Entwicklung einer Funktionsstruktur für die zylinderdruckbasierte Regelung der teilhomogenen Dieselverbrennung

Abstract

Inhalt dieser Arbeit ist die Vorstellung einer Funktionsstruktur zur zylinderdruckgeführten Regelung der teilhomogenen Dieselverbrennung einschließlich der Umschaltung in den Motorbetrieb mit diffusiver Verbrennung. Auf der Basis der wirkenden Mechanismen der teilhomogenen Verbrennung wird ein Zielbereich der Verbrennung definiert, der die Anforderungen bezüglich Geräusch, Verbrauch und Emissionen erfüllt. Dazu dient einerseits eine Druckgradientenregelung, die neben der Sicherstellung des Motorschutzes auch zur Festlegung der Lage im Zielkonflikt der Emissionen verwendet wird. Andererseits wird die für den gewählten Sollwert des maximalen Druckgradienten größtmögliche Abgasrückführrate (AGR-Rate) zurückgeführt. Damit ergibt sich ein Brennbeginn im Bereich des oberen Totpunktes. Bei höherer Last muss wegen Luftmangels die AGR-Rate reduziert werden. Der Brennbeginn verschiebt sich zunehmend in die Expansionsphase. Um die Verbrennung auch im transienten Motorbetrieb und unter den dort auftretenden Verzögerungen der Luftstrecke zielgrößenoptimal sicherzustellen, wird im Falle zu hoher Konzentration von Sauerstoff (O2-Konzentration) im Saugrohr der maximale Druckanstieg begrenzt und der Brennbeginn verschoben. Im Falle zu geringer O2-Konzentration wird der Brennbeginn am oberen Totpunkt gehalten und ein geringerer Druckanstieg toleriert. Zur Umsetzung dieser Strategie dienen drei weitestgehend entkoppelte Regelkreise. Die Last wird über die Ansteuerdauer der Injektoren zylinderindividuell eingeregelt. Der indizierte Mitteldruck dient dabei als Führungsgröße. Der Motorschutz wird über einen Regler mit dem maximalen Druckanstieg im Zylinder als Führungsgröße sichergestellt, dabei dient die Lage des Einspritzbeginns als Stellgröße. Die Qualitätsregelung nutzt das AGR-Ventil als Steller. Die O2-Konzentration im Saugrohr wird mit einer dort zusätzlich verbauten Lambdasonde erfasst und dient als Führungsgröße. Zum Betrieb des Motors mit höheren Lasten wird eine Betriebsartumschaltung hin zu diffusiver Verbrennung durchgeführt. Mit Hilfe der Verbrennungsregelung und der Betriebsartumschaltung wird ein vollständiger europäischer Fahrzyklus (NEFZ) auf dem Motorenprüfstand nachgefahren.

This thesis describes the investigation of a structure for close-loop control of a partly homogeneous diesel combustion including a combustion mode switch to diffusive combustion. A rapid-prototyping ECU was used in conjunction with a V6-Diesel engine, along with one in-cylinder pressure sensor for each cylinder, to develop the algorithms at a dynamic test stand. On the basis of thorough combustion analysis, a target area for the combustion is defined. There all requirements concerning noise, fuel consumption, and emissions are met. This is achieved by controlling the maximum rate of pressure rise. This method not only assures engine protection, but is also used to determine the position in the trade off between NOx- and CO-/HC-emissions. To achieve the pressure rise rate desired, maximum EGR rate is used. This results in a start of combustion at around TDC. At higher loads, the EGR rate has to be reduced due to lack of cylinder filling. A limit for exhaust lambda prevents excessive soot emissions. The start of burn is moved into the expansion phase. To assure a combustion which is optimal concerning the target values the maximum pressure rise is limited in case of too high oxygen concentration. If so, the start of burn is moved. This is also done in transient engine operation to account for air path system answer delays. In running conditions of too low oxygen concentration the start of burn is held at TDC and a lower pressure rise is accepted. A too early start of injection would lead to a fuel transfer outside of the piston bowl, and is thereby prohibited. For this case lower values of the pressure rise are tolerated. To implement the strategy, three mostly independent close-loop circuits are used. Engine load is controlled individually for each cylinder by injection duration. The indicated mean effective pressure is used as a command variable. Its set point is used in all maps of the structure as load variable. Engine protection is achieved by a close-loop control of the in-cylinder pressure rise. The injection angle is the actuating variable. In order to account for EGR delays additional corrections have to be made. Deviation in air quality control is used to adjust the start of injection improving pressure rise control and accuracy. To control the quality of combustion the EGR valve is used as an actuator. The oxygen concentration in the inlet manifold is measured by an additional lambda sensor and is used as a command variable. Engine protection and quality controls together assure a combustion within the target area. Therefore only the signals of the in-cylinder pressure sensors and the lambda sensor in the intake manifold are used. Additional sensors to measure emissions or efficiency are not needed. For engine operation at higher loads a mode switch to diffusive diesel combustion is engaged. After crossing an IMEP threshold the EGR valve is switched over. After reaching a defined oxygen concentration the fuel path switch is activated. Diffusive combustion is achieved by adding two pilot-injections. The rail pressure is adapted during the multiple injection phase because of the highly robust combustion. Additional correction functions were developed, to assure constant IMEP gradient and neutral noise characteristics. With the close-loop combustion control and the combustion mode switch a complete new European driving cycle could be carried out at the engine test stand.