Optimalsteuerung von Gasinjektoren zur Reduktion des Verschleißes

Abstract

Gas engines make use of the Otto-engine principle. They often use natural gas as fuel. For injecting the correct amount of gas into the combustion chamber, electromagnetic switching valves, so called gas injectors, are used. Due to the frequent opening and closing cycles, gas injectors are exposed to a lot of mechanical wear when the valve plunger hits the end stops at high velocities. Therefore, a control strategy for the given gas injector should be developed, so that the valve plunger hits the end stops at minimal velocity. Theopening and the closing still should be done in minimal time. To do so, the electromagnetic and mechanical part of the gas injector were modelled and validated by measurements. The inclusion of eddy currents was of special interest at the electromagnetic part of the model. In the mechanical part of the model, the inclusion of forces caused by the flow of gas was of special interest. Based on this model an optimization problem was formulated to reduce the impact velocity and, therefore, the mechanical wear. This optimization problem was solved by using full discretization. This discrete time optimized input was tested by simulation studies with the continuous time model. The simulation has shown that the developed feedforward control is sensible to certain parameter variations, so no reliable opening or closing can be guaranteed. Therefore, the optimal feedforward control was adapted to have a non-zero impact velocity, so that the control is robust to small parameter variations. Despite the occurring small impact velocity the impact energy is significantly reduced. Therefore, compared to the state of the art, a higher durability of the gas injector is expected.

Gasmotoren basieren auf dem Otto-Motor Prinzip und verwenden als Kraftstoff zumeist Erdgas. Zum Einbringen der korrekten Gasmenge werden elektromagnetische Schaltventile, sogenannte Gasinjektoren, eingesetzt. Durch das häufige Öffnen und Schließen erfahren diese beim Aufschlagen des Ventilstößels mit hoher Geschwindigkeit auf die Endanschläge hohen mechanischen Verschleiß. In dieser Arbeit soll deshalb eine Strategie für einen vorliegenden Gasinjektor entwickelt werden, sodass der Ventilstößel mit minimaler Geschwindigkeit an die Endanschläge fährt, und dennoch in minimaler Zeit öffnet und schließt. Hierfür wurde der elektromagnetische und mechanische Teil des Gasinjektors modelliert und das Modell anhand von Messungen validiert. Beim elektromagnetischen Teilmodell wurde besonderes Augenmerk auf die auftretenden Wirbelströme gelegt. Beim mechanischen Teilmodell sind vor allem die Strömungskräfte von besonderer Bedeutung. Auf Basis dieses Modells wurde ein Optimalsteuerungsproblem formuliert, sodass die Aufprallgeschwindigkeit geringer wird und dadurch der Verschleiß reduziert werden kann. Diese Optimierungsaufgabe wurde mithilfe der Volldiskretisierung gelöst. Diese zeitdiskrete optimale Ansteuerung wurde anschließend im Zuge von Simulationsstudien anhand des kontinuierlichen Modells geprüft. Dabei stellte sich heraus, dass die Steuerung sensibel auf gewisse Parameterschwankungen reagiert und deshalb kein sicheres Öffnen oder Schließen gewährleistet werden kann. Darum wurde die optimale Steuerung so angepasst, dass die Aufprallgeschwindigkeit ungleich null ist, und die Steuerung somit robust auf kleine Parameterschwankungen wird. Trotz der dadurch auftretenden Aufprallgeschwindigkeit kann dadurch die Aufprallenergie drastisch verringert werden, wodurch eine höhere Standzeit der Injektoren im Vergleich zum aktuellen Stand erwartet werden kann.