Ionenstromsensor basierte Regelung von Magerbrennverfahren mit hohem Verdichtungsverhältnis

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jakob Andert
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392430670

Magerbrennverfahren bieten ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Effizienz von Ottomotoren, insbesondere in Kombination mit einer weiteren Reduzierung der Drosselverluste und höheren Kompressionsverhältnissen. Die kontrollierte ottomotorische Selbstzündung (HCCI) kann die NOx-Rohemission um bis zu 99 %, verglichen mit einem fremd gezündeten (SI) Magerbrennverfahren, reduzieren.Magerbrennverfahren sind empfindlich gegenüber wechselnden globalen und lokalen Randbedingungen im Brennraum. Diese können nicht direkt gemessen werden. Dementsprechend hat eine magere Verbrennung, insbesondere HCCI, große Nachteile bezüglich Regelbarkeit. Fluktuationen des Ladungszustands verursachen zyklische Schwankungen der Verbrennung mit starken Auswirkungen auf Effizienz, Emissionen und Stabilität. Dies unterstreicht die Notwendigkeit von schnellen Regelalgorithmen zur aktiven Stabilisierung des Prozesses.Arbeitshypothese der Antragssteller ist, dass der Ionenstrom zusätzliche Informationen über den Zustand der Zylinderladung liefert, die die Regelbarkeit der Magerverbrennung verbessern. Die Auswirkungen der Bildung von Zwischenspezies auf den Ionenstrom erfordern neue Ansätze bezüglich der Hard- und Software und wurden noch nicht im Detail analysiert. Darüber hinaus müssen die Analyseschaltkreise, die für die Interpretation des Ionenstromsignals verwendet werden, deutlich verbessert werden. Es ist eine systematische Methodik erforderlich, um das optimale elektrische Sensorlayout und den Signalverarbeitungsalgorithmus zu identifizieren.Für die SI-Verbrennung, insbesondere mit hohen Kompressionsverhältnissen, ist die Vorentflammung der Zylinderladung eine Herausforderung. Zur aktiven Verhinderung dieser Phänomene ist eine schnelle und zuverlässige Identifizierung der Vorentflammung erforderlich. Eine innovative Analyse von schwachen Ionenstromsignalen ist notwendig, um zusätzliche Informationen über die Zylinderladung zu liefern und ermöglicht es, neue FPGA-basierte In-Zyklus-Regeleingriffe zu etablieren.Die Analyse im Frequenzbereich mit digitaler Signalverarbeitung ist ein vielversprechender Ansatz für die Nutzung in schnellen In-Zyklus-Regelalgorithmen zur Stabilisierung der Magerverbrennung. In diesem Projekt zielen die Antragssteller auf ein tieferes Verständnis der Korrelationen des Ionenstromsensorsignals und der zugrunde liegenden chemischen und physikalischen Effekte in der Zylinderladung und der daraus resultierenden Leitfähigkeit.Zur Verbesserung der Mess- und Signalverarbeitung wird eine detaillierte Simulation mit Untersuchungen an Testmotoren in Shanghai und Aachen kombiniert. Der Analyseschaltkreis wird angepasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die identifizierte Korrelation zwischen dem Ionenstrom und dem Zylinderladungszustand wird verwendet, um eine Machbarkeitsstudie für neue FPGA-basierte In-Zyklus-Regelalgorithmen auf dem Prüfstand durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Liguang Li