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OCSYGENE 6 (*) L’optimisation mécatronique dans la boucle d’air et d’EGR des moteurs à combustion interne à l’horizon €6 Journée Mécatronique Journée Mécatronique ENSAM Angers, 6 décembre 2012 Jérôme MIGAUD ([email protected] ) (*) Optimisation dans la Conception de SYstèmes embarqués d’admission de Gaz d’Echappement et d’air pour la Norme Euro 6

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OCSYGENE 6 (*)

L’optimisation mécatronique dans la boucle d’air et d’EGR des moteurs à combustion interne à l’horizon €6

Journée MécatroniqueJournée MécatroniqueENSAM Angers, 6 décembre 2012

Jérôme MIGAUD ([email protected])

(*) Optimisation dans la Conception de SYstèmes embarq ués d’admission de Gaz d’Echappement et d’air pour la Norme Euro 6

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OCSYGENE 6 / OCSYGENE 6 / PartnersPartners

TechnicalTechnical Plastic Parts Plastic Parts ManufManuf..Electronic Parts Electronic Parts ManufManuf..OEMsOEMs

Mechatronics Mechatronics

Large CompaniesSmall CompaniesLabs / Univs.

Mechatronics Mechatronics OptimizationOptimizationControlControl

CFD simulations CFD simulations Turbo Turbo ChargersChargersAir Air intakeintake systemssystems

MeasurementMeasurement / / EngineEngine benchbench

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OCSYGENE 6 OCSYGENE 6 consortium descriptionconsortium descriptionFUI10, 3 years, 9 partners, 3.2 M €

OCSYGENE E OCSYGENE E EElectrical Actuator lectrical Actuator

OCSYGENE + OCSYGENE + (low (low end end torque increase)torque increase)

OCSYGENE TOCSYGENE T

Engine bench

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

EElectrical Actuator lectrical Actuator

Air & EGR architecture

OCSYGENE TOCSYGENE TTTestingesting

OCSYGENE C : COCSYGENE C : CompositionompositionPlastic module for LP EGR, Plastic module for LP EGR,

Next Euro regulationsNext Euro regulations

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MAF Sensor

EGR Inlet Mixer

Comp. IntercoolerThrottle

HP EGR CoolerEGR Valve

Intake Throttle

E-Actuator

General architecture for LP EGRGeneral architecture for LP EGR

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

Air Cleaner

Filter Element

Turbo

Exhaust

Fresh AirInlet

HP EGRValve

EGR Valve

LP EGR Cooler

ExhaustThrottle

Condensate Separator

CondensateDump Valve

EGR Filter

5

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OCSYGENE C : a modular & compact approach OCSYGENE C : a modular & compact approach integrating Mechatronicsintegrating Mechatronics

-

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

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OCSYGENE C OCSYGENE C –– FromFrom systemsystem toto productproduct designdesign

Système Model

Component Model

Control model

Engine Test

Driving cycles / Duty cycle from OEMsSystem simulationsOEMs specificationsBenchmark activities

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

Position Control Strategy + ECU

Component Model

Organic test bench

Prototyping (HW / SW)

SubSystem Specifications

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FromFrom thermodynamicsthermodynamics to to mechatronicsmechatronics

0,6

0

4

8

12

16

20

24

0 50 100 150 200 250

∆ P (mbar)

Measurements

Test interpolation

CFD

CFD interpolation

Valve Force (N) � A compensation chamber has beendesigned to reduce torque requirement

� A prototype has been built and tested� CFD simulation has been made in same

conditions for correlation� Simplified model has been built and

used for mechatronics simulation(Simulink)

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

0,00

0,04

0,08

0,12

0 4 8 12 16

Valve lift (mm)

A (N/mbar) Measurements

CFD

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Valve lift (mm)

C d (-) Measurements

CFD simulation

8

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Matlab / Simulink Model

9

ValveTorque Vs

position

TransmissionFriction vs. load

Friction Oscillation vs. position and loadReturn spring torque vs. position

Inertia

MotorResistance & Inductance

Torque constantRegulation constant

Cogging torqueInertia

+Temperature derating

4

3

Position réelle (°)

2

Courant mesuré (V)

1

Courant réel (A)

courant_sim

pos_simCouple charge (N.m)

Courant réel (A)

Courant mesurée (V)

Position réelle (°)

Position mesurée (V)

kch

Gain raideur ressort

Cch

Couple de charge (N.m)

ENSAM Angers – December – 6 th 2012 - © Electricfil – Reproduction & disclosure prohibited without express permission.9

9

SensorResponse curveResponse delay

VehicleBattery voltage

Harness resistanceAmbient T°

Position setpoint

ControlControl loop calculation

Sampling rateParametersElectronics

Resistive losses

12

Temps (s)

11

Energie consommée (J)

10

Couple résistant (N.m)

9

Couple moteur (N.m)

8

Temp. bobine (°)

7

Vi tesse réelle moteur (rad/s)

6

Vitesse estimée (rad/s)

5

Vitesse réelle (rad/s)

4

Posi tion mesurée (V)

montant

descendant

TransportDelay

retard

crestot

vit_sim

Uc

25

Températureextérieure

Tension al imentation (V)

Température ambiante (°C)

Position mesurée (V)

Vi tesse réelle (rad/s)

Vi tesse estimée (rad/s)

Vitesse moteur (rad/s)

Température bobine (°C)

Couple moteur (N.m)

Couple résistant (N.m)

Energie consommée (W.s)

Motoréducteur Ocsygene

Manual Switch

Im réel (A)

Theta réel (°)

Theta consigne (°)

Temps µC

Tension de commande (V)

Commande

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Actuator, topology 1 , Gear Ratio Optimization

Mission profile energy vs reduction ratiofor different values of max current

90000

0 to 80° travel time vs reduction ratiofor different values of max current

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Reduction ratio

0-8

0° tr

ave

l tim

e ( s

)

2.5

3

3.5

4

10

Dynamicsneed

Dynamics compliance

+ Total loadMotor

Transmission concept and

reduction ratio

x

Energy

ENSAM Angers – December – 6 th 2012 - © Electricfil – Reproduction & disclosure prohibited without express permission.10

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Reduction ratio

Tot

al e

nerg

y (

J )

2.5

3

3.5

4

10

� In order to improve transmission efficiency spur ge ar is preferred.

� Increasing reduction ratio is suitable for lower cu rrent consumption and higher torque margin but not for dynamics.

� Energetic approach is the best way for system optim ization and reduction ratio choice.

� Analytical method has been built for transmission o ptimization

Mission profile

reduction ratio

x

Energyconsumption

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Position Control Strategy

From Single actuator to EGR Valve

Position control strategy synthesis

Rapid Prototyping

Set-up and Calibration

11 ENSAM Angers– December – 6th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 16016

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Position Control Strategy optimization

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03Position de la vanne EGR

2

4x 10

-4Erreur position

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03Position de la vanne EGR

2

4x 10

-4Erreur position

~100 deg

12 ENSAM Angers– December – 6th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 16016

-4

-2

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-10

-5

0

5

10

Tension

Temps (s)

-4

-2

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-10

-5

0

5

10

Tension

Temps (s)

Optimization on Response time

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ConclusionConclusion

� Thanks to ID4CARS, Regions Pays de la Loire and FUI / OSEO for their Help and financial support to this project

� A network of competencies around Engine knowledge, fluid dynamics and mechatronics activities has been founded.

� In OCSYGENE 6 program, Focus is to meet new challenges in air loop on New Engines to meet next Euro 6 regulation.

ENSAM Angers– December – 6 th 2012 - Confidential Refer to protection notice ISO 1 6016

meet next Euro 6 regulation.

� A methodology has been created to optimized mechatronics concerning packaging, future functions, electrical consumption and cost.

� Durability and engines tests are in progress on prototypes based on concrete work achieved with OCSYGENE 6.

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Thank You For Your Attention !

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