Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
DRC33                                                   การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครืองกลแห่งประเทศไทย ครังที่ 25 ...
DRC33Abstract          This article presents an application research involving a calculation of in-cylinder air mass on a2...
DRC33อย่างเดียว คือ ค่าอัตราการไหลโดยมวลของอากาศที่                  อาศัยการจาลองแบบ Mean-Value Model โครงสร้างอ่านได้ไม่...
DRC33          m  vol  Pm , N e                                     Pm     N                                       Vc...
DRC33     egr                   1                          PmVm            (6)   โดยที่ x n ,  n p เป็ นค่าเกนขอ...
DRC33        x1   m  egr u  vol ,map  y , N e   m x1                          5. การคานวณปริ มาณอากาศในกระบอกส...
DRC33 รูปที่ 2 ภาพรวมของระบบการคานวณปริมาณอากาศ                  ในกระบอกสูบ              6. ผลการจาลองด้วยโปรแกรมคอมพิ วเ...
DRC33                                                  ออกแบบของตัวสังเกตแบบแผนเลื่อนทาให้ตวแปรส          ั               ...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

การประมาณค่าอากาศในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ DF-PCCI โดยตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน

This paper was proposed on the 25th ME-NETT conference 2011 at Krabi, Thailand.

  • Login to see the comments

  • Be the first to like this

การประมาณค่าอากาศในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ DF-PCCI โดยตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน

  1. 1. DRC33 การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครืองกลแห่งประเทศไทย ครังที่ 25 ่ ้ 19-21 ตุลาคม 2554 จังหวัดกระบี่ การคานวณปริ มาณอากาศในกระบอกสูบโดยตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน สาหรับเครื่องยนต์จดระเบิดด้วยการอัดแบบ DF-PCCI ุ A Sliding-Mode Observer for In-Cylinder Air Calculation on Compression Ignition Engine Operating with DF-PCCI Mode อิทธิเดช มูลมังมี*1, บัณฑิต จิรนันทศักดิ1์ และ วิทต ฉัตรรัตนกุลชัย2 ่ ิ 1 ห้องปฏิบตการควบคุมหุนยนต์และการสันสะเทือน (CRV Lab) ภาควิชาวิศวกรรมเครืองกล ั ิ ่ ่ ่ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน กรุงเทพฯ 10900 2 ภาควิชาวิศวกรรมเครืองกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน กรุงเทพฯ 10900 ่ * ติดต่อ: โทรศัพท์: 086-57940404 E-mail: profittidej@gmail.com (โทรศัพท์ 080-0831118 และ Email: bunditji@hotmail.com)บทคัดย่อ บทความนี้เสนองานวิจยเชิงประยุกต์เกี่ยวกับการประมาณค่าอากาศในกระบอกสูบของเครื่องยนต์จุด ัระเบิดด้วยการอัดขนาด 2.5 ลิตร ทีใช้ก๊าซธรรมชาติเป็ นเชือเพลิงร่วมกับน้ามันดีเซลและทางานในโหมด DF-PCCI ่ ้(Diesel-Dual-Fuel Premixed-Charge Compression Ignition Engine) มีการนาอากาศเข้าด้วยระบบเทอร์โบชาร์จ(turbocharger) และระบบการนาไอเสียกลับมาเผาไหม้ซ้า (Exhaust Gas Recirculation; EGR) ปริมาณอากาศจริงที่ไหลเข้า สู่กระบอกสูบ มีความส าคัญในการกาหนดปริม าณการฉีด เชื้อเพลิง และการเผาไหม้ข องเครื่ องยนต์โดยเฉพาะเมือมีการเปลียนแปลงอัตราเร็วรอบและโหลดของเครืองยนต์อย่างทันทีทนใด โดยปกติเซ็นเซอร์วดอัตรา ่ ่ ่ ั ัการไหลอากาศ (MAF sensor) ทีตดตังบริเวณด้านหน้าไม่สามารถให้ปริมาณอากาศจริงทีใช้ในการเผาไหม้ภายใน ่ ิ ้ ่กระบอกสูบได้ เนื่องจากมีผลของปริมาณออกซิเจนทีเ หลือจากการเผาไหม้ในรอบก่อนหน้า อีกทังมีเวลาล่าช้าใน ่ ้การวัดและความคลาดเคลื่อนของตัวเซ็นเซอร์ ทาให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ลดลงและส่งผลต่อการตอบสนองการขับขี่ การประมาณค่าอากาศนี้อาศัยแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ของสภาวะทางอุณหพลศาสตร์ททอร่วมไอดีรว มกับ ่ี ่ ่ความสัมพันธ์ของอัตราส่วนก๊าซทีเ่ ผาไหม้แล้ว (Burned Gas Ratio; BGR) ทีอยูในท่อร่วมไอดีมาสร้างสมการสเตท ่ ่ของระบบ และออกแบบตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน (Sliding-mode observer) ซึงมีสมบัตคงทนต่อการเปลียนแปลง ่ ิ ่พารามิเตอร์ของระบบได้ ผลจากการทดลองประมาณค่าอากาศในกระบอกสูบด้วยตัวสัง เกตแบบแผนเลื่อนนี้พบว่าให้ปริมาณมวลอากาศทีเข้ากระบอกสูบ มากกว่าทีอ่านได้จากเซ็นเซอร์ MAF เนื่องจากคานึงถึงผลของอากาศที่ ่ ่เหลือจากการเผาไหม้ใน EGR โดยอาศัย BGR ในการคานวณปริมาณก๊าซทียงไม่เผาไหม้ จาลองผลบนโปรแกรม ่ ั ® ®MATLAB Simulink และ AVL Boostคำหลัก: ตัวสังเกต, อากาศในกระบอกสูบ, แผนเลื่อน, เครืองยนต์เชือเพลิงร่วม ่ ้
  2. 2. DRC33Abstract This article presents an application research involving a calculation of in-cylinder air mass on a2.5L compression ignition engine composing with EGR and turbocharger system, and operating on DF-PCCI mode. The DF-PCCI engine using CNG as main fuel is a multipoint-injected CNG at the intakeports after Diesel is directly injected in smaller amount, mainly for ignition purpose, resulting in lower fuelcost. The amount of in-cylinder air is important to Diesel and CNG injection calculations, especially whenwe tip-in or abrupt changes in load paddle. The presence of time delay of a MAF sensor is an obstacle inthe controller design for air/fuel ratio control. Because its combustion characteristic is close to lean burn(exceed O2), resulting in more residual air on the EGR system. The in-cylinder air is calculated fordetermine Diesel and CNG injection durations, estimation of in-cylinder air improves the engine efficiency,drivability, and emission in the exhaust. We present 1) a model of air-part system with EGR system, andthe Burned Gas Ration (BGR) (i.e., a ratio between the burned mass and the total mass) is a keyconcept of this work for estimates the combustion parameter on the intake manifold. 2) a nonlinearsliding-mode observer, which has robustness properties. The proposed algorithm was simulated on theMATLAB Simulink® as a controller and the AVL BOOST as a virtual engine. The results of this estimationprovide more accuracy in predicting the Air-per-Cylinder (APC) instantaneously, where it does notrequired in additional sensors.Keywords: Observer, In-cylinder air, Sliding-mode, Diesel-Dual-Fuel Engine 1. บทนา เผาไหม้เ ชื้อ เพลิง ได้ ท ัง สองชนิ ด พร้อ มกัน ชนิ ด คือ ้ ระบบควบคุมเส้นทางอากาศ (air-path control ดีเซลและก๊าซธรรมชาติ (natural gas)system) ในเครื่องยนต์เชื้อเพลิงร่วมดีเซลและก๊าซ พารามิเ ตอร์ส าคัญในการควบคุม ระบบเส้นทางธรรมชาติซงมีการจุดระเบิดด้วยการอัดแบบ DF-PCCI ่ึ อากาศคือ ปริมาณอัตราการไหลโดยมวลของอากาศ(Diesel-Dual-Fuel Premixed-Charge Compression (Mass Air Flow; MAF) และความดันในท่อร่วมไอดีIgnition) จะทาการควบคุมอัตราการไหลโดยมวลของ (Manifold Absolute Pressure; MAP) ค่าอัตราการอากาศทีลนเร่ง (throttle) และของก๊าซไอเสียย้อนกลับ ่ ้ิ ไหลของอากาศนี้จะถูกนามาคานวณการฉีดเชือเพลิง, ้ทีวาล์วไอเสียย้อนกลับ (Exhaust Gas Recirculation ่ กาหนดโซนของเครื่องยนต์ ฯลฯ สาหรับออกแบบการ(EGR) valve) เพื่อให้ปริมาณอากาศที่ไหลเข้ามา ควบคุม แบบป้ อ นกลับ ในเครื่อ งยนต์ อย่ า งไรก็ต ามสอดคล้องกับความต้องการของเครื่องยนต์ในขณะนัน ้ อัตราการไหลของอากาศที่ดงกล่ าวนัน เป็ น การไหล ั ้ซึงกาหนดโดยคาสังคันเร่ง (peddle) และอัตราเร็วรอบ ่ ่ เฉพาะอากาศจากภายนอก (fresh air) เข้า สู่เครื่องยนต์ (engine speed) และเพื่อกาหนดปริมาณ เครืองยนต์เท่านันและทราบจากเซ็นเซอร์วดอัตราการ ่ ้ ัการฉีดเชื้อเพลิงตามค่าที่กาหนดไว้ ดังนันจึงส่งผล ้ ไหลโดยมวลของอากาศ (MAF sensor) ทีตดตังทาง ่ ิ ้โดยตรงต่อสมรรถนะของเครื่องยนต์ (performance), ด้านหน้าเครื่องยนต์ เครื่องยนต์ดเซล 2.5 ลิตร ระบบ ีการขับขี่ (drivability) และปริมาณมลพิษในไอเสีย น า อ า ก า ศ เ ข้ า เ ค รื่ อ ง ย น ต์ โ ด ย เ ท อ ร์ โ บ ช า ร์ จ(emissions) เป็ นต้ น เครื่ อ งยนต์ DF-PCCI เป็ น (turbocharger) และการนาไอเสียกลับมาเผาไหม้ซ้าเครืองยนต์จุดระเบิดด้วยการอัดซึงดัดแปลงให้สามารถ ่ ่ ในระบบไอเสียย้อนกลับ (EGR system) ข้อบกพร่อง ของปริมาณอากาศที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์ MAF เพียง
  3. 3. DRC33อย่างเดียว คือ ค่าอัตราการไหลโดยมวลของอากาศที่ อาศัยการจาลองแบบ Mean-Value Model โครงสร้างอ่านได้ไม่ตรงกับมวลอากาศจริงทีเข้าสู่เครื่องยนต์ ซึง ่ ่ ของระบบและตัวแปรต่าง ๆ ทีใช้ในการประมาณค่า ่มีเ หตุ ผลดังนี้ 1) ผลกระทบของเวลาล่ า ช้า (time อากาศในกระบอกสูบ แสดงดัง รูป ที่ 1 ตัว ห้อ ย mdelay) เนื่องจากตาแหน่ งทางกายภาพของการติดตัง ้ และ  แทนตาแหน่ งในท่อร่วมไอดีและท่อร่วมไอเสียเซ็นเซอร์ MAF 2) เครื่องยนต์ DF-PCCI มีลกษณะ ั ตามลาดับ ตัวห้อย a และ eg แทนก๊าซทียงไม่เผา ่ ัการเผาไหม้สวนใหญ่เป็ นการเผาไหม้บาง (lean burn) ่ ไหม้ (สามารถแทนด้ว ยอากาศ) และก๊ าซที่เ ผาไหม้นันคือมีปริมาณอากาศส่วนเกิน (exceed air) จากการ ่ แล้ว ตามลาดับ ตัวห้อย  แทนอากาศจากภายนอกเผาไหม้เหลือปนมากับไอเสียในระบบไอเสียย้อนกลับ (fresh air) จากรูปที่ 1 อากาศไหลเข้าสู่ระบบผ่านลิ้น(EGR system) เข้าสู่เครื่องยนต์ อัตราการไหลโดย เร่ง u ด้วยอัตราการไหลโดยมวลของอากาศ mมวลอากาศส่ ว นเกิ น นี้ ไ ม่ ส ามารถทราบค่ า จาก รวมเข้า กับ มวลของไอเสีย m ในระบบไอเสียเซ็ น เซอร์ ไ ด้ ข้อ บกพร่ อ งดัง กล่ า วจะส่ ง ผลเสีย ต่ อ ย้อ นกลับ ที่ท่ อ ร่ ว มไอดี ซึ่ง มีเ ซ็ น เซอร์ ว ัด ความดันสมรรถนะ การขับขี่ และปริมาณมลพิษในไอเสีย ไม่ (intake manifold pressure; Pm ) และอุณหภูม ิมาก หากเครื่ อ งยนต์ ท างานที่อ ัต ราเร็ ว รอบคงที่ (intake air temperature; Tm ) ส่วนผสมของอากาศ(steady-state operation) แต่หากเครื่องยนต์อยู่ และไอเสียทีมาจากไอเสียย้อนกลับ จะเข้าสูเครื่องยนต์ ่ ่ในช่ว งของการเปลี่ย นอัตราเร็ว รอบหรือโหลดอย่า ง ด้วยอัตราการไหลโดยมวล m , อัตราการไหลโดยทันทีทน ใดจะส่งผลกระทบต่อการควบคุม อย่างมาก ั มวลของดีเซล m เพือจ่ายน้ ามันจากหัวฉีดดีเซลเข้า ่[3], [4], [5] ดังนัน มีความจาเป็ นต้องประมาณค่ามวล ้ เผาไหม้ในเครืองยนต์ และปล่อยก๊าซไอเสีย m ผ่าน ่อากาศจริง ที่อ ยู่ ใ นกระบอกสู บ ที่เ วลาใดๆ เพื่อ ส่ ง ท่อ ร่ ว มไอเสีย ซึ่ง มีเ ซ็น เซอร์ว ัด ความดัน (exhaustสัญญาณทีเ่ วลาจริงไปยังระบบควบคุมส่วนอืนต่อไป ่ manifold pressure; Pe ) และอุณหภูม ิ (exhaust ในบทความนี้จะนาเสนอเป็ น 6 ส่วนดังนี้ ส่วนที่ 2 temperature; Te ) การควบคุมอัตราการไหลโดยมวลแบบจาลองของระบบเส้นทางอากาศ ส่วนที่ 3 ทฤษฎี ของไอเสียย้อนกลับ m จะควบคุมโดยตาแหน่ งการการออกแบบตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน ส่วนที่ 4 การ ปิ ดเปิ ด % u ของวาล์ว EGR อัตราการไหลโดยมวลออกแบบตัว สัง เกตแบบแผนเลื่ อ น (Sliding-mode ของไอเสียย้อนกลับแทนด้วย m ซึงจะประกอบด้วย ่observe) ส่วนที่ 5 การคานวณปริมาณอากาศใน มวลของก๊าซทีเผาไหม้แล้ว m ,eg และก๊าซส่วนทียง ่ ่ ักระบอกสูบ ส่วนที่ 6 ผลการจาลองด้วยโปรแกรม ไม่ เ ผาไหม้ m ,a แบบจ าลองทางคณิต ศาสตร์ข องคอมพิวเตอร์ ส่วนที่ 7 สรุปผลและวิจารณ์ ระบบเส้นทางอากาศมีรายละเอียดซึงจะแสดงต่อไปนี้ ่ 2. แบบจาลองของระบบเส้นทางอากาศ 2.1 Total Mass Balance in the Intake Manifold พิจารณากฎของก๊าซอุดมคติ (ideal gas law) ที่ ท่ อ ร่ ว มไอดี : PmV  M m RTm เมื่อ สมมติใ ห้ก าร เปลียนแปลงของอุณหภูมมคาน้อยมาก จะได้ ่ ิ ี่ Pm  RTm Vm  m  m  mcng  m  (1) โดยที่ mcng แทนอัตราการไหลโดยมวลของก๊า ซ รูปที่ 1 นิยามตัวแปรสาหรับเครืองยนต์ [2] ่ ธรรมชาติ ส าหรับ อัต ราการไหลโดยมวลที่ เ ข้ า สู่ เครืองยนต์ กาหนดโดย Speed-Density Equation: ่
  4. 4. DRC33 m  vol  Pm , N e  Pm N Vcyl e (2)  A F actual  RTm 120  A F stoi A  Fg  Fd โดยที่ Vcyl แทนปริ ม าตรการกระจั ด (displaced  R  A F  g  1  R   A F dvolume (m3)) N e แทนอัตราเร็วรอบ (rpm) และvol แทนประสิ ท ธิ ภ าพเชิ ง ปริ ม าตร (volumetric  m ,a  mcng  m  R  A F  g  1  R   A F defficiency) ซึงได้คาจากการทดลอง ่ ่2.2 Composition Balance in the Intake Manifold โดยที่ m แทนอัตราการไหลโดยมวลของดีเซลทีใช้, ่นิย ามอัต ราส่วนโดยมวลระหว่ างก๊า ซที่เ ผาไหม้แ ล้ว R แทนอัตราส่ว นโดยพลังงานของการใช้เพลิง ก๊า ซ(burned gas) mm,eg ต่อก๊าซทังหมด (ส่วนทีเผาไหม้ ้ ่ ธรรมชาติต่ อดีเ ซล,  A F  g และ  A F d เป็ นแล้ว (burned) + ส่วนที่ยงไม่เผาไหม้ (unburned ั ค่าคงทีเท่ากับ 16.3 และ 14.6 ตามลาดับ นันคือ ่ ่gas)) โดยพิจ ารณาที่ท่ อ ร่ว มไอดี/ท่ อร่ ว มไอเสีย  A F stoi  16.3R  14.6 1  R   14.6  1.7R และตามลาดับ กาหนดโดย พารามิเตอร์ Fexh  m ,eg m ใน (4) พิจารณาจาก Fint  mm,bg  mm,bg  1 mm,a (3) สมการสมดุลมวลทีกระบอกสูบ และอาศัยนิยามค่า  ่ mm mm,a  mm,bg mm ข้างต้น จะได้และ m ,eg m ,eg  t   IEG     t 1  m ,a  t   IEG   IEG m ,eg m ,eg m ,a Fexh    1 (4)   m  t   IEG   mcng  t   IEG    m m ,a  m ,eg m และโดยที่ mm,a เป็ นมวลของก๊ า ซที่ ย ั ง ไม่ เ ผาไหม้ m  m ,eg  t   IEG   m ,a  t   IEG   (unburned gas) ซึ่งสามารถพิจารณาเป็ นมวลของ   m  t   IEG   mcng  t   IEG   อากาศที่อยู่ใ นไอเสีย ตัว ห้อ ย m และ  แทน โดยที่  IEG  3  เป็ นช่วงเวลาหน่ วงเนื่องจากตาแหน่ งในท่อร่ม ไอดีแ ละท่อร่ว มไอเสีย ตามล าดับ การดูดอากาศโดยเริมจากวาล์วไอดีปิ ดในจังหวะดูด ่เมือพิจารณาอัตราการเปลียนแปลงของ Fint จะได้ ่ ่ อากาศเข้า (aspiration center) ไปจนถึงจุดศูนย์กลาง ของจังหวะคายไอเสีย (exhaust center) เพื่อวัดค่า  Fint  RTm PmVm  m  Fegh  Fint    m  mcng  Fint  ออกมา เรีย กว่า Induction-to-Exhaust-Gas (IEG) (5) delay) [2]2.3 การคานวณอัตราส่วนของมวลก๊าซที่ เผาไหม้ 2.4 การคานวณอัตราการไหลโดยมวลของ EGRแล้วในท่อร่วมไอเสีย ( Fexh ) จากสมดุลมวลบนท่อร่วมไอดี จะได้ว่า เนื่องจาก Fexh ขึนอยู่กบปริมาณอากาศทีเหลือ ้ ั ่ megr  masp  mmaf  mcng  mmจากการเผาไหม้และมีความสัมพันธ์กบค่าอัตราส่วน ัสัมพัทธ์ระหว่างอากาศต่อเชือเพลิง (relative air/fuel ้ โดยสมมติให้อตราการไหลโดยมวลของไอเสียสามารถ ัratio:  ) เราจึงสามารถคานวณ Fexh ได้ในเทอม ั ั เขียนในรูป megr  egru โดยที่ egr เป็ นฟงก์ชนของ  (โดยทีค่า  ได้มาจากเซ็นเซอร์ท่ตดตังใน ่ ี ิ ้ ทีขนอยูกบอุณหภูม ิ และความดันในท่อร่วมไอเสีย u ่ ้ึ ่ ัห้องทดสอบ) สาหรับเครืองยนต์เชือเพลิงร่วมทีทางาน ่ ้ ่ แทนตาแหน่ งของการเปิ ดวาล์ว EGR (ร้อยละ 0-1)ในโหมด DF-PCCI เรามี ดังนัน้
  5. 5. DRC33 egr  1  PmVm  (6) โดยที่ x n ,  n p เป็ นค่าเกนของตัวสังเกต ˆ  masp  mmaf  mcng   u  RTm  ั ั ่ และ sign  S    p เป็ นฟงก์ชนทีทาหน้าทีสวิตช์ ่ผลคูณของ (6) และ u แทนอัตราการไหลโดยมวล เมือ ่  s1   e1 ของก๊ าซไอเสียย้อนกลับ megr บนท่อ EGR โดย     S   (10)ก า ห น ด ค่ า เ ริ่ ม ต้ น egr  0.014 ใ น กา ร เ ขี ย น  s p  ep     โปรแกรม2.5 สมการสเตทของระบบทางเดิ นอากาศ โดยที่ e  x  x เป็ น ตัว แปรสเตทคลาดเคลื่ อ น ˆ ในทีน้ีสมมติว่าการเปลียนแปลงของอุณหภูมมค่า ่ ่ ิ ี (error state variables) และ sign  S  สอดคล้องกับน้อยมาก ( Tm  0 ) นันคือเป็ นกระบวนการอุณหภูม ิ ่ sign  S    sign  s1  sign  sp  Tคงที่ (isothermal) โดยแทนค่า (2) ใน (1) และสมมติ   (11)ให้ x =  Pm Fm  T  2 เป็ น ตัวแปรสเตท (statevariables) และ y  Pm  1 เป็ น ตัว แปรเอาท์พุ ต พื้นผิวแผนเลื่อน (sliding surface) กาหนดโดยจะได้สมการสเตท (state equations) หรือแบบจาลอง S  0 และค่า อัต ราขยาย    ij   i 1,...,n; j 1,..., pอ้างอิง (reference model) สาหรับออกแบบตัวสังเกต และเงื่อนไขสาคัญสาหรับ เสถียรภาพเชิงเส้นกากับวง(หัวข้อที่ 4) ดังนี้ กว้าง (globally asymptotically stable) คือการ ออกแบบพืนผิวแผนเลื่อน S เพือให้ S T S  0 ้ ่ x1   m  m  mcng   egr u  vol ,map  x1 , N e   m x1  m x2  x1  Fexhegr u   m  mcng  egr u  x2  4. การออกแบบตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน y  x1 พิจารณาจาก (7) พลวัตของตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน กาหนดโดย (7)โดยที่ int RTm Vm และ int  N e , Tm   x1   m  m  mcng   egr u ˆ 1 RTm Vcyl  Ne 120  vol ,map  y , N e   m x1   sign  S  ˆ   m 3. ทฤษฎีการออกแบบตัวสังเกตแบบแผนเลื่อน  x2  ˆ y  Fexhegr u  พิจารณาระบบไม่เป็ นเชิงเส้น     m  mcng   egr u  x2 ˆ  yx   x  f  x, u  1   (8) (12)  y  h  x   โดยที่    และก าหนดให้ S  x1  x1  x1 ˆโดยที่ x n , u m และ y  n สมการสเตท จะได้สมการสเตทของความคลาดเคลื่อน (error stateของตัวสังเกตแบบแผนเลื่อนของระบบ (8) อยูในรูป ่ dynamics) ในรูป x  f  x u   sign  S  ˆ ˆ, (9)
  6. 6. DRC33  x1   m  egr u  vol ,map  y , N e   m x1  5. การคานวณปริ มาณอากาศในกระบอกสูบ      sign  x1  x1  เนื่ อ งจากพารามิเ ตอร์ ส าคัญ ที่บ่ ง บอกปริม าณ  (13)   อากาศทีเ่ หลือจากการเผาไหม้คอ BGR โดยอาศัย (3) ื  y  x2  m   m  mcng   egr u  x2 และ (4) จะได้      Fexh  x2  egr u  สัดส่วนของปริมาณอากาศในท่อร่วมไอดี: mm,aเราต้องออกแบบอัตราขยาย  เพื่อให้บนพืนผิวแผน ้ 1  Fint  (14) mmเลื่อน S  0 สอดคล้องกับเงื่อนไข S S  Sx1  0 T สัดส่วนของปริมาณอากาศในท่อร่วมไอเสีย:ดังนัน จึงเลือก ้ m ,a 1  Fexh  (15) m   m egr u  x1 vol ,map  y, N e  m  โดยสัดส่วนของปริมาณอากาศทังสอง มีค่า ตังแต่ 0 ้ ้การวิเคราะห์เสถียรภาพ (stability analysis) ของ x2 : (คือปิ ด TPS และเปิ ด EGR) ถึง 1 (คือปิ ด EGR และเนื่ องจากพลวัตของ x1 เป็ น อิส ระกับ x2 ดังนัน จึง ้ เปิ ด TPS) ซึงบอกถึงปริมาณอากาศทีมอยู่ต่อปริมาณ ่ ่ ีสามารถแยกการวิเ คราะห์เสถีย รภาพได้อย่ างอิส ระ ก๊าซทังหมดในขณะนันและทีบริเวณนัน ดังนันอัตรา ้ ้ ่ ้ ้สาหรับทุกค่า umin  u  umax การไหลโดยมวลของเฉพาะก๊ า ซที่ย ัง ไม่ เ ผาไหม้ x2  Dynamics: (unburned EGR + fresh air) คือ m x2  y    m  m cng   egr u  x2  ˆ ˆ  m ,ub  1  Fint m  t  (16)   Fexh  x2  egr u  โดยพิจารณาร่วมกับ Speed-Density Equation (2) : aint  t  x2  bint  t  egr ˆ ˆ บนท่อร่วมไอดี และค่า Fint , Pm ที่ได้จากตัวสังเกตโดยที่ aint i n t y  m  mcng  egru  และ แบบแผนเลื่อน และเนื่องจากเครื่องยนต์ DF-PCCI มีbint int  Fexh  x2  u มีค่าขอบเขตบนเป็ นบวก ระบบของหัว ฉี ด ก๊ า ซธรรมชาติ ท่ีติ ด ตัง ในบริเ วณ ้ yนันคือ ่ ปริมาตรควบคุม (control volume) ของท่อร่วมไอดี 0  am  aint  t   aM ทาให้ความดัน ในท่อร่ว มไอดีจ ะมีค่า สูงกว่ า ปกติอ ัน เนื่องจากแรงดันของการฉีดก๊าซธรรมชาติ ดังนันอัตรา้และ การไหลโดยมวลทีเข้ากระบอกสูบของก๊าซทียงไม่เผา ่ ่ ั 0  bm  bint  t   bM ไหม้ (จาก EGR) และอากาศ กาหนดโดยสาหรับทุกเวลา t0 จะได้ x2  aint  t  x2  bM et   masp  1  Fint m  t   mcng  t  ˆ ˆ (17)ซึงมีผลเฉลยกาหนดโดย ่ x2  t     aint  s  x2  s  ds  c t  0 t ภาพรวมของการคานวณปริมาณอากาศในกระบอกสูบ 0 แสดงดังรูปที่ 2โดยที่ c x2  0  bM  และอาศัย Gronwall’sLemma [3] จะได้ว่า   aint  s  ds t x2  t   ce 0  ce ainttดังนัน จุดสมดุล  x1, x2    0,0 มีเสถียรภาพเชิง ้เส้นกากับ (asymptotically stable)
  7. 7. DRC33 รูปที่ 2 ภาพรวมของระบบการคานวณปริมาณอากาศ ในกระบอกสูบ 6. ผลการจาลองด้วยโปรแกรมคอมพิ วเตอร์ รูปที่ 3 ความดันในท่อร่วมไอดี Pm ทีได้จากตัวสังเกต ่ ® x1 เทียบกับ x1 ใน AVL Boost ˆ ตัวสังเกตแบบแผนเลื่อนสาหรับการประมาณค่าอากาศในกระบอกสูบทีออกแบบในหัวข้อที่ 4 จะนามา ่จาลองการทางานบน MATLAB Simulink® และเชื่อมกับระบบ AVL Boost® ซึงจะทาหน้าทีเป็ นเครื่องยนต์ ่ ่เสมือน (virtual engine) โดยรับคาสัง่ Peddle 0.2%-0.4% ที่อตราเร็วรอบเครื่องยนต์ 2000rpm และ ัสอดคล้องกับโหลด IMEP ดังรูปที่ 3 Layer_1 700000 IMEP 2KD (Pa) 600000 500000 ˆ รูปที่ 4 BGR ในท่อร่วมไอดี Fint ทีได้จากตัวสังเกต ่IMEP (Pa) 400000 300000 200000 x2 เทียบกับ x2 ในแบบจาลองอ้างอิง ˆ 100000 0 -100000 0 1 2 3 4 5 6 7 ผลลัพธ์ของสมการ (17) แสดงในรูปที่ 5 ในหน่ วยของ kg/s เราต้องแปลงให้เป็ นหน่ วย kg/stroke เพื่อ EndOfCycleTime (s) รูปที่ 3 โหลด IMEP จากคาสัง่ Peddle 0.2%-0.4% ในช่วงเวลา 5-5.5sec เปรียบเทียบกับปริมาณอากาศต่อกระบอกสูบ (APC) จาก AVL Boost® (รูปที่ 6) โดยพบว่า APC จากตัวสาหรับผลลัพธ์การประมาณค่าตัวแปรสเตท Pm และ ˆ สังเกตมีค่า 350mg/stroke ซึงน้อยกว่าปริมาณอากาศ ่ ® ˆ Fint ทีได้จากตัวสังเกตแสดงดังรูปที่ 4 โดยพบว่าตัว ่ ที่อ่านได้จ าก AVL Boost คือ 0.00043kg (หรือแปรสเตทที่ป ระมาณค่า ได้ส ามารถติดตามสัญญาณ 430mg/stroke) เนื่องจากมีการคิดมวลก๊าซทังหมด ้ออกจริงทีวดจาก AVL Boost ได้เป็ นทีน่าพอใจโดยมี ่ั ่ (burned + unburned) จึงทาให้มมากกว่าทีประมาณ ี ่ค่าคลาดเคลื่อนสูงสุดไม่เกิน 20 kPa สาหรับค่า BGR ได้จ ากตัว สังเกตซึ่งคิด เฉพาะปริม าณอากาศ (fresh( Fint ) ห รื อ x2 ส า ม า ร ถ ติ ด ต า ม ส ถ า น ะ ข อ ง ˆ air) และก๊าซทียงไม่เผาไหม้ (unburned gas) เท่านัน ่ ั ้แบบจาลองอ้างอิง x2 ได้เป็ นอย่างดี (ดูรปที่ 5) ู สอดคล้องกับสมมติฐานเบืองต้นคือ ค่ามวลของอากาศ ้ ทีได้จากตัวสังเกตควรจะมีค่ามากกว่า 280mg/stroke ่ ซึงอ่านได้จากเซ็นเซอร์ MAF (รูปที่ 7) เนื่องจากได้ ่ รวมเอาปริ ม าณอากาศที่ เ หลื อ อยู่ ใ นก๊ า ซไอเสี ย ย้อนกลับไปคิดด้วย
  8. 8. DRC33 ออกแบบของตัวสังเกตแบบแผนเลื่อนทาให้ตวแปรส ั เตททังสองของตัว สังเกตสามารถติด ตามแบจ าลอง ้ อ้างอิง (reference model) ได้อย่างดีทาให้สามารถ คานวณปริมาณอากาศ (fresh air) และก๊าซทียงไม่เผา ่ ั ไหม้ (unburned gas) ในท่อร่วมไอดีซงจะถูกดูดเข้า ่ึ กระบอกสู บ ต่ อ ไป การค านวณปริม าณอากาศใน กระบอกสูบ ด้วยตัวสังเกตที่น าเสนอได้บทความนี้ ม ี ข้อดีคอ 1) ลดเวลาล่าช้าของ MAF เซ็นเซอร์โดยใช้ ื สถานะของอุณหภูมและความดันที่ท่อร่วมไอดีซ่งอยู่ ิ ึรูปที่ 5 ปริมาณอากาศต่อกระบอกสูบ (APC) ในหน่วย ใกล้กระบอกสูบมากกว่าในการคานวณ 2) คานึงถึงผล mg/stroke ทีประมาณค่าได้ ่ ของอากาศทีเ่ หลือจากการเผาไหม้ใน EGR โดยอาศัย BGR ในการคานวณปริม าณก๊า ซที่ย งไม่เ ผาไหม้ั เท่านัน 3) ไม่ตองการการติดตังเซ็นเซอร์เพิมเติม ้ ้ ้ ่ 7. เอกสารอ้างอิ ง [1] Waszkiewics, S.D., Tierney, M.J. and Scott, H.S. (2009). Development of coated, annular fins for adsorption chillers, Applied Thermalรูปที่ 6 ปริมาณอากาศต่อกระบอกสูบ (APC) ในหน่วย Engineering, vol. 29(11-12), August 2009, pp. kg จาก AVL Boost® 2222 – 2227. [2] Wilfrid Perruquetti and Jean Pierre Barbot (Eds.) (2002). Sliding Mode Control in Engineering, Marcel Dekker, Inc., [2] Stotsky, A.A. (2009). Automotive Engines: Control, Estimation, Statistical Detection, Springer- Verlag Berlin Heidelberg. [3] Khalil, H.K. (2002). Nonlinear Systems, third edition, Prentice Hall. [4] Chauvin, J., Petit, N., Rouchon, P., Gilles Corde, and Vigild, C. Air Part Estimation onรูปที่ 7 ปริมาณอากาศต่อกระบอกสูบ (APC) ในหน่วย Diesel HCCI Engine, SAE International mg/stroke ทีประมาณค่าได้ ่ Conference, No. 2006-01-1085, 2006. 6. สรุปผลและวิ จารณ์ [5] Chauvina, J., Corde, G., Petit, N. and บทความนี้เ สนอแบบจ าลองของระบบเส้น ทาง Rouchonb, P., Motion Planning for Experimentalอากาศประกอบด้วย พลวัตของสองตัวแปรสเตท คือ Air Path Control of a Diesel Homogeneousความดันในท่อร่วมไอดี (intake manifold pressure) Charge-Compression Ignition Engine, Controlและอัตราส่วนโดยมวลของก๊าซทีเผาไหม้แล้วต่อก๊าซ ่ Engineering Practice, Vol. 16 page 1081-1091,ทังหมด (Burned Gas Ratio; BGR) อีกทังการ ้ ้ 2008.

×