40 research outputs found

    In-cylinder pressure resonance analysis for trapped mass estimation in automotive engines

    Full text link
    This thesis presents a new application for in-cylinder pressure sensors in internal combustion engines. The new method takes profit of the high-frequency content of the in-cylinder pressure signal to determine the speed of sound evolution during the expansion stroke and combines this estimation with the low-frequency content of the pressure signal and a volume estimation to obtain a measurement of the trapped mass. The new method is based on the studies of the resonance phenomenon in pent-roof combustion chambers and proposes three calibration procedures to determine the resonant frequency evolution when bowl-in-piston geometries are considered. The Fourier transform has been modified in order to include harmonics with frequency variations, which allows a rapid identification of the resonant modes with no need of time-frequency analysis, e.g. STFT or WD. The main limitation of the method resides in the resonance excitation, which may be insufficient in low-load conditions, such as idle. An observer is presented to overcome that problem. The observer takes into account the dynamics of the sensors, the dynamics at the intake manifold, and combines current flow sensors with intermittent measurements, such as the trapped mass obtained by the resonance method, to provide the system with accurate and robust measurements of the trapped mass, the EGR, and the composition at the exhaust. The trapped mass obtained by the resonance method has been compared with auxiliary methods in various experimental facilities: in a SI engine, where no EGR exist, the differences founded were below 1%, in a conventional CI light-duty engine the average of the differences over 808 operating conditions accounted for a 2.64 %, in a research heavy-duty RCCI engine, with EGR, port fuel gasoline, and direct diesel injections, the average difference was 2.17 %, and in a research two-strokes single cylinder engine, where significant short-circuit and residual gases exist, the differences founded were 4.36 %. In all the studied cases the differences founded with the reference estimation can be attributed to the auxiliary method employed and its expected error. In order to demonstrate the potential of the resonance method four applications for control and diagnosis of internal combustion engines have been proposed: the estimation of residuals in engines with NVO, the prediction of knock in SI engines, the estimation of the exhaust gases temperature, and a NOx model for CI engines. In the four applications the method was compared with current methodologies and with additional sensors, demonstrating the improvement in accuracy and a cycle-to-cycle resolution.Esta tesis presenta una nueva aplicación para los sensores de presión en cámara. El nuevo método utiliza el contenido de alta frecuencia de la señal de presión en cámara para estimar la evolución de la velocidad del sonido durante la expansión de los gases de escape y combina esta estimación con el contenido de baja frecuencia de la presión en cámara y el volumen instantáneo de la cámara para obtener una medida de la masa atrapada. El nuevo método está basado en los estudios de la resonancia en cámaras de combustión cilíndricas y propone tres procedimientos de calibración para estimar la evolución de la frecuencia de resonancia en cámaras de combustión con bowl. La transformada de Fourier ha sido modificada para considerar harmónicos con frecuencias que varían en el tiempo, lo que permite una rápida identificación de los modos de resonancia sin necesidad de utilizar un análisis en tiempo frecuencia, como por ejemplo STFT o WD. La principal limitación del método es la necesidad de excitación suficiente de la resonancia, que puede impedir su uso en condiciones de baja carga como el ralentí. Para solventar este problema se ha diseñado un observador. El observador incluye las dinámicas de los sensores, las dinámicas del colector de admisión, y combina los sensores actuales de flujo con medidas intermitentes (como la medida ofrecida por el nuevo método de la resonancia) para obtener medidas de la masa atrapada, del EGR y de la composición en el escape precisas y robustas. La medida de la masa atrapada obtenida por el método de la resonancia ha sido comparado con métodos auxiliares en diferentes instalaciones experimentales: en un motor SI, sin EGR, las diferencias con los sensores eran menores del 1%, en un motor convencional CI la media de las diferencias sobre 808 puntos de operación distintos ha sido de 2.64 %, en un motor de investigación con EGR, con inyección gasolina en el colector e inyección directa de diesel, las diferencias fueron de 2.17 %, y en un motor de investigación de dos tiempos, donde existían grandes cantidades de corto-circuito y gases residuales, las diferencias fueron de 4.36 %. En todos los casos estudiados las diferencias encontradas pueden ser atribuidas a los errores que caracterizan los métodos auxiliares utilizados para obtener la medida de referencia. Finalmente, para demostrar el potencial del método se han desarrollado cuatro aplicaciones para control y diagnóstico de motores de combustión interna alternativos: la estimación de gases residuales en motores con NVO, la predicción de knock en motores SI, la estimación de la temperatura de los gases de escape, y un modelo de NOx para motores CI. En las cuatro aplicaciones el método ha sido comparado con los sistemas de medidas actuales y con sensores adicionales, demostrando mejoras importantes en la precisión de la medida y una resolución de un solo ciclo.Aquesta tesi presenta una nova aplicació per als sensors de pressió en cambra. El nou mètode utilitza el contingut d'alta freqüència del senyal de pressió en cambra per estimar l'evolució de la velocitat del so durant l'expansió dels gasos d'eixida i combina aquesta estimació amb el contingut de baixa freqüència de la pressió en cambra i el volum instantani de la cambra per obtenir una mesura de la massa atrapada. El nou mètode està desenvolupat dels estudis de la ressonància en cambres de combustió cilíndriques i proposa tres procediments de calibratge per estimar l'evolució de la freqüència de ressonància en cambres de combustió amb bowl. La transformada de Fourier ha sigut modificada per considerar harmònics amb freqüències que varien en el temps, el que permet una ràpida identificació dels modes de ressonància sense necessitat d'utilitzar una anàlisi en temps-freqüència, com per exemple la STFT o la WD. La principal limitació del mètode és la necessitat d'excitació suficient de la ressonància, que pot impedir el seu ús en condicions de baixa càrrega, com al ralentí. Per solucionar aquest problema s'ha desenvolupat un observador. L'observador inclou les dinàmiques dels sensors, les dinàmiques del col·lector d'admissió, i combina els sensors actuals de flux amb mesures intermitents (com l'obtinguda pel nou mètode de la ressonància) per obtenir mesures de la massa atrapada, del EGR i de la composició d'eixida precises i robustes. La mesura de la massa atrapada obtinguda pel mètode de la ressonància ha sigut comparada en mètodes auxiliars en diferents instal·lacions experimentals: a un motor SI, sense EGR, les diferencies amb els sensors estaven per davall de l'1 %, a un motor convencional CI la mitja de les diferències sobre 808 punts d'operació diferents ha sigut de 2.64 %, a un motor d'investigació, en EGR, en injecció gasolina en el col·lector i injecció directa de dièsel, les diferències van ser de 2.17 %, i a un motor d'investigació de dos temps, on existien grans quantitats de curtcircuit i residuals, les diferencies foren de 4.36 %. En tots els casos estudiats les diferències trobades poden ser atribuïdes als errors que caracteritzen els mètodes auxiliars utilitzats per obtenir la mesura de referència. Finalment, per demostrar el potencial del mètode s'han desenvolupat quatre aplicacions per al control i diagnòstic de motors de combustió interna alternatius: l'estimació de gasos residuals en motors amb NVO, la predicció de knock en motors SI, l'estimació de la temperatura dels gasos d'eixida, i un model de NOx per a motors CI. En les quatre aplicacions el mètode ha sigut comparat amb els sistemes de mesures actuals i amb sensors addicionals, demostrant millores importants en la precisió de la mesura i una resolució de solament un cicle.Bares Moreno, P. (2017). In-cylinder pressure resonance analysis for trapped mass estimation in automotive engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9042

    Modeling and control of actuators and co-surge in turbocharged engines

    Full text link

    Model-based fault detection in diesel engines air-path

    Get PDF
    Cette thèse a pour but l étude de la détection basée sur modèle de défauts pour lesmoteurs Diesel produits en grande série. La nécessité d une surveillance continue del état de santé des véhicules est maintenant renforcée par la législation Euro VI sur lesémissions polluantes, qui sera probablement rendue encore plus contraignante dans sesprochaines révisions. Dans ce contexte, le développement de stratégies robustes, faciles àcalibrer et valides pour des systèmes dispersés (car produits en grande série) procureraitun avantage considérable aux constructeurs automobile. L étude développée ici tentede répondre à ces besoins en proposant une méthodologie générique. On utilise desobservateurs adaptatifs locaux pour des systèmes scalaires non linéaires et affines parrapport à l état, pour résoudre les problèmes de la détection de défauts, de son isolationet de son estimation d une façon compacte. De plus, les incertitudes liées aux biais demesure et de modèle et aux dérives temporelles nécessitent d améliorer les méthodes dedétection par l utilisation de seuils robustes pour éviter les fausses détections. Dans cettethèse, on propose un seuil variable basé sur la condition d observabilité du paramètreimpacté par le défaut et sur une étude de sensibilité par rapport aux incertitudes surles entrées ou sur le modèle. Cette méthode permet, entre autres, de fournir un outild analyse pour la sélection des conditions de fonctionnement du système pour lesquelsle diagnostic est plus fiable et plus robuste par rapport aux incertitudes sur les entrées.L approche présentée a été appliquée avec succès et validée de façon expérimentale surun moteur Diesel pour le problème de détection de fuite dans le système d admissiond air, puis dans un environnement de simulation pour le problème de détection dedérive d efficacité turbine. On montre ainsi ses avantages en termes de fiabilité dedétection, d effort de calibration, et pour l analyse des conditions de fonctionnementmoteur adaptées au diagnostic.The study of model-based fault detection for mass production Diesel engines isthe aim of this thesis. The necessity of continuous vehicles health monitoring is nowenforced by the Euro VI pollutant legislation, which will probably be tightened in itsfuture revisions. In this context developing a robust strategy that could be easilycalibrated and work with different systems (due to production variability) would bea tremendous advantage for car manufacturers. The study developed here tries toanswer to those necessities by proposing a generic methodology based on local adaptiveobservers for scalar nonlinear state-affine systems. The fault detection, isolation andestimation problems are thus solved in a compact way. Moreover, the uncertaintiesdue to measurement or model biases and time drifts lead to the necessity of improvingthe detection methodology by the use of robust thresholds that could avoid undesiredfalse alarms. In this thesis a variable threshold is proposed based on the observabilitycondition and the sensitivity analysis of the parameter impacted by the fault withrespect to input or model uncertainties. This approach allows, among other things, tobe used as an analysis tool for the individuation of the system operating points for whichthe diagnosis is more reliable and more robust to inputs uncertainties. The discussedapproach has been successfully implemented and experimentally tested on a real Dieselengine for the intake leak detection and for the turbine efficiency loss drift detectionin a co-simulation environment showing its advantages in term of detection reliability,calibration effort and engines diagnosis operating condition analysis.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

    Sur la synthèse de commandes prédictives tolérantes aux défauts à base de modèles T-S flous

    Get PDF
    This thesis mainly focuses on Fuzzy Fault Tolerant Predictive Control for a class of nonlinear systems. The Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy approach is introduced as a modelling technique in order to consider the active control methods adapted to linear models. To obtain the convex form, two approches are applied in this work, the proposed global non stationary linearization method and the sector nonlinearity approach. The contributions of this thesis and novelties with respect to other works are based on a combination between Parallel Distributed Compensation control law and Model Predictive Control where the T-S fuzzy aspect uses measured and unmeasured premise variables. The optimization problem is formulated as a quadratic programming problem. A nonlinear observer and A T-S fuzzy observer are designed for the proposed strategies, in order to estimate faults and system state variables. The controller and observer gains are obtained by solving Linear Matrix Inequalities (LMIs) derived from the Lyapunov theory. Convergences are performed by using Lyapunov asymptotic stability and L2 optimization. Actually, the use of the sector nonlinearity approach has reduced the conservatism related to the number of LMIs to solve. On top of that, the chosen form of the candidate function of Lyapunov and the T-S fuzzy structure have significantly decreased the pessimism of sufficient stability conditions derived from Lyapunov theories. The proposed Fuzzy model based predictive control is designed to achieve desired set points and control objectives in the the healthy operating and to accommodate and tolerate unexpected faults. Furthermore, the uncertain case and robustness with respect to constraints are investigated. The effectiveness and the validity of the proposed Fault Tolerant Control (FTC) strategies is illustrated through an application to an academic example and to a Diesel Engine Air Path (DEAP) system.Cette thèse porte sur la synthèse de lois de commande prédictive floue tolérante aux défauts pour les systèmes non linéaires modélisés selon l'approche dite T-S. Ma contribution est de proposer une FMPC (Fuzzy Model-based Predictive Control) visant à améliorer les performances d'un système non linéaire tout en respectant les contraintes sur la commande. L’optimisation de la commande nécessite la résolution d'un problème de programmation quadratique et une résolution d’inégalités matricielles linéaires (LMIs) dérivées des thèories de Lyapunov. La stratégie proposée a été appliquée en simulation à un système SISO non linéaire puis au système d'air d'un moteur Diesel en présence de défauts de type actionneur, capteur ou système, de perturbations et d'incertitudes de modélisatio

    Real-time implementation of a sensor validation scheme for a heavy-duty diesel engine

    Get PDF
    With ultra-low exhaust emissions standards, heavy-duty diesel engines (HDDEs) are dependent upon a myriad of sensors to optimize power output and exhaust emissions. Apart from acquiring and processing sensor signals, engine control modules should also have capabilities to report and compensate for sensors that have failed. The global objective of this research was to develop strategies to enable HDDEs to maintain nominal in-use performance during periods of sensor failures. Specifically, the work explored the creation of a sensor validation scheme to detect, isolate, and accommodate sensor failures in HDDEs. The scheme not only offers onboard diagnostic (OBD) capabilities, but also control of engine performance in the event of sensor failures. The scheme, known as Sensor Failure Detection Isolation and Accommodation (SFDIA), depends on mathematical models for its functionality. Neural approximators served as the modeling tool featuring online adaptive capabilities. The significance of the SFDIA is that it can enhance an engine management system (EMS) capability to control performance under any operating conditions when sensors fail. The SFDIA scheme updates models during the lifetime of an engine under real world, in-use conditions. The central hypothesis for the work was that the SFDIA scheme would allow continuous normal operation of HDDEs under conditions of sensor failures. The SFDIA was tested using the boost pressure, coolant temperature, and fuel pressure sensors to evaluate its performance. The test engine was a 2004 MackRTM MP7-355E (11 L, 355 hp). Experimental work was conducted at the Engine and Emissions Research Laboratory (EERL) at West Virginia University (WVU). Failure modes modeled were abrupt, long-term drift and intermittent failures. During the accommodation phase, the SFDIA restored engine power up to 0.64% to nominal. In addition, oxides of nitrogen (NOx) emissions were maintained at up to 1.41% to nominal

    Transient optimisation of a diesel engine

    Get PDF
    SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN042276 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo
    corecore