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

Abstract

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.