Active Engine Control Based on Gas Quality

Abstract

The usage of gaseous fuels in internal combustion engines for transportation and power generation is continuously growing. The quality of gaseous fuels is often defined as their knock resistance, where the methane number is the most important property. Variations in gaseous fuel composition present several challenges for engine operation. They affect the combustion properties and can even result in engine knock. In order to assure reliable operation and prevent engine knock, it might be necessary to restrict the power output from the engine depending on the gaseous fuel quality.

The objective of this thesis was to design and implement a controller that is determining maximum allowed power output based on the gaseous fuel quality. The implementation was primarily done into a PLC system, but it can easily also be implemented to other control systems as the design is model based. A study was also done to investigate other possible engine control applications utilizing the gas quality measurement technology. The controller design work includes and addresses e.g. signal filtering, screening of other control functions making sure that they are not interfering, and design of controller dynamics based on the response time of the measurement equipment.

The functionality of the controller is presented, and correct function was confirmed by a simulation with real measurement data from an operating power plant. Finally, the future utilization of the controller and gas quality measurement technology is presented.

Kaasumuotoisen polttoaineen käyttö kuljetusajonevojen ja energiantuotannon polttomoottoreissa kasvaa koko ajan. Kaasumaisten polttoaineiden laatu määritellään usein niiden nakutuskestävyyden mukaan. Näiden polttoaineiden tärkein ominaisuus on metaaniluku. Kaasumaisen polttoaineen koostumusvaihtelut aiheuttavat useita haasteita moottorin toiminnalle. Kaasumaisen polttoaineen koostumusvaihtelut vaikuttavat palamisominaisuuksiin ja voi jopa johtaa moottorinakutukseen. Taatakseen luotettavan toiminnan ja moottorinakutuksen estämiseksi, on moottorin tehoa mahdollisesti rajoitettava kaasumaisen polttoaineen laadun mukaan.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa säädin, joka määrittää suurimman sallitun moottoritehon kaasumaisen polttoaineen laadun perusteella. Toteutus tehtiin ensisijaisesti ohjelmoitavassa ohjausjärjestelmässä (PLC). Tämä mallipohjainen suunnittelu mahdollistaa jatkossa toteutuksen myös muille ohjausjärjestelmille. Tutkimuksessa haluttiin selvittää, onko muita mahdollisia moottorinhallintaan vaikuttavia sovelluksia, jotka perustuvat kaasun laadun mittausteknologiaan. Säätimen suunnittelutyö käsittelee mm. signaalin suodatuksen, yhtäaikaisen käytön muiden moottoriohjauslaitteiden kanssa, ja säätimen dynamiikan suunnittelu perustuen mittauslaitteiston vastausaikaan.

Työssä esitetään säätimen toiminnallisuus, ja sen oikeanlainen toiminta vahvistetaan simuloinnilla. Simuloinnissa käytetiin todellisia mittaustietoja toimivalta voimalaitokselta. Lopuksi esitellään säätimen ja kaasun laadun mittaustekniikan tulevaa käyttöä.

Användningen av gasformiga bränslen i förbränningsmotorer för transport och energiproduktion ökar ständigt. Kvaliteten hos gasformiga bränslen bestäms vanligtvis av deras knackmotstånd, av vilka metantalet är den viktigaste egenskapen. Variationen i sammansättningen hos det gasformiga bränslet utgör ett antal utmaningar för motorns drift. Det inverkar på förbränningsegenskaper och kan även leda till motorknack. För att trygga en pålitlig drift samt förhindra motorknack kan det vara nödvändigt att begränsa motorns effekt baserad på kvaliteten på det gasformiga bränslet.

Målet med detta examensarbete var att planera och förverkliga en regulator som bestämmer högsta tillåtna motoreffekt, vilken fastställs av kvaliteten på det gasformiga bränslet. Genomförandet gjordes i första hand i ett programmerbart styrsystem (PLC), men eftersom framställningen gjordes som en modellbaserad utformning kan den även enkelt förverkligas i andra styrsystem. En undersökning genomfördes också för att undersöka andra möjliga tillämpningar av motorkontroll som baseras på gaskvalitetsmätningsteknologin. Planeringsarbetet av regulatorn behandlar bland annat signalfiltrering, undersökning av andra motorkontrollfunktioner för att bekräfta att de inte påverkar varandra samt planering av regulatorns dynamik baserad på mätutrustningens svarstid.

Funktionaliteten hos regulatorn presenteras, och korrekt funktion verifieras med en simulering som använder sig av verklig mätdata från ett kraftverk i drift. Slutligen presenteras framtida tillämpningar av regulatorn och gaskvalitetsmätningsteknologin.