Nonlinear combustion control: Nonlinear model predictive controller for reactivity controlled compression ignition

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-07-08

Department

Major/Subject

Control, Robotics and Autonomous Systems

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering

Language

en

Pages

61

Series

Abstract

Reactivity controlled compression ignition (RCCI) is an advanced low temperature combustion strategy that utilizes a combination of two fuels to produce a combustion with high thermal efficiency and near zero emissions of NOx and soot. One of the main challenges in implementing RCCI combustion in real engines is efficient control of the combustion process. A model-based control approach has been previously proposed for this task. However, due to the nonlinear nature of the RCCI process, linear control approaches have been restricted around certain operating points. A wider operating range has required the tuning and combining of multiple linear controllers. This thesis aims to solve this issue via the development of a nonlinear model predictive controller (NMPC) capable of working in the entire operating range of the RCCI combustion without excessive tuning. A physics-based RCCI combustion model found in the literature is used as a basis for developing the prediction model used inside the NMPC. The model is validated against an advanced thermokinetic multizone model (UVATZ) developed by University of Vaasa. The developed controller is tested in the MATLAB simulation environment and is shown to be capable of controlling the combustion timing (theta50) and the indicated mean effective pressure (IMPE) to follow a given reference by adjusting the fuel blend ratio (BR) and total energy (Efuel). The research of NMPC in the RCCI combustion control is still in its early stages. This thesis provides a solid foundation for developing the controller towards real-world applicability in a flexible-fuel RCCI engine.

Reaktiivisuusohjattu puristussytytys (RCCI) on edistynyt matalan lämpötilan polttomoottoritekniikka, joka hyödyntää kahden polttoaineen yhdistelmää saavuttaakseen korkean lämpötehokkuuden ja hyvin matalan typpioksidi- ja nokipäästötason. Yksi suurimmista haasteista kaupallisten RCCI-polttomoottorien kehityksessä on palamisprosessin tehokas hallinta. Palamisprosessin ohjaukseen on aiemmin ehdotettu lähestymistavaksi mallipohjaista säätöä. RCCI-prosessin epälineaarisen luonteen vuoksi lineaariset säätömenetelmät ovat kuitenkin rajoittuneet tiettyjen toimintapisteiden ympärille ja laajempi säätö on vaatinut useiden lineaaristen säätimien yhdistelmää. Tämän diplomityön tavoitteena on ratkaista esitetty ongelma kehittämällä epälineaarinen malliprediktiivinen säädin (NMPC), joka pystyy toimimaan RCCI-prosessin koko toiminta-alueella ilman laajamittaista kalibrointia. Kirjallisuudesta löydettyä fysiikkaalis-kemiallista RCCI-palamismallia käytetään perustana NMPC säätimen kehittämiselle. Malli validoidaan Vasan yliopistossa kehitettyä edistynyttä termokineettistä monivyöhykemallia (UVATZ) vasten. Säädintä testataan MATLAB-simulointiympäristössä, ja sen osoitetaan pystyvän ohjaamaan palamisaikaa (theta50) ja ilmoitettua keskimääräistä tehollista painetta (IMPE) tietyn referenssin mukaisesti säätämällä polttoaineiden sekoitussuhdetta (BR) ja kokonaisenergiaa (Efuel). RCCI-prosessin epälineaarisen malliprediktiivisen säädön tutkimus on hyvin alkutaipaleissa. Tämä diplomityö on yksi ensimmäisistä tutkimuksista kirjallisuudessa, jossa sovelletaan NMPC säädintä RCCI-prosessin säätöön. Työ tarjoaa vankan pohjan säätimen jatkokehittämiselle kohti todellista sovellettavuutta RCCI-moottoreihin.

Description

Supervisor

Visala, Arto

Thesis advisor

Modabberian, Amin

Keywords

epälineaarinen säätö, monipolttoainemoottorit, RCCI, NMPC, mallipohjainen säätö, polttomoottori

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508196479

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC