FOR 2401: Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren
Coordinator
Professor Dr.-Ing. Jakob Andert
Grant period
2016 - 2025
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)277012063
Note: Der aktuell in der Forschung untersuchte Ansatz zur Regelung der Niedertemperaturverbrennung (NTV) ist die zyklusbasierte Regelung. Allerdings erlaubt diese eine Stabilisierung der NTV nur in einem eingeschränkten Kennfeldbereich. Mit einer zyklusbasierten Regelung können nur zyklusintegrale Systemdynamiken und Störgrößen kontrolliert werden. Die für die Stabilität und Emissionsentstehung der NTV relevanten chemisch-physikalischen Prozesse, die auf innerzyklischen Zeitskalen ablaufen, können nicht beeinflusst werden. Aus diesem Grund untersucht die Forschungsgruppe die Multiskalenregelung, um auch die kleineren, innerzyklischen Zeitskalen berücksichtigen zu können. Es wird erwartet, dass mit erfolgreicher Regelung auf diesen kritischen Zeitskalen die Stabilität verbessert, der Kennfeldbereich deutlich ausgeweitet, der Wirkungsgrad erhöht und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. Die Multiskalenregelung stellt für die Lösung dieses Problems Neuland dar. Hierbei werden die motorischen NTVProzesse PCCI und GCAI betrachtet. Es wird eine Reglerarchitektur bestehend aus der Kombination von Zyklus-zu-Zyklus-Regelung und einem In-Zyklus-Regler entwickelt. Um der komplexen nichtlinearen Mehrgrößen-Systemdynamik Rechnung zu tragen, werden auf einem Modell des Prozesses beruhende optimierungsbasierte Verfahren entwickelt und angewendet. Hierfür werden für zyklische Prozesse entwickelte numerische Methoden zur iterativ lernenden nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (IL-NMPC) als Grundlage verwendet. Prozessspezifisch erfolgt eine Analyse und Bewertung möglicher Stell- und Regelgrößen sowie die Aufteilung dieser Größen auf die verschiedenen Zeitskalen. Darüber hinaus werden auch geeignete Formulierungen der Optimierungsaufgabe untersucht. Die reglerinternen Modelle werden sowohl für den GCAI- als auch für den PCCI-Prozess erarbeitet. Abgeleitet aus Experimenten an Einzylinderprüfständen werden physikalische Modellierungen und quantitative Beschreibungen der Prozesse erstellt. Weiterhin liegt ein Schwerpunkt auf der kinetischen Beschreibung der Verbrennungsprozesse, welche durch Verwendung von Surrogatbrennstoffen an optimierten Versuchsträgern wie Reaktoren und Flammen gewonnen werden. Es wird besonders die Einbindung von Ionenstrom als neuartiges Sensorkonzept in die Regelung betrachtet. Die erarbeiteten Beschreibungsformen werden in eine regelungstechnisch effektiv verwendbare Struktur überführt. Hierfür sollen unter anderem physikalisch motivierte Grey-Box-Modelle entstehen. Zudem werden vor dem Hintergrund physikalischer und systemtheoretischer Überlegungen Störgrößenmodelle entwickelt. Abschließend werden die entwickelten Regelalgorithmen an Motorenprüfständen validiert. Entscheidende Kriterien stellen dabei die Verbrennungsstabilität, der abdeckbare Kennfeldbereich, in dem ein stabiler Betrieb und transiente Lastprofile realisiert werden können, sowie das Potential zur Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung dar.
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