Ein Modellgestützter Prädiktiver Ansatz zur Regelung von Ladedruck und AGR-Rate beim Nutzfahrzeug-Dieselmotor (A Model based Attempt to Control Boost Pressure and EGR-Rate for a Heavy Duty Engine)

This Paper introduces a Model Based Predictive Controller to control simultaneous boost pressure and EGR-rate at a diesel engine [5]. In the course of the project „ATECS“ (Advanced Truck Engine Control System), founded by the European Community, a non-linear simulation model of truck diesel engine in Matlab/Simulink was developed by the Institute of Automatic Control (IRT) of the RWTH Aachen in cooperation with the Institute of Combustion Engines (VKA) of the RWTH Aachen [3], [7]. The control strategy is to be designed and tested in the simulation and is implemented in cooperation with VKA and FEV on a 6 Liter Heavy Duty Diesel Engine [9]. The benefit of the control with regard to transient emissions was shown within the relevant test cycles. 1. Einleitung Im Hinblick auf die Einhaltung zukünftiger Emissionsgrenzwerte in Verbindung mit neuen hochdynamischen Testzyklen wird in diesem Beitrag die Möglichkeiten der geregelten Hochdruck-Abgasrückführung (AGR) in Kombination mit einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) für Nutzfahrzeugdieselmotoren untersucht [3]. Die AGRund VTG-Technologie hat sich bei Pkw-Dieselmotoren bewährt, stellt beim Nfz jedoch eine größere Herausforderung in Bezug auf die Regelstrategie dar. Beim Pkw kann im emissionsrelevanten Teillastbetriebsbereich auf eine Ladedruckregelung verzichtet werden und der Frischluftmassenstrom über das AGR-Ventil mit einem konventionellen Eingrößenregler geregelt werden. Beim Nutzfahrzeug muss AGR nahezu im gesamten Kennfeldbereich angewendet werden also auch in Hochlastbereichen, wo unkontrollierte Ladedruckschwankungen inakzeptabel sind. Da mit steigender Last die VTG-Stellung zunehmend neben dem Ladedruck auch die AGR-Rate beeinflusst, stellt eine Eingrößenregelung des Ladedruckes keine Option dar. Für den Einsatz von VTGund AGR wird daher beim Nutzfahrzeugmotor eine entkoppelnde Mehrgrößenregelung benötigt. Für die Mehrgrößenregelung werden zwei Regelgrößen benötigt, die entweder gemessen oder über Modelle berechnet werden (virtuelle Sensoren). Die Wahl der Regelgrößen bestimmt das Verhalten der Regelung bei dynamischem Motorbetrieb, aber auch die Genauigkeit der Regelung in Bezug auf Emissionsschwankungen. Neben dem mit einem Heißfilmmessgerät bestimmbare Frischluftmassenstrom bieten sich für den Einsatz am Nutzfahrzeugmotor der mit einer Differenzdruckmessung ermittelbare AGR-Massenstrom oder die im Abgas gemessene Stickoxidkonzentration (NOx) an. Schwerpunkt der durchgeführten Forschungsarbeiten war der Entwurf eines modellgestützten Regelungskonzeptes, sowie die Erprobung dieses Konzeptes in der Simulation und am Motorprüfstand. Des weiteren wurde untersucht, welchen Einfluss die unterschiedlichen Kombinationen der Regelgrößen auf Leistungsund Emissionsverhalten des Motors haben. 2. Regelungskonzept Der hier eingesetzte Modellgestützte Prädiktive Regler (MPR) basiert auf dem GeneralizedPredictive-Control-Ansatz (GPC) [1] und verwendet für die Prädiktion ein Zustandsraummodell [2]. Zur Korrektur des Zustandsvektors wird ein Zustandsbeobachter benutzt. Durch die Verwendung des linearen Modells kann die Kostenfunktion analytisch gelöst werden, so dass eine deterministische Rechenzeit für das Steuergerät garantiert werden kann. Die Verstärkungsfaktoren dieses linearen Modells werden mittels Gain Scheduling an das nichtlineare Verhalten des Motors angepasst [6]. Linearer MPR Die Einstellparameter des Modellgestützten Prädiktiven Reglers (MPR) sind für einen Eingrößenprozess (SISO) in Bild 1 dargestellt. Die prädizierte Regelgröße ŷ wird zwischen dem unteren Prädiktionshorizont N1 und dem oberen Prädiktionshorizont N2 (Prädiktionsfenster) berechnet.