Heat release rate control by multiple fuel injections in a diesel engine

Abstract

This thesis introduces a closed-loop control strategy leveraging multiple fuel injections to shape the heat release rate (HRR) trace in internal combustion engines. By shaping the HRR trace more uniform distribution of values can be achieved which could potentially enhance engine efficiency, reduce noise and emissions, and prolong engine lifespan. This thesis presents a control algorithm which utilizes two separate PID controllers to control pilot- and post-injection timings. The control algorithm was based on minimizing the standard deviation around the global maximum of the HRR trace. The usefulness of standard deviation for this purpose is evident as low standard deviation indicates that values tend to be closer to the mean.

Implementation of the controller was executed through computer simulations using MATLAB and Simulink. Wiebe functions were used to simulate the HRR trace. Data acquired from the operation of the target engine was compared against the HRR model under identical conditions and injection event parameters. This comparative analysis served to assess the validity of the HRR model in reflecting practical engine output. The resulting insights contribute to the ongoing efforts in optimizing internal combustion engine performance and addressing environmental concerns associated with combustion processes.

Tämä diplomityö esittelee takaisinkytkentään perustuvan ohjausstrategian, joka käyttää useita polttoaineen ruiskutuksia muokatakseen polttomoottorien lämmöntuoton nopeutta (engl. Heat Release Rate, HRR). Muotoilemalla lämmöntuoton nopeutta voidaan tehostaa moottorin tehokkuutta, vähentää melua sekä päästöjä ja pidentää moottorin käyttöikää. Tämä diplomityö esittää ohjausalgoritmin, joka käyttää kahta erillistä PID-säädintä ohjaamaan pilotti- ja jälkiruiskutuksen ajoituksia. Ohjausalgoritmi perustui keskihajonnan minimoimiseen lämmöntuottokuvaajan globaalin huipun ympärillä. Keskihajonnan hyödyllisyys tähän tarkoitukseen on ilmeinen: pieni keskihajonta osoittaa, että arvot ovat taipuvaisia olemaan lähellä keskiarvoa.

Ohjaimen toteutus suoritettiin tietokonesimulaatioina käyttäen MATLABia ja Simulinkia. Wiebe-funktioita käytettiin HRR-mallina simuloimaan lämmöntuoton nopeutta. Kohdemoottorin dataa verrattiin HRR-malliin samojen olosuhteiden ja ruiskutustapahtumien parametrien vallitessa. Tämä vertaileva analyysi auttoi arvioimaan käytetyn HRR-mallin pätevyyttä käytännön moottorin toiminnan arvioimisessa. Diplomityö on osa jatkuvaa kehitystyötä polttomoottorin suorituskyvyn optimoimiseksi sekä pyrkii vastaamaan nykyajan päästövaatimuksiin.