Echtzeitsimulation der Verbrennung und modellbasierte Reglersynthese am Common-Rail-Dieselmotor

In den letzten Jahren ermöglichten neue Technologien einen großen Fortschritt im Bereich der Dieselmotorentwicklung. Eine der wichtigsten Entwicklungen ist das Common-Rail System, welches eine flexible, arbeitspunktabhängige Einspritzung ermöglicht. Dank dieser Technik erreichen Fahrzeuge mit modernen Dieselmotoren schärfste Abgasnormen bei geringem Verbrauch und einer hohen Leistung. Um diese technischen Fortschritte nutzen zu können, mußte die Leistungsfähigkeit der Motorsteuerungen ebenfalls deutlich gesteigert werden. Dadurch ergeben sich neue Anforderungen in der Entwicklung. Neben dem in der Automobilindustrie üblichen Kosten- und Zeitdruck, erfordert die hohe Komplexität neue Wege. Dazu werden verstärkt Modelle des Motors, des Antriebsstrangs sowie des gesamten Fahrzeuges eingesetzt, um aufwendige Prüfstandsversuche zu minimieren und somit Kosten zu senken. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Entwicklung eines Motormodells für den Hardware-in-the-Loop Einsatz, speziell für Common-Rail Dieselmotoren. Das Vorgestellte Modell des Common-Rail Dieselmotors erlaubt eine flexible Einspritzung in der Simulation und damit auch eine dynamische Berechnung des Brennverlaufs und des resultierenden Energieumsatzes. Besonders für den Einsatz im Hardware-in-the-Loop Bereich ist die Echtzeitberechnung der Verbrennung zwingend notwendig. Diese Problematik und die Berechnung des Modells in Echtzeit werden ebenfalls betrachtet. Daneben wird die gesamte Motordynamik näher erläutert und in das Modell integriert. Ein weiterer Punkt zur Verbesserung der dieselmotorischen Verbrennung bei Common-Rail Motoren stellt eine Optimierung des Einspritzprozesses selbst dar. Erst dadurch wird die Erfüllung noch strengerer Abgasnormen möglich. Durch Mehrfacheinspritzungen kommt es jedoch zu Druckschwankungen innerhalb des Einspritzsystems, wodurch nicht immer die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Ein im Rahmen der Arbeit entwickelter Drucksensor zur nicht invasiven Druckmessung des Einspritzdruckverlaufs dient der Kontrolle und Regelung der Einspritzung. Neben dem Aufbau des Sensors erfolgt eine Einführung in die notwendige Signalverarbeitung. Als Beispiel für den Einsatz von Modellen im Entwicklungsprozeß wird eine modellbasierte Anti-Ruckel Regelung vorgestellt. Basierend auf zwei verschiedenen Modellen des Antriebsstrangs erfolgt der Aufbau der Regelung mit Hilfe eines Smith-Prädiktor Ansatzes. Mittels Testfahrten in einem Versuchsfahrzeug werden die verschiedenen Ansätze erprobt. Eine abschließende Betrachtung der Ergebnisse zeigt, daß das gewählte Konzept eine Verbesserung gegenüber dem heutigen Stand der Technik im Bereich der Anti-Ruckel Regelung bringt.