Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Rolf Isermann leitete zuletzt das Fachgebiet Regelungstechnik und Prozessautomatisierung im Institut für Automatisierungstechnik an der TU Darmstadt. Nach seiner Emeritierung im September 2006 leitet er die Forschungsgruppe Regelungstechnik und Prozessautomatisierung.

Vorwort 5
Autorenverzeichnis 7
Inhaltsverzeichnis 9
1 Mechatronische Fahrzeugantriebe 17
1.1 Aktuelle Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren 18
a) Maßnahmen bei Benzinmotoren 19
b) Maßnahmen bei Dieselmotoren 20
1.2 Steuerung und Regelung von Verbrennungsmotoren 23
1.3 Mechatronische Komponenten 29
1.4 Modellbildung und Simulation 35
1.5 Diagnose 41
1.6 Hybridisierung 43
1.7 Zusammenfassung 48
Literatur 49
A Elektronische Steuerung und ihre Realisierung 52
2 Aufbau und Anpassung der MotorsteuerungsSoftware für Ottound Dieselmotoren 53
2.1 Anforderungen an Motorsteuerungs-Systeme 53
2.1.1 Anforderungen an moderne Motoren 53
2.1.2 Anforderungen an Motorsteuerungen 54
2.2 Aufbau von Systemen zur Steuerung von Ottound Dieselmotoren 56
2.2.1 Aufbau des Motorsteuerungs-Systems 56
2.2.2 Aufbau des Motorsteuergerätes 57
2.2.3 Signalfluss der Motorsteuerung 59
2.3 Architektur der Motorsteuerungs-Software 61
2.3.1 Sichtweisen der Software-Architektur 61
2.3.1.1 Statische Sicht der Motorsteuerungs-Software 61
2.3.1.2 Dynamische Sicht der Motorsteuerungs-Software 62
2.3.1.3 Funktionale Sicht der Motorsteuerungs-Software 63
2.3.2 Merkmale der Architektur 64
2.4 Struktur der Motorsteuerungs-Software 65
2.5 Parametrierung der Motorsteuerungs-Software 68
2.5.1 Ablauf der Parametrierung 68
2.5.2 Klassifizierung der Parametrierungsaufgaben 69
2.5.3 Herausforderungen bei der Parametrierung 70
2.5.4 Modellbasierte Applikation 71
2.5.5 HiL-Anwendungen 74
2.6 Entwicklungstrends von Motorsteuerungs-Systemen 74
2.6.1 Trends der Motorentwicklung 74
2.6.2 Trends der Entwicklung von Motorsteuerungs-Systemen 75
2.6.2.1 Komplexitätsbeherrschung – Standardisierung 75
2.6.2.2 Neue Anforderungen 78
2.6.2.3 Low Price Vehicles 78
2.6.2.4 Individuelle Lösungen 78
2.7 Zusammenfassung 79
Literatur 81
3 Steuerung und Regelung Pkw-Dieselmotoren – Stand und zukünftige Anforderungen 82
3.1 Die Dieselmotor-Steuerung Gestern – Heute – Morgen 82
3.2 Die Abgasgesetzgebung als Treiber für Innovation im Bereich der Dieselmotor-Steuerung 84
3.3 Das vorhomogenisierte Brennverfahren als Alternative zur NOx-Abgasnachbehandlung 86
3.4 Zukünftige Anforderungen an die Dieselregelung 88
3.4.1 Brennraumdruckbasierte Dieselmotor-Steuerung Sensoren und Funktionen
3.4.2 Niederdruck-Abgasrückführung 91
3.4.3 Direkt angetriebene Piezo-Einspritzdüsen 94
3.5 Die GM „In-House-Controls“-Strategie 95
3.6 Zukünftige Entwicklungstrends in der Motorsteuerung 97
3.7 Zusammenfassung und Ausblick 99
Literatur 100
B Modellbildung und Simulation von Verbrennungsmotoren 101
4 Modellansätze für die Simulation von Gemischbildung und Verbrennung 102
4.1 Thermodynamische (nulldimensionale) Modelle 103
4.2 Phänomenologische (quasi-dimensionale) Modelle 104
4.3 CFD-Codes 106
4.3.1 Erhaltungsgleichungen 106
4.3.2 Spray-Modellierung 107
4.3.3 Dieselmotorische Diffusionsverbrennung 110
4.3.4 Ottomotorische Vormischverbrennung 112
4.4 Schadstoffbildung 113
4.4.1 Stickoxid-Bildung 113
4.4.2 Rußbildung 114
4.5 Zusammenfassung 115
Literatur 115
5 Mittelwertund Arbeitstaktsynchrone Simulation von Dieselmotoren 117
5.1 Mittelwert-Motormodell 118
5.1.1 Luftund Abgaspfad 119
a) Ersatzmodell Behälter 119
b) Ersatzmodell Drossel 121
5.1.2 Turbolader 122
a) Verdichtermodell 123
b) Turbinenmodell 125
c) Wärmeübergangsmodell 126
d) Laufzeugmodell 127
5.1.3 Zylindergruppe 127
a) Motordrehmoment 128
b) Zylinderfüllung 128
c) Abgasenthalpie 128
5.2 Arbeitstaktsynchrones Motormodell 129
5.2.1 Luftund Abgaspfad 129
5.2.2 Zylindergruppe 130
a) Grundgleichungen des Einzonenmodells 130
b) Ladungswechsel 132
c) Wandwärmeübergang 132
d) Verbrennung 133
5.3 Echtzeitsimulationssystem 134
5.3.1 Echtzeitrechnersystem 135
5.3.2 Echtund Ersatzlasten 135
5.3.3 Motorsteuergerät 136
5.4 Simulationsergebnisse 137
5.5 Zusammenfassung 139
Literatur 140
C Modellbildung durch Motorvermessung auf Prüfständen 142
6 Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen 143
6.1 Versuchsplanung 144
6.1.1 Rastervermessung 145
6.1.2 Klassische Versuchspläne 145
6.1.3 Space-filling Designs 146
6.1.4 D-optimale Versuchspläne 147
6.2 Modellbildung 150
6.2.1 Polynome 151
6.2.2 Neuronale Netze für die stationäre Modellbildung 154
6.3 Modellanalyse 157
6.3.1 Der 159
6.3.2 Gütemaße zur Beurteilung stationärer Modelle 161
6.3.3 Resamplingverfahren 162
6.3.4 Umgang mit Ausreißern 164
6.3.5 Grafische Methoden zur Beurteilung stationärer Modelle 165
6.4 Optimierung der Steuerung (ein Beispiel) 168
6.4.1 Grundlagen evolutionärer Algorithmen 170
6.4.2 Mutation 171
6.4.3 Rekombination 172
6.4.4 Selektion und Nebenbedingungen 173
6.4.5 Optimierungsbeispiel mit evolutionären Algorithmen 174
6.5 Zusammenfassung 175
Literatur 177
7 Dynamische Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen 180
7.1 Struktur der modellbasierten dynamischen Motorvermessung 181
7.2 Variationsraumvermessung 183
7.3 Aufstellung des Kandidatensets (Rasterung des Variationsraums) 184
7.4 Auswahl der Amplituden 185
7.4.1 D-optimale Versuchspläne 185
7.4.2 Raumabdeckende Versuchspläne (Space-Filling Designs) 186
7.5 Reihenfolge der Messpunkte für die dynamische Vermessung 187
7.6 Quasistationäre Motorvermessung 189
7.7 Generierung dynamischer Anregungssequenzen 192
7.7.1 Sprungfunktionen 192
7.7.2 Rampen 192
7.7.3 Pseudo-Rausch-Binär-Signale (PRBS) 193
7.8 Kombinierte Vermessungsstrategien 194
7.8.1 Einheitliches Bezeichnungsschema für dynamische Vermessungsstrategien 194
7.8.2 ADN – Pseudo-Rausch-Binär-Signale mit D-optimalen Amplituden 195
7.8.3 SLN – Sprünge in lokal linearen Bereichen basierend auf LOLIMOT 196
7.8.4 ALN – APRB-Identifikationssignal mit angepassten Amplituden 199
7.8.5 AEN – Dynamische Vermessung auf Basis von ECU-Stellgrößen 200
7.9 Dynamische Modellbildung des Verbrennungsmotors 200
7.9.1 Local linear model tree – LOLIMOT 202
7.9.2 Hinging Hyperplane Tree-Baummodelle – HHT 203
7.9.3 Parametrische Volterra-Reihe und Hammerstein-Modelle 203
7.9.4 Extraktion der Stationärwerte aus dynamischen Modellen 205
7.10 Modellanalyse – Geeignete Kriterien zur Gütebewertung 206
7.11 Anwendungsbeispiele 207
7.12 Zusammenfassung 210
Literatur 211
8 Implementierung von Motorvermessungs-methoden für die Prüfstandsautomatisierung 213
8.1 Herausforderung in der Kalibrierung 213
8.2 Smart Calibration Ansatz 214
8.3 Methodische Lösungen 215
8.3.1 Besser, schneller und weniger Messen 215
8.3.1.1 Besser Messen 215
8.3.1.2 Schneller Messen 218
8.3.1.3 Weniger Messen 220
8.3.2 Arbeiten in allen Entwicklungsumgebungen 221
8.4 Implementierung neuer Methoden in SW-Produkte 222
8.5 Zusammenfassung 224
Literatur 224
D Modellgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung für Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang 226
9 Funktionsentwicklung und Kalibration für aufgeladene Motoren – Modellbasiert vom Konzept bis zur Serie 227
9.1 Modulares Konzept der Motorsteuerung EMS 2 228
9.2 Der modellbasierte Funktionsansatz 229
9.3 Modulare und modellbasierte Funktionen zur Aufladung am Beispiel von Serienlösungen 230
9.3.1 Abgasturbolader mit Wastegate 230
9.3.1.1 Verdichter, Turbine, Wastegate 232
9.3.1.2 Statische und dynamische Leistungsbilanz 234
9.3.1.3 Abgasgegendruck 235
9.3.1.4 Ladedruckregelung 236
9.3.2 Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) 236
9.3.3 Kompressoraufladung 240
9.4 Werkzeuge zur Simulation und Kalibration 242
9.5 Zusammenfassung 244
Literatur 245
10 Modellgestützte Ladedruckund Abgasrückführ-Regelung von Dieselmotoren 246
10.1 Modellbildung 248
10.1.1 Lokal lineare Modellstruktur 248
10.1.2 Parameterschätzung 251
10.1.3 Lokal lineare Zustandsraumdarstellung 252
10.1.4 Identifikation des Dieselmotors 252
10.2 AGR-/VTG-Regelungsentwurf 257
10.2.1 Vorsteuerung 257
10.2.2 Reglerentwurf 263
10.2.3 Prüfstandsergebnisse 266
10.3 Zusammenfassung 269
Literatur 269
11 Brennraumdruckregelung von Dieselmotoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI) 272
11.1 Die (teil-)homogene Dieselverbrennung 273
11.2 Der Versuchsträger 275
11.3 Realisierung der homogenen Kompressionszündung an einem seriennahen Dieselmotor 276
11.3.1 Untersuchung der homogenen Kompressionszündung und Wahl der Regelgrößen 277
11.3.2 Brennraumdruckbasierte Berechnung der Verbrennungsschwerpunktlage 282
11.3.3 Brennraumdruckbasierte AGR-Raten-Berechnung 282
11.4 Modellbildung des Luftsystems zur Regelung der homogenen Dieselverbrennung 284
11.4.1 Identifikation des Luftsystems des Dieselmotors 288
11.5 Regelung der homogenen Dieselverbrennung 290
11.5.1 Entwurf einer modellbasierten Vorsteuerung zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb 290
11.5.2 Regler zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb 292
11.5.3 Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage 293
11.6 Ergebnisse der Regelung 295
11.7 Zusammenfassung 298
Literatur 299
12 Steuerung und Regelung von Automatikgetrieben 301
12.1 Auswahl des richtigen Ganges 301
12.2 Schaltablaufsteuerung 303
12.3 Geregelte Wandlerkupplung 309
12.4 Standabkopplung 315
12.5 Zukünftige Rolle des Automatikgetriebes im Antriebsstrang 316
12.6 Zusammenfassung 317
Literatur 318
E Steuerung und Optimierung von Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieben 319
13 Energetische Bewertung von Betriebsstrategien im Hybrid-Antriebsstrang 320
13.1 Eine einfache Beispielrechnung 321
13.2 Bewertung einzelner Hybridmodi: spezifische Kosten und Ersparnisse 322
13.3 Vergleich von Hybridmodi im Fahrzyklus 326
13.4 Prädiktive Strategie 328
13.5 Nichtprädiktive Strategie 331
13.6 Hybridmodi und Schaltung 333
13.7 Grenzen und Erweiterung der Methodik 335
13.8 Zusammenfassung 336
13.9 Anhang: Parametrierung des Modells 338
Literatur 339
14 Modellgestützte Hybrid Systementwicklung – Modellierung und Optimierung 340
14.1 Verschiedene Hybridkonzepte 340
14.2 Modellierung und Simulation 342
14.3 Optimierung 346
14.4 Ergebnisse 348
14.5 Zusammenfassung 351
Literatur 352
15 Regelung ausgewählter Hybridtopologien: parallel und leistungsverzweigt 353
15.1 Hybridantrieb im Allgemeinen 353
15.2 Anforderungen an die Betriebsstrategie 355
15.2.1 Energieund Leistungsmanagement-Funktionen 355
15.2.2 Drehmomentpfadund Gangsynchronisations-Funktionen 356
15.2.3 Hardwarespezifische Maßnahmen 356
15.3 Softwareentwicklungsprozess 357
15.4 Steuerung und Regelung des Hybridantriebsstrangs 358
15.4.1 Genereller Funktionsumfang 358
15.4.1.1 Steuergerätexterne Berechnung (Offline) 358
15.4.1.2 Steuergerätinterne Berechnung (Online) 359
15.4.2 Parallel-Antrieb 359
15.4.2.1 Systemarchitektur 359
15.4.2.2 Funktionsumfänge 360
15.4.2.3 Koordination 361
15.4.2.4 Versuch 362
15.4.3 Leistungsverzweigter Antrieb 363
15.4.3.1 Systemarchitektur 363
15.4.3.2 Funktionsumfänge 365
15.4.3.3 Koordination 368
15.4.3.4 Versuch 371
15.5 Zusammenfassung 373
Abkürzungen 373
Literatur 374
16 Modellbasierte Steuerung, Regelung und Diagnose von Brennstoffzellenantrieben 375
16.1 Die Umweltstrategie von General Motors 375
16.2 Die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb: Funktionsweise 377
16.3 Steuerung und Regelung des Brennstoffzellenantriebs 379
16.4 Modellgestützte Betriebsweise und Fehlerdiagnose 382
16.4.1 Rekonstruktion nicht oder schwer messbarer Größen 383
16.4.2 Modellgestützte Diagnosen 383
16.4.3 Anwendungsbeispiel 1: Pumpendiagnose mittels Volumenstrombestimmung im Kühlkreislauf 384
16.4.4 Anwendungsbeispiel 2: Modellbasierte Bestimmung des Stickstoffanteils im Anodenkreis 387
16.5 Steuerungsund Software-Entwicklungsmethodik 393
16.5.1 Einsatz der Simulationstechnik in der Vorentwicklungsphase 393
16.5.2 Einsatz der Simulationstechnik in der Produktentwicklungsphase 394
16.5.3 Controller Tests an HIL-Simulatoren 395
16.5.4 Echtzeitsimulationsumgebungen an Testständen 396
16.6 Zusammenfassung 396
Literatur 398
F Diagnose von Verbrennungsmotoren 399
17 Diagnoseentwicklungsmethodik am Beispiel Dieselsystem 400
17.1 Status Quo 400
17.2 Entwicklungsmethodik bei der On-Board Diagnose 403
17.2.1 Prozesselemente der OBD Entwicklung im Systementwicklungsprozess 404
17.2.2 System-Anforderungsanalyse und Konzeptentwicklung 404
17.2.3 Systementwicklungsunterstützende Elemente und integrierte Entwicklung 405
17.2.4 Systemfreigabe Plattform 405
17.3 Entwicklungsmethodik Werkstattdiagnose 406
17.3.1 Systementwicklung Werkstattdiagnose 406
17.3.2 Systemintegration Werkstattdiagnose 410
17.4 Toolunterstützung im Diagnose-Entwicklungsprozess 412
17.4.1 Toolunterstützung für die DMA 413
17.4.2 Entwicklungsumgebung für testerbasierte Diagnosefunktionen und Diagnosesequenzen 415
17.4.3 Standardisierte Prüfsprache zum Austausch von Diagnoseinhalten 416
17.5 Zusammenfassung 417
Literatur 418
18 Modellgestützte Fehlerdiagnose eines DI-Benzinmotors 420
18.1 Fehlererkennung im Ansaugund Abgassystem 421
18.1.1 Modellierung mit lokallinearen Netzmodellen 422
18.1.2 Erzeugen von Residuen und Symptomen 423
18.1.3 Betriebspunktabhängige Fehlererkennung 424
18.1.4 Diagnose im Ansaugund Abgassystem 427
18.2 Fehlererkennung im Raildrucksystem 428
18.2.1 Waveletanalyse des Raildrucksignals 429
18.2.2 Analyse des Drehzahlsignals 431
18.2.3 Fehlererkennung und -diagnose im Raildrucksystem 432
18.3 Fehlererkennung im Zündungssystem 433
18.4 Gesamtdiagnosesystem 435
18.5 Zusammenfassung 435
Literatur 436
19 Modellgestützte Fehlererkennung und Diagnose für Common-Rail-Einspritzsysteme 438
19.1 Modellbasierte Fehlererkennung und Diagnose 438
19.1.1 Grundlagen 438
19.2 Fehlererkennungsmodul „Common-Rail-Einspritzsystem“ 441
19.2.1 Druckaufbau im Hochdruckspeicher 442
19.2.1.1 Volumenstrom von der Hochdruckpumpe 444
19.2.1.2 Volumenstrom durch das Druckregelventil 446
19.2.1.3 Volumenströme zu den Injektoren 447
19.2.2 Analyse des Common-Rail-Drucksensorsignals 449
19.2.3 Modellbasierte Fehlererkennungsalgorithmen 454
19.2.3.1 Residuum „Mittlerer Common-Rail-Druck“ 455
19.2.3.2 Gleichmäßigkeitsresiduen 457
19.2.3.3 Residuum „Kraftstoffförderung“ 457
19.2.4 Versuchsergebnisse 458
19.2.5 Anwendbarkeit des Fehlererkennungsmoduls bei unterschiedlicher Systemkonfiguration 461
19.3 Zusammenfassung und Ausblick 464
Literatur 464
Sachwortverzeichnis 467