Norman Liberda

Nonlinear MPC for a two-stage turbocharged gasoline engine airpath

Innovative charging concepts such as two-stage turbocharging for gasoline engines, cause high demands on the process control due to the complex, nonlinear system behavior. For complex, nonlinear systems Nonlinear Model-based Predictive Controllers (NMPC) offer a high potential. They are capable of handling coupled multiple-input systems while achieving high control quality and respecting constraints of the system. In the case of turbocharging, considerations to protect components can introduce the necessity to constrain certain system values. This paper presents a two-stage turbocharged gasoline airpath modeling approach which is suited to be used in a NMPC implementation. The control implementation is based on direct optimal control using an online Sequential Quadratic Programming (SQP) type algorithm. For validating the control performance, simulations are conducted. The computation time of the algorithm is determined by implementation on a control prototyping platform for validation of the real-time capability.

In-Vehicle Realization of Nonlinear MPC for Gasoline Two-Stage Turbocharging Airpath Control

Innovative charging concepts, such as two-stage turbocharging for gasoline engines, cause high demands on the process control. The open-loop process is characterized by a complex, nonlinear system behavior. In addition, the requirements on the closed-loop system are challenging: fast reference tracking has to be achieved without overshoots while respecting constraints on the turbocharger speeds in order to prevent damaging of the components. Nonlinear model predictive control (NMPC) offers a high potential for this purpose. It is capable of handling coupled multiple-input systems while achieving high control quality and respecting constraints on system states. This paper presents an NMPC scheme for a two-stage turbocharged gasoline airpath, which is based on a physically driven reduced-order model formulated as a set of differential-algebraic equations. The online optimal control algorithm uses the real-time iteration scheme and is implemented on a control prototyping platform. For validation of the algorithm, it is tested based on simulations and vehicle experiments. These experiments have been conducted on a vehicle dynamometer as well as on an automotive testing track. For this purpose, a modified production vehicle is used in which the airpath concept is implemented.

Effiziente Modellierung des Ladungswechsels in Motorsteuergeräten für turboaufgeladene Ottomotoren

Neben einer steigenden Zahl an Variabilitaten ist bei Ottomotoren die Aufladung ein aktuelles Forschungsthema fur innovative Motorenkonzepte. Die Aufladung von Motoren kann dabei prinzipiell unter dem Gesichtspunkt der Leistungssteigerung unter Beibehaltung des Hubvolumens und der Zylinderzahl angewandt werden oder fur die zuletzt vermehrt zu findende Reduzierung des Hubvolumens bzw. der Zylinderzahl unter Beibehaltung der Leistung - „Downsizing“. [4]

Modellbasierte Regelung einer zweistufigen Abgasturboaufladung für einen Ottomotor

Zusammenfassung Zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungsmotoren spielen verbesserte Luftpfadkonzepte eine Schlüsselrolle. Insbesondere für Ottomotoren stellt das Konzept der zweistufigen Abgasturboaufladung eine vielversprechende Technologie dar. In diesem Beitrag wird die Regelung eines solchen Luftpfadkonzeptes untersucht. Dabei handelt es sich um einen Modellbasierten Prädiktiven Regelungsansatz, der in der Lage ist, den Mehrgrößencharakter des Regelungsproblems zu handhaben, die inhärente Totzeit des Systems zu kompensieren und Limitierungen für die Drehzahlen der beiden Turboladerstufen zu berücksichtigen. Desweiteren wird der Applikationsaufwand zur Parametrierung der Regelung verringert. Das untersuchte Regelungskonzept wurde für ein Versuchsfahrzeug mit dem beschriebenen Aufladekonzept auf einem Prototypen-Steuergerät implementiert und auf einem Abgasrollenprüfstand validiert.