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General Combustion Engine Models

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Engine Modeling and Control

Abstract

As a systematic development of sophisticated control and diagnosis functions for internal combustion engines requires precise stationary and dynamic mathematical models, this chapter is devoted to treating physical-oriented models of engine components. According to Table 1.4.1 the models for the most important engine parts are considered, taking their different physical domains into account. The modeling approaches begin with the intake systems and continue with the fuel supply and injection system, and a description of the combustion cycles with combustion pressure and heat release analysis. Then the mean value and dynamic torque generation with the piston/crankshaft system, turbochargers with wastegate and variable geometry manipulation, the exhaust system with catalysts and filters and the cooling system with different kinds of heat exchangers are considered. These mathematical models lay the background for the design of the control structures in Chap. 5, the design of control functions of gasoline engines, Chap. 7 and of diesel engines, Chap. 8. For several components the basic mathematical models for gasoline and diesel engines are the same or at least similar. Where necessary, the component models were separately derived for both engine types in Chaps. 7 and 8 as, e.g. for the injection system, operating cycles, and the exhaust system.

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References

  • Acklin L, Läubli F (1960) Die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Wärmetauschern mit Hilfe von Analog-Rechengeräten. Technische Rundschau

    Google Scholar 

  • Affenzeller J, Gläser H (1996) Lagerung und Schmierung von Verbrennungsmotoren. Springer, Wien

    Google Scholar 

  • Arici O, Johnson J, Kulkarni A (1999) Cooling system simulation. part i: model development. In: SAE paper number 1999-01-240, SAE, Detroit, Michigan

    Google Scholar 

  • Baines N (2005) Radial turbines: An integrated design approach. In: 6th European Conf. on Turbomachinery - Fluid Dynamics and Thermodynamics, Lille, France

    Google Scholar 

  • Bargende M (1995) Most optimal location of 50 percent mass fraction burned and automatic knock detection components for automatic optimization of SI engine calibrations. MTZ worldwide 56(10)

    Google Scholar 

  • Bargende M (2001) Ein Gleichungsansatz zur Berechnung der instationären Wandwärmeverluste im Hochdruckteil von Ottomotoren. Dissertation. Technische Hochschule Darmstadt, Darmstadt

    Google Scholar 

  • van Basshuysen R, Schäfer F (2004) Internal combustion engine handbook: basics, components, systems, and perspectives. SAE International, Warrendale

    Google Scholar 

  • Behrendt H, Zemke S, Grotjahn M (2009) Model predictive anti-jerk control of vehicle driveline oscillations. In: 7. Intern. Symposium Steuerungsysteme für den Antriebsstrang, Berlin, Germany

    Google Scholar 

  • Behrendt H, Zemke S, Trabelsi A, Ortmaier T (2011) Model-based predictive antijerk control of powertrains with automatic transmissions. In: 8. Symp. Powertrain Control Systems for Motor Vehicles, Berlin, Germany, pp 76–81

    Google Scholar 

  • Berg M(ed) (2009) Ölkreislauf im Verbrennungsmotor III. expert-Verlag, Renningen

    Google Scholar 

  • Büchner S, Laries SS, degen A, Donnerstag A, Held W (2001) A modular numerical simulation tool predicting catalytic converter light-off by improved modeling of thermal management and conversion characteristics. In: SAE Technical paper Series, Warrendale, PA, 2001-01-0940

    Google Scholar 

  • Cortona E, Onder C, Guzzella L (2002) Engine thermomanagement with electrical components for fuel consumption reduction. International Journal of Engine Research 3(3):157–170

    Google Scholar 

  • Dixon S (1966) Fluid mechanics, thermodynamics of turbomachinery. Pergamon Press, Oxford

    Google Scholar 

  • Eberan-Eberhorst C (ed) (2010) Schmierung von Verbrennungsmotoren, 3rd edn. expert verlag, Renningen

    Google Scholar 

  • Engelhardt T (2011) Entwurf einer strukturumschaltenden Zustandsregelung zur Schwingungsdämpfung eines Kfz-Antriebsstranges. In: Automotive Colloquium, VDI, München, Germany

    Google Scholar 

  • Engelhardt T, Looman C (2009) Modellbasierter Steuerungs-und Regelungsentwurf für Komfortfunktionen im Antriebsstrang, 1. In: Automobiltechnisches Kolloquium, München

    Google Scholar 

  • Fischer G (2000) Expertenmodell zur Berechnung der Reibungsverluste von Ottomotoren. Dissertation Technische Universität Darmstadt. dissertation.de, Berlin

    Google Scholar 

  • Führer J, Sinsel S, Isermann R (1993) Erkennung von Zündaussetzern aus Drehzahlsignalen mit Hilfe eines Frequenzbereichsverfahrens. In: Proceedings 13. Tagung Elektronik im Kraftfahrzeug, Essen, Germany

    Google Scholar 

  • Greene A, Lucas G, Young S (1969) The testing of internal combustion engines. English Universities P., London

    Google Scholar 

  • Grothe KH, Feldhusen J (eds) (2007) DUBBEL. Taschenbuch für den Maschinenbau, 22nd edn. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Guzzella L, Onder C (2010) Introduction to modeling and control of internal combustion engine systems, 2nd edn. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Heywood JB (1988) Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, New York

    Google Scholar 

  • Hiereth H, Prenninger P (2003) Aufladung der Verbrennungskraftmaschine. Springer, Wien, New York

    Google Scholar 

  • Hohenberg G (1980) Experimentelle Erfassung der Wandwärme von Kolbenmotoren. Habilitationthesis. Technische Universität Graz, Graz

    Google Scholar 

  • Hohenberg G (1982) Der Verbrennungsverlauf. In: 4th Wiener Motorensymposium. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 6, Nr. 103, VDI, Düsseldorf, pp 71–88

    Google Scholar 

  • Holman J (1976) Heat transfer. McGraw-Hill, New York

    Google Scholar 

  • Isermann R (1969) Einfache mathematische Modelle für das dynamische Verhalten beheizter Rohre. Journal Wärme 75:89–94

    Google Scholar 

  • Isermann R (1970) Mathematical models of steam-heated heat exchangers (in German). Regelungstechnik und Prozess-Datenverarbeitung 18:17–23

    Google Scholar 

  • Isermann R (1971) Einfache mathematische Modelle für das dynamische Verhalten beheizter Rohre. Neue Technik (4):13–20

    Google Scholar 

  • Isermann R (2005) Mechatronic systems – fundamentals, 2nd edn. Springer, London

    Google Scholar 

  • Isermann R (2015) Combustion-engine diagnosis. To be published. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Isermann R, Jantschke H (1970) Dynamic behavior of water- and steam-heated crossflow heat exchanger in air conditioning units (in German). Regelungstechnik und Prozess-Datenverarbeitung 18:115–122

    Google Scholar 

  • Isermann R, Münchhof M (2011) Identification of dynamic systems. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Ivantysyn J, Ivantysynova M (1993) Hydrostatische Pumpen und Motoren, Konstruktion und Berechnung. Vogel, Würzburg

    Google Scholar 

  • Jakisch T (1996) Widerstandsbeiwerte durchströmter Schalldämpferkomponenten. PhD thesis, Universität Kaiserslautern, Darmstadt

    Google Scholar 

  • Japiske D, Baines N (1997) Introduction to turbomachinery. Concepts ETI Inc., Norwich VT.

    Google Scholar 

  • Justi E (1938) Spezifische Wärme, Enthalpie, Entropie und Dissoziation technischer Gase. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • KalideW(1980) Einführung in die technische Strömungslehre, 5th edn. Carl Hanser Verlag, München

    Google Scholar 

  • Karl C, Feldhaus U (2008) CFD-simulation of a coolant circuit of a truck diesel engine. Motortechnische Zeitschrift – MTZ 69(2):117–123

    Google Scholar 

  • Karnopp D, Margolis D, Rosenberg R (2000) System dynamics: a unified approach, 3rd edn. Wiley, New York

    Google Scholar 

  • Kiencke U, Nielsen L (eds) (2000) Automotive control systems. For engine, driveline and vehicle. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Kimmich F (2004) Modellbasierte Fehlererkennung und Diagnose der Einspritzung und Verbrennung von Dieselmotoren. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 549, VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Kohlhase M (2011) Brennraumdruckbasiertes Motormanagement für Otto- und Dieselmotoren zur Verbrauchs- und Emissionsreduktion. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 743, VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Laramee R, Garth C, Doleisch H, Schneider J, Hanser H, Hagen H (2005) Visual analysis and exploration of fluid flow in a cooling jacket. In: IEEE Visualization, Minneapolis, MN, USA, pp 623–630

    Google Scholar 

  • Läubli R (1961) Zum Problem der Nachbildung des Verhaltens von Dampferzeugern auf Rechenmaschinen. Technische Rundschau 2:35–42

    Google Scholar 

  • Lejsek D, Kulzer A, Kufferath A, Hohenberg G, Bargende M (2010) Calculation of the wall heat transfer during start-up of SI engines. MTZ worldwide 71(4):22–29

    Google Scholar 

  • Leonhardt S (1996) Modellgestützte Fehlererkennung mit neuronalen Netzen - Überwachung von Radaufhängungen und Diesel-Einspritzanlagen. Dissertation Technische Hochschule Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 295. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Leonhardt S, Schwarz R, Isermann R (1997) Real-time supervision of the diesel engine injection process. In: 1997 SAE International Congress and Exposition, Cobo Center, Detroit, Michigan, USA

    Google Scholar 

  • Leonhardt S, Müller N, Isermann R (1999) Methods for engine supervision and control based on cylinder pressure information. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 4(3):235–245

    Google Scholar 

  • Manz P (1982) Schnelle Indizierauswertung. In: 4th Wiener Motorensymposium. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 6, Nr. 103, VDI, Düsseldorf, pp 71–88

    Google Scholar 

  • Mayer M, Krämer G (2011) Abgasturbolader, 6th edn. Verlag moderne industrie AG, Landsberg/Lech

    Google Scholar 

  • McCuiston F, Lavoie G, Kauffmann C (1977) Validation of a turbulent flame progation model for a spark ignition engines. In: SAE Technical paper Series, Warrendale, vol 86, pp 200–221

    Google Scholar 

  • Merker G, Schwarz C, Stiesch G, Otto F (2006) Simulating combustion. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Mollenhauer K, Tschöke H (2010) Handbook of diesel engines. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Moskwa J (1988) Automotive engine modeling for real time control. Phd-Thesis. Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, Massachusetts, MA

    Google Scholar 

  • Mrosek M, Zahn S, Isermann R (2009) Parameter estimation for physical based air path models of turbocharged engines - an experience based guidance. In: 9th International Conference on Engines and Vehicles, SAE, Naples, Italy

    Google Scholar 

  • Müller H, Bertling H (1971) Programmierte Auswertung von Druckverläufen in Ottomotoren. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 6, 30. VDI, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Müller N (2003) Adaptive Motorregelung beim Ottomotor unter Verwendung von Brennraumdruck-Sensoren. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 545. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Müller U, Klingebiel F, Kahlstorf U (1998) Computer simulation of cooling circuits. Automobiltechnische Zeitschrift – ATZ 100(7–8):552–556

    Google Scholar 

  • Oberg HJ (1976) Die Darstellung des Brennverlaufs eines schnelllaufendne Dieselmotors durch zwei überlagerte Vibe-Funktionen. Dissertation. Braunschweig

    Google Scholar 

  • Pfeiffer K (1997) Fahrsimulation eines Kraftfahrzeuges mit einem dynamischen Motorenprüfstand. Dissertation Technische Hochschule Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 336, VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Pfleiderer C, Petermann H (2005) Strömungsmaschinen, 7th edn. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Pischinger R, Kell M, Sams T (2009) Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschinen, 3rd edn. Springer, Wien and New York

    Google Scholar 

  • Profos P (1962) Die Regelung von Dampfanlagen. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Rakopoulos C, Giakoumis E (2006) Review of thermodynamic diesel engine simulations under transient operating conditions. In: SAEWorld Congress 2006. Paper 2006-1-0884, Detroit, MI, USA

    Google Scholar 

  • Reik W, Albers A, Schnurr M (1990) Torsionsschwingungen im Antreibsstrang von Kraftfahrzeugen. In: 4. Internationales LuK-Kolloquium, Baden-Baden, Germany

    Google Scholar 

  • Reik W, Seebacher R, Kooy A (1998) Das Zweimassenschwungrad. In: 6. Internationales LuK-Kolloquium, pp 69–94

    Google Scholar 

  • Reinhardt G (1992) Schmierung von Verbrennungskraftmaschinen. expert Verlag, Renningen

    Google Scholar 

  • Reulein C (1998) Simulation des instationären Warmlaufverhaltens von Verbrennungsmotoren. Doctoral Thesis Technische Universität München. Hieronymus-Print, München

    Google Scholar 

  • Robert Bosch GmbH (ed) (2011) Automotive Handbook, 8th edn. Bentley publishers, Cambridge

    Google Scholar 

  • Schaffnit J (2002) Simulation und Control Prototyping zur Entwicklung von Steuergerätefunktionen für aufgeladene Nutzfahrzeug-Dieselmotoren. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 492. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Schmidt C (1995) Digitale kurbelwinkelsynchrone Modellbildung und Drehschwingungsdämpfung eines Dieselmotors mit Last. Dissertation Technische Hochschule Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 253. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Schmidt M (2003) Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs von Nebenaggregaten im Kraftfahrzeug. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 557. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Schwarte A, Kimmich F, Isermann R (2002) Model-based fault detection and diagnosis for diesel engines. MTZ worldwide 63(7-8)

    Google Scholar 

  • Schwarzmeier M (1992) Der Einfluss des Arbeitsverlaufs auf den Reibmitteldruck von Dieselmotoren. PhD thesis, Technische Universität München, München

    Google Scholar 

  • Shaaban S (2004) Experimental investigation and extended simulation of turbocharger non-adiabatic performance. PhD thesis, Universität Hannover, Hannover

    Google Scholar 

  • Shibata Y, Shimonosono H, Yamai Y (1993) New design of cooling system with computer simulation and engine compartment simulation. In: SAE paper number 931075, SAE, Detroit, Michigan

    Google Scholar 

  • Sidorow A (2014) Model-based fault diagnosis of the air path and turbocharger of a diesel engine. Internal Report. Institute of Automatic Control, Technische Universität Darmstadt

    Google Scholar 

  • Sidorow A, Isermann R, Cianflone F, Landsmann G (2011) Comparison of a turbocharger model-based on isentropic efficiency maps with a parametric approach based on Euler’s turbo-machinery equation. In: Preprints of the 18th IFAC World Congress, Milano, Italy

    Google Scholar 

  • Siglich H (2008) Technische Fluidmechanik, 6th edn. Springer, Berlin, Heidelberg, New York

    Google Scholar 

  • Sinsel S (2000) Echtzeitsimulation von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit Turbolader zur Entwicklung von Motormanagementsystemen. Logos, Doctoral thesis. University of Technology, Darmstadt. Berlin

    Google Scholar 

  • Stodola A (1945) Dampf- und Gasturbinen, 5th edn. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Urlaub A (1995) Verbrennungsmotoren. Grundlagen - Verfahrenstheorie - Konstruktion, 2nd edn. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • VDI heat atlas (2010) VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Vibe I (1970) Brennverlauf und Kreisprozess von Verbrennungsmotoren. VEBVerlag Technik, Berlin

    Google Scholar 

  • Vogt M, Müller N, Isermann R (2004) Online adaptation of grid-based look-up tables using a fast regressor technique. Transactions of the ASME 126(Dec):732–739

    Google Scholar 

  • Walter A, Kiencke U (2007) Realtime reconstruction of instanteneous engine and driveline torques. Motortechnische Zeitschrift – MTZ 67(6):24–27

    Google Scholar 

  • Watson N, Janota M (1982) Turbocharging the internal combustion engine. The Macmillan Press, London, Basingstoke

    Google Scholar 

  • Whitfield A, Baines N (1990) Design of radial turbomachines. Longman, Harlow, Essex

    Google Scholar 

  • Willimowski M (2003) Verbrennungsdiagnose von Ottomotoren mittels Abgasdruck und Ionenstrom. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Shaker Verlag, Aachen

    Google Scholar 

  • Zahn S (2012) Arbeitsspielaufgelöste Modellbildung und Hardware-in-the-Loop-Simulation von Pkw-Dieselmotoren mit Abgasturbolader. Dissertation Technische Universität Darmstadt. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12, 760. VDI Verlag, Düsseldorf

    Google Scholar 

  • Zahn S, Isermann R (2008) Modelling and hardware-in-the-loop simulation of diesel engines for development and test of future engine management system. In: FISITA World Automotive Congress, München, Germany

    Google Scholar 

  • Zapf H (1970) Untersuchungen zur Vorausberechnung der Ladungsendtemperatur in Viertakt-Dieselmotoren. Motortechnische Zeitschrift – MTZ 31(12)

    Google Scholar 

  • Zieher F, Ennemoser A, Petutschnig H (2011) Cae-simulation of cooling systems. ATZ extra, Automotive engineering partners pp 78–83

    Google Scholar 

  • Zimmerschied R, Isermann R (2010) Nonlinear time constant estimation and dynamic compensation of temperature sensors. Control Engineering Practice 18:300–310

    Google Scholar 

Download references

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    Rolf Isermann

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Isermann, R. (2014). General Combustion Engine Models. In: Engine Modeling and Control. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39934-3_4

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