CARACTERIZACION Y CONTROL DE LA VALVULA DERECIRCULACION DE GASES INERTES EN UN MOTOR

DIESEL SOBREALIMENTADO

E. Pieroni, E. Perez, X. Blasco, J.V. Salcedo, M. MartınezDpto. Ingenierıa de Sistemas y Automatica

J.V. Garcıa-OrtizDpto. Maquinas y Motores TermicosUniversidad Politecnica de Valencia

Camino de Vera 14. Apdo. 22012 E-46071 Valenciae-mail:epieroni@isa.upv.es

Resumen

Un aspecto muy importante para el cumplimien-to de las futuras normativas de emision de con-taminantes en motores diesel sobrealimentados esconseguir un control preciso del gasto masico deaire (ma) y de la presion en el colector de admi-sion (Pa). Para ello, es fundamental conseguir unabuena caracterizacion y control de los actuadores:valvula de recirculacion de gases inertes (EGR) yturbina de geometrıa variable (TGV).En el presente artıculo, se aborda la caracteriza-cion de las no linealidades de la EGR, se disenaun control de posicion adecuado y se evalua el be-neficio que supondrıa su inclusion como parte deuna estructura de control en cascada, donde el bu-cle principal se encarga de regular Pa y ma. Semuestran resultados en diferentes puntos de fun-cionamiento del motor y se comparan con el sis-tema sin bucle interno.

Palabras clave: Histeresis, no linealidades, PID,control en cascada.

1. INTRODUCCION

En el presente artıculo se pretende abordar laproblematica relacionada con los actuadores en elcontrol del sistema de renovacion de la carga enmotores diesel sobrealimentados [3]. En la figura1 se muestra un esquema simplificado de la estruc-tura de un motor.

La presencia del grupo turbocompresor permiteconseguir un mayor rendimiento y potencia res-pecto a los motores diesel atmosfericos. No obstan-te, la sobrealimentacion tiene como efectos negati-vos una mayor produccion de oxidos de nitrogenoNOx en los gases de escape, como consecuencia delas mayores temperaturas y presiones en la camarade combustion del motor. Para reducir este efecto,y cumplir con la normativa actual, los fabrican-tes incluyen un sistema de recirculacion de gasesinertes, H2O y CO2, desde el colector de escapeal colector de admision (circuito de EGR).

%EGR

Compresor

%TGVma.

Turbina

Intercooler

Colector de

admisión

Colector de

escape

Motor

M T P Va a a a, , ,M T P Vesc esc esc esc, , ,

megr.

mT.

mf.

mesc.

T V3,

T2b

Tegr

Figura 1: Esquema de un motor diesel con turbo-compresor.

Para conseguir el par motor y los niveles de emi-sion deseados, el fabricante dispone de unas ta-blas en las que, dependiendo del punto de funcio-namiento definido por la cantidad de combustibleinyectada (mf ) y el regimen de giro del motor (N),se establecen las consignas de gasto de aire (ma)y de gasto de EGR (mEGR).Debido a las altas temperaturas en el conductode recirculacion de gases, no se dispone de unsensor para medir el gasto de EGR. La solucioncomunmente adoptada es medir y controlar en sulugar la presion en el colector de admision, o pre-sion de sobrealimentacion (Pa), haciendola seguirun valor de referencia que tambien proporciona elfabricante a traves de tablas.Resumiendo, desde el punto de vista del control,el sistema de renovacion de la carga es un siste-ma MIMO 2 × 2 en el que se pretende controlardos variables, Pa y ma, mediante dos actuadores,TGV y EGR.

1.1. PLATAFORMA DE ENSAYO

Los resultados experimentales que se muestran alo largo del artıculo han sido obtenidos de un mo-tor comercial turbodiesel con las siguientes carac-terısticas:

1870cc., 4 cilindros en lınea, 2 valvulas porcilindro.

Relacion de compresion 18,3 : 1.

Potencia maxima: 78,75kW .

Turbina de geometrıa variable de alabesmoviles.

Inyeccion directa common rail.

Sistema de recirculacion de gases inertes. Lavalvula EGR es electronica, alimentada me-diante una senal de modulacion de anchode pulso (PWM), de 0 − 100% y frecuencia200Hz.

El sensor de posicion de EGR varıa entre1150mV , para la valvula totalmente cerrada,y 4000mV , para la valvula totalmente abier-ta.

La turbina de geometrıa variable es acciona-da neumaticamente y esta alimentada tam-bien mediante una senal PWM de 0 − 100%y frecuencia 200Hz.

La TGV esta instrumentada con un sensor deposicion que varıa entre 0 y 10V .

2. ESQUEMA ACTUAL DE

CONTROL

Actualmente en los esquemas de control progra-mados en la unidad de control electronica (ECU)proporcionada por los fabricantes se emplean doscontroladores PI independientes (figura 2). Unode ellos regula el grado de apertura de la turbina(%TGV ) y tiene como consigna la presion de so-brealimentacion y como medida la senal del sensorde presion de sobrealimentacion. El otro PI regulael tanto por ciento de apertura de la valvula EGR(%EGR) y posee como consigna el gasto masicode aire y como medida la senal del sensor de gastomasico de aire admitido.

Figura 2: Esquema de control con dos PIs inde-pendientes.

Ya que la norma EURO4 [2] limita la cantidadde NOx producidos con respecto a la cantidad deenergıa desarrollada por el motor, los fabricantes

han decidido diferenciar dos estrategias de controldiferente segun la zona de funcionamiento del mo-tor (dependiendo del regimen de giro y del gradode carga):

1. Una de ellas (figura 2) se da a bajo regimende giro y bajo grado de carga, donde siendola energıa desarrollada por el motor muy ba-ja, la cantidad de NOx producidos por kW esalta. Esta es la zona en la que actualmente seemplea el EGR ya que es la unica que limitala normativa vigente hasta el momento. Enesta, se controla el porcentaje de EGR me-diante el segundo PI mientras que el porcen-taje de TGV se controla con un PI muy lentoy poco agresivo, para evitar que los cambiosde presion afecten sensiblemente a la cantidadde aire inerte recirculada por el conducto deEGR. La consigna de TGV se fija mediante elmapa del fabricante, es decir, en funcion delregimen de giro y del gasto de combustible sedetermina el porcentaje de TGV.

2. La otra zona de control se da para altosregımenes de giro y para grados de carga tam-bien altos. En esta zona se controla la aper-tura de la turbina, %TGV, en bucle cerradomediante el primero de los PI, y puesto queaquı la normativa no limita la emision de oxi-dos de nitrogeno no se usa la EGR (0 %). Elesquema de control en esta zona se muestraen la figura 3.

Figura 3: Esquema de control a alto regimen y aalto grado de carga.

3. DEFINICION DEL

PROBLEMA

Para poder alcanzar los objetivos de control delsistema MIMO, es importante tener en cuenta pre-viamente una serie de particularidades relativas alos actuadores utilizados.

3.1. REQUERIMIENTOS DE TIEMPO

DE RESPUESTA

Para cumplir con las normativas europeas de emi-sion (EURO4) es muy importante poder controlar

adecuadamente el ratio aire/fuel [1]. Para minimi-zar la variacion de dicho ratio respecto al valor deconsigna durante un transitorio en el motor (varia-cion de regimen y carga), es necesario introducir elaire deseado en el cilindro de una forma rapida yque el sistema de recirculacion de gases inertes, enparticular la apertura y cierre de la valvula EGR,tambien lo sea.

3.2. NO LINEALIDAD DE LOS

ACTUADORES

Las valvulas que se utilizan en la mayorıa de mo-tores comerciales suelen presentar no linealidadesbastante importantes, en particular histeresis y sa-turacion del actuador, que ademas varıan con elpunto de funcionamiento del motor. En la figura 4se muestra la caracterizacion de dichas no lineali-dades, a partir de la respuesta en regimen perma-nente ante ensayos en los que se varıa la PWM deEGR mediante escalones, realizados en distintospuntos de funcionamiento del motor. Por otro la-do, la dinamica de la valvula cambia de gananciadependiendo de la posicion, como se aprecia en lafigura 5, donde se representan la PWM aplicadaa la valvula y la respectiva posicion alcanzada. Sino son tenidos en cuenta, estos fenomenos puedendificultar tanto la identificacion como el controldel sistema de renovacion de la carga.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

PWM EGR (%)

Pos

icio

n E

GR

(mV

)

1250 rpm,mf=12.7 mm3, TGV=30%

1500 rpm,mf=16 mm3, TGV=20%

2000 rpm,mf=15 mm3, TGV=30%

30 35 40 45 50 55 60 65 701000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

PWM EGR (%)

Pos

icio

n E

GR

(mV

)

Figura 4: Histeresis de la valvula

3.3. ACOPLAMIENTO ENTRE

ACTUADORES

El sistema de renovacion de la carga es un sistemaacoplado, puesto que los cambios tanto en EGRcomo en TGV afectan a la masa de aire y a lapresion del colector de admision.Pero, ademas de este efecto intrınseco del proce-so, el fenomeno de acoplamiento se ve agravadoporque el movimiento de uno de los actuadorespuede afectar a la posicion del otro. Por ejemplo,

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

1000

2000

3000

4000

Pos

icio

n E

GR

(mV

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

0

20

40

60

80

100

Muestras (200 Hz)

PW

M E

GR

(%)

Figura 5: Respuesta en bucle abierto de la valvula.

manteniendo fija la PWM aplicada a la EGR ycambiando la posicion de la TGV, los consecuen-tes cambios de presion tienden a mover la EGR, apesar de que dichas valvulas suelen estar mecani-camente disenadas para evitarlo.

Para comprobar este efecto, se han realizado unaserie de ensayos en los que se mantiene fija laPWM aplicada a la valvula EGR y se va variandomediante escalones la PWM aplicada a la TGV, endistintos puntos de funcionamiento. Como ejemplose muestran las figuras 6 y 7, en las que se apreciael fenomeno descrito. Como se vera mas adelante,esto ademas afectara a Pa y ma.

0 5000 10000 150000

2

4

6

8

10

Pos

TG

V(V

)

0 5000 10000 150001100

1200

1300

1400

1500

1600

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R(m

V)

Figura 6: Variacion de la posicion de EGR a 2000rpm.

4. SOLUCION ADOPTADA

Ante la problematica expuesta en cuanto al actua-dor de EGR, se considera la implementacion de uncontrol de posicion. Este funcionara como un bu-cle interno dentro de una estructura en cascada.Las ventajas que aporta esta filosofıa son:

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

0

2

4

6

8

10

Muestras (200 Hz)

Pos

TG

V (V

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

1200

1300

1400

1500

1600

1700

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R (m

V)

Figura 7: Variacion de la posicion de EGR a 1250rpm.

Rechazo de perturbaciones. En particular, seeliminara el efecto de las perturbaciones ori-ginadas por el cambio de posicion de la TGV,con lo cual se atenuara el acoplamiento entrelos actuadores.

Mejora del tiempo de respuesta de la valvula.

Atenuacion de los efectos de la histeresis ysaturacion del actuador.

Todas estas ventajas facilitaran la identificaciondel modelo completo del sistema y el diseno delcontrolador encargado de regular Pa y ma, que seenfrentara a un proceso mas lineal y menos aco-plado.

4.1. AJUSTE DEL CONTROLADOR

Debido a las no linealidades y variacion de ladinamica del sistema con el punto de funciona-miento, se decide implementar un control PI, porsu robustez. El ajuste de los parametros se rea-lizara de forma experimental, buscando obteneruna respuesta adecuada en los diferentes puntosde funcionamiento. Para ello, se realizan ensayossobre la valvula con diferentes regımenes de giro,cantidad de combustible inyectada y posicion dela turbina. A la vista de los resultados obtenidos,se escogen los parametros del PI, hasta obteneruna respuesta adecuada en terminos de tiempo deestablecimiento y sobreoscilacion en los diferentespuntos.

El controlador PI finalmente utilizado es el si-guiente:

CE(s) = 0,028(1 + 0,08s)

s(1)

En la figura 8 se muestra la respuesta ante escalonde la valvula para distintos regımenes de giro delmotor (1250 r.p.m., 1500 r.p.m. y 2000 r.p.m.).

1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100 2125 2150 2175 22001550

1600

1650

1700

1750

1800

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R (m

V)

1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100 2125 2150 2175 220036

38

40

42

44

46

48

Muestras (200 Hz)

PW

M E

GR

(%)

1250 r.p.m.1500 r.p.m.2000 r.p.m.

Figura 8: Respuesta ante escalon a distintosregımenes de giro.

En la figura 9 se muestra la respuesta de la valvulaen bucle abierto ante escalones en la accion de con-trol y la respuesta en bucle cerrado ante escalonesde la referencia. Se comprueba que la respuesta delsistema controlado es mas rapida que la del siste-ma en bucle abierto. Este hecho resultara de granimportancia para conseguir un mejor control sobrelas variables de interes en el proceso de renovacionde la carga (Pa y ma).

6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R (m

V)

Posicion bucle abiertoReferenciaPosicion bucle cerrado

Figura 9: Respuesta ante escalon en bucle abiertoy bucle cerrado. 1250 r.p.m.

5. RESULTADOS

Una vez disenado un control de posicion de lavalvula EGR valido para muchos puntos de fun-cionamiento, se evalua el beneficio de su inclusionen la estructura de control en cascada. Para ello,se realizan ensayos en los que para una PWM fi-ja aplicada a la TGV, se va variando la PWM oposicion de la EGR, segun estemos trabajando enbucle abierto o cerrado respectivamente (figuras10 y 11).

Observando dichas figuras, se deduce que, cuando

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

1000

2000

3000

4000

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R (m

V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

0

200

400

600

Muestras (200 Hz)

ma (m

g/cc

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

1000

1020

1040

1060

1080

Muestras (200 Hz)

Pa (m

bar)

Figura 10: Variacion de ma y Pa con la posicionde EGR (bucle abierto).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

1000

2000

3000

4000

Muestras (200 Hz)

Pos

EG

R(m

V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

100

200

300

400

500

600

Muestras(200 Hz)

ma (m

g/cc

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

1000

1020

1040

1060

1080

Muestras (200 Hz)

Pa (m

bar)

Figura 11: Variacion de ma y Pa con la posicionde EGR (bucle cerrado).

la valvula de EGR esta bastante abierta, su cam-bio de posicion practicamente no afecta a Pa y ma.Esta es una razon mas para tener correctamentecontrolada la posicion de la valvula de forma quepodamos garantizar que no se va a encontrar enla zona en la que se pierden grados de control.

En la figura 12 se muestra una zona ampliada de lafigura 11 en la que la valvula esta practicamenteabierta, donde se aprecia que el control de posi-cion no funciona tan bien como en otros puntos,probablemente debido a la histeresis de la valvu-la. Aunque serıa deseable que el control funcio-nara correctamente en todo el rango de actuacionde la valvula, esto es difıcil de conseguir con ununico controlador, debido a la comentada no li-nealidad de la misma. El controlador implemen-tado finalmente se ha disenado para que funcio-ne correctamente cuando la valvula esta bastantecerrada debido a que, como se observa en la figura11, cuando esta muy abierta los cambios de posi-cion afectan muy poco a Pa y ma, por lo que sepueden tolerar mayores errores en el control.

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

x 104

3000

3500

4000

Pos

EG

R(m

V)

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

x 104

190

200

210

220

ma (m

g/cc

)

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

x 104

1014

1016

1018

1020

Muestras (200 Hz)

Pa (m

bar)

Figura 12: Variacion de ma y Pa con la posicion deEGR en bucle cerrado en la zona de EGR abierta.

Para evaluar correctamente la inclusion del con-trol de posicion de la valvula de EGR se realizanuna serie de ensayos en diferentes puntos de fun-cionamiento del motor, en los que se compara larespuesta del motor ante cambios en la posicion dela valvula de TGV en dos situaciones, con la po-sicion de la valvula de EGR controlada y sin con-trolar. En particular, los ensayos se han realizadocon la valvula de EGR en una posicion bastantecerrada, puesto que, como hemos visto, es en estazona donde mas afectan los cambios a Pa y ma.

Se observa (figuras 13, 14 y 15) que ante los mis-mos cambios de TGV el sistema se comporta deforma diferente segun que la posicion de EGReste o no controlada. En el caso de posicion nocontrolada, un aumento en la posicion de TGV (mas potencia al turbo) tiende a cerrar la EGR.Ambos efectos combinados hacen aumentar tantola presion de admision como la masa de aire. Sinembargo, cuando la posicion de EGR esta contro-lada, al aumentar TGV aumenta la presion (aun-que mucho menos que con la EGR sin controlar)pero disminuye la masa.

Fısicamente esto es debido a que si no dejamos quese mueva la EGR (por el PI) llega un momento enque el aire que sale del escape encuentra menosresistencia a recircularse que para mover la tur-bina, por lo que el turbo se va frenando y comoconsecuencia entra menos masa de aire. Ademas,al aumentar el aire quemado recirculado decae elpar (la combustion no es buena por falta de airefresco).

Aunque desde el punto de vista de la respuesta delmotor este efecto no es deseable, hay que tener encuenta que los ensayos realizados no reproducenel comportamiento que tendrıa el lazo de controlsuperior, donde se fijarıan unas referencias para laposicion de las valvulas de EGR y TGV adecua-

das. No obstante, es importante tener en cuentaque, con el control interno, conocemos exactamen-te en que posicion estan las valvulas, evitando losefectos de las perturbaciones que, como hemos vis-to, pueden modificar considerablemente el com-portamiento del motor.

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

x 104

1000

1500

2000

Pos

icio

n E

GR

(mV

) EGR no controladaEGR controlada

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

x 104

0

5

10

Pos

icio

n TG

V (V

)

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

x 104

200

300

400

500

ma (m

g/cc

)

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

x 104

1000

1050

1100

1150

Muestras (200 Hz)

Pa (m

bar)

Figura 13: Pa y ma ante escalones en TGV. 1250r.p.m.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80001200

1400

1600

1800

Pos

icio

n E

GR

(mV

)

EGR no controladaEGR controlada

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000

5

10

Pos

icio

n TG

V (

V)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000200

400

600

800

ma (m

g/cc

)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80001000

1200

1400

1600

Muestras (200 Hz)

Pa(m

bar)

Figura 14: Pa y ma ante escalones en TGV. 2000r.p.m.

6. CONCLUSIONES Y

TRABAJO FUTURO

En este artıculo el trabajo se ha centrado en conse-guir un control de posicion de la valvula de EGRhasta ahora no implementado en los motores deserie.

El controlador disenado es valido para un am-plio rango de puntos de funcionamiento delmotor y grados de apertura de las valvulas(todos los ensayados).

La velocidad de respuesta de la valvula con

0 2000 4000 6000 8000 10000 120001000

1500

2000

Pos

icio

n E

GR

(mV

) EGR no controladaEGR controlada

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

Pos

icio

n TG

V (V

)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000200

400

600

800

ma (m

g/cc

)

0 2000 4000 6000 8000 10000 120001000

1500

2000

Muestras (200 Hz)

Pa (m

bar)

Figura 15: Pa y ma ante escalones en TGV. 2500r.p.m.

el controlador mejora respecto a la existenteen bucle abierto.

Se reduce el efecto de las perturbaciones, enespecial las debidas al acoplamiento entre losactuadores.

Ademas de evitar este acoplamiento, el con-trolar la posicion atenua las no linealidadesdel actuador, lo que permite abordar el con-trol de una forma mas sencilla, simplificandoel control posterior.

Actualmente para conseguir unos determina-dos valores de ma y Pa los controles tienenen cuenta la problematica comentada de lasvalvulas a traves de mapas ajustados experi-mentalmente, siendo imposible, una vez ajus-tados, adaptarse a cambios. Sin embargo, conel bucle interno se anade robustez al controlglobal del sistema.

El coste de anadir el bucle interno es bajo, enparticular si el motor ya dispone del sensorde posicion.

La extension natural de este trabajo es la imple-mentacion y evaluacion de un bucle interno parael control de posicion de la TGV, aunque, a prio-ri, parece menos crıtico. Posteriormente, se pro-cedera a la identificacion y control del sistema derenovacion de la carga completo.

Agradecimientos

Financiado parcialmente por el proyectoMCYT/FEDER DPI2001-3106-C02-02.

Referencias

[1] Duffy, K.P. et al.,(1999) “Model-based EGRControl Development for an HSDI Engine”,Proceedings of ASME ICE FC.

[2] “European Union Emission Regulations”,http://www.dieselnet.com/standards/eu/ld.html.

[3] Grupo de Control Predictivo y OptimizacionHeurıstica, (2002) “Modelo del sistema de so-brealimentacion + EGR” (informe interno),Departamento de Ingenierıa de Sistemas yAutomatica, UPV.