Das Projekt "Teilprojekt: Stabilisierung des GCAI-Brennverfahrens durch die Nutzung innerzyklischer Korrelationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Fakultät 4 Maschinenwesen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen durchgeführt. GCAI stellt einen vielversprechenden Ansatz zur gleichzeitigen Minimierung von Verbrauch und Emissionsausstoß in Verbrennungsmotoren dar. Die aus der Verbrennungseinleitung über die Reaktionskinetik resultierende Zyklenkopplung führt jedoch zu zwei maßgeblichen ungelösten Herausforderungen, an deren Lösung aktuell stark geforscht wird: Die starke Abhängigkeit der Verbrennungsstabilität von den Randbedingungen sowie die Einschränkung des Kennfeldbereiches. Die Entwicklung innovativer zylinderdruckgeführter Regelungen wird hier als Lösungsansatz angesehen. In TP3 wird die Hypothese verfolgt, dass durch die Kombination von zwei neuartigen Ansätzen die Verbrennungsstabilität maßgeblich verbessert werden kann und somit die bestehenden Herausforderungen adressiert werden können. Durch den Regeleingriff innerhalb eines Verbrennungszyklus wird in Zusammenarbeit mit TP1 eine In-Zyklus-Regelung realisiert. Weiterhin wird in Zusammenarbeit mit TP5 der Einfluss von direkt eingespritztem Wasser als innerzyklische Stellgröße für GCAI untersucht und bewertet. Eine der Kernaufgaben ist die Erstellung eines echtzeitfähigen Verbrennungsmodells für GCAI, welches sowohl die Korrelationen zwischen einzelnen Größen innerhalb eines Zyklus als auch die Effekte von zugesetztem Wasser berücksichtigt. Bestehende Modelle, welche auf stationären Messungen basieren, sollen zur Abbildung der hochdynamischen Effekte innerhalb eines Zyklus und der Wassereinspritzung erweitert werden. Um die benötigte Datenbasis zu schaffen, werden transiente Untersuchungen durch das gezielte Einprägen von Ausreißerzyklen mittels zyklusindividueller Variation der Stellgrößen durchgeführt. Hierfür steht ein Forschungsmotor mit einem vollvariablen Ventiltrieb und einer frei programmierbaren Motorsteuerung zu Verfügung. Die in TP5 untersuchten Grundlagen bezüglich der Zugabe von Wasser und CO2 werden mit den transienten Motorversuchen abgeglichen und zur Erstellung des physikalisch-chemischen Anteils eines Grey-Box-Modells genutzt. Diese Zusammenhänge werden thermodynamisch analysiert, durch den Vergleich mit 1D Ladungswechsel und 3D CFD-Simulationen plausibilisiert und in echtzeitfähige Modelle überführt. Durch die Implementierung des Reglers in der Echtzeithardware können die Potentiale der Stabilisierung von GCAI durch In-Zyklus Eingriffe realisiert werden. In Zusammenarbeit mit TP1 wird der Multiskalenregler entwickelt, welcher mit TP2 auf die Restriktionen der Echtzeitplattform optimiert wird. Dabei ist eine bedarfsgerechte Aufteilung auf die Ressourcen Mikrocontroller und FPGA nötig. Es erfolgt eine funktionale Absicherung durch MiL-Tests und eine Co-Simulation des Reglers mit den zuvor entwickelten Modellen basierend auf einer 1D-Ladungswechselsimulation. Die Verifikation der Echtzeitfunktionalität wird mit einem HiL-Prüfstandsaufbau umgesetzt. Abschließend erfolgt die Überprüfung des Reglers durch Messungen am Motorprüfstand im transienten Betrieb sowie am Kennfeldrand.
Das Projekt "Teilprojekt: Multiskalenregelung von Niedertemperatur-Brennverfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH), Institute for Dynamic Systems and Control durchgeführt. Der aktuell in der Forschung untersuchte Ansatz zur Regelung der Niedertemperaturverbrennung (NTV) ist die zyklusbasierte Regelung. Diese Regelung erlaubt eine Stabilisierung der NTV allerdings nur in einem sehr 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 das TP1 die Multiskalenregelung, um auch die kleineren Zeitskalen berücksichtigen zu können. Es wird erwartet, dass mit erfolgreicher Regelung auf diesen kritischen Zeitskalen der Kennfeldbereich deutlich ausgeweitet, der Wirkungsgrad verbessert und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. Die Multiskalenregelung stellt für die Lösung dieses Problems Neuland dar. Hierbei werden die motorischen NTV-Prozesse PCCI und GCAI betrachtet. In TP1 wird die Reglerarchitektur für die Multiskalenregelung bestehend aus der Kombination von Zyklus-zu-Zyklus Regelung und einem In-Zyklus-Regler entwickelt. Um der komplexen nichtlinearen Mehrgrößen-Systemdynamik Rechnung zu tragen, sollen auf einem Modell des Prozesses beruhende optimierungsbasierte Verfahren angewendet werden. Hierfür werden die in TP2 für zyklische Prozesse entwickelten numerischen 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 in TP1 in Zusammenarbeit mit TP3 für den GCAI- und mit TP4 für den PCCI-Prozess erarbeitet. Während sich diese beiden Teilprojekte auf die physikalische Modellierung und die quantitative Beschreibung des Prozesses konzentrieren, liegt der Fokus von TP1 darauf, die dort erarbeiteten Beschreibungsformen in eine regelungstechnisch effektiv verwendbare Struktur zu bringen. Hierfür sollen physikalisch motivierte Grey-Box-Modelle entstehen. Zudem werden Störgrößenmodelle entwickelt, die vor dem Hintergrund physikalischer und systemtheoretischer Überlegungen aufgestellt werden sollen. Abschließend werden die entwickelten Regelalgorithmen gemeinsam mit TP3 und TP4 an den jeweiligen Motorenprüfständen validiert. Entscheidende Kriterien stellen dabei der abdeckbare Kennfeldbereich, in dem ein stabiler Betrieb und transiente Lastprofile realisiert werden können, sowie das Potential zur Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung dar.
Das Projekt "Teilprojekt: Numerische Methoden zur optimierungsbasierten Regelung zyklischer Prozesse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH), Institute for Dynamic Systems and Control durchgeführt. Das Gesamtziel der Forschergruppe ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Regelungen für Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren. Die untersuchte Anwendung stellt einen schnellen, zyklischen und stark nichtlinearen Prozess dar. In TP2 werden für schnelle nichtlineare zyklische Prozesse die grundlegenden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die auftretenden Optimalsteuerungsprobleme effizient zu formulieren und in Echtzeit, was für schnelle Prozesse innerhalb weniger Millisekunden bedeutet, auf eingebetteter Regelungshardware numerisch zu lösen. Als Basisregelstrategie soll die Methode der iterativ lernenden Regelung (ILC) mit der Methode der nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (NMPC) kombiniert werden. Das Ergebnis soll ein Echtzeititerationsschema für iterativ lernende NMPC (IL-NMPC) sein, das als Zustands- und Parameterschätzer einen Moving Horizon Beobachter (MHE) nutzt. Um die Herausforderung der Echtzeitfähigkeit zu lösen, sollen die in den IL-NMPC-Optimierungsproblemen vorkommenden Strukturen gezielt in der Numerik genutzt werden. Dies betrifft unter anderem die Ausnutzung der Periodizität in der linearen Algebra der MHE- und NMPC-Probleme und die Entwicklung neuer impliziter Integrationsmethoden, die sich durch eine Verzahnung der Ableitungsgenerierung und den IL-NMPC-Optimierungsiterationen auszeichnen. Zunächst soll die IL-NMPC auf Zyklus-zu-Zyklus Basis arbeiten, also mit einer Abtastzeit von 10-60 ms, die der Zyklusdauer entspricht. Hierbei ist entscheidend, dass die Verzögerung des Stelleingriffs wesentlich kürzer als ein Zyklus sein muss, was durch ein Echtzeititerationsschema mit Aufteilen der Rechenzeit in Vorbereitungs- und Feedbackphase ermöglicht wird. In einem zweiten Schritt soll die IL-NMPC um die Fähigkeit des Stelleingriffs auf verschiedenen Zeitskalen erweitert werden. Dies bedeutet, dass nun auch innerhalb des Zyklus Stelleingriffe durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen Konzepte unterschiedlicher Komplexität erarbeitet werden. Diese reichen bis hin zu der Entwicklung von maßgeschneiderten Multi-Level-Echtzeititerationsschemata, die eine optimierungsbasierte Regelung im kHz-Bereich ermöglichen sollen. Die in dem Teilprojekt entstehenden numerischen Methoden werden für die Anwendung in Verbrennungsmotoren optimiert, sind aber auch applikationsübergreifend für andere zyklische Prozesse einsetzbar. Daher sollen sie im Rahmen eines Tools zur automatischen Codegenerierung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden.