Robust control of electrified turbocharged diesel engines

Electrified turbocharger is a critical technology for engine downsizing and is a cost-effective solution for exhaust gas energy recovery. In conventional turbocharged diesel engines, the air path holds strong nonlinearity since the actuators are all driven by the exhaust gas. In an electrified turbocharged diesel engine (ETDE), the coupling is more complex, due to the electric machine mounted on the turbine shaft impacts the exhaust manifold dynamics as well. In distributed single-input single-output control methods, the gains tuning is time consuming and the couplings are ignored. To control the performance variables independently, developing a promising multi-input multi-output control method for the ETDE is essential. In this paper, a model-based multi variable robust controller is designed to control the performance variables in a systematic way. Both simulation and experimental results verified the effectiveness of the proposed controller

Robust control of electrified turbocharged diesel engines

Electrified turbocharger is a critical technology for engine downsizing and is a cost-effective solution for exhaust gas energy recovery. In conventional turbocharged diesel engines, the air path holds strong nonlinearity since the actuators are all driven by the exhaust gas. In an electrified turbocharged diesel engine (ETDE), the coupling is more complex, due to the electric machine mounted on the turbine shaft impacts the exhaust manifold dynamics as well. In distributed single-input single-output control methods, the gains tuning is time consuming and the couplings are ignored. To control the performance variables independently, developing a promising multi-input multi-output control method for the ETDE is essential. In this paper, a model-based multi variable robust controller is designed to control the performance variables in a systematic way. Both simulation and experimental results verified the effectiveness of the proposed controller

Characterisation, control, and energy management of electrified turbocharged diesel engines

The electrification of engine components offers significant opportunities for fuel efficiency improvements. The electrified turbocharger is one of the most attractive options since it recovers part of the engine exhaust gas mechanical energy to assist boosting. Therefore, the engine can be downsized through improved transient responsiveness. In the electrified turbocharger, an electric machine is mounted on the turbine shaft and changes the air system dynamics, so characterisation of the new layout is essential. A systematic control solution is required to manage energy flows in the hybrid system. In this paper, a framework for characterisation, control, and energy management for an electrified turbocharged diesel engine is proposed. The impacts of the electric machine on fuel economy and air system variables are analysed. Based on the characterisation, a two-level control structure is proposed. A real-time energy management strategy is employed as the supervisory level controller to generate the optimal values of critical variables, while a model-based multi-variable controller is designed as the low level controller to track the values. The two controllers work together in a cascade to address both fuel economy optimisation and battery state-of-charge maintenance. The proposed control strategy is validated on a high fidelity physical engine model. The tracking performance shows the proposed framework is a promising solution in regulating the behavior of electrified engines

Controlling an electrically assisted turbocharger

Tässä työssä tutkittiin LQR-menetelmän soveltuvuutta dieselmoottorin ahtopaineen säätöön sähköavusteisella turboahtimella. Työn tavoitteena oli tuottaa sähköturbon ohjaus, joka mahdollistaisi sähköturbollisen dieselmoottorin tutkimuskäytön moottoridynamometrissä. Säädön suunnitteluun käytettiin yksinkertaistettua kompressorimallia, jossa ainoana tilana on turboahtimen kulmataajuus. Kompressorin ja dieselmoottorin välisen imukanavan tuottamaa dynamiikkaa tai järjestelmän viiveitä ei säätösuunnittelussa huomioitu, sillä kohdejärjestelmässä ei ollut riittäviä mittauksia niiden tarkkaan estimointiin. Suunnittelumallin epälineaarisuuden takia LQR-menetelmällä laskettiin soveltuvat viritykset useisiin sähköturbon toimintapisteisiin, joita käytettiin turboahtimen kulmataajuuden ja imukanavan massavirran mukaan skeduloidussa tilasäätimessä. Ohjauksessa keskityttiin dieselmoottorin ahtopaineen hallintaan – sähköturbon energiankulutusta tai muita dieselmoottorin ilmajärjestelmän suureita ei otettu säädössä huomioon. Säätimen kehitystyön tueksi työssä kehitettiin myös dieselmoottorin ilmajärjestelmän simulaatiomalli Simulink-ympäristöön. Simulaattorissa käytettiin monimutkaisempaa 3-tilaista kompressorimallia, joka huomioi myös imukanavan pituudesta ja tilavuudesta aiheutuvan dynamiikan. Simulaattorin avulla tutkittiin kehitetyn säädön stabiiliutta ja suoritettiin tarvittava ohjelmistotestaus. Kehitettyä sähköturboa käyttävää ahtopaineen säädintä testattiin simulaattorin lisäksi myös oikealla dieselmoottorilla dynamometrissä. Kehitetyn säätimen todettiin omaavan riittävä suorituskyky sähköturbolla varustetun dieselmoottorin tutkimuskäyttöä varten. Järjestelmän havaittiin kuitenkin sisältävän merkittäviä viiveitä, jotka haittasivat säätimen suorituskykyä. Näistä huolimatta kehitetyllä säätimellä saavutettiin riittävä regulointikyky ja asetusarvon seurantakyky. Sähköturbon havaittiin mahdollistavan perinteiseen turboahtimeen verrattuna huomattavasti nopeammat dieselmoottorin kuormannostot etenkin matalilla kierrosluvuilla. Alhaisella kierrosluvulla suoritetussa kokeessa kuormannostoaika lyheni 8,5 sekunnista 1 sekuntiin käytettäessä sähköavustusta. Sähköturbon havaittiin myös mahdollistavan dieselmoottorin vääntömomentin kasvattamisen alhaisilla kierroksilla verrattuna samaan ahtimeen ilman sähköavustusta

Sähköturbon ohjaus: Mallinnus ja säätö LQR menetelmällä

Tässä työssä tutkittiin LQR-menetelmän soveltuvuutta dieselmoottorin ahtopaineen säätöön sähköavusteisella turboahtimella. Työn tavoitteena oli tuottaa sähköturbon ohjaus, joka mahdollistaisi sähköturbollisen dieselmoottorin tutkimuskäytön moottoridynamometrissä. Säädön suunnitteluun käytettiin yksinkertaistettua kompressorimallia, jossa ainoana tilana on turboahtimen kulmataajuus. Kompressorin ja dieselmoottorin välisen imukanavan tuottamaa dynamiikkaa tai järjestelmän viiveitä ei säätösuunnittelussa huomioitu, sillä kohdejärjestelmässä ei ollut riittäviä mittauksia niiden tarkkaan estimointiin. Suunnittelumallin epälineaarisuuden takia LQR-menetelmällä laskettiin soveltuvat viritykset useisiin sähköturbon toimintapisteisiin, joita käytettiin turboahtimen kulmataajuuden ja imukanavan massavirran mukaan skeduloidussa tilasäätimessä. Ohjauksessa keskityttiin dieselmoottorin ahtopaineen hallintaan – sähköturbon energiankulutusta tai muita dieselmoottorin ilmajärjestelmän suureita ei otettu säädössä huomioon. Säätimen kehitystyön tueksi työssä kehitettiin myös dieselmoottorin ilmajärjestelmän simulaatiomalli Simulink-ympäristöön. Simulaattorissa käytettiin monimutkaisempaa 3-tilaista kompressorimallia, joka huomioi myös imukanavan pituudesta ja tilavuudesta aiheutuvan dynamiikan. Simulaattorin avulla tutkittiin kehitetyn säädön stabiiliutta ja suoritettiin tarvittava ohjelmistotestaus. Kehitettyä sähköturboa käyttävää ahtopaineen säädintä testattiin simulaattorin lisäksi myös oikealla dieselmoottorilla dynamometrissä. Kehitetyn säätimen todettiin omaavan riittävä suorituskyky sähköturbolla varustetun dieselmoottorin tutkimuskäyttöä varten. Järjestelmän havaittiin kuitenkin sisältävän merkittäviä viiveitä, jotka haittasivat säätimen suorituskykyä. Näistä huolimatta kehitetyllä säätimellä saavutettiin riittävä regulointikyky ja asetusarvon seurantakyky. Sähköturbon havaittiin mahdollistavan perinteiseen turboahtimeen verrattuna huomattavasti nopeammat dieselmoottorin kuormannostot etenkin matalilla kierrosluvuilla. Alhaisella kierrosluvulla suoritetussa kokeessa kuormannostoaika lyheni 8,5 sekunnista 1 sekuntiin käytettäessä sähköavustusta. Sähköturbon havaittiin myös mahdollistavan dieselmoottorin vääntömomentin kasvattamisen alhaisilla kierroksilla verrattuna samaan ahtimeen ilman sähköavustusta