Die vorliegende Arbeit steht im Kontext der Verbesserung von Funktion und Betriebssicherheit von Kraftstoffsystemen erdgasbetriebener Ottomotoren. Sie beschäftigt sich im Besonderen mit der Bereitstellung eines variablen Gasdruckes für die Einblasung und den hierzu verwendeten Reglern. Ziel war die Erfassung des Standes der Technik und der Leistungsfähigkeit marktgängiger Systeme und daraus folgend die Konzeption und Entwicklung eines neuen mechatronischen Druckreglers und dessen Einbindung in wirksame Regelstrategien. Dazu wurden zunächst Kraftstoffanlagen erdgasbetriebener Ottomotoren, deren Einblassysteme und eines der Hauptelemente dieser Systeme – der Druckregler – umfassend analysiert. Durch die Modellierung, die anschließende Programmierung, die Parametrisierung und die Modellverifikation sowohl der Teilsysteme als auch des Gesamtsystems konnte ein Werkzeug zur rechnergestützten Systemoptimierung geschaffen werden. Darüber hinaus liefert das Modell Erkenntnisse über den Einfluss der einzelnen Parameter der Teilsysteme auf das Gesamtsystem. Dabei werden die physikalisch/technischen Zusammenhänge und Abhängigkeiten veranschaulicht und es wird ein umfassender Einblick in die Interaktion der Teilsysteme möglich. Das hier erstellte Modell des Druckreglers stellt die wesentlich systembeeinflussenden Parameter heraus und gibt ganz allgemein Anhalte zur Konstruktion von mechanischen und mechatronischen Druckreglern – insbesondere für den Anwendungsfall Erdgas-Kraftstoffsystem. Im weiteren Verlauf wurden konstruktive Ausführung und Leistungsdaten marktgängiger Druckregler untersucht. Hierzu wurden aktuell im Einsatz befindliche Geräte herangezogen und die erforderliche Prüfstandstechnik entwickelt. Der realisierte Prüfstand ermöglicht die Untersuchung einer Vielzahl von Komponenten aus dem Bereich der Hochdruck-Gastechnik bis hin zum Aufbau von Gesamtsystemen mit Hardware-in-the-Loop Technik. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Marktuntersuchung wird der aktuelle Stand der Technik in aller Klarheit deutlich.

Aus den bisherigen Arbeitsschritten ließ sich aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit sowie der Unflexibilität der bekannten Systeme erheblicher Entwicklungsbedarf für die Druckregelkomponente in Erdgas-Kraftstoffsystemen ableiten. Forderungen nach Variabilität und Flexibilität bedingten die Konzeption eines mechatronischen Systems. Die aus der Analyse der gängigen Regler gewonnenen Erkenntnisse sowie die unerlässliche Betriebssicherheit führten zur Realisierung desselben in Form eines mechatronischen Dom-Druckreglers.

Der simulationsgestützt optimierte Entwurf des Integrierten Mechatronischen Dom-Druckreglers (IMD) zeigte bereits bei Implementierung in das verifizierte Rechenmodell des Gesamtsystems der Erdgas-Kraftstoffanlage das Verbesserungspotential bzgl. der Regelung des Gasdruckes im Sammelrohr auf. Die simulationsbasierte Untersuchung diverser Ansteuer- und Regelstrategien bei Einbindung des IMD in das Modell des Erdgas-Kraftstoffsystems vermittelt Eindrücke der Parametervielfalt, die sich durch den Einsatz einer mechatronischen Druckregelkomponente im realen Betrieb ergeben. Die Simulationsergebnisse zeigen hervorragende Regeleigenschaften bei gleichzeitiger Variabilität des Sollwertes. Der Vergleich simulierter Regelgrößenverläufe von mechanischem und mechatronischem Druckregler – unter Einbindung einer realitätsnahen Störgrößenaufschaltung – stellt die Vorteile des IMD im Vergleich zu rein mechanischen Druckregelkomponenten nochmals heraus.

Aufbauend auf dem optimierten Entwurf wurde ein Prototyp des IMD hergestellt und dessen Funktion überprüft. Aufgrund der vorangegangenen simulationsgestützten Optimierung zeigt dieser Prototyp bereits sehr gute Regelergebnisse und erweist sich als überaus zuverlässig. Er zeigt bei sprungförmiger Änderung der Soll- sowie der Führungsgröße adäquates Regelverhalten und eine vollständig eliminierte bleibende Regelabweichung. Der Prototyp des Integrierten Mechatronischen Dom-Druckreglers stellt somit einen hervorragenden Ansatz zur Realisierung einer vollständig die Störgröße kompensierenden Druckregeleinheit in Kraftstoffsystemen erdgasbetriebener Ottomotoren bei gleichzeitiger Implementierung der Absperrfunktion dar. Der Sollwert ist in einem breiten Bereich frei wählbar und erfüllt damit die Forderung nach Freiheitsgraden in der Gestaltung von Einblassystemen für erdgasbetriebene Ottomotoren. Bei der weiteren Betrachtung des hier behandelten Themenkreises scheinen die folgenden Aspekte von zentraler Bedeutung:

• Bei der weiteren Untersuchung des Systemverhaltens und Überprüfung der Funktionssicherheit müssen über den bisherigen Prüfstandsbetrieb hinaus realer fahrzeug-spezifische Versuchsanordnungen bis hin zum Fahrbetrieb Berücksichtigung finden.
• Ein weites Betätigungsfeld erschließt sich durch die Möglichkeit, die Reglercharakteristik in die Motorsteuerung einzubetten und durch diese vorgeben zu lassen. Hier sind bislang nur sehr exemplarische Untersuchungen erfolgt.
• Insbesondere besteht durch den neu entwickelten Regler die Möglichkeit, die Gasmengendosierung in speziellen Betriebszuständen des Motors in größerem Umfang als bisher variabel zu gestalten.
• Die konstruktive Gestaltung des Prototypen könnte hinsichtlich Regeleigenschaften, Funktionssicherheit, Energiebedarf, Bauraum und Gewicht sowie Wirtschaftlichkeit u. U. bis zur Serienreife optimiert werden.

Schlagwörter: Erdgasfahrzeug; Kraftstoffsystem; Modellbildung; Simulation; Mechatronischer Druckregler; IMD

Trierer Systemtechnik