Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Funktionen zur Steuerung und Regelung von Ottomotoren mit Hochlast-Abgasrückführung

Die Hochlast-Abgasrückführung am Ottomotor stellt eine vielversprechende Technologie zur Erfüllung zukünftiger Abgasgesetzgebungen, die auf eine Reduktion der Emissionen über einen weiten motorischen Betriebsbereich abzielen, dar. Um eine breite Forschung an Hochlast-AGR-Systemen zu ermöglichen, müssen aufgrund der hohen Sensibilität homogen betriebener Ottomotoren gegenüber einem variierenden Restgasgehalt Motorsteuerungsfunktionen zur Verfügung stehen, die eine optimale und sichere Prozessführung ermöglichen. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von innovativen Funktionen zur gleichzeitigen Regelung des Ladedrucks und der AGR-Rate basierend auf der Software des FVV Forschungssteuerrechners. Hierbei wird das Konzept einer modellprädiktiven Regelung verfolgt, das bereits im Vorgängervorhaben erfolgreich umgesetzt wurde und sehr gute Ergebnisse bei der Ladedruckregelung eines zweistufig abgasturboaufgeladenen Ottomotors lieferte. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von HL-AGR-Systemen besteht bereits heute ein hoher Forschungsbedarf, insbesondere für KMU, die als Zulieferer der Automobilindustrie Komponenten für HL-AGR-Systeme zur Verfügung stellen werden. Die Nutzung von Serienmotorsteuerungen ist wegen der mangelnden Flexibilität und dem hohen Bedatungsaufwand für Forschungszwecke jedoch nicht zielführend. Durch die Zurverfügungstellung einer offenen, individuell erweiterbaren und einfach zu bedatenden Motorsteuerungssoftware für eine Rapid Control Prototyping Umgebung kann der zeitliche und finanzielle Aufwand für den Betrieb von Motoren mit HL-Abgasrückführung drastisch reduziert und somit die Wettbewerbsfähigkeit von KMU erheblich gesteigert werden. Der kontinuierliche Ergebnistransfer wird durch regelmäßige Zusammenkünfte mit dem projektbegleitenden Ausschuss, anerkannte Veröffentlichungen, sowie Konferenzbeiträge und die Einbindung in die Lehre sichergestellt. Des Weiteren wird auch die entwickelte Motorsteuerung selbst über Themis transferiert.

Ergebniszusammenfassung:

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 solch komplexe Luftpfadarchitekturen beim Ottomotor jedoch aktuell noch Gegenstand der Forschung.

Im Rahmen dieses Projekts wurden verschiedene Varianten einer modellprädiktiven Regelung für die Prozessführung eines zweistufig abgasturboaufgeladenen Ottomotors mit Niederdruck-Abgasrückführung 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.

Die von den Forschungsstellen bereitgestellte Entwicklungsumgebung für modellprädiktive Regelungen kann von kleinen 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.