No description available.

More stringent Euro 6 and LEV III emission standards will immediately begin execution on 2014 and 2015 respectively. Accurate air/fuel ratio control can effectively reduce vehicle emission. The simulation of engine dynamic system is a very powerful method for developing and analysing engine and engine controller. Currently, most engine air/fuel ratio control used look-up table combined with proportional and integral (PI) control and this is not robust to system uncertainty and time varying effects. This thesis first develops a simulation package for a port injection spark-ignition engine and this package include engine dynamics, vehicle dynamics as well as driving cycle selection module. The simulations results are very close to the data obtained from laboratory experiments. New controllers have been proposed to control air/fuel ratio in spark ignition engines to maximize the fuel economy while minimizing exhaust emissions. The PID control and fuzzy control methods have been combined into a fuzzy PID control and the effectiveness of this new controller has been demonstrated by simulation tests. A new neural network based predictive control is then designed for further performance improvements. It is based on the combination of inverse control and predictive control methods. The network is trained offline in which the control output is modified to compensate control errors. The simulation evaluations have shown that the new neural controller can greatly improve control air/fuel ratio performance. The test also revealed that the improved AFR control performance can effectively restrict engine harmful emissions into atmosphere, these reduce emissions are important to satisfy more stringent emission standards.

<p>Ion current sensing, where information about the combustion process in an SI-engine is gained by applying a voltage over the spark gap, is currently used to detect and avoid knock and misfire. Several researchers have pointed out that information on peak pressure location and air/fuel ratio can be gained from the ion current and have suggested several ways to estimate these parameters.</p><p>Here a simplified Bayesian approach was taken to construct a lowpass-like filter or estimator that makes use of prior information to improve estimates in crucial areas. The algorithm is computationally light and could, if successful, improve estimates enough for production use.</p><p>The filter was implemented in several variants and evaluated in a number of simulated cases. It was found that the proposed filter requires a number of trade-offs between variance, bias, tracking speed and accuracy that are difficult to balance. For satisfactory estimates and trade-off balance the prior information must be more accurate than was available.</p><p>It was also found that similar a task, constructing a general Bayesian estimator, has already been tackled in the area of particle filtering and that there are promising and unexplored possibilities there. However, particle filters require computational power that will not be available to production engines for some years. </p> / <p>Vid jonströmsmätning utvinns information om förbränningsprocessen i en bensinmotor genom att en spänning läggs över gnistgapet och den resulterande strömmen mäts. Jonströmsmätning används idag för knack- och feltändningsdetektion. Flera forskare har påpekat att det finns än mer information i jonströmmen, bl.a. om bränsleblandningen och cylindertrycket och har även föreslagit metoder för att utvinna och använda den informationen för skattning av dessa parametrar.</p><p>Här presenteras en förenklad Bayesisk metod i form av en lågpassfilter-liknande skattare som använder förkunskap till att förbättra estimat på relevanta områden. Algoritmen är beräkningsmässigt lätt och kan, om den är framgångsrik, leverera skattningar av förbränningsparametrar som är tillräckligt bra för att användas för sluten styrning av en bensinmotor.</p><p>Skattaren, eller filtret, implementerades i flera varianter och utvärderades i ett antal simulerade fall. Resultaten visade på att flera svåra avvägningar måste göras mellan förbättring i varians, avvikelse och följning eftersom förbättring i den ena ledde till försämring i de andra. För att göra dessa avvägningar och få goda skattningar krävs bättre förhandskunskap och mätdata än vad som var tillgängligt.</p><p>Bayesisk skattning är ett stort befintligt område inom statistik och signalbehandling och den mest generella skattaren är partikelfiltret som har många intressanta tillämpningar och möjligheter. De har hittills inte använts inom skattning av förbränningsparametrar och har således go potential för framtida utveckling. De är dock beräkningsmässigt tunga och kräver beräkningsresurser utöver vad som är tillgängliga i ett motorstyrsystem idag.</p>

Ion current sensing, where information about the combustion process in an SI-engine is gained by applying a voltage over the spark gap, is currently used to detect and avoid knock and misfire. Several researchers have pointed out that information on peak pressure location and air/fuel ratio can be gained from the ion current and have suggested several ways to estimate these parameters. Here a simplified Bayesian approach was taken to construct a lowpass-like filter or estimator that makes use of prior information to improve estimates in crucial areas. The algorithm is computationally light and could, if successful, improve estimates enough for production use. The filter was implemented in several variants and evaluated in a number of simulated cases. It was found that the proposed filter requires a number of trade-offs between variance, bias, tracking speed and accuracy that are difficult to balance. For satisfactory estimates and trade-off balance the prior information must be more accurate than was available. It was also found that similar a task, constructing a general Bayesian estimator, has already been tackled in the area of particle filtering and that there are promising and unexplored possibilities there. However, particle filters require computational power that will not be available to production engines for some years. / Vid jonströmsmätning utvinns information om förbränningsprocessen i en bensinmotor genom att en spänning läggs över gnistgapet och den resulterande strömmen mäts. Jonströmsmätning används idag för knack- och feltändningsdetektion. Flera forskare har påpekat att det finns än mer information i jonströmmen, bl.a. om bränsleblandningen och cylindertrycket och har även föreslagit metoder för att utvinna och använda den informationen för skattning av dessa parametrar. Här presenteras en förenklad Bayesisk metod i form av en lågpassfilter-liknande skattare som använder förkunskap till att förbättra estimat på relevanta områden. Algoritmen är beräkningsmässigt lätt och kan, om den är framgångsrik, leverera skattningar av förbränningsparametrar som är tillräckligt bra för att användas för sluten styrning av en bensinmotor. Skattaren, eller filtret, implementerades i flera varianter och utvärderades i ett antal simulerade fall. Resultaten visade på att flera svåra avvägningar måste göras mellan förbättring i varians, avvikelse och följning eftersom förbättring i den ena ledde till försämring i de andra. För att göra dessa avvägningar och få goda skattningar krävs bättre förhandskunskap och mätdata än vad som var tillgängligt. Bayesisk skattning är ett stort befintligt område inom statistik och signalbehandling och den mest generella skattaren är partikelfiltret som har många intressanta tillämpningar och möjligheter. De har hittills inte använts inom skattning av förbränningsparametrar och har således go potential för framtida utveckling. De är dock beräkningsmässigt tunga och kräver beräkningsresurser utöver vad som är tillgängliga i ett motorstyrsystem idag.

Homogeneously charged spark ignition (SI) engines are unable to stabilise the combustion in ultra lean mixtures, therefore they operate with a near stoichiometric air-fuel ratio (AFR) at all load points. This produces high engine out NOx and CO emissions with a compromise on fuel consumption. Moreover, stoichiometric operation is needed for effective operation of a three way catalyst, which is not adequate to meet future fuel consumption targets. (For complete abstract open document)

Quantitative Planar Laser Induced Fluorescence (QPLIF) is developed as a diagnostic technique and then applied to a prototype Jaguar optical internal combustion engine. QPLIF derives quantitative, two-dimensional, spatially-resolved measurements of fuel concentration. This work reports the first demonstration of a fully-fractionated surrogate fuel which exhibits all the characteristics of a typical gasoline. This 'pseudo' fuel, developed in association with Shell UK, is blended to accept a fluorescent tracer which may track one of the light, middle or heavy fractions of the fuel, each of different volatility. The traditional weaknesses of PLIF for quantitative measurements are addressed by use of a fired in-situ calibration method, which maps the quantum efficiency of the tracer and concurrently corrects for window fouling and exhaust gas residuals (EGR). Fuel distributions are presented with an estimated super-pixel accuracy of 10% at different operating conditions, and then compared to the computational fluid dynamics (CFD) predictions of an in-house Jaguar model. Fuel/Air Ratios by Laser Induced thermal Gratings (FARLIG) is developed theoretically, and results of validation experiments conducted in a laboratory setting are reported. FARLIG conceptually enables the measurement of fuel concentration, oxygen concentration and temperature within a spatially-localised probe volume. Uniquely, the technique exploits the dominant influence of molecular oxygen on non-radiative quenching processes in an aromatic tracer molecule. The changing character of a model quenching mechanism potentially allows the oxygen concentration in the measurement volume to be derived. Absolute signal strength is used to determine fuel concentration, while the oscillation period of the signal provides a precise measurement of temperature (~0.3% uncertainty), with accuracy limited by knowledge of the gas composition.

A crescente demanda de diminuição das emissões e redução do consumo dos motores de combustão interna exige a melhoria dos métodos para diagnose, em tempo real, e para melhor controle do processo de combustão. Portanto, é desejável determinar a relação ar-combustível sobre uma extensa faixa de condições de operação para obter um melhor controle do motor. Este trabalho apresenta a aplicação do Método dos Momentos para obtenção de um modelo de estimação da relação ar-combustível, através do sinal de pressão no cilindro, em um motor ciclo Otto a etanol. O modelo obtido permitirá o desenvolvimento de novos sistemas de controle utilizando como estratégia a pressão no cilindro. / The increasing demands for low emission and low fuel consumption in internal combustion engines require improved methods for diagnosis, in real-time and best possible control of the combustion process. Therefore, determining air-fuel ratio over a wide range of engine operating conditions is desirable for better engine control. This work presents the Moment Method application for obtaining air-fuel ratio estimation model, by cylinder pressure sign, in Otto cycle engine powered by ethanol. The obtained model will allow the development of new control systems, for engine powered alcohol, using as strategy the cylinder pressure.

A crescente demanda de diminuição das emissões e redução do consumo dos motores de combustão interna exige a melhoria dos métodos para diagnose, em tempo real, e para melhor controle do processo de combustão. Portanto, é desejável determinar a relação ar-combustível sobre uma extensa faixa de condições de operação para obter um melhor controle do motor. Este trabalho apresenta a aplicação do Método dos Momentos para obtenção de um modelo de estimação da relação ar-combustível, através do sinal de pressão no cilindro, em um motor ciclo Otto a etanol. O modelo obtido permitirá o desenvolvimento de novos sistemas de controle utilizando como estratégia a pressão no cilindro. / The increasing demands for low emission and low fuel consumption in internal combustion engines require improved methods for diagnosis, in real-time and best possible control of the combustion process. Therefore, determining air-fuel ratio over a wide range of engine operating conditions is desirable for better engine control. This work presents the Moment Method application for obtaining air-fuel ratio estimation model, by cylinder pressure sign, in Otto cycle engine powered by ethanol. The obtained model will allow the development of new control systems, for engine powered alcohol, using as strategy the cylinder pressure.

This study has been performed at Powertrain Engineering Sweden AB (PES), a fully owned subsidiary of Volvo Cars Group, which is constantly working to develop and improve internal combustion engines. As part of this work, durability tests are performed to analyse the impact of wear on the engines. At present, there is a strong focus on visual inspections after the engines have undergone durability tests. PES wants to develop a method where collected data from these tests can be used to explain how the phenomenon of knocking and the control of lambda changes over time. The study analyses one specific durability test and investigates the methodology of data analysis by using the open-source software platform Sympathy for Data, with an add-on developed by Volvo Cars Group, for data management, visualisation and analysis. To execute the analysis, engine parameters that affect these systems as well as parameters suitable to use as response variables are identified through literature studies of internal combustion engine fundamentalsas well as internal material, and knowledge acquired at the company. The result is presented in the form of an analysis generated by the node for partial least squares regression (PLSR) which is pre-programmed in Sympathy for Data as well as the images and graphs obtained as output. For knock, the signal for the final ignition angle was found to be suitable to use as the response variable in the PLSR. A suitable response variable for lambda was more difficult to identify, this is why both signals for the measured lambda and lambda adaptation are analysed. Studies of the internal material and knowledge highlighted the fact that several engine subsystems are highly dependent on each other and that even deeper research would be necessary to fully understand the process and identify the primary cause for the variations observed in the generated models. However, partial least squares regression was performed using parameters derived from literature reviews as input (predictors) in order produce regression models to explain the variance in sought response. Well-fitting models could be created with a varying number of latent variables needed for the different responses. The output obtained from the PLSR enables further studies of the specific cases as well as the methodology itself, hence, increase the use of data analysis with the help of the software used in the department for durability testing at PES. / Denna studie är utförd hos Powertrain Engineering Sweden AB (PES), vilka är ett helägt dotterbolag till Volvo Cars Group, som arbetar med att ta fram och förbättra förbränningsmotorer. En del i detta arbete är att genomföra långtidstest för att analysera hur motorernas egenskaper ändras vid förslitning över tid. I nuläget ligger stort fokus på visuella inspektioner efter att motorerna genomgått långtidstester. PES önskar utveckla en metod där redan insamlad data som registrerats i dessa tester kan förklara hur fenomenet knack och regleringen för lambda förändras över tid. Studien är genomförd i form av en fallstudie av ett specifikt långtidstest där den öppna programvaran Sympathy for Data, tillsammans med det av Volvo Cars Group utvecklade tillägget, används för datahantering, visualisering och analys. Studien undersöker också metodiken för dataanalys med nämnd programvara. För att genomföra detta identifieras motorparametrar som påverkar de undersökta systemen samt parametrar som lämpar sig att användas som responsvariabler i en regressionsmodell. Dessa parametrar togs fram genom litteraturstudier om de fundamentala delarna i en förbränningsmotor samt från företaget förvärvad intern kunskap kring systemen. Resultatet presenteras i form av en analys genomförd med den, i Sympathy for Data, förprogrammerade noden för partial least squares regression(PLSR) samt de bilder och grafer som erhålls. För knack visade det sig att den slutliga tändningsvinkeln var lämplig att använda som respons i PLSR-modellen. En lämplig responsvariabel för lambda var mer svåridentifierad, detta förklarar varför signalerna för uppmätt lambda och lambda adaption analyseras. Inläsning av internt material och grundläggande information om förbränningsmotorer visade att delsystem i ottomotorn är beroende och påverkas av varandra vilket innebär att mer ingående studier i dessa delsystem är nödvändigt för att förstå hela processen och hitta grundorsakerna till variationerna som påvisas för responssignalerna. Vidare utfördes PLSR med de parametrar som härletts från litteraturstudier som indatasignaler (prediktorer) för att skapa en regressionsmodell som förklarar variansen i sökta responssignaler. Beroende av responssignal krävdes varierande antal latenta variabler för att uppnå en tillräckligt precis modell. Resultatet från PLSR möjliggör vidare forskning inom området och metoden som använts och har på så sätt möjliggjort för fortsatt utveckling. Detta i sin tur kan öka användandet av dataanalys med hjälp av den programvara som används vid avdelningen för långtidstest hos PES.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.