Fakultät Maschinenbau
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Wind turbines play a crucial role in the revolution towards renewable resources. They need to be economically competitive to be sustainable. This still requires to lower the cost of energy (COE). To this end, nonlinear model predictive control (NMPC) is used within this paper. As known from literature, NMPC significantly improves the energy extracting performance as well as the mitigation of tower loads of wind turbines. As it is shown in this paper, the drivetrain fatigue strength drops disproportionally in parallel, which either increases the demands on the turbine design or decreases the lifetime of drivetrain components. Without additional boundary conditions to the underlying optimal control problems (OCPs), the application of energy-maximizing NMPC might so even raise the COE. Only penalizing axial torque oscillations by quadratic terms decreases energy-extracting performance below the level of classical wind turbine controllers. This makes more sophisticated conditions necessary. In this paper, the increase of the drivetrain damage by NMPC is analyzed, and appropriate boundary conditions are derived, to balance the two contradicting objectives of energy maximization and drivetrain load mitigation. An NMPC approach based on indirect methods is used, to obtain a solution of the OCPs very efficiently. It applies the Hamilton equations and Pontryagin's maximum principle. Its accuracy and efficiency to solve OCPs was presented over the last decades.
Zünd- und Brennverhalten von Pflanzenölkraftstoff und Übertragung auf einen Motor der Abgasstufe V
(2020)
Durch den Ersatz von Dieselkraftstoff durch Rapsölkraftstoff (R100) können Treibhausgasemissionen reduziert werden. Für einen störungsfreien Betrieb eines Motors mit Rapsölkraftstoff sind jedoch Modifikationen an Motorkomponenten und Motorsteuergerät notwendig, um eine effiziente Verbrennung im Motor zu erreichen.
Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Grundlagen zur Auslegung der Motorsteuerung pflanzenöltauglicher Offroad-Motoren mit moderner Abgasnachbehandlung mit anschließender entsprechender Abstimmung der Motorapplikation am Prüfstand. Grundlegende Untersuchungen der physikalischen Prozessabläufe von R100 bei der Einspritzung werden an einem hydraulischen Druckanstiegsanalysator (HDA) und einer Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer (HDHT-Kammer) durchgeführt. Unterschiede im Zünd- und Brennverhalten werden in einer Konstantvolumenbrennkammer untersucht. Abschließend werden die Erkenntnisse am Motorenprüfstand auf einen DEUTZ-Motor übertragen, dessen Einspritzsystem auch bei den grundlegenden Untersuchungen verwendet wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Einspritzverhalten von R100 eine höhere Sensitivität gegenüber Kraftstofftemperaturvariationen aufweist als Dieselkraftstoff. Bei niedrigen raftstofftemperaturen sind mit R100 ein längerer Öffnungsverzug und eine geringere Einspritzmenge festzustellen. Um diesen Einfluss bei der Einspritzstrategie zu kompensieren, ist die Kenntnis der Kraftstofftemperatur im Injektor notwendig. Eine weitere Herausforderung stellt die Gemischaufbereitung dar, hier führen unter anderem die höhere Viskosität und höhere Siedetemperaturen von R100 zu einem schmäleren Spritzwinkel und verzögerter Verdampfung im Vergleich zum Dieselkraftstoff. Eine Erhöhung des Einspritzdrucks und höhere Temperaturen und Drücke in der Brennkammer verbessern die Gemischaufbereitung.
Bei Bedingungen von mittlerer und hoher Last ist der Zündverzug von R100 kürzer und das Verbrennungsverhalten ähnlich zum Dieselkraftstoff. Eine geringere Wärmefreisetzung von R100 wird durch den geringeren Heizwert verursacht. Unter Bedingungen von niedriger Last und Motorstart ist ein längerer Zündverzug von R100 im Vergleich zum Dieselkraftstoff festzustellen. Eine Steigerung des Einspritzdrucks und höhere Brennkammerdrücke und -temperaturen führen bei beiden Kraftstoffen zu kürzeren Zündverzügen, der Einfluss dieser Parameter ist jedoch für R100 stärker als für Dieselkraftstoff. Voreinspritzungen führen bei beiden Kraftstoffen zu einer Verkürzung des Zündverzugs der Haupteinspritzung und zu einer geringeren Wärmefreisetzungsrate.
Am Motorprüfstand ist bei gleicher Motorapplikation mit R100 eine geringere Leistung als mit Dieselkraftstoff festzustellen. Nach Angleichung der Motorleistung durch Anhebung der Einspritzmenge von R100 sind im Rohabgas Stickstoffoxid (NOX)- und Kohlenstoffmonoxidemissionen auf gleichem Niveau zu Dieselkraftstoff zu beobachten sowie geringere Partikelemissionen. Unter Verwendung eines DoE Vorgehens kann der Partikel-NOX - trade-off von R100 optimiert und Einstellparameter gefunden werden, in denen sowohl niedrigere NOX als auch niedrigere Partikelemissionen im Vergleich zum Dieselkraftstoff resultieren.
Das installierte Abgasnachbehandlungssystem, bestehend aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), Dieselpartikelfilter (DPF) und selektivem katalytischem Reduktionssystem (SCR), arbeitet für beide Kraftstoffe ähnlich und es scheint keine Anpassung der Dosierungsstrategie der wässrigen Harnstofflösung notwendig zu sein. Eine Regeneration des Partikelfilters mit R100 war nach Optimierung der Einstellparameter der Drosselklappe möglich.
Motorkaltstart und Leerlauf sind herausfordernde Betriebsphasen, die für R100 einer weiteren Optimierung bedürfen. Eine Temperierung von R100 im Injektor auf 50–60 °C sowie eine Kompensation der Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur sind mögliche Verbesserungsmaßnahmen. Zudem kann durch einen früheren Einspritzbeginn von R100 das Verbrennungsverhalten angepasst werden. Die Motorprüfstandsuntersuchungen bestätigen qualitativ die Erkenntnisse die mit dem hydraulischen Druckanstiegsanalysator (HDA), der Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer (HDHT-Kammer) und der Konstantvolumenbrennkammer gewonnen wurden.
Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Ergebnisse auf einen baugleichen, in einer mobilen Arbeitsmaschine eingebauten Motor zu transferieren, damit Informationen zur Dauerhaltbarkeit unter realen Bedingungen erhalten werden können. Weiterführende Forschungsarbeiten sind im Bereich der Betriebsphasen des Motorkaltstarts und Leerlaufs mit Rapsölkraftstoff nötig, um einen dauerhaft störungsfreien Betrieb in diesen Betriebsphasen zu erreichen. Die erzielten Erkenntnisse deuten darauf hin, dass hier noch viel Verbesserungspotenzial vorhanden ist.