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E-Book

Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

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

Autor	Rolf Isermann
Verlag	Vieweg+Teubner (GWV)
Erscheinungsjahr	2010
Seitenanzahl	474 Seiten
ISBN	9783834893895
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	44,95 EUR

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. Es zeigt das systematische Vorgehen, umfassende Modellbildungs- und Simulationstools und effiziente Applikationsmethoden.

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.

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Inhaltsverzeichnis

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	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

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