Physical Modeling of Combustion Engine Process and Gas Exchange for Real-time Applications

Abstract

The large majority of gas exchange models used for engine torque control within the Engine Control Unit (ECU) is data oriented. This means that they use look-up tables, or other more sophisticated methods (e.g., neuronal networks), to access calibration data during the engine operation. They require high calibration effort (e.g., in case of look-up tables, complexity is growing exponentially with the number engine actuators) and are usually limited to mean value information on engine stroke events. The use of physical based models is typically not possible due to low CPU performance of costly optimized production ECU’s. This work investigates the possibility to calculate a crank angle resolved, physical based, 1D and 0D thermodynamic engine simulation directly on a serial ECU (240MHz) in real-time. Transient flow in intake and exhaust manifolds, including pressure wave propagation, is described by conservation laws for mass, momentum and energy. Defined set of differential equations is solved by Runge-Kutta integration methods with a fixed time integration step. A commercial 4-cylinder, turbocharged, spark-ignited engine is used for stationary as well as transient experiments. A detailed 1D model is defined, that satisfies accuracy requirements (e.g., deviation of in-cylinder air mass <5%) in a wide range of operating conditions. Different levels of simplifications between 1D and 0D are assessed in terms of the trade-off accuracy and real-time capability.

Velká většina modelů výplachu válce používaných pro řízení točivého momentu motoru v rámci řídicí jednotky (ECU) je datově orientovaná. To znamená, že pro přístup ke kalibračním datům během provozu motoru používají vyhledávací tabulky nebo jiné sofistikovanější metody (např. neuronové sítě). Tyto modely vyžadují velké úsilí při kalibraci (např. v případě vyhledávacích tabulek roste složitost exponenciálně s počtem stupňů volnosti motoru) a jsou obvykle omezeny na informace o středních hodnotách. Použití fyzikálních modelů obvykle není možné kvůli nízkému výkonu CPU, používaných v ECU z důvodů nízkých produkčních nákladů. Tato práce zkoumá možnost výpočtu fyzikálních, termodynamických 1D a 0D simulací přímo na sériovém ECU (240 MHz) v reálném čase. Přechodné proudění v sacím a výfukovém potrubí, včetně šíření tlakové vlny, je popsáno zákony zachování hmoty, hybnosti a energie. Definovaná soustava obyčejných diferenciálních rovnic je řešena integračními metodami Runge-Kutta s fixním časem integračního kroku. Komerční čtyřválcový, přeplňovaný, zážehový motor je pužit pro stacionární i přechodné experimenty. Je definován podrobný 1D model, který splňuje požadavky na přesnost (např. odchylka hmotnosti vzduchu ve válci < 5 %) v širokém rozsahu provozních podmínek. Různé úrovně zjednodušení mezi 1D a 0D jsou posuzeny z hlediska přesnosti a schopnosti operovat v reálném čase.