Gas Exchange Modelling and Control Strategy Development for Spark Ignited Engine : Model Based Control Strategy Development for SI Engine

Regeringens lagstiftare ökar ständigt kraven på att kontrollera utsläppen från tunga fordon för att upprätthålla hållbar miljö. Samtidigt ökar också behovet av snabb respons och lägsta bränsleförbrukning ur kundens perspektiv. För att möta efterfrågan måste den integrerade kontrollarkitekturen göras robust och snabb genom att använda optimalt luftmassflöde och EGR i cylindern för att få önskat vridmoment genom att upprätthålla luftbränsleförhållandet (AFR) som stökiometri i alla driftsområden. För att upprätthålla temperaturen och trycket i avgassamlaren har EGR (exhaust gas recirculation) införts i de gnisttändda motorerna, vilket förbränner de återcirkulerade avgaserna. I denna uppsats har en modellbaserad styralgoritm utvecklats genom modellering av trottel, EGR och waste-gate ventil med korsfrekvenser. Algoritmen syftar till att uppnå det önskade luftflödet och EGR så fort som möjligt under transienter vid alla driftspunkter (motorvarvtal och last). För att utvärdera kontrollstrategin modellerades en femcylindrig motor i programmet GT-SUITE. De modellbaserade regulatoralgoritmerna är utvecklade i SIMULINK genom att upprätta en kommunikationslänk med funktionell Mock-Up Interface (FMI). Den modellbaserade reglering är framkopplad med en förstyrning i form av en "Gain Schedulerad" PID regulator vilken är integrerad med modellen till en kaskadreglering. En serie av transienta steg har analyserats genom att steg i last gjordes vid olika motorvarvtal. Den algoritm som utvecklas gav tillfredsställande resultat där svarstiden har ökats och oscillationerna dämpas i större utsträckning.Government legislators constantly increasing the demands on controlling the emission from heavy-duty vehicles for maintaining sustainable environment. At the same time, from the customer's perspective, a much needed demand for fast response and minimal fuel consumptions is also increasing. To get the desired torque, the control architecture has to be made robust and fast by using optimal air mass flow and EGR rate into the cylinder by maintaining the Air-Fuel Ratio (AFR) at stoichiometry at all operating regions. In order to maintain the temperature and pressure in the exhaust manifold, Exhaust Gas Recirculation (EGR) valve has been introduced in the spark- ignited engines which feeds back the burned exhaust gases into the intake manifold. In this thesis, a Model-based control algorithm has been developed by modelling throttle, EGR and waste-gate actuators with cross sensitivities. The algorithm aims at achieving the requested air flow and EGR rate as fast as possible during the transients at all operating points (Engine Speed and load). To evaluate the control strategy, a five-cylinder engine was modelled in GT-SUITE software. The model-based controller algorithms is designed in SIMULINK by establishing a communication link using Functional Mock-Up Interface (FMI). The Model-based controller is pre-fed with a pre- filter/pre-controller using Gain Scheduling PID algorithm which is integrated to form a closed loop cascade controller. Series of analysis has been done in transient domain by varying the load requests and the operating points (Engine Speed). The algorithm that is developed gave satisfactory results where the response time has been increased and the oscillations are damped to a greater extent