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

von: Rolf Isermann

Vieweg+Teubner (GWV), 2010

ISBN: 9783834893895

Sprache: Deutsch

474 Seiten, Download: 14822 KB

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

	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	89
	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

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

von: Rolf Isermann

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