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

Vorwort

Autorenverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Mechatronische Fahrzeugantriebe

1.1 Aktuelle Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren

a) Maßnahmen bei Benzinmotoren

b) Maßnahmen bei Dieselmotoren

1.2 Steuerung und Regelung von Verbrennungsmotoren

1.3 Mechatronische Komponenten

1.4 Modellbildung und Simulation

1.5 Diagnose

1.6 Hybridisierung

1.7 Zusammenfassung

Literatur

A Elektronische Steuerung und ihre Realisierung

2 Aufbau und Anpassung der MotorsteuerungsSoftware für Ottound Dieselmotoren

2.1 Anforderungen an Motorsteuerungs-Systeme

2.1.1 Anforderungen an moderne Motoren

2.1.2 Anforderungen an Motorsteuerungen

2.2 Aufbau von Systemen zur Steuerung von Ottound Dieselmotoren

2.2.1 Aufbau des Motorsteuerungs-Systems

2.2.2 Aufbau des Motorsteuergerätes

2.2.3 Signalfluss der Motorsteuerung

2.3 Architektur der Motorsteuerungs-Software

2.3.1 Sichtweisen der Software-Architektur

2.3.1.1 Statische Sicht der Motorsteuerungs-Software

2.3.1.2 Dynamische Sicht der Motorsteuerungs-Software

2.3.1.3 Funktionale Sicht der Motorsteuerungs-Software

2.3.2 Merkmale der Architektur

2.4 Struktur der Motorsteuerungs-Software

2.5 Parametrierung der Motorsteuerungs-Software

2.5.1 Ablauf der Parametrierung

2.5.2 Klassifizierung der Parametrierungsaufgaben

2.5.3 Herausforderungen bei der Parametrierung

2.5.4 Modellbasierte Applikation

2.5.5 HiL-Anwendungen

2.6 Entwicklungstrends von Motorsteuerungs-Systemen

2.6.1 Trends der Motorentwicklung

2.6.2 Trends der Entwicklung von Motorsteuerungs-Systemen

2.6.2.1 Komplexitätsbeherrschung – Standardisierung

2.6.2.2 Neue Anforderungen

2.6.2.3 Low Price Vehicles

2.6.2.4 Individuelle Lösungen

2.7 Zusammenfassung

Literatur

3 Steuerung und Regelung Pkw-Dieselmotoren – Stand und zukünftige Anforderungen

3.1 Die Dieselmotor-Steuerung Gestern – Heute – Morgen

3.2 Die Abgasgesetzgebung als Treiber für Innovation im Bereich der Dieselmotor-Steuerung

3.3 Das vorhomogenisierte Brennverfahren als Alternative zur NOx-Abgasnachbehandlung

3.4 Zukünftige Anforderungen an die Dieselregelung

3.4.1 Brennraumdruckbasierte Dieselmotor-Steuerung; Sensoren und Funktionen

3.4.2 Niederdruck-Abgasrückführung

3.4.3 Direkt angetriebene Piezo-Einspritzdüsen

3.5 Die GM „In-House-Controls“-Strategie

3.6 Zukünftige Entwicklungstrends in der Motorsteuerung

3.7 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

B Modellbildung und Simulation von Verbrennungsmotoren

4 Modellansätze für die Simulation von Gemischbildung und Verbrennung

4.1 Thermodynamische (nulldimensionale) Modelle

4.2 Phänomenologische (quasi-dimensionale) Modelle

4.3 CFD-Codes

4.3.1 Erhaltungsgleichungen

4.3.2 Spray-Modellierung

4.3.3 Dieselmotorische Diffusionsverbrennung

4.3.4 Ottomotorische Vormischverbrennung

4.4 Schadstoffbildung

4.4.1 Stickoxid-Bildung

4.4.2 Rußbildung

4.5 Zusammenfassung

Literatur

5 Mittelwertund Arbeitstaktsynchrone Simulation von Dieselmotoren

5.1 Mittelwert-Motormodell

5.1.1 Luftund Abgaspfad

a) Ersatzmodell Behälter

b) Ersatzmodell Drossel

5.1.2 Turbolader

a) Verdichtermodell

b) Turbinenmodell

c) Wärmeübergangsmodell

d) Laufzeugmodell

5.1.3 Zylindergruppe

a) Motordrehmoment

b) Zylinderfüllung

c) Abgasenthalpie

5.2 Arbeitstaktsynchrones Motormodell

5.2.1 Luftund Abgaspfad

5.2.2 Zylindergruppe

a) Grundgleichungen des Einzonenmodells

b) Ladungswechsel

c) Wandwärmeübergang

d) Verbrennung

5.3 Echtzeitsimulationssystem

5.3.1 Echtzeitrechnersystem

5.3.2 Echtund Ersatzlasten

5.3.3 Motorsteuergerät

5.4 Simulationsergebnisse

5.5 Zusammenfassung

Literatur

C Modellbildung durch Motorvermessung auf Prüfständen

6 Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen

6.1 Versuchsplanung

6.1.1 Rastervermessung

6.1.2 Klassische Versuchspläne

6.1.3 Space-filling Designs

6.1.4 D-optimale Versuchspläne

6.2 Modellbildung

6.2.1 Polynome

6.2.2 Neuronale Netze für die stationäre Modellbildung

6.3 Modellanalyse

6.3.1 Der

6.3.2 Gütemaße zur Beurteilung stationärer Modelle

6.3.3 Resamplingverfahren

6.3.4 Umgang mit Ausreißern

6.3.5 Grafische Methoden zur Beurteilung stationärer Modelle

6.4 Optimierung der Steuerung (ein Beispiel)

6.4.1 Grundlagen evolutionärer Algorithmen

6.4.2 Mutation

6.4.3 Rekombination

6.4.4 Selektion und Nebenbedingungen

6.4.5 Optimierungsbeispiel mit evolutionären Algorithmen

6.5 Zusammenfassung

Literatur

7 Dynamische Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen

7.1 Struktur der modellbasierten dynamischen Motorvermessung

7.2 Variationsraumvermessung

7.3 Aufstellung des Kandidatensets (Rasterung des Variationsraums)

7.4 Auswahl der Amplituden

7.4.1 D-optimale Versuchspläne

7.4.2 Raumabdeckende Versuchspläne (Space-Filling Designs)

7.5 Reihenfolge der Messpunkte für die dynamische Vermessung

7.6 Quasistationäre Motorvermessung

7.7 Generierung dynamischer Anregungssequenzen

7.7.1 Sprungfunktionen

7.7.2 Rampen

7.7.3 Pseudo-Rausch-Binär-Signale (PRBS)

7.8 Kombinierte Vermessungsstrategien

7.8.1 Einheitliches Bezeichnungsschema für dynamische Vermessungsstrategien

7.8.2 ADN – Pseudo-Rausch-Binär-Signale mit D-optimalen Amplituden

7.8.3 SLN – Sprünge in lokal linearen Bereichen basierend auf LOLIMOT

7.8.4 ALN – APRB-Identifikationssignal mit angepassten Amplituden

7.8.5 AEN – Dynamische Vermessung auf Basis von ECU-Stellgrößen

7.9 Dynamische Modellbildung des Verbrennungsmotors

7.9.1 Local linear model tree – LOLIMOT

7.9.2 Hinging Hyperplane Tree-Baummodelle – HHT

7.9.3 Parametrische Volterra-Reihe und Hammerstein-Modelle

7.9.4 Extraktion der Stationärwerte aus dynamischen Modellen

7.10 Modellanalyse – Geeignete Kriterien zur Gütebewertung

7.11 Anwendungsbeispiele

7.12 Zusammenfassung

Literatur

8 Implementierung von Motorvermessungs-methoden für die Prüfstandsautomatisierung

8.1 Herausforderung in der Kalibrierung

8.2 Smart Calibration Ansatz

8.3 Methodische Lösungen

8.3.1 Besser, schneller und weniger Messen

8.3.1.1 Besser Messen

8.3.1.2 Schneller Messen

8.3.1.3 Weniger Messen

8.3.2 Arbeiten in allen Entwicklungsumgebungen

8.4 Implementierung neuer Methoden in SW-Produkte

8.5 Zusammenfassung

Literatur

D Modellgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung für Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang

9 Funktionsentwicklung und Kalibration für aufgeladene Motoren – Modellbasiert vom Konzept bis zur Serie

9.1 Modulares Konzept der Motorsteuerung EMS 2

9.2 Der modellbasierte Funktionsansatz

9.3 Modulare und modellbasierte Funktionen zur Aufladung am Beispiel von Serienlösungen

9.3.1 Abgasturbolader mit Wastegate

9.3.1.1 Verdichter, Turbine, Wastegate

9.3.1.2 Statische und dynamische Leistungsbilanz

9.3.1.3 Abgasgegendruck

9.3.1.4 Ladedruckregelung

9.3.2 Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG)

9.3.3 Kompressoraufladung

9.4 Werkzeuge zur Simulation und Kalibration

9.5 Zusammenfassung

Literatur

10 Modellgestützte Ladedruckund Abgasrückführ-Regelung von Dieselmotoren

10.1 Modellbildung

10.1.1 Lokal lineare Modellstruktur

10.1.2 Parameterschätzung

10.1.3 Lokal lineare Zustandsraumdarstellung

10.1.4 Identifikation des Dieselmotors

10.2 AGR-/VTG-Regelungsentwurf

10.2.1 Vorsteuerung

10.2.2 Reglerentwurf

10.2.3 Prüfstandsergebnisse

10.3 Zusammenfassung

Literatur

11 Brennraumdruckregelung von Dieselmotoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI)

11.1 Die (teil-)homogene Dieselverbrennung

11.2 Der Versuchsträger

11.3 Realisierung der homogenen Kompressionszündung an einem seriennahen Dieselmotor

11.3.1 Untersuchung der homogenen Kompressionszündung und Wahl der Regelgrößen

11.3.2 Brennraumdruckbasierte Berechnung der Verbrennungsschwerpunktlage

11.3.3 Brennraumdruckbasierte AGR-Raten-Berechnung

11.4 Modellbildung des Luftsystems zur Regelung der homogenen Dieselverbrennung

11.4.1 Identifikation des Luftsystems des Dieselmotors

11.5 Regelung der homogenen Dieselverbrennung

11.5.1 Entwurf einer modellbasierten Vorsteuerung zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb

11.5.2 Regler zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb

11.5.3 Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage

11.6 Ergebnisse der Regelung

11.7 Zusammenfassung

Literatur

12 Steuerung und Regelung von Automatikgetrieben

12.1 Auswahl des richtigen Ganges

12.2 Schaltablaufsteuerung

12.3 Geregelte Wandlerkupplung

12.4 Standabkopplung

12.5 Zukünftige Rolle des Automatikgetriebes im Antriebsstrang

12.6 Zusammenfassung

Literatur

E Steuerung und Optimierung von Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieben

13 Energetische Bewertung von Betriebsstrategien im Hybrid-Antriebsstrang

13.1 Eine einfache Beispielrechnung

13.2 Bewertung einzelner Hybridmodi: spezifische Kosten und Ersparnisse

13.3 Vergleich von Hybridmodi im Fahrzyklus

13.4 Prädiktive Strategie

13.5 Nichtprädiktive Strategie

13.6 Hybridmodi und Schaltung

13.7 Grenzen und Erweiterung der Methodik

13.8 Zusammenfassung

13.9 Anhang: Parametrierung des Modells

Literatur

14 Modellgestützte Hybrid Systementwicklung – Modellierung und Optimierung

14.1 Verschiedene Hybridkonzepte

14.2 Modellierung und Simulation

14.3 Optimierung

14.4 Ergebnisse

14.5 Zusammenfassung

Literatur

15 Regelung ausgewählter Hybridtopologien: parallel und leistungsverzweigt

15.1 Hybridantrieb im Allgemeinen

15.2 Anforderungen an die Betriebsstrategie

15.2.1 Energieund Leistungsmanagement-Funktionen

15.2.2 Drehmomentpfadund Gangsynchronisations-Funktionen

15.2.3 Hardwarespezifische Maßnahmen

15.3 Softwareentwicklungsprozess

15.4 Steuerung und Regelung des Hybridantriebsstrangs

15.4.1 Genereller Funktionsumfang

15.4.1.1 Steuergerätexterne Berechnung (Offline)

15.4.1.2 Steuergerätinterne Berechnung (Online)

15.4.2 Parallel-Antrieb

15.4.2.1 Systemarchitektur

15.4.2.2 Funktionsumfänge

15.4.2.3 Koordination

15.4.2.4 Versuch

15.4.3 Leistungsverzweigter Antrieb

15.4.3.1 Systemarchitektur

15.4.3.2 Funktionsumfänge

15.4.3.3 Koordination

15.4.3.4 Versuch

15.5 Zusammenfassung

Abkürzungen

Literatur

16 Modellbasierte Steuerung, Regelung und Diagnose von Brennstoffzellenantrieben

16.1 Die Umweltstrategie von General Motors

16.2 Die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb: Funktionsweise

16.3 Steuerung und Regelung des Brennstoffzellenantriebs

16.4 Modellgestützte Betriebsweise und Fehlerdiagnose

16.4.1 Rekonstruktion nicht oder schwer messbarer Größen

16.4.2 Modellgestützte Diagnosen

16.4.3 Anwendungsbeispiel 1: Pumpendiagnose mittels Volumenstrombestimmung im Kühlkreislauf

16.4.4 Anwendungsbeispiel 2: Modellbasierte Bestimmung des Stickstoffanteils im Anodenkreis

16.5 Steuerungsund Software-Entwicklungsmethodik

16.5.1 Einsatz der Simulationstechnik in der Vorentwicklungsphase

16.5.2 Einsatz der Simulationstechnik in der Produktentwicklungsphase

16.5.3 Controller Tests an HIL-Simulatoren

16.5.4 Echtzeitsimulationsumgebungen an Testständen

16.6 Zusammenfassung

Literatur

F Diagnose von Verbrennungsmotoren

17 Diagnoseentwicklungsmethodik am Beispiel Dieselsystem

17.1 Status Quo

17.2 Entwicklungsmethodik bei der On-Board Diagnose

17.2.1 Prozesselemente der OBD Entwicklung im Systementwicklungsprozess

17.2.2 System-Anforderungsanalyse und Konzeptentwicklung

17.2.3 Systementwicklungsunterstützende Elemente und integrierte Entwicklung

17.2.4 Systemfreigabe Plattform

17.3 Entwicklungsmethodik Werkstattdiagnose

17.3.1 Systementwicklung Werkstattdiagnose

17.3.2 Systemintegration Werkstattdiagnose

17.4 Toolunterstützung im Diagnose-Entwicklungsprozess

17.4.1 Toolunterstützung für die DMA

17.4.2 Entwicklungsumgebung für testerbasierte Diagnosefunktionen und Diagnosesequenzen

17.4.3 Standardisierte Prüfsprache zum Austausch von Diagnoseinhalten

17.5 Zusammenfassung

Literatur

18 Modellgestützte Fehlerdiagnose eines DI-Benzinmotors

18.1 Fehlererkennung im Ansaugund Abgassystem

18.1.1 Modellierung mit lokallinearen Netzmodellen

18.1.2 Erzeugen von Residuen und Symptomen

18.1.3 Betriebspunktabhängige Fehlererkennung

18.1.4 Diagnose im Ansaugund Abgassystem

18.2 Fehlererkennung im Raildrucksystem

18.2.1 Waveletanalyse des Raildrucksignals

18.2.2 Analyse des Drehzahlsignals

18.2.3 Fehlererkennung und -diagnose im Raildrucksystem

18.3 Fehlererkennung im Zündungssystem

18.4 Gesamtdiagnosesystem

18.5 Zusammenfassung

Literatur

19 Modellgestützte Fehlererkennung und Diagnose für Common-Rail-Einspritzsysteme

19.1 Modellbasierte Fehlererkennung und Diagnose

19.1.1 Grundlagen

19.2 Fehlererkennungsmodul „Common-Rail-Einspritzsystem“

19.2.1 Druckaufbau im Hochdruckspeicher

19.2.1.1 Volumenstrom von der Hochdruckpumpe

19.2.1.2 Volumenstrom durch das Druckregelventil

19.2.1.3 Volumenströme zu den Injektoren

19.2.2 Analyse des Common-Rail-Drucksensorsignals

19.2.3 Modellbasierte Fehlererkennungsalgorithmen

19.2.3.1 Residuum „Mittlerer Common-Rail-Druck“

19.2.3.2 Gleichmäßigkeitsresiduen

19.2.3.3 Residuum „Kraftstoffförderung“

19.2.4 Versuchsergebnisse

19.2.5 Anwendbarkeit des Fehlererkennungsmoduls bei unterschiedlicher Systemkonfiguration

19.3 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Sachwortverzeichnis