P1 Modélisation et commande de l'auto-ignition d'un moteur HCCI
Sommaire
Introduction:
Ce projet se déroule en partenariat avec l'université de Gand (Belgique) et plus particulièrement avec le département "Flow Heat and Combustion Mechanics". Ce département travaille à l’amélioration des moteurs thermiques existant par l’étude des carburants utilisés et le développement d’outil d’optimisation durable, évolutif et compact.
L’étude du moteur HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) l’amélioration de son fonctionnement, sa commande et son contrôle représente un enjeu dans le cadre des économies de carburant et de la réduction des émissions de polluants atmosphérique.
L’objectif principal de ce projet est de caractériser la combustion au sein du moteur, puis de faire une étude bibliographique des modèles et contrôles applicable au moteur HCCI. La particularité de cette étude repose dans l’utilisation d’un capteur permettant de mesurer la chaleur libérée lors de la combustion.
I - Présentation du projet
1) principe de fonctionnement du moteur HCCI
Le moteur HCCI est un moteur à combustion interne au même titre que le moteur à essence ou le moteur diesel. Il peut, d’une certaine manière, être considéré comme un mélange entre ces deux moteurs.
Le principe de fonctionnement de ce moteur est le suivant : - Injection dans le cylindre du moteur d’un mélange air-carburant homogène. - Compression de celui-ci jusqu’à parvenir au point d’auto-allumage (ou auto-ignition). - Détente. -Évacuation des gaz suite à la combustion.
Comme dans le moteur diesel, le mélange est compressé jusqu’à auto-ignition, il n’y a donc pas de commande directe de l’allumage (bougie) comme sur un moteur à essence. Toutefois, comme les moteurs à essence, le moteur HCCI utilise un mélange homogène contenant du carburant et de l’oxydant (le plus souvent de l’air) alors que dans le cas d’un moteur diesel le carburant est injecté lors de la compression.
Le moteur HCCI présente ainsi des avantages par rapport aux autres types de moteurs à combustion interne :
Un rendement plus élevé que les moteurs à essence (environ 30%). • Peu de pertes mécaniques
• Basse température de combustion
• Très peu d’émission d’oxydes de nitrogènes
• Pas d’émission de particules
• Possibilité d’utiliser différents carburants
Toutefois, le moteur HCCI présente aussi quelques inconvénients :
• Contrôle difficile de la température d’ignition
• Contrôle difficile du déclenchement de l’ignition
• Faible densité de puissance
• Faibles performances à hautes charges
• Fortes émissions de polluants hydrocarbures
• Pics de pressions élevés
• Energie dissipée dans un temps très court
Le problème principal de ce moteur est donc le contrôle de son ignition, ce qui crée des problèmes principalement lors des phases de démarrage et pour les fonctionnements à couple élevé.
2) Présentation du banc de test
L’université de Gand possède un banc d’essai monté autour d’un cylindre de moteur HCCI, cela permet de réaliser des séries de mesures afin d’en étudier le fonctionnement.
Ce banc d’essai est équipé d’un grand nombre de capteurs, il est possible de mesurer : - Angle du vilebrequin
- Température des gaz injectés
- Température en sortie du cylindre
- Température atmosphérique
- Pression atmosphérique
- Pression dans le cylindre
- Pression des gaz en entrée du cylindre
- Chaleur dissipée (précision de 7-10%)
- Couple sur le vilebrequin
- Ratio air/carburant du mélange injecté
- Ratio air/carburant en sortie
Des séries de mesures ont été réalisées sur ce banc de test, cela a permis de récupérer les courbes représentant la pression dans le cylindre, la température des gaz, la chaleur libérée, le flux de chaleur net et le volume de la chambre selon différentes condition initiales.
3) Données disponibles
Nous avons à notre disposition 5 jeux de mesures réalisés par Stijn Broekaert. Chaque mesure est réalisée de la même manière en modifiant les variables d’entrées. L’ensemble de ses mesures nous donne un échantillon suffisant pour tester nos méthodes de détection et vérifier les informations trouvées dans la littérature.
II - Méthodes de détection
1) Méthode de détection théorique
La majorité des méthodes de détections utilisées actuellement sont basées sur le CA50, c’est à dire le moment ou 50% du carburant a été consommé, et non sur la détection directe du déclenchement de la combustion (CA1). En effet, le CA1 est sujet au bruit et est très difficile à détecter avec précision, le CA50 est beaucoup plus stable et robuste au bruit. [1] Il y a deux types de détections, celles basées sur un modèle thermodynamiques et celles basées sur l’étude du signal observé.
1.1) Méthodes de détection basées sur le modèle thermodynamique.
L’angle du vilebrequin correspondant au moment de l’auto-ignition peut être déterminé en utilisant la condition d’Arrhenius [6].
Afin d’utiliser cette méthode il est nécessaire de connaitre l’ensemble des paramètres des équations, ces paramètres doivent être déterminés de manière empirique puisqu’ils dépendent du carburant utilisé, du moteur et des conditions extérieures. Nous n’avons pas les moyens de les déterminer et avons donc décidé de nous orienter vers d’autres méthodes.
1.2) Méthodes basées sur l’étude du signal.
Notre première idée était d’utiliser l’algorithme de CUSUM Page-Hinkley, qui peut être trouvé dans le livre de Basseville et Nikiforov et permet la détection d’un changement dans l’un des paramètres d’une séquence dépendante du temps. [9]
Il s’agit d’une méthode d’analyse statistique utilisée pour la détection d’un événement soudain, basée sur un changement de variance des données analysées. Mais nous ne pouvons pas appliquer cette méthode à nos courbes puisque nous n’avons pas de changement représentatif de la variance (ce qui apparaitrait, par exemple, pour un phénomène de « knock »). La variance n’est donc pas un élément représentatif des données dans nos courbes, cependant il semble exister des indices dans l’évolution des signaux qui pourraient nous servir, nous en discuteront plus tard.
2) Méthodes de détection expérimentales.
2.1) Détection du CA50
a)En utilisant la courbe de pression
CA50 peut être déterminé quand la pression dans le cylindre atteint sa valeur maximale. Cette méthode fait l’hypothèse que la combustion se déroule intégralement et dans de bonnes conditions.[1]
b)En utilisant le flux de chaleur net (dQ/dθ)
CA50 peut être déterminé quand l’énergie libérée par degré du vilebrequin (dQ) atteint sa valeur maximale. [1] Il est possible d’utiliser cette méthode sur la courbe de chaleur en la dérivant ou sur la courbe de flux de chaleur net.
b)En utilisant la chaleur totale libérée par la réaction
Cette méthode est notre méthode référence afin de détecter le CA50. Elle consiste à faire la somme de la chaleur libérée pendant la réaction, la courbe rprésentant cette somme peut être utilisée afin de déterminer les points recherchés. On mesure l’intervalle entre les valeurs maximale et minimale de la courbe, et on localise le CA50 à la moitié de cet intervalle. [17] 3) Résultats du CA50
Les methodes de détection expliquées précédemment ont été appliquée aux données que nous possédons et nous obtenons les résultats suivants pour les différentes courbes:
En utilisant la pression, on a : 1.75 3.5 5 7.5 9.75
En utilisant le flux de chaleur net, on a :-3 -1 0 3 6
En utilisant la somme cumulative, on obtient : 9,75° 10° 9,25° 14,75° 20,5°
Les résultats obtenus à l’aide des courbes de pression et de flux de chaleur sont similaire. Ceux obtenus avec la somme de la chaleur libérée, notre méthode de référence, sont plus élevés d’environ 10°. Cet écart s’explique par les imprécisions de calcul, et le coté approximatif des deux premières méthodes.
III - Perspective de controle
1) Analyse du système.
Le moteur HCCI est un système complexe, afin de le contrôler il est nécessaire d’en comprendre le fonctionnement mais aussi de bien maitriser les différentes variables mis en jeu et leur impact sur le cycle de combustion. [21]
a) Entrée du système.
Les variables d’entrée sur lesquelles il est possible d’influer sont :
- la température des gaz admis
- la pression des gaz admis
- l’EGR (exaust gas return)
- l’AFR (air fuel ratio)
- la vitesse de rotation du moteur.
Une autre méthode consiste à modifier l’instant de fermeture de la valve d’admission afin de retarder ou avancer le départ de l’ignition. [11, 12] Cependant il est plus simple de fixer l’instant de fermeture des valves et de jouer sur les autres paramètres.
b) Sortie du système.
L’objectif du contrôle et de fixer l’instant d’ignition du carburant, n’ayant pas d’accès direct au CA1 on se concentre sur le positionnement du CA50. Le fait de fixer le CA50 dans un intervalle compris entre 0° et 10 °(ou 3° et 7°) permet d’éviter les phénomènes de knock, de mistfire ou de combustion partielle. Cela permet au moteur de fonctionner avec le meilleur rendement et de réduire les émissions de particules polluantes. Au contraire, si le CA50 se situe trop tôt on observe :
- Des pics de pressions très élevés qui peuvent endommager le cylindre produisent un fort bruit.
- Une augmentation de la production de NOx.
Si le CA50 se situe trop tard on observe :
- Une combustion incomplète.
-Une augmentation des émissions de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures.
Il peut aussi être intéressant de travailler avec l’IMEP (indicative mean effective pressure) qui permet d’avoir un deuxième regard sur le meilleur point de fonctionnement possible.
2) Méthodes de contrôles.
Il existe deux méthodes principales afin de contrôler un moteur thermique : le contrôle intra-cycle et le contrôle cycle par cycle.
a) Contrôle intra-cycle.
Comme son nom l’indique l’objectif de ce contrôle est de suivre en direct le déroulement d’un cycle et de modifier en temps réel les variables, ou d’agir sur un élément mécanique afin de changer la dynamique du système et d’obtenir le comportement désiré. Cette méthode est appliquée lors du contrôle des moteurs diesel et essence : l’allumage des bougies ou l’injection du carburant a lieu à l’instant même ou l’on souhaite que la combustion ait lieu.
Pour cela on regarde la pression dans le cylindre et on injecte le carburant (ou on l’allume) dès que la valeur désirée est atteinte. Un modèle de prédiction est nécessaire pour utiliser cette méthode. [18, 19, 20]
Si cette méthode s’applique parfaitement pour les moteurs à combustion classique, il n’est pas possible de l’appliquer au moteur HCCI. En effet une fois la valve d’admission fermée le cycle se déroule sans aucune possibilité d’intervenir sur les paramètres.
Des solutions hybrides avec le rajout d’un injecteur permettant de modifier légèrement la quantité de carburant dans le cylindre pendant la combustion ont été envisagées mais il ne s’agirait alors plus d’un vrai moteur HCCI. Cette problématique nous pousse à nous orienter vers d’autre type de contrôle.
b)Contrôle cycle par cycle.
Cette méthode semble être la plus à même d’être appliquée pour un moteur HCCI. Pour un point de fonctionnement du moteur (couple-vitesse) donné, on observe à l’aide de capteur l’évolution des variables lors d’un ou de quelques cycles. A l’aide des méthodes présentées précédemment on peut alors caractériser la combustion et connaitre l’instant (ou la moyenne des instants) ou se situe le CA50. [14, 15]
Il est alors possible de modifier les entrées du système afin de relocaliser le CA50 dans l’intervalle de valeur souhaité.
Afin d’appliquer cette méthode il faut soit posséder un modèle thermodynamique et mécanique complet du système, soit connaitre l’impact relatif des différentes variables sur la position du CA50.
3) Première idée du contrôle.
Cette partie a pour objectif l’étude de l’impact des variables d’entrée dans le cas d’un contrôle cycle par cycle.
a) Cinétique des variables.
Il est en théorie possible de jouer sur toutes les variables d’entrée entre deux cycles du moteur, cependant toutes les variables ne possèdent pas la même cinétique et cela doit être prit en compte pour le contrôle. En effet il n’est pas possible de faire varier la température d’admission du mélange air carburant de façon instantanée, il faut attendre plusieurs cycles avant que la modification soit effective et le rendement du moteur peut être affecté pendant la phase d’ajustement de la température. Dans le cas particulier de notre banc de test, nous ne possédons pas de compresseur, il n’est donc pas possible de modifier la pression d’entrée. Cependant sur un moteur équipé de ce matériel il serait possible de modifier de manière quasi instantanée la pression et cela pourrait être une bonne manière de régler le CA50.
Lors d’une des réunions s’étant déroulée à Gand, il a été décidé que la meilleur solution dans notre cas serait de réaliser le contrôle en modifiant l’AFR et l’EGR. Ces deux variables peuvent être rapidement modifiées, sont facilement mesurable et ont un effet important sur le déroulement du cycle. A l’aide de ces variables et d’un algorithme de détection et de contrôle rapide il apparait envisageable de réaliser un véritable contrôle cycle par cycle.
b) Influence de l’AFR et l’EGR.
L’AFR et l’EGR permettent de modifier la nature des gaz admis dans le cylindre, leur effet sur la combustion peut être caractérisé de différentes façons. Si de manière générale l’augmentation de l’EGR avance le début de la combustion, il n’est pas possible de donner une loi linéaire expliquant la réaction du système selon l’EGR ou l’AFR, il faut la encore posséder un modèle thermodynamique et chimique complet. Il est cependant possible de connaitre certaine caractéristique de la combustion grâce aux données présente dans la littérature. [23]
Une étude plus approfondie de la zone où la réaction se déroule dans de bonne condition permet de contrôler la vitesse de la réaction en fonction de ces deux paramètres. [22] De manière globale plus l’EGR et l’AFR sont élevés plus la réaction est lente. Cette observation permet de modifier la position du CA50 selon le moment de fermeture des valves et de régler la vitesse du moteur.
Un contrôle basé sur les taux d’EGR et d’AFR permet donc de contrôler la réaction et de s’assurer de son bon déroulement, il ne permet cependant pas de maitriser totalement l’instant du CA50. Il parait donc indispensable de posséder un modèle thermodynamique complet pour réaliser le contrôle cycle par cycle du moteur HCCI de manière précise.
Conclusion
Ce projet nous a permis de découvrir et d’étudier le fonctionnement d’un moteur HCCI, technologie singulière posant des problèmes de contrôles que nous n’avions pas rencontré jusqu’à présent. Des recherches bibliographiques approfondies nous ont permis d’en comprendre le fonctionnement, de caractériser la combustion en détectant les points nécessaires et enfin de proposer une première approche des méthodes de contrôle applicable à ce type de moteur. A la fin de ce projet, il nous semble indispensable de posséder un modèle thermodynamique ou cinétique-chimique du moteur afin d’en assurer le contrôle. Avec un modèle de ce genre et les recherches effectuées lors de ce projet il apparait réaliste de pouvoir contrôler le moment d’ignition d’un moteur HCCI.
Ce projet nous a aussi permis de travailler en partenariat avec une université étrangère, de découvrir une autre culture du travail et d’échanger avec des spécialistes d’une discipline différente de la nôtre. Il a été extrêmement enrichissant pour nous, nous obligeant à sortir de notre domaine de travail habituel pour nous adapter à un autre dans lequel nos connaissances de départ étaient limitées.
Références
1.J. Bentsson, P. Strandh, R. Johansson, P. Tunestal, B. Johansson, “ Closed-loop combustion control of homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine dynamics”, International Journal Of Adaptative Control And Signal Processing, 18, 168-179, 2004
2.N. Killingsworth, S. Aceves, D. Flowers, M. Krstic, “A Simple HCCI Engine Model for Control, IEEE International Conference on Control Applications Munich”, Germany ,October, 2006
3.R. Worret, S. Bernhardt, F. Schwarz , U. Spicher,“Application of Different Cylinder Pressure Based Knock Detection Methods in Spark Ignition Engines”, International Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exhibition Reno, Nevada, May, 2002
4.G. Haraldsson, P. Tunestål , B. Johansson, “HCCI Closed-Loop Combustion Control Using Fast Thermal Management”, SAE international, 2004-01-0943, 2004
5.J. Bengtsson , P. Strandh , R. Johansson , P. Tunestål, B. Johansson, ” Hybrid modelling of homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine dynamics—a survey”, International Journal of Control, 80, 1814-1847, 2007.
6.A. Widd, P. Tunestål, R. Johansson.,”Modeling for HCCI Control”,Springer- Verlag London, LNCIS 418, p283-302, 2012
7.G. Xiaofeng, R. Stone, C. Hudson,”The Detection and Quantification of Knock in Spark Ignition Engines”, SAE Technical Paper Series, Fuels and Lubricants Meeting and Exposition Philadelphia, Pennsylvania October 1, 1993
8.M. Lundström, “Model Based HCCI engine combustion control”, Master's Degree Project, University of Stockholm, Sweden, 2006
9.M. Basseville, I. V. Nikiforov, “Detection of Abrupt Changes: Theory and Application”, Prentice-Hall, 1993
10.B. Oud Bouamama, “Structural Analysis for Supervision System Design part 1”, 2014
11.F. Agrell, “Control of HCCI by aid of variable Valve Timing with Specialization in Usage of a Non-linear Quasic-StaticCompensation”, KTH Industrial Engineering and Management, Stockholm, Sweden, 2006, thesis
12.G. M. Shaver, M. J. Roelle, J. C. Gerdes, “Modeling cycle-to-cycle dynamics and mode transition in HCCI engines with variable valve actuation”, Control Engineering Practice 14, 213 – 22, 2006
13.Adam F. Jungkunz, “Actuation strategies for cycle-to-cycle control of homogeneous charge compression ignition combustion engines”, Stanford University, March 2013, dissertation
14.J. B. Bettis, “ Thermodynamic based modeling for nonlinear control of combustion phasing in HCCI engines”, Missoury University of Science and Technology, 2010, thesis
15.C. Hernandez, “HCCI Timing Control Using Iterative Feedback Tuning”, KTH Electrical Engineering, Stockholm, Sweden, 2006
16.Steffen, T., Stobart, R., and Yang, Z., "Challenges and Potential of Intra-Cycle Combustion Control for Direct Injection Diesel Engines," SAE Technical Paper 2012-01-1158, 2012, doi: 10.4271/2012-01-1158.
17.N. J. Killingsworth HCCI Engine Control and Optimization A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree Doctor of Philosophy in Engineering Sciences (Mechanical Engineering) University of Califronia, San Diego
18.T. Steffen, R. Stobart, Z. Yang, Challenges of combustion of Intra-cycle combustion control for direct injection diesel engine. 16/04/2012 SAE international
19.T. Steffen, R. Stobart, Z. Yang, Disturbance sources in the disel engine combustion process 08/04/2013 SAE international
20.T. Steffen, R. Stobart, Z. Yang, E. Winward, A predictive model of Pmax and Imep for intra-cycle control 01/04/2014 SAE international
21.M. Shahbakhti, Modeling and experimental study of an HCCI engine for combustion timing control. 2009, Alberta University Thesis
22.A. Bhave, M. Kraft, A. Oakley, H. Zhao, F. Mauss, Analyzing the limits of a stable homogeneous charge compression ignition operation. 2004, Cambrdige University
23.P. E Yelvington, Design of a valiable homogeneous charge compression ignition engine: a computational study with detailed chemicals kinetics. 2004, Massachussets Institute of Technology.
Déroulement du projet
Semaine 1:
Prise de contact avec nos tuteurs (Anne-Lise Gehin / Jean-Yves Dieulot). Recherche de documentation sur les moteurs thermiques en général et plus particulièrement la technologie du moteur HCCI. Une date pour la rencontre avec l'équipe du l'université de Gand rattachée à ce projet est fixée au 09/10/2014. La réunion se déroulera à l'université de Gand en présence du Professeur Sebastian Verhelst et de Stijn Broekaert étudiant du département Flow Heat and Combustion Mechanics actuellement en thèse sur le moteur HCCI. Il a également été décidé que nous reverions nos tuteurs en semaine 3 pour faire un premier point sur le sujet.
Semaine 2:
Cette semaine a été consacrée à la réalisation d'une première base de documentation sur le sujet et à la lecture de cette documentation (voir bibliographie).
Semaine 3:
Réunion avec nos tuteurs pour faire un point sur les principaux objectifs de la réunion à Gant et sur nos connaissances du moteur HCCI. Suite des recherches bibliographiques.
Semaine 4:
Réunion à Gand. Définition des grands axes du projet et des différentes étapes de celui-ci (voir compte-rendu de réunion). Fichier:CRn1Eng.pdf
Schéma représentant le banc de test de l'université de Gand
Semaine 5:
Réception des résultats des mesures effectuées a Gand et analyse. La lecture de documentation continu...
Valeur de la pression dans le cylindre en fonction de l'angle du vilebrequin.
Flux de chaleur mesuré en fonction de l'angle du vilebrequin.
Température en fonction de l'angle
Semaine 6:
Court entretien avec notre tuteur Anne-Lise Gehin à propos des résultats envoyer par l'université de Gand
Analyse des données reçues
Semaine 7:
Réunion avec nos tuteurs pour discuter des données et de leurs analyses
Semaine 9:
Recherche afin de déterminer le moment de l'ignition, lecture de documentation (toujours...).
Réalisation d'un premier rapport d'avancement.
Semaine 10:
Réunion avec Anne-Lise Gehin et Jean-Yves Dieulot avant l'envoie d'un rapport préliminaire à l'université de Gand
Envoi du rapport préliminaire :Fichier:AdvancementReport.pdf
Semaine 11:
Recherches bibliograpiques
Semaine 12:
Retour de la part de Gand sur le rapport préliminaire
Rapport intermédiaire et soutenance
rapport intermédiaire :Fichier:Rapport decembre moule tache.pdf
Semaine 13:
Poursuite du travail abordé avant les vacances.
Discutions à propos du retour de Gand.
Semaine 14:
Recherches sur la détection du CA50 et sur le controle
Semaine 15:
Recherches bibliographiques sur la détection du CA50 et essais de calculs sous matlab.
Réunion le lundi 19/02 avec les tuteurs écoles pour parler de la détection du CA50 et des pistes de contrôle du moteur HCCI
Semaine 16:
Recherches bibliographiques sur le controle
Semaine 17:
Recherchse sur le moteur HCCI et préparation pour le rendez vous avec l'université de Gand.
Réunion le jeudi 5/02 avec les tuteurs écoles pour le rdv avec Gand. Réalisation d'une étude sur la flamme froide :Fichier:Etude sur la flamme froide.pdf
Rédaction d'un rapport et d'un powerpoint pour le rdv.
Semaine 18:
Réunion le lundi 9/02 avec l'université de Gand sur la détection du moment d'ignition Rapport donné à l'université de Gand : Fichier:RapportGand 2.pdf
Recherches bibliographique sur le contrôle
Semaine 19:
Recherches sur le contrôle cycle to cycle et sur le contrôle intra-cycle
Réunion le vendredi 20/02 avec l'université de Gand pour parler du contrôle
Semaine 20:
Rendu du rapport et soutenance Rapport final: Fichier:RapportFinPFE.pdf
