Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Virtual Crank Angle based Cylinder Pressure Sensor
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Internal Combustion Engines.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Virtuell Vevvinkel baserad Cylindertryck Sensor (Swedish)
Abstract [en]

Closed-loop combustion control is an on-going field of research for improving reducing engine emissions and increasing efficiency. Cylinder pressure is a key parameter to monitor for combustion feedback. Measuring pressure with a transducer is an option, although being able to estimate the pressure based on the crank angle measurement instead would be beneficial in terms of costs. A virtual crank angle based pressure sensor was therefore developed within this thesis. It was studied how the in-cylinder pressure trace for a full closed cycle could be modelled from a pressure trace from a rigid crankshaft model, the angular velocity measurement and heat release modelling. The pressure trace from the crankshaft model was subjected to a singularity at TDC and torsional oscillations, it was therefore of interest to study whether the singularity could be avoided by modelling the heat release. Further on, the indicated work and total heat released during combustion were estimated from the angular velocity measurements as they are important parameters for determining the heat release trace.

It was found that the indicated work could be approximated by comparing the kinetic power trace, obtained from the measured angular velocity, with the piston power trace, estimated using isentropic pressure curves for the compression and expansion within the cylinder. Accurate results were obtained for operating points at 800 rpm while large deviations were seen for higher speeds as a consequence of larger torsional effect on the angular velocity trace; on the form of perturbed oscillations. The results could be improved from local averaging of the kinetic power trace at the occasions of deceleration, although it could be concluded that only the low speed operating were still accurate enough.

The kinetic power trace was attempted to be corrected for torsional power using angular displacement estimations of the crankshaft nodes from a dynamic crankshaft model. Even though the model seemed to capture the torsional behaviour at parts of the cycle, the oscillations could not be completely removed and it was determined that the final work estimate could not be improved from the torsional power estimate. The torsion was further studied regarding frequency and amplitude of the oscillations within the angular velocity and acceleration trace. No clear relations between the torsional behaviour and operating speed and load could be concluded. Further, since inversion of the dynamic crankshaft model for pressure estimation resulted in an improper solution since before, the model was iterated instead. The pressure trace could thereby be derived accounting for torsion, however the trace still contained oscillations which highlights the challenge of estimating the torsion accurately. The torsion is a complex phenomenon to describe and further development of a model for estimating the torsion with high accuracy for all operating points would improve the virtual pressure sensor significantly.

The heat release was, as a first step, modelled as isochoric and isobaric. These models gave information of the limits of SOC by comparing the indicated work from the resulting pressure trace with the work estimate from the angular velocity measurement. Further, one Wiebe function was parametrised such that the resulting pressure derivative during late combustion was adapted to the trace from the crankshaft model in a least-square sense. This allowed for better adaption as the partial pressure trace was subjected to torsional oscillations. The fitted Wiebe function described the diffusive combustion well but missed out the shape of the premixed combustion. Lastly, a double Wiebe function parametrisation was done where the diffusive combustion function was fitted to the late combustion data and the premixed combustion function was adapted such that the resulting indicated work matched the estimated work. To receive more accurate results, the premixed SOC and duration had to be approximated beforehand from the kinetic power trace.

The virtual pressure sensor and most of the sub models were most accurate for low speed operating points. It was concluded that the reason is most probably the torsional effect on the input data to all sub models. It was shown that the crankshaft model can be complemented with heat release estimations which improved the final pressure trace and removed the singularity present around TDC.

Abstract [sv]

Förbränningsåterkoppling är ett aktuellt forskningsområde inom utvecklingsarbetet för att minska utsläpp och öka verkningsgraden hos förbränningsmotorer. Cylindertryck är en viktig parameter att mäta . Ett alternativ är att använda en tryckgivare men det skulle vara mer kostnadseffektivt att kunna uppskatta trycket baserat på vevvinkeln som redan idag mäts i motorer. Därav utvecklades en virtuell sensor för uppskattning av cylindertrycket genom detta examensarbete. Studien har berört hur tryck spår, bitvis noggranna för kompressionen och expansionen, från en stel vevaxelmodell kan kompletteras med modeller för värmeavgivningen från förbränningen för att erhålla ett fullt tryck spår. För att kunna bygga och utveckla modellerna utvecklades en metod för att bestämma det indikerade arbetet baserat på den uppmätta varvtalssignalen som beror mycket på hur förbränningen skett och är därmed en viktig parameter vid modellerande av värmeavgivningen.

Det indikerade arbetet kunde uppskattas genom att jämföra den kinetiska effekten med den effekt som kolvarna totalt bidrog med. Det upptäcktes att offseten mellan kurvorna motsvarade effekten av förlusterna och lasten som därmed kunde bestämmas vid de punkter där momentet från cylindrarna var i jämvikt. Den kinetiska effekten beräknades från varvtalssignalen medan effekten från kolvarna uppskattades genom att använda isentropiska tryckkurvor för kompressionen och expansionen, innan och efter förbränningen respektive. Relativt noggranna resultat erhölls för arbetspunkterna med ett varvtal på 800 rpm medan större avvikelser inträdde vid högre varvtal. Anledningen till detta var att torsionssvängningar influerade varvtalssignalen mer vid högre varvtal. Resultaten kunde förbättras genom lokal medelvärdesbildning av den kinetiska effekten vid de decelerationer som sker efter förbränningen i respektive cylinder.

Torsionens inverkan på vevaxelns dynamik uppskattades genom att använda estimeringar av förvridningen av vevaxeln från en dynamisk vevaxelmodell. Uppskattningen tycktes vara tillräckligt noggrann inom vissa intervall men det var inte möjligt att avlägsna torsionssvängningarna i kinetiska effektspåret för hela cykeln. Uppskattningen av indikerat arbete kunde därför inte förbättras genom denna torsionsuppskattning. Torsionen var vidare studerad i form av frekvens och amplitud av svängningarna inom varvtalssignalen. Inga tydliga samband kunde säkerställas mellan svängningarna och arbetspunkternas varvtal och last. Detta tyder på att torsionen är för komplex att förutse. Vidare, då invertering av den dynamiska vevaxelmodellen tidigare visat sig ge en oriktig lösning kunde modellen istället itereras för att bestämma tryck spåret likt tidigare gjort för den stela vevaxelmodellen. Torsionssvängningarna influerade dock fortfarande det resulterande tryck spåret. Det finns stor potential att förbättra den virtuella sensorn om torsionen kan uppskattas noggrant för alla arbetspunkter.

Värmeavgivningen från förbränning var först modellerad som isochorisk och isobarisk i två respektive modeller. Dessa modeller gav information om gränsvärdena för tändningen genom att finna den tändning för modellerna som resulterade i samma arbete som det tidigare estimerade indikerade arbetet. Därefter anpassades en Wiebe funktion så att den resulterande tryckderivatan minsta-kvadrat anpassades till tryckderivatan från vevaxelmodellen under den sena förbränningen där vevaxelmodellen var mest noggrann. Wiebe funktion gav en bra anpassning till den senare diffusiva förbränningen men var inte tillräcklig för att beskriva den förblandade förbränningen. Slutligen anpassades två Wiebe funktioner där den diffusiva förbränningen anpassades likt för singel Wiebe-funktions anpassningen medan den förblandade förbränningen anpassades så att det resulterande arbetet stämde med det uppskattade indikerade arbetet. För att få bättre resultat bestämdes den förblandade förbränningens start och duration från uppskattningen av den kinetiska effekten innan anpassningen.

Den virtuella trycksensorn och de flesta av dess delmodeller var mest noggranna för arbetspunkterna vid låga varvtal. Slutsatsen var att det var främst på grund av torsionssvängningarnas påverkan på insignalerna till delmodellerna som noggrannheten föll för de högra varvtalen. Genom denna studie visades det att deltrycksspåret från vevaxelmodellen kunde kompletteras med en modell för värmeavgivningen för att slutligen få en bättre uppskattning av hela tryck spåret där singulariteten vid TDC kunde undvikas.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 48
Series
MMK 2017: 150 MFM 170
Keywords [en]
virtual sensor, in-cylinder pressure, heat release, wiebe parametrisation, indicated work
Keywords [sv]
virtuell sensor, cylindertryck, värmeavgivning, wiebe anpassning, indikerat arbete, diesel motor
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-223740OAI: oai:DiVA.org:kth-223740DiVA, id: diva2:1187126
External cooperation
Scania CV AB
Educational program
Master of Science - Engineering Design
Presentation
2017-06-07, Scania Technical Centre, Granparksvägen 10, Södertälje, 08:15 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-03-02 Created: 2018-03-02 Last updated: 2018-03-02Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4379 kB)22 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4379 kBChecksum SHA-512
9b3ec90dea90b2d6caa0c9385d49b92d47984427bb2437d01898ff7906d44e1beec507ca04b1ce85ba36063705d43b1d6a3aef3c2111ee0d4dd7637304f7a525
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Internal Combustion Engines
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 22 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 79 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf