Forschung

Emissionsoptimierter Dieselmotor

Moderne Dieselmotoren verfügen über viele Stellgrößen, die die Emissionscharakteristik des Fahrzeugs beeinflussen. Die Kalibrierung des Steuergeräts, das diese Stellgrößen verarbeitet, ist daher für die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten essenziell. Herkömmliche Kalibrierverfahren sind zeitaufwendig, nichtsystematisch und führen teilweise zu suboptimalen Ergebnissen. Im Rahmen des Projekts wurde eine universelle Kalibrierung des Steuergeräts entwickelt, die einen jederzeitigen Wechsel der Emissionsstrategie auch während des Motorbetriebs ermöglicht. Die Grundlage dafür sind parametrierte Kennfelder, die alle möglichen Emissionsstrategien abbilden. Zudem wurden modellbasierte virtuelle Emissionssensoren abgeleitet, die diese Kennfelder modellbasiert herleiten können oder auch die Emissionsregelung unterstützen und Informationen schneller und günstiger als reale Sensoren zur Verfügung stellen. Mit dieser wissenschaftlich abgesicherten, anwendungsfreundlichen Methodik lassen sich Steuergeräte optimal im Hinblick auf die Reinheit der dieselmotorischen Abgase einstellen.

» Die aufgezeigte Methodik liefert hilfreiche Werkzeuge zur weiteren Reduktion der Abgasemissionen. Insbesondere vor dem Hintergrund stetig steigender Komplexität der Gesamtsysteme birgt die optimierbare Gewichtung von Rohemissionen und Verbrauch ein hohes Potenzial «
Pedro Macri Lassus | Daimler AG

Motivation

Moderne Dieselmotoren unterliegen hohen Emissionsanforderungen. Das Steuergerät verarbeitet eine Vielzahl von Stellgrößen, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Rohemissionen des Motors haben. Herkömmliche Verfahren zum Kalibrieren von Steuergeräten basieren auf nichtsystematischen, intuitiven Methoden, sind unverhältnismäßig zeitaufwendig und führen nicht notwendigerweise zu optimalen Resultaten. Das Ziel des Projekts war es, eine fundierte Herangehensweise zur Kalibrierung zu entwickeln, die das gesamte Optimierungspotenzial des Motors ausschöpft.

Methodik

Im regelungstechnischen Teil stand die Entwicklung einer feedbackbasierten Emissionsregelung im Fokus. Dazu wurden alle möglichen Emissionsstrategien errechnet und in parametrierten Kennfeldern abgelegt. Tests an einem Motorprüfstand dienten zur Überprüfung der integrierten und adaptierten Emissionsregelung. Im verbrennungstechnischen Teil drehte sich alles um virtuelle Emissionssensoren. Sie können reale Sensoren ersetzen und damit Emissionsinformationen schneller und günstiger zur Verfügung stellen.

Ergebnis

Messungen am Motorprüfstand zeigten, dass sich die Partikel- und NOx-Emissionen mithilfe der neuen Regelstrategie im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) sowie im Weltweit Harmonisierten Testzyklus für leichte Nutzfahrzeuge (Worldwide Harmonized Light vehicles Test Cycle, WLTC) um bis zu 50 Prozent bei gleichbleibendem Verbrauch reduzieren lassen. Die neue Emissionsregelung hat keinen Einfluss auf die Größenverteilung der sich bildenden Rußpartikel. Ein weiteres wichtiges Ergebnis sind phänomenologische Modelle, die auf physikalischen Zusammenhängen basieren und das Emissionsverhalten unter Einbeziehung aller relevanten Einflussgrößen beschreiben. Sie stellen die virtuellen Emissionssensoren dar, deren Wirksamkeit ebenfalls erfolgreich am Motorprüfstand getestet wurde. Mit diesen Erkenntnissen ist es möglich, Steuergeräte zukünftig systematisch im Hinblick auf eine effiziente Emissionskontrolle zu kalibrieren.

Dokumentation

Emissionsoptimierter Dieselmotor | Steuer- und Regelkonzepte für Dieselmotoren mit virtuellen NOx- und PM-Sensoren. Automatisierte Sollwertgenerierung für individuell wählbare Emissionsstrategien | Vorhaben-Nr. 1140

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
576.000,00 EUR EUR

Laufzeit
01.01.2013 bis 30.06.2015

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Bundesamt für Energie (BFE)

Mühlestraße 4
3063 Ittigen
Schweiz

Industrie

Pedro Macri-Lassus
Daimler AG

Forschungstellen

1 | Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik (IDSC) | Department für Maschinenbau und Verfahrenstechnik (D-MAVT) | ETH Zürich

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Christopher Onder

Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dr. Philipp Elbert
Dr. Alois Amstutz


2 | Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV) | Institut für Energietechnik (IET) | Department für Maschinenbau und Verfahrenstechnik (D-MAVT) | ETH Zürich

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dr. Christophe Barroiums für Aerothermochemie und VerbrennungssystemeLaboratoriums für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme

Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich

Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik (IDSC)

Sonneggstr. 3
8092 Zürich
Schweiz

Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich

Institut für Energietechnik (IET)/Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV)

Sonneggstr. 3
8092 Zürich
Schweiz

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349


Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345