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Neuronales Berechnungsmodell zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs aus motorischen Messgrößen
Dr.-Ing. Hardy Weymann Universität Siegen Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Friedrich Dinckelacker Die Optimierung der motorischen Verbrennung für zukünftige Motorgenerationen zur Einhaltung der gesetzlichen Abgasgrenzwerte und zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs ist unverzichtbar. Der Zeitpunkt der Energiefreisetzung beeinflusst den Wirkungsgrad des Motors dabei maßgeblich, weshalb dieser anhand des Verbrennungsschwerpunktes bei der sogenannten brennraumdruckbasierten Motorregelung optimal eingestellt werden muss. Weiterhin kann bei Kenntnis des Brennraumdruckes eine exakte Aussage über den augenblicklichen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors gemacht werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei Kenntnis des Brennraumdruckverlaufes die Abgasemissionen physikalisch basiert zu berechnen. Ein großflächiger Serieneinsatz der Brennraumdruckmessung scheitert bisher an den hohen Kosten und der geringen Lebensdauer der Brennraumdruck-Sensoren. Zukünftige Regelkonzepte sollten daher ohne Brennraumdrucksensoren realisiert werden können, weshalb bei der modellbasierten Verbrennungslageregelung die Schwerpunktlage anhand der Messdaten vorhandener Sensoren bestimmt werden muss. In der Arbeit werden für verschiedene Versuchsmotoren Berechnungsmodelle für den Brennraumdruckverlauf aufgestellt und deren Qualität und Gültigkeit nachgewiesen. Als Modell wird ein Neuronales Netz gewählt. Der Vorteil von Neuronalen Netzten liegt in der Möglichkeit, nicht lineare Probleme mit hoher Güte berechnen zu können. Ausgehend von stationären Kennfeldmessungen, bei denen der Brennraumdruckverlauf und die zugehörigen, verbrennungsrelevanten Motorparameter wie z. B. die Motordrehzahl, die eingespritzte Kraftstoffmenge, der Einspritzbeginn, der Ladedruck usw. gemessen werden, wird ein Neuronales Netz trainiert und validiert. Die sehr große Datenmenge der Brennraumdrucksignale ist als sehr problematisch zu betrachten. Um deren Datenmenge ohne Informationsverlust deutlich zu verringern, wird das Hauptkomponentenverfahren (PCA = principal component analysis) angewendet. Erst dadurch ist es möglich, kleine und kompakte Neuronale Netze zu trainieren. Die trainierten Brennraumdruckmodelle sind nur auf die Motoren gleichen Typs übertragbar, wobei deren Gültigkeit für den gesamten Kennfeldbereich im stationären als auch in dynamischen Betrieb der Motoren bestätigt wurde. Das Bestimmtheitsmaß RČ bei der Spitzendruckbestimmung liegt bei größer 0,99. Anhand eines Vergleichs der Schwerpunktlagen zwischen gemessenem und berechnetem Brennraumdruck konnte festgestellt werden, dass mit dem gewählten Modellansatz eine Schwerpunktlageregelung realisiert werden kann. Der Fehler liegt in weiten Bereichen innerhalb eines Intervalls von maximal ±1 °KW. Bedingt durch messtechnische Restriktionen hinsichtlich der maximalen Abtastrate bei den motorischen Messgrößen ergeben sich im dynamischen Betrieb mit großen Änderungsgradienten etwas größere Fehler, die im Bereich von ±2 °KW liegen. Neben der Spitzendruck- bzw. Schwerpunktlagebestimmung können die thermodynamischen Kennwerte Brennbeginn (MBF5%) und Brennende (MBF90%) sowie das Verbrennungsgeräusch, der maximale Druckanstieg und der indizierte Mitteldruck im ausgewählten Kurbelwinkelfenster mit guter Genauigkeit aus dem modellierten Druckverlauf bestimmt werden. Mit dem in dieser Arbeit aufgezeigtem Modellansatz zur Berechnung des Brennraumdruckverlaufes aus Sensormessgrößen wird ein Beitrag zur Verbesserung des Motormanagements in Hinblick auf die Einhaltung der Abgasemissionen und eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs in zukünftigen Steuergerätegenerationen geleistet. Sollten sich Brennraumdrucksensoren im Serieneinsatz moderner Verbrennungsmotoren zur Verbrennungsregelung durchsetzen, könnte das beschriebene Brennraumdruckmodell zur Unterstützung des dynamischen Verhaltens der Regelung durch eine so genannte modellbasierte Vorsteuerung eingesetzt werden. Aus den momentanen Messgrößen und den neu berechneten Einspritzparametern lässt sich der Brennraumdruckverlauf ein Arbeitsspiel im Voraus berechnen. Die daraus berechneten thermodynamischen Kennwerte geben Aufschluss darüber, ob der folgende Verbrennungsvorgang „in Ordnung” ist, oder ob die Einspritzparameter korrigiert werden müssen. < zurück |
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