Engine Control of a Downsized Spark Ignited Engine: from Simulation to Vehicle
Contrôle d'un moteur essence suralimenté à cylindrée réduite : de la simulation au véhicule
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Institut français du pétrole, IFP, 1 et 4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
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Laboratoire de Mécanique et d'Énergétique, 8 rue Léonard de Vinci, 45072 Orléans Cedex 2 - France
Corresponding authors: guenael.le-solliec@ifp.fr fabrice.le-berr@ifp.fr guillaume.colin@univ-orleans.fr gilles.corde@ifp.fr
Tightening European standards on fuel consumption and pollutant emissions reduction lead to a sophistication of engine concepts and associated control. Since few years, downsizing (reduction of the engine displacement) appears as a major way to achieve those requirements for spark ignition engines. Efficient performance and drivability can be then achieved with a direct injection downsized engine with turbocharging and Variable Camshaft Timing (VCT). One of the major issues of the torque-oriented control is in-cylinder mass observation and control. To have an efficient torque response, the in-cylinder trapped mass, adjusted by the throttle and the waste gate, must be controlled with accuracy according to performance and drivability requirements. Depending on admission and exhaust pressures, the twin VCT will allow to control in-cylinder burned gases rate to reduce fuel consumption and pollutant emissions, and air scavenging to improve transient speed response. Another major issue is in-cylinder trapped mass and air scavenging prediction for AFR control. In this paper, we propose a model-based approach to achieve those engine control issues. The first challenge is to design accurate observers for non-measurable variables (in-cylinder burned gases and trapped air mass). The method is based on a complex high frequency 0D engine model, which has been validated on a large range of engine operating points and transient operations based on test bed results. Then, this model permits to design and learn open-loop nonlinear static observers of in-cylinder masses (based on neural network). The static and dynamic behavior of high frequency 0D engine model allows to achieve design of dynamic and closed-loop in-cylinder mass observation and prediction, multivariable and non-linear control of air path according to in-cylinder mass trajectory (trapped air mass & recirculated gases rate). Then, the complete engine control can be developed and validated on simulation and on a real time Software-In-the-Loop platform based on high frequency 0D engine model, before a complete validation and calibration on test bed. Finally, the complete torque-oriented engine control has been integrated on vehicle. From 0D engine model, a complete vehicle model has been set on real-time platform in order to validate engine control integration and design vehicle layout. The major issue is then supervision of engine control set points (torque, AFR, efficiency) according to engine states (start, idle, driver request, cut-off) and warm-up strategies.
Résumé
La sévérisation des normes européennes en termes de réduction de la consommation et des émissions de polluants conduit à une sophistication des concepts moteurs et des contrôles associés. Depuis quelques années la réduction de la cylindrée moteur est une solution majeure sur un moteur essence à allumage commandé pour atteindre ces objectifs. Afin de garder de bonnes performances et un bon agrément de conduite, ce concept de réduction de cylindrée est alors associé sur un moteur essence à injection directe à une suralimentation adaptée et des déphaseurs continus d'arbre à came. L'un des objectifs principaux d'un contrôle en structure couple est l'observation et le contrôle des masses enfermées dans le cylindre. Pour obtenir une bonne réponse en couple, et a fortiori de bonnes performances et un bon agrément de conduite, la masse d'air enfermée doit être parfaitement contrôlée via le papillon d'admission d'air et la vanne de décharge du turbocompresseur. En fonction de pressions d'admission et d'échappement, les déphaseurs vont permettre, soit de contrôler les gaz brûlés dans le cylindre afin de réduire la consommation et les émissions de polluants, soit la masse d'air balayée pour améliorer les temps de réponse en transitoire lors des phases de suralimentation. Dans cet article, nous proposons une approche basée sur la simulation. Le premier objectif est la conception d'observateurs des masses enfermées dans le cylindre, non mesurables. La méthode est basée sur l'utilisation d'un modèle moteur 0D haute fréquence, qui a été validé sur un large nombre de points statiques et de situations transitoires issus d'essais au banc moteur. Ce modèle permet alors de concevoir des observateurs boucle ouverte basés sur réseaux de neurones. Le comportement dynamique du modèle moteur haute fréquence permet également la conception d'un contrôle multi-variable et non-linéaire de la boucle d'air suivant des trajectoires adéquates de masses enfermées (air et gaz brûlés). Enfin, le contrôle moteur complet peut être développé et validé en simulation et sur une plateforme temps réel Software-In-the-Loop avant la validation et calibration complète au banc. Finalement, la structure couple complète a été intégrée dans le véhicule. A partir du modèle moteur 0D, un modèle véhicule complet a été implémenté sur une plateforme temps réel afin de valider l'intégration du contrôle moteur et concevoir la couche véhicule. L'objectif principal est alors la supervision des consignes (couple, richesse, efficacité) selon l'état du moteur (démarrage, ralenti, demande conducteur, coupure) et les stratégies de mise en action.
© IFP, 2007