Modelling and observation of exhaust gas concentrations for diesel engine control

Abstract

A mis abuelos Manolo y Feli, a Mikel, Ama y Aita.Shine on you crazy diamond.g Resumen. La presente Tesis Doctoral estudia la observación en tiempo real de la concentración en el colector de escape de losóxidos de nitrógeno (NO x ) y del dosado (λ ¡1 ) en motores diesel sobrealimentados. Para ello se fusionan dos fuentes de información diferentes:• Sensores capaces de proporcionar una medida de dichas variables, y• modelos orientados a control que estiman estas variables a partir de otras medidas del motor.El trabajo parte de la evaluación de la precisión de los sensores, realizada mediante la comparación de su medida con la proporcionada por equipos analíticos de alta precisión, que son usados como estándares de calibración estática. También se desarrollan en la Tesis métodos para la calibración de la dinámica del sensor; dichos métodos permiten identificar un modelo de comportamiento del sensor y revelar su velocidad de respuesta y retraso asociados. En general, estos sensores demuestran ser precisos pero relativamente lentos.Por otra parte, se proponen modelos para la estimación de NO x y λ ¡1 . Estos métodos, basados en relaciones físicas, tablas de parámetros y una serie de correcciones, emplean las medidas proporcionadas por otros sensores con el fin de proporcionar una estimación de las variables de interés. Los modelos permiten una estimación muy rápida capaz de reproducir las características dinámicas, pero resultan afectados por efectos de deriva que comprometen su precisión.Con el fin de aprovechar las características dinámicas del modelo y mantener la precisión en estado estacionario del sensor, se proponen técnicas de fusión de la información basadas en la aplicación de filtros de Kalman (KF). En primer lugar, se diseña un KF capaz de combinar ambas fuentes de información y corregir en tiempo real el sesgo entre las dos señales. Posteriormente, se estudia la adaptación en tiempo real de los parámetros del modelo con el fin de corregir de forma automática los problemas de deriva asociados al uso de modelos.Todos los métodos y procedimientos desarrollados a lo largo de la presente Tesis Doctoral se han aplicado de forma experimental a la estimación de NO x y λ ¡1 . De forma adicional, la Tesis Doctoral desarrolla aspectos relativos a la transferencia de estos métodos a los motores diesel de serie. • Sensors que proporcionen una mesura de les variables, i• models orientats a control basats en variables més directes del motor.El treball desenvolupat parteix d'estudis per avaluar la precisió dels sensors. Aquests estudis tracten de comparar la mesura dels sensors amb la proporcionada per equips analítics d'alta precisió, equips utilitzats com estàndards de calibratge estàtic. A partir del calibratge estàtic es desenvolupen diversos mètodes per el calibratge dinàmic dels sensors, aquests mètodes permeten identificar un model de comportament del sensor, simulant la seva velocitat de resposta.En general, els sensors demostren ser precisos però relativament lents. Per millorar els temps de resposta de les mes...

Development of an Emissions Monitoring Methodology Using On-Board NOx Sensors and Revision to Current In-Use Emissions Regulatory Protocols

“…After the design modifications, on-board NOx sensors have been manufactured with the planar ZrO2 multilayer technology [48]. Current on-board NOx sensors are much more improved in terms of lower cost, reduced warm-up period, smaller size and improved accuracy compared to previously developed on-board NOx sensors [49].…”

“…The output of this pump is proportional to the NOx concentration in the exhaust gas. However, on-board NOx sensors have some limitations including accuracy, response time, durability during high temperature fluctuations and dependency on O2 concertation in the exhaust [45], [49], [50] . Water in the exhaust gas highly impacts the performance of Several studies investigated the cross-sensitivity of the on-board NOx sensors to ammonia [56]- [58].…”

“…Illustration of a ZrO2 based NOx sensor[49].Many studies have investigated the accuracy and response time of on-board NOx sensors for HD vehicle applications[51]-[55]. One of the earlier study on these sensors for NOx emissions measurement conducted by WVU showed that ZrO2 based NOx sensors are the most suitable cost -effective devices for use in on-road NOx emissions measurement system and the errors are between 6-12% while measuring low concentrations in the range of 5-175 ppm[53].…”