FOR 2401:  Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Informatik, System- und Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277012063

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.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz

Projekte

• Charakterisierung der Niedertemperaturkinetik großer Kohlenwasserstoffe für die Modellentwicklung zur Motorenregelung (Antragstellerin Kasper, Tina )
• Chemische Grundlagen für die Modellentwicklung zur Motorenregelung (Antragstellerin Kohse-Höinghaus, Katharina )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Andert, Jakob )
• Multiskalenregelung der PCCI-Verbrennung (Antragsteller Onder, Christopher )
• Multiskalenregelung des Niedertemperatur-Brennverfahrens GCAI (Antragsteller Abel, Dirk )
• Parallele Multi-Level Lern- und Optimierungsalgorithmen für die Regelung zyklischer Prozesse auf eingebetteten Systemen (Antragsteller Diehl, Moritz )
• Regelung der teilhomogenisierten Verbrennung im Dieselmotor durch vollvariable Einspritzung (Antragsteller Beeckmann, Joachim ;  Pitsch, Heinz )
• Stabilisierung des GCAI-Brennverfahrens durch die Nutzung innerzyklischer Korrelationen (Antragsteller Andert, Jakob ;  Pischinger, Stefan )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Jakob Andert, seit 12/2019