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Model-based control of a turbocharged diesel engine with high- and low-pressure exhaust gas recirculation

Mrosek, Matthias :
Model-based control of a turbocharged diesel engine with high- and low-pressure exhaust gas recirculation.
VDI Verlag, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Model-based control of a turbocharged diesel engine with high- and low-pressure exhaust gas recirculation
Language: English
Abstract:

Modern Diesel engines fulfil challenging requirements for emission limits, fuel consumption and ride comfort by numerous modular combinable components and mechatronical actuators. These components are utilised for precondition and aftertreatment of air, fuel and exhaust gas, which is involved in the combustion process. In this dissertation a methodology for a model-based function development with semi-physical engine models for control of air path quantities of an exemplary Diesel engine with high-pressure (HP-EGR) and low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) is developed. In this framework for function development black-box models for stationary and dynamical emission formation are utilised to optimise reference values for the air path control and to rate the developed control scheme with regard to the cumulated driving cycle emissions of the new European driving cycle (NEDC).

A combination of HP-EGR and LP-EGR represents a novel approach to significantly lower the particulate and NOx emissions of Diesel engines. A semi-physical mean value engine model with lumped parameters is the base to analyse the system properties of the complex air path. In doing so, the additional LP-EGR shows only minor influences to the quantities charge air pressure and HP-EGR, while there are significant influences of these quantities on the LP-EGR mass flow rate. Furthermore, the LP-EGR is characterised by significant gas propagation times in the intake and exhaust system. These delays are modelled by a gas composition model, which is incorporated into the control scheme.

NOx and particulate emissions as well as engine torque are stationary modelled by local polynomial models with input quantities of the combustion process. These quantities are air mass flow rate, charge air pressure, intake temperature and crank angle of 50% mass fraction burned. A bilinear interpolation between engine speed and injection quantity transforms local polynomial models into global models. Models for the dynamical emission formation are given by considering the combustion as a batch process. Consequently all dynamics are included in the quantities of the cylinder charge at intake valve closing and the emission measurement dynamics. Thus, a combination of a dynamical gas composition model, stationary emission models and models for the emission measurement dynamics yield the dynamical course of the engine emissions.

The investigated system properties and the emission models deliver the control variables charge air pressure, air content and intake temperature for the engine with VGT-turbocharger, HP- and LP-EGR. A stationary optimisation with regard to emissions and engine torque delivers reference values for the air path control and further shows the potential of the LP-EGR to lower the emissions. Due to the multi-variable characteristics of the air path with different dynamics, there are increased dynamical emissions at engine transients. These dynamical emissions are lowered by dynamical optimised reference values for the air path control.

Generally, the air path is a strongly nonlinear process and the multitude of engine variants and engine operation modes result in a trade-off between achievable control quality, control robustness and number of control parameter sets. A semi-physical feedforward control, which is based upon parameterised model relationships of the mean value engine model delivers a good response to setpoint changes. Thus, the disturbance rejection can be achieved by relatively simple controllers. This results in an significantly lower application effort of control parameters and allows by its modular structure to exchange engine components without the drawback to completely re-parameterise the control parameters. A reference value transformation with modelled states of the gas composition model compensates long gas propagation times in the intake and exhaust system and delivers an optimal air content in the cylinder charge. All control concepts are validated with measurements at the engine test bench. Finally, the derived control concepts for the LP-EGR are compared to the classical HP-EGR control with regard to the cumulated driving cycle emissions. In this investigation the proportion of stationary and dynamical emissions is clearly quantified.

In a nutshell this dissertation is an important contribution for model-based optimisation and function development for the air path control of Diesel engines. The given combination of models for dynamical emission formation, dynamically optimised reference values for the air path control and semi-physical control design are a holistic framework to master the complexity and variance of future Diesel and gasoline engines.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Moderne Dieselmotoren erfüllen die hohen Anforderungen bezüglich Emissionen, Verbrauch und Fahrkomfort durch eine Vielzahl von modular kombinierbaren Bauteilen und mechatronischen Aktoren zur Vor- und Nachbehandlung der am Verbrennungsprozess beteiligten Stoffe Frischluft, Kraftstoff und Abgas. In dieser Dissertation wird am Beispielprozess eines aufgeladenen Dieselmotors mit Hoch- (HD-AGR) und Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) eine Methodik zur modularen modellbasierten Funktionsentwicklung für die Luftpfadregelung mit semi-physikalischen Modellen entwickelt. Black-Box-Modelle für die stationären und dynamischen Emissionen werden zur Optimierung der Sollwerte für die Luftpfadregelung und zur Bewertung des entwickelten Regelungskonzepts anhand der kumulierten Emissionen des neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) verwendet. Eine Kombination von Hoch- und Niederdruck-Abgasrückführung ist ein neuer Ansatz, die Ruß- und Stickoxidemissionen von Dieselmotoren erheblich zu verringern. Ausgehend von einer semi-physikalischen Modellierung des Luft- und Abgaspfades mit konzentrierten Parametern werden die Systemeigenschaften des komplexen Luftpfades untersucht. Dabei zeigt das ND-AGR-System geringen Einfluss auf Ladedruck und HD-AGR, während selbige den ND-AGR-Massenstrom stark beeinflussen. Weiterhin kann die ND-AGR durch lange Gaslaufzeiten im Einlass- und Abgassystem charakterisiert werden. Diese Laufzeiten werden durch ein Gaszusammensetzungsmodell abgebildet und später in den Regelungsentwurf integriert. Die Emissionen NOx, Ruß und das Motordrehmoment werden stationär mit lokalen Polynomen mit den Eingangsgrößen Luftmasse, Ladedruck, Ladungstemperatur und Schwerpunktlage der Verbrennung modelliert. Eine bilineare Interpolation der lokalen Polynome über Motordrehzahl und Einspritzmenge liefert stationäre globale Emissionsmodelle. Betrachtet man die Verbrennung als Chargenprozess, so ergibt sich der dynamisch messbare Verlauf der Emissionen durch die dynamische Beschreibung der Zylinderfüllung beim Schließen der Einlassventile und der Messdynamik der Emissionsmessung. Durch die Kombination des Gaszusammensetzungsmodells, der stationären Emissionsmodelle und Modellen für die Messdynamik wird der dynamische Emissionsverlauf simuliert. Aus den Systemeigenschaften und den Emissionsmodellen werden Ladedruck, Gaszusammensetzung und Einlasstemperatur als Regelgrößen für den Luftpfad mit Turbolader, HD- und ND-AGR ausgewählt. Eine stationäre Optimierung bezüglich der Emissionen und des Motordrehmoments liefert die Sollwerte für die Regelung und zeigt im Vergleich mit der HD-AGR Serienkonfiguration das Potential der ND-AGR zur Verringerung der Emissionen. Durch die unterschiedlichen Dynamiken der Regelgrößen im Luftpfad kommt es bei Arbeitspunktwechseln zu erhöhten Emissionen. Dieses Verhalten wird durch eine dynamische Optimierung der Sollwerte der Luftpfadregelung kompensiert. Der Luftpfad ist ein stark nichtlinearer Prozess und die Vielzahl von Motorvarianten und Motorbetriebsmodi führt zu einem Zielkonflikt zwischen erreichbarer Regelgüte, Robustheit der Regelung und der dazu notwendigen Anzahl von Reglerparametersätzen. Der Einsatz einer semi-physikalischen Vorsteuerung basierend auf den parametrierten Modellgleichungen des Luftpfadmodells liefert ein sehr gutes Führungsverhalten, während das Störverhalten durch einfache Regler kompensiert werden kann. Dies verringert den Applikationsaufwand und erlaubt durch den modularen Aufbau den Austausch einzelner Motorbauteile, ohne den Nachteil einer Neuparametrierung aller Reglerkennfelder. Eine Sollwerttransformation mit modellierten Zuständen des Gaszusammensetzungsmodells kompensiert die langen Gaslaufzeiten im Einlass- und Auslasssystem des Motors und sorgt für eine optimale Gaszusammensetzung der Zylinderfüllung. Alle Regelungskonzepte werden mit Messdaten vom Motorprüfstand validiert. Abschließend werden die entwickelten Regelungskonzepte für die ND-AGR mit der klassischen Regelung einer HD-AGR anhand der kumulierten Zyklusemissionen während des NEFZ verglichen. In dieser Betrachtung wird für alle Regelungskonzepte der Anteil von dynamischen Emissionen und stationären Emissionen quantifiziert. Zusammenfassend leistet diese Dissertation einen wichtigen Beitrag zur modellbasierten Optimierung und Funktionsentwicklung der Luftpfadregelung von Dieselmotoren. Die Kombination von dynamischen Emissionsmodellen, einer dynamischen Optimierung der Sollwerte für die Luftpfadregelung und der semi-physikalische Regelungsentwurf stellen ein ganzheitliches Vorgehen zur Beherrschung der Komplexität und Varianz von zukünftigen Diesel- und Ottomotoren dar.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: VDI Verlag
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
Date Deposited: 20 Nov 2017 09:02
Last Modified: 04 Dec 2017 09:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69600
Additional Information:

Druckausg.: Mrosek, M.: Model-based control of a turbocharged diesel engine with high- and low-pressure exhaust gas recirculation. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr. 803. Düsseldorf: VDI-Verlag 2017. ISBN 978-3-18-380312-5, ISSN 0178-9449

Additional Information:

Druckausg.: Mrosek, M.: Model-based control of a turbocharged diesel engine with high- and low-pressure exhaust gas recirculation. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr. 803. Düsseldorf: VDI-Verlag 2017. ISBN 978-3-18-380312-5, ISSN 0178-9449

Referees: Isermann, Prof. Dr. Rolf and Konigorski, Prof. Dr. Ulrich
Refereed: 24 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6960
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