Luftpfadregelung aufgeladener Dieselmotoren

Kopplungseffekte bei den Stell- und Regelgrößen eines Verbrennungsmotors tragen dazu bei, dass Forderungen hinsichtlich Verbrauch, Leistung, Emissionen und Zuverlässigkeit häufig im Widerspruch zueinander stehen. In den letzten Jahren wurden Technologien entwickelt, die diesen Zielkonflikt entschärfen. Neben den klassischen Stellgrößen wie Einspritzparameter sind weitere Stellmöglichkeiten unter anderem im Luftpfad hinzugekommen. Durch eine einstellbare Abgasrückführung (AGR) und Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) können die Frischluftmasse bzw. der Anteil des zurückgeführten Abgases und der Ladedruck beeinflusst werden. Aufgrund der physikalischen Kopplung beider Aktuatoren durch die gemeinsame Luftführung sind Wechelwirkungen unvermeidbar. In der Serientechnik werden häufig zwei Einzelregelkreise kombiniert, wodurch das volle Potential nicht ausgeschöpft werden kann. Fortschritte in der verfügbaren Rechenleistung von Motorsteuergeräten ermöglichen hingegen modellgestützte, mehrgrößentaugliche Regelverfahren.

 

Am Institut für Regelungstechnik wurden im Rahmen mehrerer nationaler und internationaler Projekte Regelkonzepte basierend auf der Modellgestützen Prädiktiven Regelung entwickelt und an unterschiedlichen Motoren umgesetzt. Als Basis für die Entwicklung des Beobachter- und Prädiktionsmodells dienen detaillierte Modelle des Luftpfades, basierend auf physikalischer Modellbildung, umgesetzt unter Matlab/Simulink und Modelica/Dymola. Mit Hilfe von Messungen am Motor werden diese Modelle in einem Optimierungsprozess an das reale dynamische Verhalten angepasst. Als Basis für das "Model-Fitting" dienen die Reaktionen in Ladedruck und Frischluftmasse/AGR-Rate als Antwort auf sprunghafte Verstellung der AGR/VTG-Aktuatoren.

 

Die mit den Streckenmodellen entwickelten prädiktiven Regler unterscheiden sich in ihrer Regelperformance durch die Art und Zusammenstellung der einzelnen funktionalen Bestandteile. So kann beispielsweise ein global oder ein sukzessiv linearisiertes Modell verwendet werden. Der Einsatz eines extended Kalman Filters (EKF) verbessert das Beobachterverhalten. Zudem entscheidet die Art der Stellgrößenoptimierung über die Leistungsfähigkeit des Reglers. Hier wird zwischen analytischer Optimierung und quadratischer Programmierung unterschieden. Durch die sich ergebenden Skalierungsmöglichkeiten ist es möglich den Regler den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen.

Durch Beschränkungen in den Änderungsraten der Stellgrößen kann der Stellaufwand auf ein Minimum reduziert werden, wodurch der Verschleiss und der Energiebedarf der Aktuatoren gesenkt werden.

Die entwickelten Regler können unter Einsatz von Rapid Control Prototying-Umgebungen zunächst in Hardware-in-the-Loop-Systemen appliziert und getestet werden, um sie später am realen Motor funktionssicher einsetzen zu können.