CARACTERIZACIÓN Y CONTROL DE LA VÁLVULA DE RECIRCULACIÓN DE GASES INERTES EN UN MOTOR DIESEL SOBREALIMENTADO

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1 CARACTERIZACIÓN Y CONTROL DE LA VÁLVULA DE RECIRCULACIÓN DE GASES INERTES EN UN MOTOR DIESEL SOBREALIMENTADO E Pieroni, E Pérez, X Blasco, JV Salcedo, M Martínez Dpto Ingeniería de Sistemas y Automática JV García-Ortiz Dpto Máquinas y Motores Térmicos Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera 14 Apdo 2212 E-4671 Valencia epieroni@isaupves Resumen Compresor Turbina Un aspecto muy importante para el cumplimiento de las futuras normativas de emisión de contaminantes en motores diesel sobrealimentados es conseguir un control preciso del gasto másico de aire (ṁ a ) y de la presión en el colector de admisión ( ) Para ello, es fundamental conseguir una buena caracterización y control de los actuadores: válvula de recirculación de gases inertes (EGR) y turbina de geometría variable (TGV) En el presente artículo, se aborda la caracterización de las no linealidades de la EGR, se diseña un control de posición adecuado y se evalúa el beneficio que supondría su inclusión como parte de una estructura de control en cascada, donde el bucle principal se encarga de regular y ṁ a Se muestran resultados en diferentes puntos de funcionamiento del motor y se comparan con el sistema sin bucle interno Palabras clave: Histéresis, no linealidades, PID, control en cascada 1 INTRODUCCIÓN En el presente artículo se pretende abordar la problemática relacionada con los actuadores en el control del sistema de renovación de la carga en motores diesel sobrealimentados [3] En la figura 1 se muestra un esquema simplificado de la estructura de un motor La presencia del grupo turbocompresor permite conseguir un mayor rendimiento y potencia respecto a los motores diesel atmosféricos No obstante, la sobrealimentación tiene como efectos negativos una mayor producción de óxidos de nitrógeno NO x en los gases de escape, como consecuencia de las mayores temperaturas y presiones en la cámara de combustión del motor Para reducir este efecto, y cumplir con la normativa actual, los fabricantes incluyen un sistema de recirculación de gases inertes, H 2 O y CO 2, desde el colector de escape al colector de admisión (circuito de EGR) ma Intercooler T2b mt Colector de admisión Ma, Ta, Pa, Va megr Tegr %TGV %EGR Motor T3, V Colector de escape Mesc, Tesc, Pesc, Vesc mf mesc Figura 1: Esquema de un motor diesel con turbocompresor Para conseguir el par motor y los niveles de emisión deseados, el fabricante dispone de unas tablas en las que, dependiendo del punto de funcionamiento definido por la cantidad de combustible inyectada (ṁ f ) y el régimen de giro del motor (N), se establecen las consignas de gasto de aire (ṁ a ) y de gasto de EGR (ṁ EGR ) Debido a las altas temperaturas en el conducto de recirculación de gases, no se dispone de un sensor para medir el gasto de EGR La solución comúnmente adoptada es medir y controlar en su lugar la presión en el colector de admisión, o presión de sobrealimentación ( ), haciéndola seguir un valor de referencia que también proporciona el fabricante a través de tablas Resumiendo, desde el punto de vista del control, el sistema de renovación de la carga es un sistema MIMO 2 2 en el que se pretende controlar dos variables, y ṁ a, mediante dos actuadores, TGV y EGR 11 PLATAFORMA DE ENSAYO Los resultados experimentales que se muestran a lo largo del artículo han sido obtenidos de un motor comercial turbodiesel con las siguientes características:

2 187cc, 4 cilindros en línea, 2 válvulas por cilindro Relación de compresión 18,3 : 1 Potencia máxima: 78,75kW Turbina de geometría variable de álabes móviles Inyección directa common rail Sistema de recirculación de gases inertes La válvula EGR es electrónica, alimentada mediante una señal de modulación de ancho de pulso (PWM), de 1 % y frecuencia 2Hz El sensor de posición de EGR varía entre 115mV, para la válvula totalmente cerrada, y 4mV, para la válvula totalmente abierta La turbina de geometría variable es accionada neumáticamente y está alimentada también mediante una señal PWM de 1 % y frecuencia 2Hz La TGV está instrumentada con un sensor de posición que varía entre y 1V 2 ESQUEMA ACTUAL DE CONTROL Actualmente en los esquemas de control programados en la unidad de control electrónica (ECU) proporcionada por los fabricantes se emplean dos controladores PI independientes (figura 2) Uno de ellos regula el grado de apertura de la turbina ( %T GV ) y tiene como consigna la presión de sobrealimentación y como medida la señal del sensor de presión de sobrealimentación El otro PI regula el tanto por ciento de apertura de la válvula EGR ( %EGR) y posee como consigna el gasto másico de aire y como medida la señal del sensor de gasto másico de aire admitido han decidido diferenciar dos estrategias de control diferente según la zona de funcionamiento del motor (dependiendo del regimen de giro y del grado de carga): 1 Una de ellas (figura 2) se da a bajo régimen de giro y bajo grado de carga, donde siendo la energía desarrollada por el motor muy baja, la cantidad de NO x producidos por kw es alta Ésta es la zona en la que actualmente se emplea el EGR ya que es la única que limita la normativa vigente hasta el momento En ésta, se controla el porcentaje de EGR mediante el segundo PI mientras que el porcentaje de TGV se controla con un PI muy lento y poco agresivo, para evitar que los cambios de presión afecten sensiblemente a la cantidad de aire inerte recirculada por el conducto de EGR La consigna de TGV se fija mediante el mapa del fabricante, es decir, en función del régimen de giro y del gasto de combustible se determina el porcentaje de TGV 2 La otra zona de control se da para altos regímenes de giro y para grados de carga también altos En esta zona se controla la apertura de la turbina, %TGV, en bucle cerrado mediante el primero de los PI, y puesto que aquí la normativa no limita la emisión de óxidos de nitrógeno no se usa la EGR ( %) El esquema de control en esta zona se muestra en la figura 3 Figura 3: Esquema de control a alto régimen y a alto grado de carga 3 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Figura 2: Esquema de control con dos PIs independientes Ya que la norma EURO4 [2] limita la cantidad de NO x producidos con respecto a la cantidad de energía desarrollada por el motor, los fabricantes Para poder alcanzar los objetivos de control del sistema MIMO, es importante tener en cuenta previamente una serie de particularidades relativas a los actuadores utilizados 31 REQUERIMIENTOS DE TIEMPO DE RESPUESTA Para cumplir con las normativas europeas de emisión (EURO4) es muy importante poder controlar

3 adecuadamente el ratio aire/fuel [1] Para minimizar la variación de dicho ratio respecto al valor de consigna durante un transitorio en el motor (variación de régimen y carga), es necesario introducir el aire deseado en el cilindro de una forma rápida y que el sistema de recirculación de gases inertes, en particular la apertura y cierre de la válvula EGR, también lo sea Posicion EGR(mV) NO LINEALIDAD DE LOS ACTUADORES PWM EGR (%) Las válvulas que se utilizan en la mayoría de motores comerciales suelen presentar no linealidades bastante importantes, en particular histéresis y saturación del actuador, que además varían con el punto de funcionamiento del motor En la figura 4 se muestra la caracterización de dichas no linealidades, a partir de la respuesta en régimen permanente ante ensayos en los que se varía la PWM de EGR mediante escalones, realizados en distintos puntos de funcionamiento del motor Por otro lado, la dinámica de la válvula cambia de ganancia dependiendo de la posición, como se aprecia en la figura 5, donde se representan la PWM aplicada a la válvula y la respectiva posición alcanzada Si no son tenidos en cuenta, estos fenómenos pueden dificultar tanto la identificación como el control del sistema de renovación de la carga Posicion EGR(mV) rpm,m f =127 mm 3, TGV=3% 15 rpm,m f =16 mm 3, TGV=2% rpm,m f =15 mm 3, TGV=3% PWM EGR (%) Figura 5: Respuesta en bucle abierto de la válvula manteniendo fija la PWM aplicada a la EGR y cambiando la posición de la TGV, los consecuentes cambios de presión tienden a mover la EGR, a pesar de que dichas válvulas suelen estar mecánicamente diseñadas para evitarlo Para comprobar este efecto, se han realizado una serie de ensayos en los que se mantiene fija la PWM aplicada a la válvula EGR y se va variando mediante escalones la PWM aplicada a la TGV, en distintos puntos de funcionamiento Como ejemplo se muestran las figuras 6 y 7, en las que se aprecia el fenómeno descrito Como se verá más adelante, esto además afectará a y ṁ a Pos TGV(V) PWM EGR (%) Pos EGR(mV) Figura 4: Histéresis de la válvula ACOPLAMIENTO ENTRE ACTUADORES El sistema de renovación de la carga es un sistema acoplado, puesto que los cambios tanto en EGR como en TGV afectan a la masa de aire y a la presión del colector de admisión Pero, además de este efecto intrínseco del proceso, el fenómeno de acoplamiento se ve agravado porque el movimiento de uno de los actuadores puede afectar a la posición del otro Por ejemplo, Figura 6: Variación de la posición de EGR a rpm 4 SOLUCIÓN ADOPTADA Ante la problemática expuesta en cuanto al actuador de EGR, se considera la implementación de un control de posición Éste funcionará como un bucle interno dentro de una estructura en cascada Las ventajas que aporta esta filosofía son:

4 Pos TGV (V) rpm 15 rpm rpm PWM EGR(%) x Figura 7: Variación de la posición de EGR a 125 rpm Figura 8: Respuesta ante escalón a distintos regímenes de giro Rechazo de perturbaciones En particular, se eliminará el efecto de las perturbaciones originadas por el cambio de posición de la TGV, con lo cual se atenuará el acoplamiento entre los actuadores Mejora del tiempo de respuesta de la válvula Atenuación de los efectos de la histéresis y saturación del actuador Todas estas ventajas facilitarán la identificación del modelo completo del sistema y el diseño del controlador encargado de regular y ṁ a, que se enfrentará a un proceso más lineal y menos acoplado 41 AJUSTE DEL CONTROLADOR Debido a las no linealidades y variación de la dinámica del sistema con el punto de funcionamiento, se decide implementar un control PI, por su robustez El ajuste de los parámetros se realizará de forma experimental, buscando obtener una respuesta adecuada en los diferentes puntos de funcionamiento Para ello, se realizan ensayos sobre la válvula con diferentes regímenes de giro, cantidad de combustible inyectada y posición de la turbina A la vista de los resultados obtenidos, se escogen los parámetros del PI, hasta obtener una respuesta adecuada en términos de tiempo de establecimiento y sobreoscilación en los diferentes puntos El controlador PI finalmente utilizado es el siguiente: (1 +,8s) C E (s) =,28 s (1) En la figura 8 se muestra la respuesta ante escalón de la válvula para distintos regímenes de giro del motor (125 rpm, 15 rpm y rpm) En la figura 9 se muestra la respuesta de la válvula en bucle abierto ante escalones en la acción de control y la respuesta en bucle cerrado ante escalones de la referencia Se comprueba que la respuesta del sistema controlado es más rápida que la del sistema en bucle abierto Este hecho resultará de gran importancia para conseguir un mejor control sobre las variables de interés en el proceso de renovación de la carga ( y ṁ a ) Posicion bucle abierto Referencia Posicion bucle cerrado Figura 9: Respuesta ante escalón en bucle abierto y bucle cerrado 125 rpm 5 RESULTADOS Una vez diseñado un control de posición de la válvula EGR válido para muchos puntos de funcionamiento, se evalúa el beneficio de su inclusión en la estructura de control en cascada Para ello, se realizan ensayos en los que para una PWM fija aplicada a la TGV, se va variando la PWM o posición de la EGR, según estemos trabajando en bucle abierto o cerrado respectivamente (figuras 1 y 11) Observando dichas figuras, se deduce que, cuando

5 4 4 3 Pos EGR(mV) Figura 1: Variación de ṁ a y con la posición de EGR (bucle abierto) Figura 12: Variación de ṁ a y con la posición de EGR en bucle cerrado en la zona de EGR abierta 4 Pos EGR(mV) Muestras(2 Hz) Figura 11: Variación de ṁ a y con la posición de EGR (bucle cerrado) la válvula de EGR está bastante abierta, su cambio de posición prácticamente no afecta a y ṁ a Esta es una razón más para tener correctamente controlada la posición de la válvula de forma que podamos garantizar que no se va a encontrar en la zona en la que se pierden grados de control En la figura 12 se muestra una zona ampliada de la figura 11 en la que la válvula está prácticamente abierta, donde se aprecia que el control de posición no funciona tan bien como en otros puntos, probablemente debido a la histéresis de la válvula Aunque sería deseable que el control funcionará correctamente en todo el rango de actuación de la válvula, esto es difícil de conseguir con un único controlador, debido a la comentada no linealidad de la misma El controlador implementado finalmente se ha diseñado para que funcione correctamente cuando la válvula está bastante cerrada debido a que, como se observa en la figura 11, cuando está muy abierta los cambios de posición afectan muy poco a y ṁ a, por lo que se pueden tolerar mayores errores en el control Para evaluar correctamente la inclusión del control de posición de la válvula de EGR se realizan una serie de ensayos en diferentes puntos de funcionamiento del motor, en los que se compara la respuesta del motor ante cambios en la posición de la válvula de TGV en dos situaciones, con la posición de la válvula de EGR controlada y sin controlar En particular, los ensayos se han realizado con la válvula de EGR en una posición bastante cerrada, puesto que, como hemos visto, es en esta zona donde más afectan los cambios a y ṁ a Se observa (figuras 13, 14 y 15) que ante los mismos cambios de TGV el sistema se comporta de forma diferente según que la posición de EGR esté o no controlada En el caso de posición no controlada, un aumento en la posición de TGV ( más potencia al turbo) tiende a cerrar la EGR Ambos efectos combinados hacen aumentar tanto la presión de admisión como la masa de aire Sin embargo, cuando la posición de EGR está controlada, al aumentar TGV aumenta la presión (aunque mucho menos que con la EGR sin controlar) pero disminuye la masa Físicamente esto es debido a que si no dejamos que se mueva la EGR (por el PI) llega un momento en que el aire que sale del escape encuentra menos resistencia a recircularse que para mover la turbina, por lo que el turbo se va frenando y como consecuencia entra menos masa de aire Además, al aumentar el aire quemado recirculado decae el par (la combustión no es buena por falta de aire fresco) Aunque desde el punto de vista de la respuesta del motor este efecto no es deseable, hay que tener en cuenta que los ensayos realizados no reproducen el comportamiento que tendría el lazo de control superior, donde se fijarían unas referencias para la posición de las válvulas de EGR y TGV adecua-

6 das No obstante, es importante tener en cuenta que, con el control interno, conocemos exactamente en qué posición están las válvulas, evitando los efectos de las perturbaciones que, como hemos visto, pueden modificar considerablemente el comportamiento del motor 15 Posicion TGV (V) EGR no controlada EGR controlada Figura 13: y ṁ a ante escalones en TGV 125 rpm EGR no controlada EGR controlada Posicion TGV (V) Figura 14: y ṁ a ante escalones en TGV rpm 6 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO En este artículo el trabajo se ha centrado en conseguir un control de posición de la válvula de EGR hasta ahora no implementado en los motores de serie El controlador diseñado es válido para un amplio rango de puntos de funcionamiento del motor y grados de apertura de las válvulas (todos los ensayados) La velocidad de respuesta de la válvula con 15 EGR no controlada EGR controlada Posicion TGV (V) Figura 15: y ṁ a ante escalones en TGV 25 rpm el controlador mejora respecto a la existente en bucle abierto Se reduce el efecto de las perturbaciones, en especial las debidas al acoplamiento entre los actuadores Además de evitar este acoplamiento, el controlar la posición atenúa las no linealidades del actuador, lo que permite abordar el control de una forma más sencilla, simplificando el control posterior Actualmente para conseguir unos determinados valores de ṁ a y los controles tienen en cuenta la problemática comentada de las válvulas a través de mapas ajustados experimentalmente, siendo imposible, una vez ajustados, adaptarse a cambios Sin embargo, con el bucle interno se añade robustez al control global del sistema El coste de añadir el bucle interno es bajo, en particular si el motor ya dispone del sensor de posición La extensión natural de este trabajo es la implementación y evaluación de un bucle interno para el control de posición de la TGV, aunque, a priori, parece menos crítico Posteriormente, se procederá a la identificación y control del sistema de renovación de la carga completo Agradecimientos Financiado parcialmente por el proyecto MCYT/FEDER DPI C2-2 Referencias [1] Duffy, KP et al,(1999) Model-based EGR Control Development for an HSDI Engine, Proceedings of ASME ICE FC

7 [2] European Union Emission Regulations, [3] Grupo de Control Predictivo y Optimización Heurística, (22) Modelo del sistema de sobrealimentación + EGR (informe interno), Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, UPV