Regelung von HCCI- / CAI-Motoren

Speziell für die individuelle Mobilität und das Transprotwesen erscheint die Verwendung flüssiger Kohlenwasserstoffe als Energiequelle wegen ihrer großen Energiedichte unverzichtbar.

 

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bringt eine Reihe bekannter Nachteile mit sich. Dies sind zum einen die bei den herkömmlichen Brennverfahren entstehenden Emissionen von Schadstoffen wie Stickoxiden (NOx) und Ruß, die erheblich zur städtischen und regionalen Luftverschmutzung beitragen; zum anderen sind es die Emissionen von CO2, das als Treibhausgas für den Anstieg der Temperatur in der Erdatmosphäre und damit für die Veränderung des globalen Klimas verantwortlich gemacht wird.

 

Deshalb werden auf breiter Front neue motorische Brennverfahren entwickelt, die den Anforderungen nach niedrigeren Emissionen bei gleichzeitig hoher Effizienz genügen. Diese sind die als HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) oder CAI (Controlled Auto-Ignition) bezeichneten Brennverfahren, die durch Homogenisierung und Abgasrückführung hohe Spitzentemperaturen vermeiden und damit die NOx- und Rußemissionen deutlich senken können. Es stellen sich jedoch Verbrennungsinstabilitäten in Form von räumlich und zeitlich zufällig verteilten Selbstzündungen ein.

SFB 686 - Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperaturverbrennung

Ziel des motorischen Teils des SFB ist die Erforschung von echtzeitfähiger Mehrgrößenregelung für den Einsatz zur Regelung der motorischen Niedertemperaturverbrennung.

 

Sowohl die diesel- als auch die ottomotorische Niedertemperatur-Verbrennung (HCCI / CAI) reagieren empfindlich auf äußere Störungen wie etwa Temperaturschwankungen der Ansaugluft oder Last- und Drehzahlsprünge. Da diese Art der Verbrennung von vielen Randparametern abhängt und durch verschiedenste Parameter beeinflussbar ist, lässt sie sich nur durch Einsatz einer Mehrgrößenregelung stabilisieren. Untersuchungen haben gezeigt, dass herkömmliche Regelungen den hohen Anforderungen dieser Aufgabenstellung bereits im Stationärbetrieb nicht gerecht werden können.

 

Es werden schnelle Methoden der nichtlinearen Modellgestützten Prädiktiven Regelung (MPC) erforscht. Bei dieser Art der Regelung wird ein Modell des zu regelnden Prozesses im so genannten Zustandsraum erstellt. Anhand dieses Modells sind auch Aussagen über das zukünftige Streckenverhalten ausgehend vom momentanen Systemzustand möglich. Ausgehend von dieser Art der Modellierung ist es möglich, eine Kostenfunktion zu formulieren, in der die prognostizierte Abweichung eines Ist- von einem Sollwert in einem zukünftigen Zeitfenster sowie erfolgende Stellgrößenänderungen bestraft werden.

 

Die in den Partnerprojekten im Rahmen des SFB aufgebauten Versuchsträger – ein Otto- und ein Dieselmotor - sollen beide mit diesem neuen Brennverfahren in einem möglichst großen Motorkennfeldbereich betrieben werden. Dabei unterscheiden sich die beiden Ansätze aus regelungstechnischer Sicht vornehmlich durch die Stellgrößen, mit denen diese Art der Verbrennung erreicht werden soll. So sind beim Ottomotor Restgasgehalt und Ansteuerende, beim Dieselmotor Lade- und Raildruck sowie weitere Parameter der Einspritzung als Stellgrößen vorstellbar. Als Regelgrößen bieten sich der Druckanstieg im Zylinder, Temperatur im Zylinder sowie weitere zylinderinterne Messgrößen an.

 

Die verwendeten Modelle werden zunächst empirisch ermittelt und anschließend weitestgehend durch solche ersetzt, die aus den Ergebnissen der anderen Teilprojekte erstellt sind. Voraussetzung bleibt dabei die Echtzeitfähigkeit der Modelle. Es werden zwei Regler für die entsprechenden Motoren aufgebaut. Die Struktur der Regler wird im Laufe des Projekts immer wieder um Ergebnisse anderer Teilbereiche ergänzt, bzw. angepasst werden.

 

CAI Benzin-Forschungsmotor

 

Der CAI Einzylinder-Versuchsmotor wird im Partnerprojekt D2 des SFB vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA betrieben. Der Einzylindermotor ist ein Forschungsaufbau und verfügt über Direkteinspritzung (Otto-Kraftstoff) und eine vollvariablen elektromechanischen Ventiltrieb, der ein Öffnen und Schließen der Ventile unabhängig von der Position des Kolbens ermöglicht. Diese beiden Aktoren bieten die Eingriffsmöglichkeiten Menge und Zeitpunkt der Einspritzung(en) sowie Strategie, Menge und Homogenisierung der Abgasrückführung.

Der Ventiltrieb ermöglicht verschiedene interne Abgasrückführstategien. Z.b. kann mit der so genannten Brennraumrückführung oder Brennraumrückhaltung (engl.: Combustion Chamber Recirculation CCR) das Abgas nur teilweise ausgeschoben werden. Die Auslassventile schließen vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (OT), so dass eine Restmenge Gas im Zylinder verbleibt. Diese wird in einer Zwischenkompression über OT hinaus komprimiert und wieder entspannt, bis die Einlassventile kurz geöffnet werden, um die notwendige Menge an Luft anzusaugen.

Alternativ kann mit der Auslasskanalrückführung (engl. Exhaust Port Recirculation EPR) das Abgas zunächst wie gewöhnlich ausgeschoben werden. Die Auslassventile bleiben aber über OT hinaus geöffnet, so dass bis zu Ihrem Schließen das Abgas sofort wieder zurück in den Zylinder gesaugt wird. Anschließend werden die Einlassventile kurz geöffnet, um die gewünschte Luftmenge anzusaugen.

Die beiden genannten Strategien sind nur zwei von vielen verschiedenen denkbaren Ansätzen. CCR deckt einen Bereich im Kennfeld unterhalb dem der ECR ab. Im Rahmen des SFB wurden diese beiden Strategien als zielführend ausgewählt. Aufgabe des Reglers ist es nun, die Verbrennung über die Abgasrückführung bzw. den Ventiltrieb und über die Einspritzmenge und deren Lage so zu beeinflussen, dass die geforderte Last wirkungsgradoptimal eingestellt wird.

 

HCCI Dieselmotor

 

Der HCCI Diesel-Motor des Teilprojekt D3 im SFB steht im Institut für technische Verbrennung ITV. Dieser Serienmotor verfügt über eine externe gekühlte Abgasrückführung (AGR), einen Turbolader mit variabler Turginengeometrie (VTG) und Common Rail Direkteinspritzung. Hier sind die Stellgrößen für die Verbrennung ebenfalls die Einspritzung und die Abgasrückführung. Weil der Motor aufgeladen ist und über eine externe AGR verfügt, wird zunächst ein Regler für den Luftpfad des Motors erstellt, der es ermöglicht die AGR-Rate weitgehend unabhängig vom Ladedruck einzustellen. Dies geschieht über das AGR-Ventil und die Stellung der Leitbeschauflung in der VTG-Turbine sowie die Stellung einer Drosselklappe, die hinter dem Verdichter noch vor der AGR Einspeisung sitzt.

Erst später wird der überlagerte Regler für die Verbrennung erstellt, der dann die AGR und evtl. auch den Ladedruck als Stellglied verwendet. Weitere Stellgrößen für die Verbrennung sind auch hier die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt.