In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion

Abstract

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento.

De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor.

Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor.

Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas.

[CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament.

De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor.

Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor.

Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises.

[EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation.

Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation.

This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration.

The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies.