In modernen Verbrennungsmotoren steckt eine ganze Menge Elektronik: Die Umwelt profitiert davon, dass moderne elektronische Motorsteuergeräte einerseits die Leistung optimieren und andererseits Verbrauch und Abgasausstoß möglichst gering halten. Solche Steuerungsgeräte müssen allerdings genau kalibriert werden, bevor sie im Motor eingesetzt werden können. Professor Stefan Jakubek vom Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien entwickelt mit seinem Team mathematische Modelle für die Optimierung der Motorsteuerung, die das Autofahren umweltfreundlicher macht. Mit dieser Forschungsarbeit errang das Team von Stefan Jakubek heuer einen der begehrten Plätze auf der Shortlist des Houska-Preises.

Auf die Einstellungen kommt es an
„Die gesetzlichen Normen für Abgasemission werden immer strenger“, findet Stefan Jakubek. „Einhalten kann man diese Vorschriften allerdings nur, wenn im Motor die passenden Regelkonzepte eingebaut sind.“ Vor zwei Jahren (im Jänner 2010) wurde an der TU Wien das von Jakubek geleitete „Christian-Doppler-Labor für modellbasierte Kalibriermethoden“ eröffnet – in Zusammenarbeit mit der AVL List GmbH, dem weltweit größten privaten und unabhängigen Unternehmen für die Entwicklung von Antriebssystemen mit Verbrennungsmotoren. Ohne Grundlagenforschung kann die Industrie die Motorsteuerung nicht weiter verbessern. Schließlich spielen im Motor viele einzelne Komponenten auf komplexe Weise zusammen: „Ein elektronisches Steuerungsgerät für einen Motor kann zehntausende Parameter enthalten – sie alle manuell einzustellen wäre völlig unmöglich“, erklärt Jakubek.

Der virtuelle Motor – Computermodelle helfen Emissionen zu senken
Die genaue Kalibrierung der elektronischen Steuerung wird direkt beim Hersteller am Prüfstand vorgenommen. Die Software des Prüfstandes muss dabei möglichst gut „verstehen“, wie sich der Motor verhält. „Entscheidend ist ein gutes mathematisches Modell, in dem die einzelnen Komponenten des Motors möglichst realitätsnah nachgebildet werden“, sagt Stefan Jakubek. Je mehr die Software bereits über die Zusammenhänge der Motor-Komponenten weiß, umso sinnvoller lassen sich am Prüfstand gemessene Daten in das Gesamtbild einfügen. Das System erkennt automatisch, in welchen Messbereichen noch zusätzliche Daten benötigt werden, und in welchen Bereichen das bestehende Modell bereits ausreicht. Solche dynamisch angepassten Versuchspläne sparen wertvolle Prüfstandzeit. Wichtige Daten, etwa der NOx-Ausstoß des Motors in verschiedenen Fahrsituationen, können mit Hilfe der mathematischen Modelle mit großer Zuverlässigkeit vorausberechnet werden. „Gerade bei ungleichmäßigen Fahrsituationen wie im Stop-and-Go-Verkehr können die Emissionen deutlich reduziert werden, wenn man kluge, vorausschauende Steuerungsmechanismen einsetzt“, sagt Stefan Jakubek.

Batterien und Hybridautos
Ein weiterer wichtiger Fokus der Arbeit im Forschungslabor von Prof. Stefan Jakubek ist die Modellierung von Hybridbatterien. Schon vom eigenen Mobiltelefon weiß man, wie wichtig es ist, über den Ladezustand des Akkus zuverlässig informiert zu sein. Technisch ist das aber nicht einfach: Auch um Batterien beschreiben zu können und aus der entnommenen Leistung auf den verbleibenden Ladezustand zu schließen braucht man komplexe Modelle. „Für Hybrid-Fahrzeuge ist das besonders wichtig“, betont Stefan Jakubek. „Das Ziel ist, die Batterie möglichst effizient einzusetzen um ihre Lebensdauer zu verlängern.“

Mit seiner Forschungsarbeit errang das Team der TU Wien einen Platz im Finale des Houska-Preises. Der Houska-Preis ist Österreichs größter privater Forschungsförderungspreis, vergeben von der B&C Privatstiftung. Er soll die enge Zusammenarbeit von universitärer Forschung und industrieller Anwendung fördern.

Nähere Informationen:
Univ. Prof. Stefan Jakubek
Institut für Mechanik und Mechatronik
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
T: +43-1-58801-325510
<link>stefan.jakubek@tuwien.ac.at