Virtuální senzory hmotnostních toků vzduchu a recirkulovaných spalin pro spalovací motory s turbodmychadlem

Abstract

V dnešnej dobe sa emisné normy pravidelne sprísňujú, čo núti automobilový priemysel vytvárať pokročilé riadenia motorov, ktoré vyžadujú presné merania. Taktiež výmena fyzických senzorov za virtuálne bez straty presnosti meraní je veľmi žiadaná kvôli zní- ženiu výrobných nákladov. Informácia o hodnote hmotnostného toku recirkulácie vý- fukových plynov (EGR) je veľmi dôležitá pre riadenie emisií vznikajúcich pri spaľovaní paliva a meranie tejto hodnoty je zložité. Tieto vlastnosti robia z hmotnostného toku EGR ideálneho kandidáta pre meranie virtuálnym senzorom. Táto diplomová práca popisuje proces vytvorenia virtuálneho senzoru pre hmotnostný tok EGR aplikovaného v preplňovanom naftovom motore pre ťažké vozidlá, ktorý by mohol byť alternatívou pre súčasne používaný Venturi senzor. Hmotnostný tok vzduchu úzko súvisí s hmotnostným tokom EGR, preto je virtuálny senzor pre hmotnostný tok vzduchu vytvorený ako vedľajší produkt. Základ dobrého virtuálneho senzoru je spoľahlivý model, preto je v tejto práci pre- skúmaných niekoľko modelovacích prístupov pre vytvorenie modelu vzduchovej cesty motoru. Každý z týchto prístupov je založený na vytvorení modelu pre každý kompo- nent vzduchovej cesty. Samostatné komponenty sú bližšie predstavené, pre každý z nich je vytvorený polynomiálny model a reálne dáta ustálených stavov sú použité pre ich identifikáciu. Kompletné štruktúry modelov vzduchovej cesty ktoré združujú modely komponentov sú vysvetlené a zhodnotené z hľadiska robustnosti, presnosti a zložitosti. Vhodné modely sú potom simulované a zhodnotené sú možnosti ďalšieho použitia. Na základe týchto zistení je vybratý najvhodnejší model na vytvorenie virtuálneho senzoru. Návrh virtuálneho senzoru bere do úvahy všetky vhodné merania, ktoré sa nor- málne vyskytujú v bežných motoroch, a ktoré by mohli zjednodušiť štruktúru modelu motoru. Finálny návrh pozorovateľa je kombináciou redukovaného modelu motora, me- raní lambda senzoru a lineárneho Kalmanovho filtra s plánovaným zosilnením. Taktiež sú zvážené možnosti implementácie senzoru na riadiacu jednotku motora.

The emission standards are regularly made more stringent these days which put pres- sure on automotive industry to create advanced engine control that require the accurate measurements. Also, replacing hardware sensors with virtual sensors without loss of accuracy is highly desirable due to their lower production cost. The exhaust gas recircu- lation (EGR) mass flow value is very important information for controlling combustion emissions and its physical measuring is difficult, which makes it an ideal candidate for virtual sensing. This thesis describes a process of a creation of EGR mass flow virtual sensor for heavy-duty turbocharged diesel engine with EGR, which could be an alternative for Venturi sensor. The air mass flow is closely related to the EGR mass flow therefore the air mass flow virtual sensor is created as a by-product. A basis of good virtual sensor is reliable model, so few modelling approaches for design of engine's air path model are reviewed. Each of them requires a model creation for each air path component. The particular components are introduced, a polynomial model is created for each one and real steady-state data from a diesel engine are used for their identification. The complete air path model structures which merge the component models are developed and discussed from robustness, accuracy and complexity point of view. Eligible models are simulated and their applicability for further use is also discussed. Based on these findings, the best model is used to create virtual sensor. The virtual sensor design respects all eligible measurements available in a common production en- gine, which results in simplifying the engine model structure. The final observer design is a combination of a reduced engine model, lambda sensor measurements and a linear Kalman filter with scheduled gain. The possibility of the implementation on Engine Control Unit is discussed.