Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

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