In-cycle control of heat release with multiple fuel injections using a field-programmable gate array
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
81
Series
Abstract
In-cycle control of diesel engines with multiple fuel injections shows potential for improved combustion control and engine performance in light-duty and heavy-duty transportation applications. This thesis investigates the capability of using in-cycle control together with multiple fuel injections on a large-bore, medium-speed marine engine. An in-cycle injection timing control strategy is designed to use a predefined early injection in combination with real-time feedback of the cumulative heat release (CHR), to dynamically adjust the timing of later injections. The thesis utilises a rapid control prototyping workflow to develop the in-cycle control application in MATLAB/Simulink, and implement the control logic on a field-programmable gate array (FPGA). The Simulink control application and the FPGA implementation are validated through real-time closed-loop feedback simulation with a simple combustion process model. After validation of the functionality, the in-cycle control application is experimentally evaluated on a 4-stroke Wärtsilä 25 single-cylinder diesel engine, using an FPGA-based control system. The experimental engine data indicate that cycle-to-cycle variations in the CHR from the first injection significantly affect the ability of the controller to detect the real-time feedback, and set timings of new injections. In addition, earlier injections far away from top dead center (TDC) with a shorter duration produce less significant heat release, causing less reliable detection of the CHR feedback. Moreover, injections closer to TDC with longer durations produce more stable CHR signals, allowing the in-cycle controller to reliably detect the feedback setpoints and determine the timings of consecutive injections. For multiple fuel injection capabilities, the mechanical inertia of the fuel injector was the greatest limiting factor in the minimum achievable delay between injections.Styrning av dieselmotorer under pågående förbränning med flera bränsleinsprutningar visar potential för förbättrad förbränningskontroll och motorprestanda, med tillämpning inom både lätta och tunga transportmedel. Den här avhandlingen undersöker möjligheten att använda styrning under pågående förbränning tillsammans med flera bränsleinsprutningar på en marinmotor med stor cylinderdiameter och medelhastighet. En strategi för styrning av insprutningstidpunkter under pågående förbränning formuleras till att använda en fördefinierad tidig insprutning i kombination med realtidsåterkoppling av den kumulativa värmefrigörelsen, för att dynamiskt justera tidpunkten för senare insprutningar. Avhandlingen använder en snabb kontrollprototyping-metod för att utveckla applikationen för styrning under pågående förbränning i MATLAB/Simulink, och implementera styrlogiken på en fältprogrammerbar grindmatris (FPGA). Simulink-applikationen och FPGA-implementeringen valideras genom att göra en realtidssimulering av återkopplingen mellan kontrollern och en enkel förbränningsprocessmodell. Efter validering av styrfunktionaliteten utvärderas applikationen för styrning under pågående förbränning experimentellt på en 4-takts Wärtsilä 25 encylindrig dieselmotor, med ett FPGA-baserat styrsystem. Experimentella data från motortester indikerar att cykel-till-cykel variationer i kumulativa värmefrigörelsen från den första insprutningen har en signifikant påverkan på kontrollerns förmåga att upptäcka realtidsåterkopplingen, och ställa in tidpunkterna för nya insprutningar. Dessutom producerar tidigare insprutningar långt från övre dödläge, med kortare insprutningstid, en mindre märkbar värmefrigörelse, vilket orsakar mindre pålitlig upptäckning av återkopplingen för kumulativa värmefrigörelsen. Vidare producerar insprutningar närmare övre dödläge, med längre insprutningstid, en mer stabil kumulativ värmefrigörelse, vilket gör att styrningen under pågående förbränning kan pålitligt upptäcka återkopplingssignalen och bestämma tidpunkterna för efterföljande insprutningar. För möjligheten att använda flera bränsleinsprutningar var den mekaniska trögheten hos bränsleinjektorn den största begränsande faktorn för den minsta möjliga fördröjningen mellan insprutningarna.Description
Supervisor
Visala, ArtoThesis advisor
Hyvönen, JariNylund, Martin