Diseño de un control no lineal para la mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna mediante regulación por retroalimentación del error

Abstract

In this thesis we study the operation of an internal combustion engine (ICE), developing a nonlinear model consisting of 4 main blocks that determine the basic operation of the engine. The following variables are analyzed: air intake, fuel dynamics, torque generation and speed, all implemented and simulated in Simulink ® software. From these variables we obtain an expression that describes the behavior of the fuel-air mixture entering the cylinder from an ICE to be a part in the combustion process. This air-fuel ratio is our main focus point and we will design a control stategy based on this variable, that keeps the mixture close to the reference. The quality of the mixture will determine the energy efficiency of engine and emissions into the atmosphere, therefore it is very important to keep the relationship on a stoichiometric value. We have developed a mathematical model, which involves the most important aspects in the formation of the mixture. In order to test the system, a state space representation was considered, with the following state variables: available amount of air in the intake manifold, fuel within the combustion chamber, the angular velocity of the crankshaft and air-fuel ratio. We analyze the stability of the plant by means of the second Lyapunov stability criterion, and based on this concepts, a control strategy is designed and implemented through a feedback regulation of the error, minimizing the deviations of the lambda value with respect to the reference.

En la presente tesis se estudia el funcionamiento de un motor de combustión interna (MCI) desde el punto de vista del control, para esto se desarrolla un modelo no lineal constituido por 4 bloques principales que determinan el funcionamiento básico del motor, considerando: admisión de aire, la dinámica del combustible así como la generación de torque y velocidad, todo esto implementado y simulado en Simulink®. A partir de estos elementos se obtiene una expresión que describe el comportamiento de la mezcla aire-combustible que entra al cilindro del MCI para participar en la combustión y en ésta centraremos la atención y diseñaremos una estrategia de control que mantenga la variable lo más cercano a la referencia. La calidad de la mezcla determinará el rendimiento energético del motor, así como las emisiones contaminantes a la atmósfera; por lo que es importante mantener su concentración en un valor óptimo. Se ha desarrollado un modelo matemático, en el cual se involucran los aspectos más importantes en la formación de la mezcla. Para su análisis, el sistema se ha estructurado en espacio de estado considerando cinco estados que son: cantidad de aire disponible en el múltiple de admisión, flujo de combustible, cantidad de combustible dentro de la cámara de combustión, velocidad angular en el cigüeñal y relación airecombustible. Se analiza la estabilidad de la planta mediante el método indirecto de estabilidad de Lyapunov, y a partir de ésta, se diseña e implementa la estrategia de control mediante una regulación por retroalimentación del error.