Modellbasierte Diagnose am Beispiel der Zylinderdrucksensorik von Ottomotoren

Die Diagnose von Fehlern des Zylinderdrucksensors wird anhand eines Ottomotors mit Saugrohreinspritzung (MPI) vorgestellt. Die physikalischen Zusammenhänge und die Einflussgrößen auf das Drehmoment des Motors werden erläutert. Hierzu werden verschiedene Modellansätze vorgestellt sowie eine Variation der Modelleingangsgrößen durchgeführt. Anhand des Verfahrens der analytischen Redundanz werden Residuen abgeleitet und die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Fehlertypen aufgezeigt. Dadurch ist eine Trennung von Fehlern des Zylinderdrucksensors gegenüber motorischen Toleranzen oder nicht zylinderdrucksensorbasierten Fehlern möglich. Handelt es sich bei dem verwendeten Motorkonzept um einen Ottomotor mit quantitätsbasierter Laststeuerung, d.h. mit gleichbleibender Gemischzusammensetzung (i.d.R. Luft-/Kraftstoffverhältnis =1), so kann bei erkanntem Fehler des Zylinderdrucksensors eine weitere Aufteilung nach verschiedenen Fehlertypen erfolgen (z.B. Hysterese, Verstärkungsfehler). Auf diese Weise können Sensortoleranzen wie der Verstärkungsfehler des Zylinderdrucksensors durch eine Adaption korrigiert werden. Die Diagnosefunktion und die Verstärkungsadaption wurde erfolgreich an einem 2,0l-Ottomotor (MPI) ohne externe Abgasrückführung (AGR) und ohne kontinuierliche Nockenwellenverstellung (KNWE) durchgeführt, wobei die erwähnten Einschränkungen in Bezug auf die Betriebsbereiche zu berücksichtigen sind. Anhand der Modellstreuungen und Modellungenauigkeiten sind die Grenzen der Diagnose und der Adaption aufgezeigt worden. Die auf einem Prototypensteuergerät implementierten Algorithmen sind echtzeitfähig, wenngleich für die Zylinderdruck- und Drehzahlauswertung eine hohe Rechenleistung erforderlich ist.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.