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2010 | Buch

Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

Elektronik, Modellbildung, Regelung und Diagnose für Verbrennungsmotoren, Getriebe und Elektroantriebe

herausgegeben von: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann

Verlag: Vieweg+Teubner

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Über dieses Buch

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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Mechatronische Fahrzeugantriebe

1. Mechatronische Fahrzeugantriebe
Zusammenfassung
Aufgrund steigender Kraftstoffpreise und der Klimabelastungen durch Fahrzeuge ist in die übliche technische Weiterentwicklung der Fahrzeugantriebe ein intensiver Schub gekommen. Die allgemeinen Entwicklungen müssen dabei in einem weltweiten Rahmen gesehen werden. Die Weltbevölkerung nimmt pro Jahr um etwa 78 Millionen Menschen zu [1]. Ein Großteil des wachsenden Energiebedarfs wird jedoch auch in nächster Zeit durch fossile Energieträger gedeckt. Bild 1-1 zeigt die statische Reichweite verschiedener Energieträger nach bekannten, nutzbaren Reserven und bekannten Ressourcen, die heute nicht wirtschaftlich genutzt werden können. Hiernach beträgt die Reichweite der Reserven von Erdöl etwa 40–60 Jahre. Man erwartet die maximale Erdölförderung, den sogenannten „peak oil“, etwa für 2015–2025 und danach einen schnellen Abstieg der konventionellen Erdölförderung.
Rolf Isermann

Elektronische Steuerung und ihre Realisierung

Frontmatter
2. Aufbau und Anpassung der Motorsteuerungs-Software für Otto- und Dieselmotoren
Zusammenfassung
Die Erfüllung steigender Kundenansprüche und strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, der Reduzierung von Schadstoffemissionen, der Erhöhung von Fahrsicherheit, Fahrleistung und Fahrkomfort ist untrennbar mit dem Einzug elektronischer Systeme in moderne Kraftfahrzeuge verbunden. Die elektronischen Systeme bestimmen zunehmend den Kundennutzen und werden für die Differenzierung der Automobilhersteller untereinander immer wichtiger. Daher sind sie ein wesentlicher Erfolgsfaktor moderner Kraftfahrzeuge.
Harald Stuhler, Volker Ricken, René Diener
3. Steuerung und Regelung Pkw-Dieselmotoren – Stand und zukünftige Anforderungen
Zusammenfassung
Als Rudolf Diesel seinen Motor 1893 zum Patent anmeldete, konnte er sich vermutlich nicht das Ausmaß der Komplexität vorstellen, die ein moderner Diesel heute erreicht.
Gerhard Landsmann

Modellbildung und Simulation von Verbrennungsmotoren

Frontmatter
4. Modellansätze für die Simulation von Gemischbildung und Verbrennung
Zusammenfassung
Die numerische Simulation motorischer Verbrennungsprozesse stellt ein sehr nützliches Werkzeug in der Motorenentwicklung dar, das heute in breitem Umfang eingesetzt wird. Im Vergleich zur ausschließlichen Durchführung experimenteller Untersuchungen erlaubt die numerische Simulation eine schnellere und kostengünstige Vor-Auslegung motorischer Systeme mit Hilfe umfangreicher Parameterstudien. Die aufwendigeren experimentellen Studien können dann gezielt auf die Bereiche konzentriert werden, die anhand der Berechnungsergebnisse das größte Potential erwarten lassen. Darüber hinaus bietet die numerische Simulation die grundsätzliche Möglichkeit, jede beliebige Prozessvariable zu jedem Zeitpunkt an jedem gewünschten Ort auszugeben. Damit ist eine Datenvielfalt gegeben, die allein mit experimentellen Untersuchungen nicht zu erreichen wäre, die aber für das genaue Verständnis der komplexen Teilprozesse der Gemischbildung und Verbrennung sehr hilfreich oder sogar notwendig ist.
Gunnar Stiesch
5. Mittelwert- und Arbeitstaktsynchrone Simulation von Dieselmotoren
Zusammenfassung
Getrieben durch die immer restriktiveren Anforderungen an das Emissions- und Verbrauchsverhalten moderner Verbrennungsmotoren steigt die Komplexität von Motormanagementsystemen mit jeder Modellgeneration an. Damit geht nicht nur eine Zunahme des Softwareumfangs von Steuergeräten sondern zugleich ein deutlicher Anstieg des Applikations-, Vermessungs- und Testaufwandes einher. Zur Effizienzsteigerung des Software- und Funktionsentwicklungsprozesses haben sich daher in der Automobilindustrie sowie in Forschungsinstituten verschiedene modell- und simulationsbasierte Methoden wie die Model-in-the-Loop (MiL) Simulation, die Software-in-the-Loop (SiL) Simulation, das Rapid Control Prototyping (RCP) sowie die Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation etabliert.
Sebastian Zahn

Modellbildung durch Motorvermessung auf Prüfständen

Frontmatter
6. Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen
Zusammenfassung
Die kontinuierliche Verschärfung der gesetzlichen Vorgaben bezüglich Emissionen stellt die Motorenentwickler vor neue Herausforderungen (Bild 6-1, [1, 2]). Gleichzeitig ist zu erwarten, dass sich der langfristige Trend der letzten Jahren bei den Kraftstoffpreisen [3] trotz kurzzeitiger Schwankungen fortsetzen wird (Bild 6-1 rechts, Jahresmittelwerte). Auf die steigenden Kraftstoffpreise sowie die Verpflichtungen bezüglich der CO2- Emissionswerte kann dauerhaft nur mit Kraftstoff sparenden Motoren reagiert werden.
Hinrich Kötter, Heiko Sequenz
7. Dynamische Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen
Zusammenfassung
Die stark zunehmenden gesetzlichen und wirtschaftlichen Vorgaben zur Senkung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen stellen große Anforderungen an die weitere Entwicklung von Benzin- und Dieselmotoren. Hierbei sind grundlegende Fortschritte durch Konstruktion und auslegungsbedingte Maßnahmen im Bereich der Einspritzung, Gemischaufbereitung, Aufladung, Brennverfahren und Abgasnachbehandlung zu erreichen. Ein wesentlicher Teil dieser Verbesserungen wird jedoch durch eine Zunahme von Variabilitäten erreicht wie z.B. verstellbaren Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, variablem Raildruck, variablen Nockenwellensteuerwinkeln, Ventilhüben, Drall-/Tumbleklappen sowie verstellbaren Abgasturbinen, Abgasrückführströmen und Abgasnachbehandlungssystemen. Dadurch steigt die Zahl der Stellglieder (Aktoren) stark an. Hinzu kommen zusätzliche Sensoren wie z.B. für Luftzahl, NOx, Brennraumdruck, Abgastemperatur und Abgasdruck. Deshalb nimmt der Umfang der Steuerungs-, Regelungs- und Diagnosefunktionen in der Motorelektronik (ECU) stark zu. Bild 7-1 zeigt als Beispiel den Signalfluss für die gesteuerten und geregelten Größen eines Dieselmotors in einer beispielhaften Prüfstandsumgebung.
Alexander Schreiber
8. Implementierung von Motorvermessungsmethoden für die Prüfstandsautomatisierung
Zusammenfassung
Antriebsstrang Applikationsprozesse werden zunehmend kritischer. Die steigenden Erwartungen an ein Fahrzeug und die Kundenzufriedenheit sind der treibende Faktor für Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der transienten Performance, des Fahrverhaltens und der Reduzierung des Verbrauchs. Gleichzeitig müssen striktere Emissions-Grenzwerte erfüllt werden. Dies führt zwangsläufig zu einer komplexeren Antriebsstrang-Hardware, einschließlich Sensoren und Aktuatoren. Steuergeräte werden immer leistungsfähiger, Modelle immer komplexer, die Anzahl von parametrierbaren Labels in den Modellen steigt ständig. Das Gesamtsystem Mechanik, Hydraulik, Thermodynamik und Elektronik und die Interaktion der einzelnen Komponenten wird zum entscheidenden Erfolgsfaktor für Projekte. Deshalb wurde ein Smart-Calibration-Prozess entwickelt. „Smart Calibration ist ein verfolgbares und wieder verwendbares Konzept, welches die Qualität und die Effizienz der Applikation steigert. Basierend auf qualitativ hochwertigen Messergebnissen können diese schnellstmöglich hereingefahren und die notwendige Anzahl der Messungen auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus dürfen einzelne Entwicklungsschritte nicht an die klassischen Entwicklungsumgebungen gebunden sein. Eine Flexibilisierung schafft deutliche Fortschritte in Effektivität und Effizienz. Ohne durchgängige Plattform Lösungen mit professionellen Produkten kann eine nachhaltige Produktivitätssteigerung im weltweiten Wettbewerb nicht realisiert werden.
Eike Martini, Matthias Wellers

Modellgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung für Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

Frontmatter
9. Funktionsentwicklung und Kalibration für aufgeladene Motoren – Modellbasiert vom Konzept bis zur Serie
Zusammenfassung
An die Funktionen der elektronischen Motorsteuerung (EMS) zur Steuerung und Regelung der Komponenten werden höchste Ansprüche gestellt, um – neben der Erfüllung der länderspezifischen Diagnose- und Abgasgesetzgebungen – eine für den Kunden akzeptable Fahrbarkeit bei geringst möglichem Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten.
Gerhard Schopp, Thomas Burkhardt, JüRgen Dingl, Roland Schwarz, Christoph Eisath
10. Modellgestützte Ladedruck- und Abgasrückführ-Regelung von Dieselmotoren
Zusammenfassung
Zur Erfüllung der Abgasgesetzgebung bei gleichzeitiger hoher Fahrleistung und Beschleunigung sind moderne Pkw-Dieselmotoren mit externer Abgasrückführung (AGR) und mit Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ausgestattet, siehe Bild 10-1. Der über ein Ventil stellbare AGR-Massenstrom wird zur Senkung der Stickoxidemissionen eingesetzt und der Turbolader wird hauptsächlich zur Steigerung des Ladedrucks und damit zur Leistungssteigerung verwendet. Mittels VTG wird der Turbolader an den Motorbetriebspunkt angepasst. Hierzu wird über einen elektrisch oder pneumatisch betätigten Aktor die Turbinenleitschaufelstellung und damit die wirksame Turbinenströmung verstellt.
Karl von Pfeil
11. Brennraumdruckregelung von Dieselmotoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI)
Zusammenfassung
In den letzten Jahren ist die Zahl der neu zugelassenen Dieselfahrzeuge stark gestiegen. Diese Entwicklung ist zum einen darauf zurückzuführen, dass der Dieselmotor im Vergleich zum Ottomotor einen besseren thermischen Wirkungsgrad aufweist. Einhergehend damit ist der Kraftstoffverbrauch und somit der CO2-Ausstoß im Gegensatz zum Ottomotor deutlich geringer. Zum anderen hat der Dieselmotor im Bereich Fahrspaß und -komfort durch Einzug der Direkteinspritzung basierend auf Common-Rail-Systemen und durch effiziente Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) deutlich an Akzeptanz gewonnen.
Martin Kohlhase
12. Steuerung und Regelung von Automatikgetrieben
Zusammenfassung
Automatikgetriebe sind mittlerweile zu einem integralen Bestandteil des Antriebsstranges geworden und tragen mit ihrer Betriebsweise und den vielfältigen Möglichkeiten der elektronischen Steuerung und Regelung maßgeblich zu einer komfortablen, wirtschaftlichen und umweltschonenden Betriebsweise bei. Neben der konstruktiven Gestaltung der Automatikgetriebe, wie Radsatzauslegung und wirkungsgradoptimierte Komponenten bestimmen Steuerung und Regelung zunehmend entscheidende Merkmale des Produkts und seiner Funktionsweise.
Wolf-Dieter Gruhle

Steuerung und Optimierung von Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieben

Frontmatter
13. Energetische Bewertung von Betriebsstrategien im Hybrid-Antriebsstrang
Zusammenfassung
Für die energetische Effizienz von Hybridfahrzeugen ist neben der Anordnung und Beschaffenheit der energiespeichernden und -wandelnden Komponenten vor allem die Betriebsstrategie entscheidend.
Frank Mertins
14. Modellgestützte Hybrid Systementwicklung – Modellierung und Optimierung
Zusammenfassung
Im Bereich der Hybridfahrzeugentwicklung wird nach wie vor intensiv an Konzepten zur Verbrauchseinsparung und Reduzierung von Emissionen gearbeitet. Gleichzeitig sollen „Fahrspaß“ und Komfort solcher Fahrzeuge verbessert werden. Für verschiedene Anwendungen sind unterschiedlichste Hybridkonzepte denkbar und sinnvoll. Trotz dieser Variantenvielfalt und den daraus resultierenden technischen Anforderungen sind die Kosten eines Hybridfahrzeugs zu minimieren, wobei ein wesentlicher Aspekt bei der Kostenreduzierung die Stückzahl ist. Bei der Entwicklung von Komponenten steht daher, neben den technischen Anforderungen, deren vielseitige Einsetzbarkeit im Vordergrund.
Thomas Huber
15. Regelung ausgewählter Hybridtopologien: parallel und leistungsverzweigt
Zusammenfassung
Hybridfahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung, vor allem wegen der Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung, aber auch wegen ihrer zusätzlichen Agilität aufgrund der kurzfristig erreichbaren erhöhten Drehmomente. Durch die flexible Gestaltung von elektrischen Maschinen, Batterien und Nebenaggregaten lassen sich unter Beibehaltung des Standardbauraums verschiedene Antriebsstrangkonzepte realisieren. Um diese steuern und regeln zu können, ist eine bibliothekenbasierte und flexible Software-Architektur notwendig. In diesem Beitrag werden anhand zweier Praxisbeispiele die Gemeinsamkeiten, die Komplexität und die Unterschiede bei der Steuerung und Regelung von zwei zunächst verschiedenen Hybridantriebssträngen, parallel-mild Hybrid und leistungsverzweigt-voll Hybrid, vorgestellt.
Siegfried Saenger Zetina, Torsten Scholt, Konstantin Neiß
16. Modellbasierte Steuerung, Regelung und Diagnose von Brennstoffzellenantrieben
Zusammenfassung
Steigende Bevölkerungszahlen und damit zunehmender Energiebedarf stellen eine große Herausforderung für Menschheit und Umwelt dar. Mit steigendem Wohlstand ist auch ein stärkeres Bedürfnis nach Mobilität und damit ein höherer Energieverbrauch verbunden. Die derzeitigen enormen Steigerungen des Bruttoinlandsproduktes in China und Indien – zwei Ländern, die zusammen mehr als ein Drittel der Weltbevölkerung stellen – lassen auch zukünftig ungebrochene Steigerungen des Weltenergieverbrauches erwarten. Dies gilt für alle Bereiche, besonders aber für den Verkehrssektor. Letzterer stellt mit seinem signifikanten Anteil am Energieverbrauch sowie den damit einhergehenden Emissionen und seinem hohen Wachstumspotenzial ein besonderes Handlungsfeld dar. Insbesondere wegen der in diesem Sektor zu erwartenden ansteigenden CO2-Emissionen stehen Effizienzverbesserungen und die Entwicklung alternativer Antriebe im Vordergrund. Dabei spielt die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb eine entscheidende Rolle, da sie einen hohen Systemwirkungsgrad mit fehlenden CO2- und Schadstoffemissionen verbindet. Wegen der hohen Komplexität sind dabei moderne Steuerungs-, Regelungs- und Diagnoseverfahren von besonderer Bedeutung, auf die in diesem Beitrag näher eingegangen wird. Neben einigen grundlegenden Konzepten wird an Hand zweier Beispiele das Potenzial modellgestützter Methoden aufgezeigt.
Joachim Bußhardt, Bernhard Baaser, Volker Formanski, Sascha SchäFer, Stefan Sinsel

Diagnose von Verbrennungsmotoren

Frontmatter
17. Diagnoseentwicklungsmethodik am Beispiel Dieselsystem
Zusammenfassung
Während Produktentwicklungsprozesse weitgehend etabliert und die einschlägige Literatur dazu nahezu unüberschaubar wird, sind Empfehlungen zu Methoden- oder Prozessen zur Erreichung guter und vor allem messbarer Diagnosequalität eher rar. So fehlt vielmals ein entwicklungsintegrierter Diagnoseansatz, der nicht nur eine frühzeitige Erkennung und Behebung von Diagnoselücken ermöglicht, sondern auch ein ebenso frühes Anforderungsmanagement, ein Applikations-, Validierungs-, und Testerintegrationskonzept mitsamt einer Erstellung der geführten Fehlersuche enthält. Folglich ist eine intensive Zusammenarbeit von Funktions- bzw. Systementwicklung und der Serviceentwicklung über die Fahrzeugentwicklungsphasen hinweg unerlässlich.
Martin Fritz, Michael Hackner, Walter Lehle, Markus Willimowski
18. Modellgestützte Fehlerdiagnose eines DI-Benzinmotors
Zusammenfassung
Die steigende Komplexität von Verbrennungsmotoren mit einer wachsenden Anzahl von Aktoren und Sensoren benötigt neue und verbesserte Methoden der Fehlererkennung und Fehlerdiagnose. Die zurzeit eingesetzten On-Board-Diagnose-Verfahren decken meist nur emissionsrelevante Bereiche ab, und ermöglichen keine detaillierte Diagnose aller Motorenbereiche, weil sie oftmals auf einfachen Grenzwertüberwachungs- und Plausibilitätsverfahren von gemessenen Signalen beruhen [1–4].
Michael Leykauf
19. Modellgestützte Fehlererkennung und Diagnose für Common-Rail-Einspritzsysteme
Zusammenfassung
Moderne Pkw-Dieselmotoren sind mit verschiedensten komplexen mechatronischen Komponenten ausgestattet. So kommen neben Abgasrückführsystemen zur Minderung der Stickoxidemissionen und Turboladern zur Steigerung der Leistungsdichte insbesondere elektronisch gesteuerte Mehrfach-Einspritzsysteme zum Einsatz. Deshalb erhöht sich die Bedeutung einer umfassenden Fehlererkennung und Diagnose, zusätzlich zu den bekannten OBD- und EOBD-Vorgaben, im Rahmen steigender Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Um diese Anforderungen zu erfüllen, bieten sich modellbasierte Verfahren an. Ihr Stand in verschiedenen Gebieten wird zum Beispiel in [1–6] beschrieben. Mit dem Einsatz modellgestützter Fehlererkennungsverfahren bei Verbrennungsmotoren beschäftigen sich beispielsweise [7–18].
Sebastian Clever
Backmatter
Metadaten
Titel
Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe
herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann
Copyright-Jahr
2010
Verlag
Vieweg+Teubner
Electronic ISBN
978-3-8348-9389-5
Print ISBN
978-3-8348-0855-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9389-5

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