Two-stage model predictive control for the air path of a turbocharged gasoline engine with exhaust gas recirculation

• Zweistufige modellprädiktive Regelung für den Luftpfad eines aufgeladenen Ottomotors mit Abgasrückführung

Keller, Martin Gerhard; Abel, Dirk (Thesis advisor); Pischinger, Stefan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Turbolader sind seit Jahren ein Industriestandard, um die spezifische Leistung von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Die zweistufige sequentielle Turboaufladung überwindet sogar den üblichen Kompromiss zwischen schnellem, transientem Ladedruckaufbau und hoher spezifischer Leistung. Allerdings führen eine erhöhte Klopfwahrscheinlichkeit und hohe Abgastemperaturen im Hochlastbetrieb zur Notwendigkeit der Anfettung des Luftverhältnisses und später Zündung zum Schutz der Komponenten. Diese Maßnahmen mindern den maximal erreichbaren Wirkungsgrad der Ottomotoren. Um die hohen Abgas-temperaturen unter Beibehaltung des stöchiometrischen Motorbetriebs zu senken, steht die Abgasrückführung (AGR) im Fokus der aktuellen Forschung für Ottomotoren. Die immer komplexer werdenden Motor- und Luftpfadsysteme stellen hohe Anforderungen an die Prozessregelung. Die vorliegende Arbeit schlägt eine Entwicklungsmethodik für die Implementierung eines modellprädiktiven Reglers (MPR) vor. Die MPR regelt gleichzeitig den gewünschten Ladedruck und die AGR-Rate eines zweistufig aufgeladenen Ottomotors mit Niederdruck-AGR. Die zweistufige Turboaufladung führt zu einem überaktuierten System, bei dem der zusätzliche Freiheitsgrad für eine intelligente und effiziente Allokation der Ladedruckbereitstellung genutzt werden kann. Darüber hinaus verfügt das System über mehrere Ein- und Ausgänge mit erheblichen Kreuzkopplungen und Beschränkungen. Um diesen Charakteristika zu begegnen, wird eine zweistufige MPR-Struktur vorgeschlagen und auf einer Echtzeithardware implementiert. Diese Dissertation untersucht sowohl physikalisch motivierte als auch datengetriebene Modellierungsansätze und adressiert die notwendigen Anpassungen zur Echtzeitfähigkeit innerhalb der Optimierungsalgorithmen. Darüber hinaus werden verschiedene Formulierungen der resultierenden optimalen Steuerungsprobleme analysiert und deren rechnerischer Aufwand auf der Zielhardware validiert. Aus diesem Grund werden die nichtlinearen Programme (NLP) entweder direkt mit Innere-Punkte-NLP-Lösern oder mit Ansätzen der sequentiellen quadratischen Programmierung gelöst. Für letztere werden dünn- und dichtbesetzte Formulierungen eingeführt. Alle untersuchten Lösungsverfahren werden hinsichtlich der Regelgüte und der erreichbaren Rechenzeiten bewertet. Die zweistufige Regelungsstruktur enthält einen Stationärpunkt-Optimierer für die Berücksichtigung der Überaktuierung. Er berechnet die optimale Allokation zur effizienten Bereitstellung des gewünschten Ladedrucks und der AGR-Rate. Im dynamischen Regler werden die tatsächlich optimalen Eingangsgrößen berechnet. Vielversprechende Regelalgorithmen werden experimentell in einem Prototypenfahrzeug, das mit dem oben genannten Luft- und AGR-Pfad ausgerüstet ist, in realen Fahrmanövern getestet.