Jeschke,Jens

Konzeption und Erprobung eines zylinderdruckbasierten Motormanagements für PKW-Dieselmotoren

Conception and test of a cylinder pressure based engine management for passenger car diesel engines

Thesis

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Schlüsselwörter:

cylinder pressure Diesel engines closed-loop combustion control engine management

Zylinderdruck Dieselmotoren Verbrennungsregelung Motormanagement

Sachgruppe der DNB
35 Technik allgemein


Doctoral Dissertation accepted by: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg , The Faculty of Engineering, 2002-11-08

Abstract

Future levels of emission legislation for diesel engines will require further optimisation of the combustion process supported by adequate injection parameter control schemes. As low cost combustion sensors for production engines become realistically available, cylinder pressure based closed-loop combustion control may possibly replace conventional open-loop injection timing. This work combines the main elements for a cylinder pressure based engine management system, a cylinder-individual control strategy and real-time cylinder pressure data evaluation. A prototype vehicle integrating low-cost pressure sensors, a Rapid-Prototyping-System (RPS) and a real-time pressure indication device, is used to examine the potential benefits of the overall system. The indication device performs real-time combustion pressure acquisition and numerical extraction of characteristic values related to injection parameters, air system states and combustion quality. The characteristic values are transmitted to a Rapid-Prototyping-System, where both Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) and Start of Combustion (SoC) of each cylinder are closed-loop controlled from cycle to cycle via injection parameters Start of Injection (SoI) and Duration of Injection (DoI). Combustion of all cylinders is thus balanced in the whole working range of the engine. Even in a vehicle with injection units out of tolerance no sensible loss in driving comfort was found due to the new engine management system. Various emission tests show a reduction in nitrogen oxide emissions up to 12.3 % or particulate emissions up to 15.3 %. With a calibration close to the nominal calibration of the engine the range of variation of nitrogen oxide emissions is reduced from 10.7 % to 5.6 % and of particulate emissions from 22.8 % to 6.7 %. The cylinder pressure based engine management system therefore increases robustness of emissions with respect to engine part tolerances and environmental conditions. Less effort is needed to find an optimised engine calibration. For further work, the concept of a model-based hierarchical engine management is outlined, including also exhaust gas recirculation and boost pressure control by means of cylinder pressure data acquisition and evaluation.

Damit die sich stetig verschärfenden Abgasvorschriften für schnelllaufende PKW-Dieselmotoren auch zukünftig erfüllt werden können, wird neben der Optimierung der Brennverfahren die regelungstechnische Koordination der Kraftstoffeinspritzung eine wesentliche Rolle spielen. Die sich abzeichnende Verfügbarkeit kostengünstiger Zylinderdrucksensoren eröffnet die Möglichkeit, die zur Beeinflussung der Verbrennung heute ausschließlich angewendete Steuerung durch eine zylinderdruckbasierte Regelung zu ersetzen. Der Hauptbestandteil des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Motormanagementsystems ist die Verbindung zylinderindividueller Regelungsstrukturen mit einer echtzeitfähigen Auswertung von Zylinderdrucksignalen. Ein Fahrzeug-Prototyp, ausgerüstet mit Low-Cost-Zylinderdrucksensoren, einem Rapid-Prototyping-System und einem Echtzeitindiziersystem, ermöglicht erstmalig die Untersuchung der Vorteile eines solchen Motormanagements. Das Echtzeitindiziersystem dient zur Zylinderdruckerfassung im Fahrzeug und zur Bestimmung verbrennungsspezifischer Kenngrößen, wie z. B. der Verbrennungsgüte, der Zustandsgrößen im Gassystem und der Kraftstoffeinspritzparameter. Diese Größen sind die Grundlage für eine Verbrennungsregelung, bei der der indizierte Mitteldruck durch die Förderdauer und der Verbrennungsbeginn durch den Förderbeginn jeweils zylinderindividuell und arbeitsspielaufgelöst geregelt werden. Dadurch lassen sich die Verbrennungsabläufe aller Zylinder im gesamten Motorbetriebsbereich gleichstellen und so z. B. Einbußen an Fahrkomfort ausgleichen, die durch fehlerhafte Einspritzelemente außerhalb der Serientoleranzen entstehen. Verschiedene Abgastestversuche ergaben eine Verbesserung der Stickoxidemissionen um bis zu 12.3 % oder der Partikelemissionen um bis zu 15.3 %. In einer dem Serienbetrieb vergleichbaren Applikation reduzierte sich der Streubereich der Stickoxidemission von 10.7 % auf 5.6 % und der der Partikelemission von 22.8 % auf 6.7 %. Allgemein ermöglicht das zylinderdruckbasierte Motormanagement Emissionsergebnisse, die unempfindlich gegenüber Bauteiltoleranzen und variierende Betriebsbedingungen sind. Dadurch lässt sich der Aufwand für die Applikationsoptimierung deutlich reduzieren. Ausblickend werden Aspekte eines modellbasierten, hierarchischen Motormanagements dargestellt, in dem zusätzlich noch die Abgasrückführ- und die Ladedruckregelung auf die Zylinderdrucksignale zurückgreifen.

Betreuer Tschöke,Helmut;Prof. Dr.-Ing.
Gutachter Pucher,Helmut;Prof. Dr.-Ing.
Gutachter Klarhoefer,Christian;Dr.-Ing.

Upload: 2003-07-09
URL of Theses: http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2003/jenjeschke.pdf

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