Modellierung und Regelung eines Großgasmotors basierend auf einer Brennraumdruckerfassung

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem aufgeladenen Großgasmotor für die Verbrennung von Synthesegas in Biomassekraftwerken.<br />Die Ziele der Arbeit sind die Entwicklung eines Simulationsmodells zur detaillierten Analyse des Motors und die Optimierung des Wirkungsgrads durch die gezielte Regelung der Bypassklappe des Abgasturboladers. Auf Basis thermodynamischer Grundlagen, Bilanzgleichungen und unter Berücksichtigung der globalen chemischen Reaktionen der Verbrennung wurde dazu ein mathematisches Modell eines Verbrennungsmotors bestehend aus einem Zylinder, einem Gasmischer, diversen Behältern und einem Abgasturbolader aufgebaut. Zudem wurde das gesamte Modell mit Messdaten von einem Prüfstand der Fa. Highterm Research GmbH validiert, wobei eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung erzielt werden konnte. Dabei spielt das Drucksignal im Zylinder des Verbrennungsmotors eine besondere Rolle, da es bei dem untersuchten Motoraufbau messtechnisch erfasst werden kann. Auf Basis des Drucksignals wurde auch die Regelung zur Maximierung des so genannten inneren Wirkungsgrads entwickelt. Dieser Optimierungsaufgabe liegt der Extremum Seeking Ansatz zugrunde. Da es sich hier um ein rein datenbasiertes Verfahren handelt, muss der funktionale Zusammenhang zwischen der Stellgröße und der zu optimierenden Größe zwangsläufig nicht bekannt sein. Aufgrund der hohen Rechenzeit des detaillierten Modells wurde das Ein-Ausgangsverhalten zwischen der Winkelstellung der Bypassklappe und dem inneren Wirkungsgrad in Form eines Kennfeldes auf Basis detaillierter Simulationsstudien extrahiert. Dies ermöglichte einerseits die effiziente Implementierung und den Test des Extremum Seeking Ansatzes und andererseits die Anpassung der vorhandenen Reglerfreiheitsgrade. Die damit erzielten Simulationsergebnisse für den geschlossenen Regelkreis zeigen, dass es mit dem Extremum Seeking Ansatz möglich ist, das a priori nicht bekannte Wirkungsgradoptimum rein auf Basis des vorhandenen Drucksignals einzustellen.<br />

This diploma thesis deals with a turbocharged internal combustion gas engine used in combined heat and power stations based on biomass. The overall goal of the work is to set up a simulation model for the dynamical analysis of the engine and to optimise the efficiency by means of controlling the wastegate valve of the exhaust gas turbocharger. For this, a mathematical simulation model of a cylinder, a gas blending facility, various tanks, and a turbocharger is developed based on thermodynamical fundamentals and principles of mass and energy conservation as well as by introducing the global chemical reactions of the internal combustion. The entire model was validated by measurement data of a test rig provided by Highterm Research GmbH. Thereby, the pressure signal of each cylinder plays a crucial role since it is measureable in the considered engine construction. Additionally, the pressure signal was used to develop a controller to maximise the so-called inner efficiency. For this, an extremum seeking approach was investigated and adapted to the considered engine model. Since this concept is purely data-driven the functional relationship between the manipulated variable and the optimisation variable does not need to be known a priori. Due to the high computional burden and the CPU time of the detailed model, the input/output behaviour between the angle of the wastegate valve and the inner efficiency was extracted by means of a static map from extensive simulation data. This on the one hand enables the efficient implementation and testing of the extremum seeking controller and on the other hand the determination of the available degrees-of-freedom of the control-loop. The simulation results confirm the applicability of the proposed method to drive the engine to the a priori unknown inner efficiency maximum by only utilizing the cylinder pressure signal.