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Modellierungsseminar-Beispiel: Modellierung eines Dieselmotors mit Abgasrückführung

Bearbeiter: Marvin Ehlert, Dr. Jan Tietjen
Kooperationspartner: IAV GmbH – Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, Gifhorn
Betreuer ZeTeM: Prof. Dr. Christof Büskens
Laufzeit: 2005/2006

Jan Tietjen und Marvin Ehlert haben im Rahmen ihres Modellierungsseminars mit der Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr IAV GmbH in Gifhorn zusammengearbeitet. Als einer der führenden FuE-Dienstleister für die Automobilindustrie entwickelt die IAV innovative Konzepte u.a. für zukünftige Antriebs- und Motortechnologien. Im Rahmen des Modellierungsseminars haben die beiden Studierenden zwei Monate bei der IAV in Gifhorn gearbeitet. Ihr Kooperationspartner war dabei Niklas Wolff von der Sahl – 2003 der erste Technomathematikabsolvent aus Bremen.

Schematischer Aufbau der Luftstrecke eines modernen DieselmotorsSchematischer Aufbau der Luftstrecke eines modernen Dieselmotors
Nicht nur aufgrund der steigenden Kraftstoffpreise erfreuen sich Dieselmotoren wachsender Beliebtheit. Angesichts vom Gesetzgeber stetig verschärfter Abgas-Emissionsvorschriften besteht eine Schwierigkeit bei der Weiterentwicklung von Dieselantrieben darin, die Emissionsgrenzwerte zu erfüllen, ohne gleichzeitig bei anderen wichtigen Größen, wie Kraftstoff-verbrauch, Fahrkomfort oder Fahrdynamik, eine Verschlechterung hinnehmen zu müssen. Dabei wird versucht, die Bildung von Schadstoffen, zusätzlich zum Einsatz von speziellen Abgasnachbehandlungssystemen wie Katalysatoren, durch verbesserte Einspritzstrategien und durch Zurückführen von Abgas in den Zylinder zu verringern.

Die steigende Komplexität des Dieselmotors und die wachsende Zahl der Betriebsbedingungen für die einzelnen Komponenten machen es nötig, viele Zustandsgrößen wie z.B. Temperaturen, Drücke und Massenströme in der Luftstrecke zu kennen. Um die Anzahl der verwendeten Sensoren zu minimieren, werden auf physikalischen Gesetzen basierende Echtzeitmodelle benutzt, um mithilfe der im Luftpfad verbauten Sensoren nahezu alle wichtigen Zustandsgrößen im Motorsteuergerät zu berechnen. Die modellierten Zustände dienen zum einen der Diagnose von Sensoren und anderen Komponenten, sowie zur Bestimmung von Größen, für die reale Sensoren zu kostspielig wären bzw. aufgrund technischer Randbedingungen nicht eingesetzt werden können. Einige der in den Modellen auftretenden Parameter lassen sich schwer bestimmen bzw. weichen aufgrund der vereinfachten Modellannahmen stark von den tatsächlich messbaren Größen der Luftstrecke ab. Es gilt die durch die Parameter bestehenden Freiheitsgrade in den Modellen bestmöglich so zu bestimmen, dass der Abstand der vom Modell berechneten Größen zu den gemessenen Sensorwerten minimal ist.

Abgastemperatur vor der Turbine: Modelldaten (rot) im Vergleich zu gemessenen Daten (blau) Abgastemperatur vor der Turbine: Modelldaten (rot) im Vergleich zu gemessenen Daten (blau)
Die beiden Technomathematiker haben das bei der IAV verwendete mathematische Modell des Dieselmotors benutzt, es anhand numerischer Simulationen verifiziert und mit realen Zustandsdaten aus dem Steuergerät verglichen. Während das dynamische Verhalten der Gase in der Luftstrecke qualitativ gut modelliert werden kann, gibt es in anderen Teilen deutliche Abweichungen zwischen Modell- und Referenzdaten. Welche Regelungsverfahren eingesetzt werden müssen, um diese Diskrepanzen zu reduzieren, war Gegenstand nachfolgender Untersuchungen. Beispielsweise beschäftigten sich Jan Tietjen und Marvin Ehlert im Rahmen ihrer Diplomarbeiten mit diesem Thema.