System Properties and Control of Turbocharged Diesel Engines with High-and Low-Pressure EGR Propriétés système et contrôle de moteurs Diesel turbocompressés avec EGR haute et basse pression

Abstract

An extension of the air-and exhaust-system with a low-pressure EGR has the potential to significantly reduce the NOx emissions. Besides a cooled high-pressure EGR and the turbocharger with variable geometry turbine, the low-pressure EGR introduces an additional degree of freedom to control the cylinder charge. This increasing complexity of the air system can be handled with model based control structures and a model based controller calibration. Its static and dynamic properties are investigated. Besides the static couplings in the classical air path, additional couplings appear. A decentralised gain scheduled PI(D)-control approach is chosen to control the variables air mass flow rate, high-pressure EGR mass flow rate and charge air pressure. An automated controller calibration, based on a semi-physical mean value model of reduced complexity, is presented. The controller maps depend on the engine operation point and are calibrated by a local linearisation of the semi-physical model. Further, a semi-physical control is capable to almost solely control the air mass flow rate via the low-pressure EGR actuators. This control implicitly accounts for couplings between charge air pressure, high-pressure EGR and the low-pressure EGR system. Finally testbed results are shown. Une extension du système d’air et d’échappement au moyen d’EGR basse pression peut potentiellement réduire significativement les émissions de NOx. À côté de l’EGR haute pression refroidi et du turbocompresseur à turbine à géométrie variable, l’EGR basse pression introduit un degré de liberté supplémentaire pour contrôler la charge du cylindre. Cette complexité croissante du système d’air peut être traitée à l’aide de structures de contrôle et d’un étalonnage de régulateur basés sur des modèles. Ses propriétés statiques et dynamiques sont étudiées. En dehors des couplages statiques dans la boucle d’air classique, des couplages additionnels apparaissent. Une approche de contrôle décentralisé PI(D) avec séquencement de gain est choisie pour réguler les débits massiques d’air et d’EGR haute pression, ainsi que la pression d’air de suralimentation. Une calibration du contrôle automatisé, basée sur un modèle à valeur moyenne semi-physique de complexité réduite, est présentée. La configuration d’un système à double boucle d’EGR est introduite. Les cartographies de contrôle dépendent du point de fonctionnement du moteur et sont étalonnées par une linéarisation locale du modèle semiphysique. En outre, un contrôle semi-physique est capable de réguler le débit massique d’air à peu près uniquement par l’intermédiaire des actionneurs de l’EGR basse pression. Cette régulation prend en compte implicitement des couplages entre la pression d’air de suralimentation, l’EGR haute pression et le système d’EGR basse pression. Enfin, des résultats de banc d’essai sont présentés.