Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren

Aufgrund des wachsenden weltweiten Energiebedarfs werden flüssige Brennstoffe auf absehbare Zeit eine wichtige Ressource darstellen. Dies betrifft unter anderem den Verkehrssektor, für den eine flächendeckende Verfügbarkeit und eine hohe Energiedichte der verwendeten Energieträger wichtig sind. Vor dem Hintergrund der hohen Energiedichte und der guten Speichermöglichkeit erscheint die Verwendung von flüssigen Kraftstoffen für mobile Antriebe noch auf lange Zeit eine wesentliche Rolle zu spielen, auch wenn durch zunehmende Elektrifizierung, zum Beispiel durch Hybridfahrzeuge, deren Verwendung reduziert werden kann. Dabei rücken im Zusammenhang mit einer zunehmenden Ressourcenverknappung und steigenden Umweltbelastungen verstärkt ökonomische und ökologische Aspekte bei der Energiebereitstellung in den Vordergrund. Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehen, entstehen Schadstoffemissionen wie zum Beispiel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (uHC) und Ruß, die erheblich zur städtischen und regionalen Luftverschmutzung beitragen. Darüber hinaus entsteht das Treibhausgas CO2, das zur Veränderung des globalen Klimas führt. Die Verringerung ausgestoßener Schadstoffemissionen und Treibhausgase stellt ein wichtiges gesellschaftliches Ziel dar. Auf dem Gebiet der motorischen Verbrennung werden zur Erreichung dieses Ziels aktuell innovative Brennverfahren erforscht, die zum einen die bestehenden Anforderungen an Leistung und Komfort erfüllen und zum anderen die Entstehung von Schadstoffemissionen bei möglichst hohem Wirkungsgrad bereits innermotorisch vermeiden. Dabei haben sich insbesondere Brennverfahren mit Niedertemperaturverbrennung (NTV) als vielversprechend erwiesen. Dies betrifft sowohl die Anwendung auf Ottomotoren (Gasoline Controlled Auto Ignition, GCAI), als auch auf Dieselmotoren (Premixed Charge Compression Ignition, PCCI). Beide Brennverfahren sind durch einen hohen Homogenisierungsgrad des Kraftstoff-Luft-Gemisches und die durch Selbstzündung initiierte Verbrennung charakterisiert, welche ohne ausgeprägte Flammenfront abläuft. Die Homogenisierung mit gleichzeitig niedrigeren Spitzentemperaturen führt zu den gewünschten deutlich verminderten Emissionen bei einem sehr hohen Wirkungsgrad. Während das Konzept der NTV signifikante Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen bietet, sind die auftretenden anspruchsvollen Probleme für eine technische Realisierung noch nicht ausreichend gelöst. Die thematische und methodische Verknüpfung der Teilprojekte und die damit verbundene interdisziplinäre Zusammenarbeit ist für die Realisierung der hochkomplexen Problemstellung ausschlaggebend. Beispielsweise lassen sich die geplanten optimierungsbasierten Regelungen, die den harten Anforderungen an die Echtzeit Genüge tragen, nur entwickeln, wenn die Expertise aus den Bereichen numerische Verfahren, Reglerentwicklung, Verbrennungstechnik und Verbrennungschemie zusammengeführt werden. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Forschungsinstitutionen wird durch die umfangreiche Vernetzung der Teilprojekte gefördert.