Modellbasierte Regelung eines Abgaswärmenutzungssystems für schwere Nutzfahrzeuge

Eine aussichtsreiche Möglichkeit zur Steigerung der Kraftstoff-Effizienz in schweren Nutzfahrzeugen stellt die Nutzung eines Organic Rankine Cycles (ORC) dar, welcher Abgaswärme in mechanische Leistung umwandelt. Für einen effizienten und sicheren Betrieb ist die Regelung der Dampfqualität des Arbeitsmediums wichtig. Dies wird jedoch deutlich erschwert, da die Wärme aus Verbrennungsabgasen gewonnen wird und sie entsprechend der momentanen Motorlast sehr variabel sein kann. Diese Arbeit widmet sich der modellbasierten Lösung dieser Regelungsaufgabe. Zunächst wird mithilfe der Finite-Volumen-Diskretisierung ein parametrisches Simulationsmodell des ORC basierend auf physikalischen Grundgleichungen erstellt. Eine Parameter-Identifikation und die Validierung mithilfe von Messdaten sichern die Gültigkeit des Modells. Die entwickelte Regelung stellt die Verdampferaustrittstemperatur des Arbeitsfluids mithilfe des Pumpenmassenstroms ein und beinhaltet eine Zwei-Freiheitsgrade-Struktur. Die Rückführung basiert auf Regelungsentwürfen an verschiedenen Arbeitspunkten und der Vereinigung mittels Gain-Scheduling. Die nichtlineare, inversionsbasierte Vorsteuerung leitet sich aus einer Diskretisierung mit der Moving-Boundary-Methode her. Die Integration einer Online-Schätzung sensitiver Parameter erzielt eine erhöhte Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten und alters- sowie umweltbedingter Einflüsse. Die Randbedingung für den Regelungsentwurf ist stets die Implementierbarkeit auf dem seriennahen Prototypen-Steuergerät der ORC-Ansteuerung. Die Regelgüte wird sowohl in der Simulation als auch am realen System im Versuchsfahrzeug auf der Straße demonstriert. Dabei legt ein Vergleich mit alternativen Regelungsansätzen die Stärken und Schwächen dar.