Grey-Box Modellierung und Analyse des dieselmotorischen Arbeitsprozesses und der Schadstoffbildung

Klaus Oppenauer

Grey-Box Modellierung und Analyse des dieselmotorischen Arbeitsprozesses und der Schadstoffbildung

Translated title of the contribution: Grey-box modelling and analysis of the diesel engine working cycle and pollutant formation

Klaus Oppenauer

Institute of Design and Control of Mechatronical Systems

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Abstract

Despite continuous progress in methods development, the crank angle resolved calculation of nitric oxide and soot emissions based on a 1- or multi-zone engine working cycle calculation is due to the modelling and calibration effort required, still rarely used as a standard method. Due to increasingly stringent legal regulations and the resulting technical developments, nitric oxides and soot emissions from modern diesel engines have been significantly reduced over recent years. In particular, the detailed analysis of this study underlines that the combustion of a modern diesel engine passes through individual phases that have a differing affect on the formation of pollutants. Additionally modern engines offer many degrees of freedom allowing the combustion process to be specifically affected by changing the engine control unit calibration. This complicates the crank angle based modelling of the emission components. The main focus of this work was to study the effects of modified combustion characteristics on pollutant formation, induced for example by a changed engine control unit calibration. It consists of a detailed analysis and sufficient replication with new extended crank angle resolved emission models. Models that have been used successfully in the past for engines with fewer degrees of freedom are often unsatisfactory when used for modern internal combustion engines. As a significant innovation, data-based methods were considered in addition to thermodynamic methods, especially in the system analysis and in the model development. Only through this combination of different tools is an analysis of relevant phenomena of pollutant formation viable. Additionally model improvements and simplifications are achieved with this combination.

Translated title of the contribution	Grey-box modelling and analysis of the diesel engine working cycle and pollutant formation
Original language	German (Austria)
Publication status	Published - Feb 2015

Fields of science

206002 Electro-medical engineering
207109 Pollutant emission
202 Electrical Engineering, Electronics, Information Engineering
202027 Mechatronics
202034 Control engineering
203027 Internal combustion engines
206001 Biomedical engineering

JKU Focus areas

Mechatronics and Information Processing

Cite this

@phdthesis{3e48e9edebba4b4e86322328eb5e95f6,

title = "Grey-Box Modellierung und Analyse des dieselmotorischen Arbeitsprozesses und der Schadstoffbildung",

abstract = "Trotz stetiger Fortschritte in der Methodenentwicklung wird die kurbelwinkelaufgel{\"o}ste Berechnung der Stickoxid- und Ru{\ss}emissionen auf Basis einer 1- oder mehrzonigen Arbeitsprozessrechnung aufgrund des hohen Modellierungs- und Abstimmaufwandes auch gegenw{\"a}rtig kaum als Standardverfahren verwendet. Durch die strengeren gesetzlichen Regelungen und die dadurch hervorgerufenen Weiterentwicklungen der letzten Jahre, wurden vor allem bei modernen Dieselmotoren die Emissionen, insbesondere Ru{\ss} und Stickoxide, deutlich reduziert. Im Speziellen unterstreichen die detaillierten Analysen dieser Arbeit, dass die Verbrennung eines modernen Dieselmotors vielmehr einzelne Phasen durchl{\"a}uft, die sich unterschiedlich stark auf die Schadstoffbildung auswirken. Zus{\"a}tzlich ergeben sich bei aktuellen Motoren viele Freiheitsgrade, um gezielt den Verbrennungsablauf durch Anpassung von zahlreichen Steuerger{\"a}tsollwertgr{\"o}{\ss}en zu beeinflussen. Dies erschwert die kurbelwinkelaufgel{\"o}ste Modellierung der Emissionskomponenten. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher vor allem darin die Auswirkungen einer ge{\"a}nderten Verbrennungscharakteristik auf die Schadstoffbildung, hervorgerufen beispielsweise durch ver{\"a}nderte Steuerger{\"a}teapplikation, detailliert zu analysieren und ausreichend mit neuen erweiterten kurbelwinkelaufgel{\"o}sten Emissionsmodellen nachzubilden. Modelle, die in der Vergangenheit an Motoren mit weniger Freiheitsgraden erfolgreich eingesetzt wurden, liefern bei modernen Verbrennungskraftmaschinen oft nur mehr unzufriedenstellende Ergebnisse. Als wesentliche Neuerung wurden deswegen neben thermodynamischen vor allem datenbasierte Methoden verwendet, die sowohl bei der Systemanalyse als auch bei der Modellentwicklung zum Einsatz kamen. Erst durch die kombinierte Anwendung unterschiedlicher Werkzeuge konnten relevante Ph{\"a}nomene der Schadstoffbildung analysiert bzw. Verbesserungen bei der Modellierung und Vereinfachungen erzielt werden.",

author = "Klaus Oppenauer",

year = "2015",

month = feb,

language = "Deutsch ({\"O}sterreich)",

}

TY - BOOK

T1 - Grey-Box Modellierung und Analyse des dieselmotorischen Arbeitsprozesses und der Schadstoffbildung

AU - Oppenauer, Klaus

PY - 2015/2

Y1 - 2015/2

N2 - Trotz stetiger Fortschritte in der Methodenentwicklung wird die kurbelwinkelaufgelöste Berechnung der Stickoxid- und Rußemissionen auf Basis einer 1- oder mehrzonigen Arbeitsprozessrechnung aufgrund des hohen Modellierungs- und Abstimmaufwandes auch gegenwärtig kaum als Standardverfahren verwendet. Durch die strengeren gesetzlichen Regelungen und die dadurch hervorgerufenen Weiterentwicklungen der letzten Jahre, wurden vor allem bei modernen Dieselmotoren die Emissionen, insbesondere Ruß und Stickoxide, deutlich reduziert. Im Speziellen unterstreichen die detaillierten Analysen dieser Arbeit, dass die Verbrennung eines modernen Dieselmotors vielmehr einzelne Phasen durchläuft, die sich unterschiedlich stark auf die Schadstoffbildung auswirken. Zusätzlich ergeben sich bei aktuellen Motoren viele Freiheitsgrade, um gezielt den Verbrennungsablauf durch Anpassung von zahlreichen Steuergerätsollwertgrößen zu beeinflussen. Dies erschwert die kurbelwinkelaufgelöste Modellierung der Emissionskomponenten. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher vor allem darin die Auswirkungen einer geänderten Verbrennungscharakteristik auf die Schadstoffbildung, hervorgerufen beispielsweise durch veränderte Steuergeräteapplikation, detailliert zu analysieren und ausreichend mit neuen erweiterten kurbelwinkelaufgelösten Emissionsmodellen nachzubilden. Modelle, die in der Vergangenheit an Motoren mit weniger Freiheitsgraden erfolgreich eingesetzt wurden, liefern bei modernen Verbrennungskraftmaschinen oft nur mehr unzufriedenstellende Ergebnisse. Als wesentliche Neuerung wurden deswegen neben thermodynamischen vor allem datenbasierte Methoden verwendet, die sowohl bei der Systemanalyse als auch bei der Modellentwicklung zum Einsatz kamen. Erst durch die kombinierte Anwendung unterschiedlicher Werkzeuge konnten relevante Phänomene der Schadstoffbildung analysiert bzw. Verbesserungen bei der Modellierung und Vereinfachungen erzielt werden.

AB - Trotz stetiger Fortschritte in der Methodenentwicklung wird die kurbelwinkelaufgelöste Berechnung der Stickoxid- und Rußemissionen auf Basis einer 1- oder mehrzonigen Arbeitsprozessrechnung aufgrund des hohen Modellierungs- und Abstimmaufwandes auch gegenwärtig kaum als Standardverfahren verwendet. Durch die strengeren gesetzlichen Regelungen und die dadurch hervorgerufenen Weiterentwicklungen der letzten Jahre, wurden vor allem bei modernen Dieselmotoren die Emissionen, insbesondere Ruß und Stickoxide, deutlich reduziert. Im Speziellen unterstreichen die detaillierten Analysen dieser Arbeit, dass die Verbrennung eines modernen Dieselmotors vielmehr einzelne Phasen durchläuft, die sich unterschiedlich stark auf die Schadstoffbildung auswirken. Zusätzlich ergeben sich bei aktuellen Motoren viele Freiheitsgrade, um gezielt den Verbrennungsablauf durch Anpassung von zahlreichen Steuergerätsollwertgrößen zu beeinflussen. Dies erschwert die kurbelwinkelaufgelöste Modellierung der Emissionskomponenten. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher vor allem darin die Auswirkungen einer geänderten Verbrennungscharakteristik auf die Schadstoffbildung, hervorgerufen beispielsweise durch veränderte Steuergeräteapplikation, detailliert zu analysieren und ausreichend mit neuen erweiterten kurbelwinkelaufgelösten Emissionsmodellen nachzubilden. Modelle, die in der Vergangenheit an Motoren mit weniger Freiheitsgraden erfolgreich eingesetzt wurden, liefern bei modernen Verbrennungskraftmaschinen oft nur mehr unzufriedenstellende Ergebnisse. Als wesentliche Neuerung wurden deswegen neben thermodynamischen vor allem datenbasierte Methoden verwendet, die sowohl bei der Systemanalyse als auch bei der Modellentwicklung zum Einsatz kamen. Erst durch die kombinierte Anwendung unterschiedlicher Werkzeuge konnten relevante Phänomene der Schadstoffbildung analysiert bzw. Verbesserungen bei der Modellierung und Vereinfachungen erzielt werden.

M3 - Dissertation

ER -