Spark ignition engine modelling for control purposes

Abstract

[ES] Los motores de encendido provocado (MEP) son una parte importante del mercado global del sector de la automoción. Uno de los principales inconvenientes de este tipo de combustión, es decir, MEP, es la variabilidad de ciclo a ciclo, que reduce la eficiencia de la combustión y restringe el avance máximo de la chispa debido a las limitaciones del knock. La dispersión de ciclo a ciclo está causada por fenómenos no observables en el momento, como el inicio de la combustión o la turbulencia alrededor de la chispa, y es un tema de interés en la investigación de modelado de motores. El trabajo presentado en este proyecto tiene como objetivo desarrollar un modelo orientado al control que sea capaz de reproducir, no solo el desarrollo de la combustión promedio, sino también la variabilidad de ciclo a ciclo. El modelo de combustión ha sido diseñado adaptando modelos publicados previamente basados ​​en la propagación de la llama. Las constantes de calibración principales se han identificado y se han implementado tablas de búsqueda para mejorar la precisión del modelo. La dispersión ciclo a ciclo se ha reproducido asumiendo una distribución de probabilidad inicial sobre la velocidad laminar y la turbulencia, que se propaga durante el desarrollo de la combustión. Las pruebas experimentales se han recogido en un motor comercial de última generación. Se ha utilizado un conjunto de datos de identificación y validación con variaciones de los actuadores principales, a saber, el avance de la chispa, la presión de admisión y la velocidad del motor. Los resultados muestran la capacidad del modelo para caracterizar con precisión la evolución de la combustión y reproducir la variabilidad ciclo a ciclo esperada.

[EN] Spark ignited (SI) engines are becoming a significant part of the global market of the autmotive sector as Diesel engines are being restricted by new restringent legislations. One of the main drawbacks of this type of combustion, i.e. SI, is the cycle-to-cycle variability, which lower the combustion efficiency and restrict the maximum spark advance due to knock limitations. Cycle-to-cycle dispersion is caused by unobservable phenomena at the igntion, such as initial kernel size or turbulence around the spark and is a topic of interest in engine modelling research. The work presented in this project aims to develope a control-oriented model which is able to reproduce, not only the average combustion development, but also the cycle-to-cycle variability. The combustion model has been designed by adapting previously published models based on the entrained fuel mass on during the flame propagation. The main calibration constants have bee indentified and look-up tables have been implemented to improve the precision of the model. The cycle-to-cycle dispersion has been reproduced by assuming an initial probability distribution on the laminar speed and turbulence, which is propagated during the combustion development. Experimental tests have been colected in an state of the art commercial engine. A training and a validation dataset with variations of the main actuators, namely the spark advance, the intake pressure, and the engine speed, have been used. Results shown the capability of the model to characterise with precision the combustion evolution and to reproduce the expected cycle-to-cycle variability.