Förderprojekt Regelung Hochlast AGR

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Luftpfadregelung für zweistufig aufgeladene Ottomotoren mit Abgasrückführung

Ziel dieses Vorhabens ist es eine universell einsetzbare und einfach zu handhabende Motorsteuerung für aufgeladene Ottomotoren mit Hochlast-Abgasrückführung zur Verfügung zu stellen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von innovativen Algorithmen zur Regelung der Abgasrückführrate und des Ladedrucks, die eine Prozessführung von Abgasrückführsystemen mit minimalem Applikationsaufwands ermöglichen.

 

Motivation

Beim Ottomotor hat sich das „Downsizing“ als Mittel zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs auf dem Markt etabliert. In den letzten Jahren wurde der Hubraum deshalb fortwährend reduziert, gleichzeitig jedoch das Drehmoment zur Erfüllung der steigenden Anforderungen an Fahrleistung und -komfort kontinuierlich gesteigert. Aufgrund der dazu notwendigen hohen Aufladegrade steigt die Wahrscheinlichkeit von klopfenden Verbrennungen, weshalb über einen weiten Betriebsbereich keine wirkungsgradoptimale Verbrennung darstellbar ist. Zudem ergeben sich aufgrund der, bezogen auf das Hubvolumen, großen Massenströme sehr hohe Abgastemperaturen. Eine aussichtsreiche Technologie die Abgastemperaturen zu senken und eine wirkungsgradoptimalere Verbrennungsschwerpunktlage zu realisieren, stellt die Hochlast-Abgasrückführung dar. Mit diesen Systemen kann der Restgasgehalt unabhängig von den innermotorischen Prozess- und Stellgrößen über ein separates Abgasrückführventil und damit die inerte Masse der Zylinderfüllung erhöht werden.

 

Mehrstufige Aufladesysteme bieten in Kombination mit externer Abgasrückführung großes Potential den Zielkonflikt zwischen gutem Ansprechverhalten und hoher Maximalleistung bei gleichzeitig geringem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Schadstoffemissionen zu lösen. Aufgrund der aufwendigen Prozessführung und dem damit verbundenen hohen Applikationsaufwand sind diese komplexen Luftpfadarchitekturen beim Ottomotor jedoch aktuell noch Gegenstand der Forschung.

 

Projektziele und Methoden

Urheberrecht: © IRT Aufbau des Luftpfadkonzepts mit zweistufiger Abgasturboaufladung und Niederdruck Abgasrückführung

Im Rahmen dieses Projekts wurden verschiedene Varianten einer modellprädiktiven Regelung für die Prozessführung eines zweistufig abgasturboaufgeladenen Ottomotors mit Niederdruck-Abgasrückführung erforscht und entwickelt. Zur Abbildung des Systemverhaltens innerhalb der Regelung wurden ein datenbasiertes und ein physikalisch basiertes Modell erarbeitet. Beide Modelle wurden mit einer linearen und in einer nichtlinearen Optimierung kombiniert und hinsichtlich Modellgenauigkeit, benötigter Rechenleistung und erzielbarer Regelgüte miteinander verglichen. Das datenbasierte Modell liefert für die meisten Anwendungsfälle hinreichend gute Regelergebnisse bei sehr geringerem Aufwand für die Modellbildung und -identifikation. Das physikalische Modell zeichnet sich gegenüber dem datenbasierten Ansatz durch eine höhere Modellgenauigkeit aus und liefert in Kombination mit einer nichtlinearen Optimierung die besten Regelergebnisse bei akzeptablem Rechenbedarf, erfordert aber mehr Applikationsaufwand.

 

Innovationen und Perspektiven

Die von den Forschungsstellen bereitgestellte Entwicklungsumgebung für modellprädiktive Regelungen kann von kleinen und mittelständischen Unternehmen dazu genutzt werden, eigene Komponenten für den Luftpfad von Ottomotoren am Motorprüfstand oder im Fahrzeug mit sehr niedrigem Kosten- und Applikationsaufwand zu testen. Der Einsatzbereich der Regelung ist nicht auf den im Rahmen des Forschungsvorhabens untersuchten Luftpfad beschränkt, sondern um jegliche Luftpfadarchitekturen erweiterbar.

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Danksagung:

Das Forschungsvorhaben wurde am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Aachen der RWTH Aachen University unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger und am Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen University unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel durchgeführt. Es wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, kurz BMWi, über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. -IGF-Fördernr. 19381 N- aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages finanziell gefördert und von einem Arbeitskreis unter der Leitung von Dr.-Ing. Thorben Walder (Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG) begleitet. Die Autoren bedanken sich bei den Fördergebern, der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. und allen Projektbeteiligten für die Unterstützung des Vorhaben

Außerdem möchten wir uns bei der Embotech AG sowohl für die Bereitstellung ihrer Algorithmen zur Lösung nichtlinearer Programme als auch für die aktive Unterstützung bei der echtzeitfähigen Implementierung bedanken.

 

Projektpartner
RWTH Aachen, VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Embotech AG FVV - Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.