Zylinderdruckgeführte Regelung

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Neben Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs sind weitere Optimierungen der motorischen Brennverfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs notwendig. Besonders vielversprechend erscheinen hierbei zylinderdruckbasierte Regelungen, welche häufig eine zyklussynchrone Reaktion auf Vorgänge im Brennraum benötigen. Hierzu werden eine Messung des Zylinderdrucks und die Berechnung von Kenngrößen in Echtzeit benötigt, um diese in der Motorsteuerung entsprechend verarbeiten zu können. Wichtige Kenngrößen sind unteranderem der Indizierte Mitteldruck und die Schwerpunktlage der Verbrennung α₅₀. So kann beispielsweise mittels gezielter Regelung der Schwerpunktlage aller Zylinder der Wirkungsgrad und der Zylindergleichlauf erhöht werden. Zielführend hat sich hierbei die Signalverarbeitung und Filterung mittels Field-Programmable-Gate-Arrays (FPGA) erwiesen.

 

Durch die steigendende Leistungsfähigkeit von FPGAs können zukünftig immer größere Teile der Motorsteuerung selbst auf den FPGA verlagert werden. Hierdurch werden schnellere Eingriffe während des Zyklus zu ermöglicht und die Latenzzeiten von Regelfunktionen weiter gesenkt. Hierdurch ist es möglich, eine signifikante Beschleunigung der verwendeten Funktionen bei gleichzeitig minimalen Systemlatenzen zu erreichen. Durch die Erweiterbarkeit des FPGA ergeben sich auch für zukünftige Anwendungen die benötigten Freiheitsgrade, um den immer komplexer werdenden Anforderungen der Brennverfahrensentwicklung zu begegnen.

Ein besonderes Augenmerk der zylinderdruckgeführten Regelung liegt derzeit auf der zyklussynchronen Regelung von selbstzündenden Brennverfahren, insbesondere auch bei der ottomotorischen Selbstzündung GCAI (Gasoline Controlled-Auto-Ignition). GCAI ermöglicht es, durch sehr hohe Umsatzraten, gute Wirkungsgrade bei gleichzeitig extrem niedrigen NO_x-Rohemissionen zu verwirklichen. Allerding kommt es, besonders an den Grenzen des möglichen Betriebsbereichs, zu starken Schwankungen des indizierten Mitteldrucks und der Schwerpunktlage. Diese machen sich durch einen ungleichmäßigen Motorlauf und schlechteren Wirkungsgrad bemerkbar. Durch eine gezielte zyklussynchrone Regelung wird es ermöglicht, die Schwankungen auszuregeln, den Wirkungsgrad zu erhöhen und den Betriebsbereich von GCAI im Motorkennfeld auszuweiten.

Im Rahmen der Forschungstätigkeiten werden verschiedene Regelkonzepte ausgelegt und am Motorprüfstand untersucht. Zur Untersuchung der schnellen, zylinderdruckgeführten Regelung steht ein Einzylinder-Forschungsmotor mit einer durch einen FPGA erweiterten MicroAutobox von dSPACE zur Verfügung. Bei der Verwendung eines elektromagnetischen Ventiltriebs (EMVT) können als zusätzliche Stellmöglichkeit schnelle Eingriffe in die Ventilsteuerzeiten vorgenommen werden. Hierdurch lassen sich grundlegende Effekte des motorischen Prozesses erforschen und im Anschluss auf seriennahe Motoren übertragen.

 

Projekte

FOR 2401

Ziel der Forschergruppe ist es, die zukunftsträchtige NTV in Verbrennungsmotoren mithilfe innovativer Regelungskonzepte technisch nutzbar zu machen. Hierzu verfolgt die Forschergruppe einen neuartigen interdisziplinären Ansatz aus den Bereichen Chemie, Verbrennungs- und Regelungstechnik.
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ICCC

In diesem Projekt zielen die Antragssteller auf ein tieferes Verständnis der Korrelationen des Ionenstromsensorsignals und der zugrunde liegenden chemischen und physikalischen Effekte in der Zylinderladung und der daraus resultierenden Leitfähigkeit. Zur Verbesserung der Mess- und Signalverarbeitung wird eine detaillierte Simulation mit Untersuchungen an Testmotoren in Shanghai und Aachen kombiniert. Der Analyse-schaltkreis wird angepasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die identifizierte Korrelation zwischen dem Ionenstrom und dem Zylinderladungszustand wird verwendet, um eine Machbarkeitsstudie für neue FPGA-basierte In-Zyklus-Regelalgorithmen auf dem Prüfstand durchzuführen.
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Ausgewählte Publikationen

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