Emission control concepts for connected Diesel powertrains

  • Emissionsregelungskonzepte für vernetzte Antriebsstränge mit Dieselmotor

Vagnoni, Giovanni; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die zunehmende Vernetzung zukünftiger Fahrzeuge ermöglicht die Vorhersage der Betriebsprofile des Antriebsstrangs. Diese Technologie kann die Steuerung des Motors und seiner Abgasnachbehandlungssysteme (AGN) verbessern. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von regel- und optimierungsbasierten Algorithmen, die das a-priori vorhandene Wissen über anstehende Fahrereignisse nutzen, um insbesondere NOx- und Ruß-Emissionen zu reduzieren. Im ersten Teil der Arbeit werden die Ladedruckregelung, der NOx-Speicherkatalysator (LNT) und der Dieselpartikelfilter (DPF) eines Dieselanriebsstrangs als relevante Subsysteme für eine typische PKW-Anwendung untersucht. Referenzregelstrategien, die auf modernsten ECU-Algorithmen und geeigneten prädiktiven Steuerungslogiken basieren, werden für die drei Sub-systeme in einer MiL-Simulationsumgebung verglichen. Angewendet wurden die Algorithmen auf dem neuen Worldwide harmonized Ligh-Duty Test Cycle (WLTC) sowie Zyklen aus dem praktischen Fahrbetrieb (RDE). WLTC-Simulationsergebnisse zeigen ein Verbesserungspotenzial für Ruß- und NOx-Emissionen von bis zu 5,5 % bzw. 4,9 % für den Fall des Luftpfades. Darüber hinaus ermöglicht der entwickelte regelbasierte Algorithmus die Anpassung des NOx-Rußabzugs bei konstantem Kraftstoffverbrauch. Eine Reduzierung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs unter RDE-Bedingungen um bis zu 1 % für ein Abgasnachbehandlungssystem mit Speicherkatalysator wird durch die Vermeidung abgebrochener Regenerationsereignisse erreicht. Ebenso wird auch die DPF-Regeneration verbessert, wodurch bis zu 5,5 % Kraftstoff in einer repräsentativen Fahrmission eingespart werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Konzept für ganzheitliche Motor- und AGN-Regelung für einen konventionellen Langstrecken-LKW vorgeschlagen. Es basiert auf einem Nicht-lineares Modell Prädiktive Steuerung (NMPC), deren vereinfachte Formulierung eines optimalen Steuerungsproblems seine Echtzeitanwendung ermöglicht und den Kalibrieraufwand reduziert. Das Konzept wird in der Simulationsumgebung mit Dynamischer Programmierung Techniken verglichen und schließlich auf dem Motorprüfstand validiert. Die Messergebnisse bestätigen die, aus der Simulation erwarteten Vorteile der prädiktiven Kontrollstrukturen auf die Betriebskosten bei gleichzeitiger Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte. Die Arbeit schließt mit einem kurzen Ausblick für zukünftige Forschungsrichtungen, wie z.B. die Einführung eines Vorhersagemoduls zur Abschätzung des Fahrzeugbetriebsprofils im Vorhersagehorizont und die Erweiterung der entwickelten Algorithmen auf elektrifizierte Diesel-Antriebe.

Identifikationsnummern