Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe : Elektronik, Modellbildung, Regelung und Diagnose für Verbrennungsmotoren, Getriebe und Elektroantriebe

Die stark gestiegenen Forderungen zur Erhöhung der Leistung und zur Senkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen führen zu einer Zunahme der Steuerungs-, Regelungs- und Diagnosefunktionen. Dieses Buch zeigt Entwurf, Erprobung und Implementierung dieser elektronischen Managementfunktionen. An verschiedenen Beispielen werden der modellgestützte Entwurf der Steuerung und Regelung von Otto- und Dieselmotoren und ihre Applikation im Detail beschrieben, von der Modellbildung bis zur Brennraumdruck-Regelung. Dabei werden das systematische Vorgehen, umfassende Modellbildungs- und Simulationstools und effiziente Applikationsmethoden gezeigt. Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe......Page 2 Vorwort......Page 4 Autorenverzeichnis......Page 6 Inhaltsverzeichnis......Page 8 1 Mechatronische Fahrzeugantriebe......Page 16 1.1 Aktuelle Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren......Page 17 a) Maßnahmen bei Benzinmotoren......Page 18 b) Maßnahmen bei Dieselmotoren......Page 19 1.2 Steuerung und Regelung von Verbrennungsmotoren......Page 22 1.3 Mechatronische Komponenten......Page 28 1.4 Modellbildung und Simulation......Page 34 1.5 Diagnose......Page 40 1.6 Hybridisierung......Page 42 1.7 Zusammenfassung......Page 47 Literatur......Page 48 A Elektronische Steuerung und ihre Realisierung......Page 51 2.1.1 Anforderungen an moderne Motoren......Page 52 2.1.2 Anforderungen an Motorsteuerungen......Page 53 2.2.1 Aufbau des Motorsteuerungs-Systems......Page 55 2.2.2 Aufbau des Motorsteuergerätes......Page 56 2.2.3 Signalfluss der Motorsteuerung......Page 58 2.3.1.1 Statische Sicht der Motorsteuerungs-Software......Page 60 2.3.1.2 Dynamische Sicht der Motorsteuerungs-Software......Page 61 2.3.1.3 Funktionale Sicht der Motorsteuerungs-Software......Page 62 2.3.2 Merkmale der Architektur......Page 63 2.4 Struktur der Motorsteuerungs-Software......Page 64 2.5.1 Ablauf der Parametrierung......Page 67 2.5.2 Klassifizierung der Parametrierungsaufgaben......Page 68 2.5.3 Herausforderungen bei der Parametrierung......Page 69 2.5.4 Modellbasierte Applikation......Page 70 2.6.1 Trends der Motorentwicklung......Page 73 2.6.2.1 Komplexitätsbeherrschung – Standardisierung......Page 74 2.6.2.4 Individuelle Lösungen......Page 77 2.7 Zusammenfassung......Page 78 Literatur......Page 80 3.1 Die Dieselmotor-Steuerung Gestern – Heute – Morgen......Page 81 3.2 Die Abgasgesetzgebung als Treiber für Innovation im Bereich der Dieselmotor-Steuerung......Page 83 3.3 Das vorhomogenisierte Brennverfahren als Alternative zur NOx-Abgasnachbehandlung......Page 85 3.4 Zukünftige Anforderungen an die Dieselregelung......Page 87 3.4.1 Brennraumdruckbasierte Dieselmotor-Steuerung; Sensoren und Funktionen......Page 88 3.4.2 Niederdruck-Abgasrückführung......Page 90 3.4.3 Direkt angetriebene Piezo-Einspritzdüsen......Page 93 3.5 Die GM „In-House-Controls“-Strategie......Page 94 3.6 Zukünftige Entwicklungstrends in der Motorsteuerung......Page 96 3.7 Zusammenfassung und Ausblick......Page 98 Literatur......Page 99 B Modellbildung und Simulation von Verbrennungsmotoren......Page 100 4 Modellansätze für die Simulation von Gemischbildung und Verbrennung......Page 101 4.1 Thermodynamische (nulldimensionale) Modelle......Page 102 4.2 Phänomenologische (quasi-dimensionale) Modelle......Page 103 4.3.1 Erhaltungsgleichungen......Page 105 4.3.2 Spray-Modellierung......Page 106 4.3.3 Dieselmotorische Diffusionsverbrennung......Page 109 4.3.4 Ottomotorische Vormischverbrennung......Page 111 4.4.1 Stickoxid-Bildung......Page 112 4.4.2 Rußbildung......Page 113 Literatur......Page 114 5 Mittelwertund Arbeitstaktsynchrone Simulation von Dieselmotoren......Page 116 5.1 Mittelwert-Motormodell......Page 117 a) Ersatzmodell Behälter......Page 118 b) Ersatzmodell Drossel......Page 120 5.1.2 Turbolader......Page 121 a) Verdichtermodell......Page 122 b) Turbinenmodell......Page 124 c) Wärmeübergangsmodell......Page 125 5.1.3 Zylindergruppe......Page 126 c) Abgasenthalpie......Page 127 5.2.1 Luftund Abgaspfad......Page 128 a) Grundgleichungen des Einzonenmodells......Page 129 c) Wandwärmeübergang......Page 131 d) Verbrennung......Page 132 5.3 Echtzeitsimulationssystem......Page 133 5.3.2 Echtund Ersatzlasten......Page 134 5.3.3 Motorsteuergerät......Page 135 5.4 Simulationsergebnisse......Page 136 5.5 Zusammenfassung......Page 138 Literatur......Page 139 C Modellbildung durch Motorvermessung auf Prüfständen......Page 141 6 Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen......Page 142 6.1 Versuchsplanung......Page 143 6.1.2 Klassische Versuchspläne......Page 144 6.1.3 Space-filling Designs......Page 145 6.1.4 D-optimale Versuchspläne......Page 146 6.2 Modellbildung......Page 149 6.2.1 Polynome......Page 150 6.2.2 Neuronale Netze für die stationäre Modellbildung......Page 153 6.3 Modellanalyse......Page 156 6.3.1 Der......Page 158 6.3.2 Gütemaße zur Beurteilung stationärer Modelle......Page 160 6.3.3 Resamplingverfahren......Page 161 6.3.4 Umgang mit Ausreißern......Page 163 6.3.5 Grafische Methoden zur Beurteilung stationärer Modelle......Page 164 6.4 Optimierung der Steuerung (ein Beispiel)......Page 167 6.4.1 Grundlagen evolutionärer Algorithmen......Page 169 6.4.2 Mutation......Page 170 6.4.3 Rekombination......Page 171 6.4.4 Selektion und Nebenbedingungen......Page 172 6.4.5 Optimierungsbeispiel mit evolutionären Algorithmen......Page 173 6.5 Zusammenfassung......Page 174 Literatur......Page 176 7 Dynamische Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen......Page 179 7.1 Struktur der modellbasierten dynamischen Motorvermessung......Page 180 7.2 Variationsraumvermessung......Page 182 7.3 Aufstellung des Kandidatensets (Rasterung des Variationsraums)......Page 183 7.4.1 D-optimale Versuchspläne......Page 184 7.4.2 Raumabdeckende Versuchspläne (Space-Filling Designs)......Page 185 7.5 Reihenfolge der Messpunkte für die dynamische Vermessung......Page 186 7.6 Quasistationäre Motorvermessung......Page 188 7.7.2 Rampen......Page 191 7.7.3 Pseudo-Rausch-Binär-Signale (PRBS)......Page 192 7.8.1 Einheitliches Bezeichnungsschema für dynamische Vermessungsstrategien......Page 193 7.8.2 ADN – Pseudo-Rausch-Binär-Signale mit D-optimalen Amplituden......Page 194 7.8.3 SLN – Sprünge in lokal linearen Bereichen basierend auf LOLIMOT......Page 195 7.8.4 ALN – APRB-Identifikationssignal mit angepassten Amplituden......Page 198 7.9 Dynamische Modellbildung des Verbrennungsmotors......Page 199 7.9.1 Local linear model tree – LOLIMOT......Page 201 7.9.3 Parametrische Volterra-Reihe und Hammerstein-Modelle......Page 202 7.9.4 Extraktion der Stationärwerte aus dynamischen Modellen......Page 204 7.10 Modellanalyse – Geeignete Kriterien zur Gütebewertung......Page 205 7.11 Anwendungsbeispiele......Page 206 7.12 Zusammenfassung......Page 209 Literatur......Page 210 8.1 Herausforderung in der Kalibrierung......Page 212 8.2 Smart Calibration Ansatz......Page 213 8.3.1.1 Besser Messen......Page 214 8.3.1.2 Schneller Messen......Page 217 8.3.1.3 Weniger Messen......Page 219 8.3.2 Arbeiten in allen Entwicklungsumgebungen......Page 220 8.4 Implementierung neuer Methoden in SW-Produkte......Page 221 Literatur......Page 223 D Modellgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung für Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang......Page 225 9 Funktionsentwicklung und Kalibration für aufgeladene Motoren – Modellbasiert vom Konzept bis zur Serie......Page 226 9.1 Modulares Konzept der Motorsteuerung EMS 2......Page 227 9.2 Der modellbasierte Funktionsansatz......Page 228 9.3.1 Abgasturbolader mit Wastegate......Page 229 9.3.1.1 Verdichter, Turbine, Wastegate......Page 231 9.3.1.2 Statische und dynamische Leistungsbilanz......Page 233 9.3.1.3 Abgasgegendruck......Page 234 9.3.2 Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG)......Page 235 9.3.3 Kompressoraufladung......Page 239 9.4 Werkzeuge zur Simulation und Kalibration......Page 241 9.5 Zusammenfassung......Page 243 Literatur......Page 244 10 Modellgestützte Ladedruckund Abgasrückführ-Regelung von Dieselmotoren......Page 245 10.1.1 Lokal lineare Modellstruktur......Page 247 10.1.2 Parameterschätzung......Page 250 10.1.4 Identifikation des Dieselmotors......Page 251 10.2.1 Vorsteuerung......Page 256 10.2.2 Reglerentwurf......Page 262 10.2.3 Prüfstandsergebnisse......Page 265 Literatur......Page 268 11 Brennraumdruckregelung von Dieselmotoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI)......Page 271 11.1 Die (teil-)homogene Dieselverbrennung......Page 272 11.2 Der Versuchsträger......Page 274 11.3 Realisierung der homogenen Kompressionszündung an einem seriennahen Dieselmotor......Page 275 11.3.1 Untersuchung der homogenen Kompressionszündung und Wahl der Regelgrößen......Page 276 11.3.3 Brennraumdruckbasierte AGR-Raten-Berechnung......Page 281 11.4 Modellbildung des Luftsystems zur Regelung der homogenen Dieselverbrennung......Page 283 11.4.1 Identifikation des Luftsystems des Dieselmotors......Page 287 11.5.1 Entwurf einer modellbasierten Vorsteuerung zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb......Page 289 11.5.2 Regler zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb......Page 291 11.5.3 Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage......Page 292 11.6 Ergebnisse der Regelung......Page 294 11.7 Zusammenfassung......Page 297 Literatur......Page 298 12.1 Auswahl des richtigen Ganges......Page 300 12.2 Schaltablaufsteuerung......Page 302 12.3 Geregelte Wandlerkupplung......Page 308 12.4 Standabkopplung......Page 314 12.5 Zukünftige Rolle des Automatikgetriebes im Antriebsstrang......Page 315 12.6 Zusammenfassung......Page 316 Literatur......Page 317 E Steuerung und Optimierung von Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieben......Page 318 13 Energetische Bewertung von Betriebsstrategien im Hybrid-Antriebsstrang......Page 319 13.1 Eine einfache Beispielrechnung......Page 320 13.2 Bewertung einzelner Hybridmodi: spezifische Kosten und Ersparnisse......Page 321 13.3 Vergleich von Hybridmodi im Fahrzyklus......Page 325 13.4 Prädiktive Strategie......Page 327 13.5 Nichtprädiktive Strategie......Page 330 13.6 Hybridmodi und Schaltung......Page 332 13.7 Grenzen und Erweiterung der Methodik......Page 334 13.8 Zusammenfassung......Page 335 13.9 Anhang: Parametrierung des Modells......Page 337 Literatur......Page 338 14.1 Verschiedene Hybridkonzepte......Page 339 14.2 Modellierung und Simulation......Page 341 14.3 Optimierung......Page 345 14.4 Ergebnisse......Page 347 14.5 Zusammenfassung......Page 350 Literatur......Page 351 15.1 Hybridantrieb im Allgemeinen......Page 352 15.2.1 Energieund Leistungsmanagement-Funktionen......Page 354 15.2.3 Hardwarespezifische Maßnahmen......Page 355 15.3 Softwareentwicklungsprozess......Page 356 15.4.1.1 Steuergerätexterne Berechnung (Offline)......Page 357 15.4.2.1 Systemarchitektur......Page 358 15.4.2.2 Funktionsumfänge......Page 359 15.4.2.3 Koordination......Page 360 15.4.2.4 Versuch......Page 361 15.4.3.1 Systemarchitektur......Page 362 15.4.3.2 Funktionsumfänge......Page 364 15.4.3.3 Koordination......Page 367 15.4.3.4 Versuch......Page 370 Abkürzungen......Page 372 Literatur......Page 373 16.1 Die Umweltstrategie von General Motors......Page 374 16.2 Die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb: Funktionsweise......Page 376 16.3 Steuerung und Regelung des Brennstoffzellenantriebs......Page 378 16.4 Modellgestützte Betriebsweise und Fehlerdiagnose......Page 381 16.4.2 Modellgestützte Diagnosen......Page 382 16.4.3 Anwendungsbeispiel 1: Pumpendiagnose mittels Volumenstrombestimmung im Kühlkreislauf......Page 383 16.4.4 Anwendungsbeispiel 2: Modellbasierte Bestimmung des Stickstoffanteils im Anodenkreis......Page 386 16.5.1 Einsatz der Simulationstechnik in der Vorentwicklungsphase......Page 392 16.5.2 Einsatz der Simulationstechnik in der Produktentwicklungsphase......Page 393 16.5.3 Controller Tests an HIL-Simulatoren......Page 394 16.6 Zusammenfassung......Page 395 Literatur......Page 397 F Diagnose von Verbrennungsmotoren......Page 398 17.1 Status Quo......Page 399 17.2 Entwicklungsmethodik bei der On-Board Diagnose......Page 402 17.2.2 System-Anforderungsanalyse und Konzeptentwicklung......Page 403 17.2.4 Systemfreigabe Plattform......Page 404 17.3.1 Systementwicklung Werkstattdiagnose......Page 405 17.3.2 Systemintegration Werkstattdiagnose......Page 409 17.4 Toolunterstützung im Diagnose-Entwicklungsprozess......Page 411 17.4.1 Toolunterstützung für die DMA......Page 412 17.4.2 Entwicklungsumgebung für testerbasierte Diagnosefunktionen und Diagnosesequenzen......Page 414 17.4.3 Standardisierte Prüfsprache zum Austausch von Diagnoseinhalten......Page 415 17.5 Zusammenfassung......Page 416 Literatur......Page 417 18 Modellgestützte Fehlerdiagnose eines DI-Benzinmotors......Page 419 18.1 Fehlererkennung im Ansaugund Abgassystem......Page 420 18.1.1 Modellierung mit lokallinearen Netzmodellen......Page 421 18.1.2 Erzeugen von Residuen und Symptomen......Page 422 18.1.3 Betriebspunktabhängige Fehlererkennung......Page 423 18.1.4 Diagnose im Ansaugund Abgassystem......Page 426 18.2 Fehlererkennung im Raildrucksystem......Page 427 18.2.1 Waveletanalyse des Raildrucksignals......Page 428 18.2.2 Analyse des Drehzahlsignals......Page 430 18.2.3 Fehlererkennung und -diagnose im Raildrucksystem......Page 431 18.3 Fehlererkennung im Zündungssystem......Page 432 18.5 Zusammenfassung......Page 434 Literatur......Page 435 19.1.1 Grundlagen......Page 437 19.2 Fehlererkennungsmodul „Common-Rail-Einspritzsystem“......Page 440 19.2.1 Druckaufbau im Hochdruckspeicher......Page 441 19.2.1.1 Volumenstrom von der Hochdruckpumpe......Page 443 19.2.1.2 Volumenstrom durch das Druckregelventil......Page 445 19.2.1.3 Volumenströme zu den Injektoren......Page 446 19.2.2 Analyse des Common-Rail-Drucksensorsignals......Page 448 19.2.3 Modellbasierte Fehlererkennungsalgorithmen......Page 453 19.2.3.1 Residuum „Mittlerer Common-Rail-Druck“......Page 454 19.2.3.3 Residuum „Kraftstoffförderung“......Page 456 19.2.4 Versuchsergebnisse......Page 457 19.2.5 Anwendbarkeit des Fehlererkennungsmoduls bei unterschiedlicher Systemkonfiguration......Page 460 Literatur......Page 463 Sachwortverzeichnis......Page 466