. Den höga utspädningsgraden gör att väldigt mycket luft måste pumpas genom motorn för en viss uteffekt. Eftersom turboaggregatet i sig har förluster leder detta till att bränsleförbrukningen blir hög vid maxmoment då största mängden luft måste in i motorn. Simuleringar visar dock att tvåstegsöverladdning vore mycket fördelaktigt för HCCI. Kompressionen görs då i två steg med en kylning emellan. På det sättet begränsas luftens volym och arbetet som krävs för kompressionen minskas.



Vikten av återkopplad styrning av förbränningen är tydligt demonstrerad, särskilt för höga moment. Blandningen är då som minst utspädd och brinner väldigt snabbt. Felaktig tändvinkel kan då få mycket allvarliga konsekvenser i form av oljud, skador på motorn, hög kväveoxidbildning eller stora utsläpp av oförbränt bränsle. Genom att styra förbränningen så att antändningen sker vid korrekt vinkel kan motorn optimeras med avseende på avgasernas innehåll, maxmoment och bränsleförbrukning. Mätning av cylindertrycket har visat sig ge väldigt bra information om förbränningen och är därför mycket lämplig för återkoppling av regleringen. Metoden kräver förhållandevis mycket datakraft för analysen av det uppmätta trycket och mättakten är betydligt högre än i konventionella motorstyrsystem. Dessa problem är dock hanterbara.



Tyvärr är mätdata för återkoppling inte tillräckligt för bra reglering; det krävs en styrvariabel också, en ratt att vrida på. Eftersom bränsle och luft är förblandat går det inte, som i dieselmotorn, att påverka förbränningen genom att styra när insprutningen påbörjas. Något tändstift används inte heller, det har ingen effekt på så här utspädda blandningar. Istället måste förhållandena i insuget ställas in så att förbränningen spontant börjar vid rätt tillfälle. Detta kan göras på flera sätt, men i avhandlingen är det främst två metoder som behandlas: Luftens temperatur i insuget regleras med värmare och kylare, eller så styrs blandingsförhållandet mellan två bränslen med olika självantändningstemperatur. Båda metoderna fungerar bra, men temperaturstyrningen är effektivast för att erhålla den bästa förbränningen även vid mycket låga laster.

• author: Olsson, Jan-Ola
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Spicher, Ulrich, Institut für Kolbenmaschinen, Universität Karlsruhe
• organization: Combustion Engines
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Mechanical Engineering
• keywords: System Identification, Motors and propulsion systems, Motorer, framdrivningssystem, Real Time, Black-Box Model, LQG, Closed-Loop Control, Internal Combustion Engine, Emissions, EGR, Efficiency, HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition
• pages: 234 pages
• defense location: M:B in the M-building, Lund Institute of Technology
• defense date: 2004-02-27 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN:LUTMDN /TMHP--04/1019--SE
• ISBN: 91-628-5951-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: "Experiments and Simulation of a Six-Cylinder Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine.", Olsson, J-O, Erlandsson, O. and Johansson, B., SAE Technical Paper 2000-01-2867, 2000 Article: "Closed-Loop Control of an HCCI Engine.", Olsson, J-O, Tunestål, P. and Johansson, B., SAE Technical Paper 2001-01-1031, 2001 Article: "A Turbo Charged Dual Fuel HCCI Engine.", Olsson, J-O, Tunestål, P., Haraldsson, G. and Johansson, B., SAE Technical Paper 2001-01-1896, 2001 Article: "Compression Ratio Influence on Maximum Load of a Natural Gas HCCI Engine", Olsson, J-O, Tunestål, P., Johansson, B., Fiveland, S., Agama, J. R. and Assanis, D. N., SAE Technical Paper 2002-01-0111, 2002 Article: "The Effect of Cooled EGR on Emissions and Performance of a Turbocharged HCCI Engine", Olsson, J-O, Tunestål, P, Ulfvik, J and Johansson, B, SAE Technical Paper 2003-01-0743 Article: "Closed Loop Combustion Control – the Key to High Load HCCI", Olsson, J-O, Tunestål, P and Johansson, B, 5:th International Congress, Gasoline Direct Injection Engines, Conference No. E-H030-07-005-3, 2003 Article: "Boosting for High Load HCCI", Olsson, J-O, Tunestål, P and Johansson, B, SAE Technical Paper 2004-01-0940, accepted for publication at SAE World Congress 2004 Article: "Closed-Loop System Identification of an HCCI Engine", Olsson, J-O, Pfeiffer, R, Tunestål, P, Johansson, R and Johansson, B, submitted and accepted to IFAC AAC04, 2004 Article: "System Identification and LQG Control of Variable-Compression HCCI Engine Dynamics", Pfeiffer, R, Haraldsson, G, Olsson, J-O, Tunestål, P, Johansson, R, Johansson, B, draft submitted to IEEE Conference on Control Applications, Taipei Taiwan, September 2-4 2004
• id: 701bfb0f-e798-4d4c-aef5-432684e6317a (old id 466723)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:33:07
• date last changed: 2018-11-21 20:42:18