Körperschall-basierte Motorregelung für Mini-BHKW
Auftraggeber
Forschungsprojekt der DBU unter dem Aktenzeichen 30120 mit den Kooperationspartnern idisiv, Forschungsbereich Motorentechnik des Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der Hochschule Karlsruhe und SenerTec Kraft-Wärmesysteme GmbH
Zielsetzung
- Diagnose der Verbrennung am Mini-BHKW "Dachs" (Produkt der Firma Senertec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH) mit Hilfe von Körperschallsignalen parallel zur Forschungsarbeit an neuen Zünd-/Brennverfahren um deren Überführung in Produkte zu unterstützen.
- Aufbau und Test von idisiv-eigener Mess- und Regelungstechnik
Aufgaben / Lösungsschritte
- Voruntersuchung
- Beschaffung und Test von serientauglichen, piezoelektrischen Körperschallsensoren und Montage am Mini-BHKW in Abstimmung mit Partner an der Hochschule Karlsruhe.
- Abstimmung der (analogen) Schnittstellen zur weiteren im Prüfstand vorhandenen Sensorik (Kurbelwinkelerfassung, piezoelektrischer Zylinderdrucksensor).
- Prototyp-Entwicklung eines speziellen Ladungsverstärkers zur elektrischen Vorverarbeitung der piezoelektrischen Körperschall- und Zylinderdrucksensoren.
- Konzeption des idisiv-eigenen Systems zur schnellen Signalerfassung mit Potential zum Schließen von Regelungsschleifen am Prüfstandsmotor. Beschaffung der benötigten Hardware-Komponenten und Implementierung der Software (C/C++ sowie Matlab®).
- Inbetriebnahme am Motor mit Signalaufzeichnung bei Motor-Start/Stop, Stationärbetrieb sowie dynamischen Verhalten bei Gemischveränderungen
- Analyse der aufgezeichneten Kurbelwinkel-, Zylinderdruck- und Körperschallsignale. Aufzeigen der Detektierbarkeit von Ventilgeräuschen, sowie von Korrelationen zwischen Zylinderdruckkenngrößen und entsprechenden Größen aus dem Körperschallsignal.
- Beantragung eines durch die DBU geförderten Forschungsprojekts zur Ausarbeitung der erkannten Potentiale.
- Hauptprojekt
- Abstimmung und Verwendung einer speziell angepassten Körperschall-Sensorposition.
- Verbesserung und Ausbau der Kurbelwinkelerfassung am Prüfstand an der Hochschule Karlsruhe.
- Durchführung von systematischen Messreihen.
- Ausarbeitung von Algorithmen zur Schätzung vom Zylinderdruck aus dem gemessenen Körperschall sowie der Endauswertung von charakteristischen Kenngrößen der Verbrennung (insbesondere Lage vom Verbrennungsschwerpunkt).
- Umsetzung der erarbeiteten Algorithmen in einem idisiv-eigenem Prototypsystem und Inbetriebnahme am Motor zur Verifikation der Algorithmen und der Prototyp-Implementierung.
- Verfassen von internen Untersuchungsberichten und Veröffentlichung der wesentlichen Projektergebnisse auf der 9. Dessauer Gasmotoren-Konferenz.
Ergebnisse
- Veröffentlichung auf der 9. Dessauer Gasmotoren-Konferenz 2015.
- Gute Rekonstruktion vom Zylinderdruck aus dem Körperschallsignal der neu geschaffenen Körperschallsensorposition. Dieses wurde für größere Variationen vom Luftverhältnis sowie für Schwerpunktlagen von 5° n.OT bis 20° n.OT gezeigt. Darauf aufbauend insbesondere sehr gute Schätzung der Lage vom Verbrennungsschwerpunkt. Letzeres wird auch in der folgenden Abbildung mit den Ergebnissen von ca. 3h Motorbetrieb gezeigt:
