MODELLARTEN 1. Phase 2. Phase 3. Phase Neue Modelle für ...€¦ · MODELLARTEN FÜR MOTOR-STEUERGERÄTE (MSG) 1. Phase 2. Phase 3. Phase Probleme+Zukunft 1. 2. 3. Return Gaspedal-stellung

Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Ing. Victor GheorghiuVictor GheorghiuFachbereich Maschinenbau und ProduktionFachbereich Maschinenbau und Produktion

Hochschule für Angewandte Wissenschaften HamburgHochschule für Angewandte Wissenschaften HamburgReturn

Neue Modelle fNeue Modelle füür das r das MotormanagementMotormanagement

InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft

Return

Anforderungen Anforderungen an Motor und an Motor und

FahrzeugFahrzeug

Motorische Motorische MaßnahmenMaßnahmen

Außermotorische Außermotorische MaßnahmenMaßnahmen

• Reduzierung der Emissionen

• Erhöhung der Effektivität

• Verbesserung des Ansprechverhaltens

• Senkung des Kaufpreises

• Erhöhung der Lebensdauer …

Optimierung der:

• inneren Prozesse– Gemischbildung

– Verbrennung …

• Steuerung und Regelung

• Konstruktion der Bauteile u. Systeme

• Konzepte (GDI, CR, EGR, VTG, VVT)

• Reduzierung der Fahrzeugmasse

• Verbesserung der Aerodynamik

• Synchronisieren der Ampel in den Städten

• Begrenzung der Geschwindigkeit auf Autobahnen …

InhaltInhalt

ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft

Return

Anforderungen Anforderungen an Motor und an Motor und

FahrzeugFahrzeug

Motorische Motorische MaßnahmenMaßnahmen

Außermotorische Außermotorische MaßnahmenMaßnahmen

• Reduzierung der Emissionen

• Erhöhung der Effektivität

• Verbesserung des Ansprechverhaltens

• Senkung des Kaufpreises

• Erhöhung der Lebensdauer …

Optimierung der:

• inneren Prozesse– Gemischbildung

– Verbrennung …

• Steuerung und Regelung

• Konstruktion der Bauteile u. Systeme

• Konzepte (GDI, CR, EGR, VTG, VVT)

• Reduzierung der Fahrzeugmasse

• Verbesserung der Aerodynamik

• Synchronisieren der Ampel in den Städten

• Begrenzung der Geschwindigkeit auf Autobahnen …

InhaltInhalt


Return

InhaltInhalt


Problematik des klassischen Ottomotors:Problematik des klassischen Ottomotors:(d.h. mit Saugrohreinspritzung und homogene Gemischbildung)

Einhaltung des Lambda-Fensters

λ1.010.98

Lam

bda-

Sond

e

Kata

lysa

tor

λ=1 → 14.7 kg Luft / kg Kr.

Return

InhaltInhalt


Problematik des klassischen Ottomotors:Problematik des klassischen Ottomotors:Einhaltung des Lambda-Fensters

Luftmassen-messer

Lambdasonde

Winkelgeber &Drehzahlsensor

m´ Krm´ L

λ L st⋅

m´DKm´V

m´ Kr

ρs

Lst 14.7kgL

kgKr⋅

MSG

Return

InhaltInhalt


Problematik des klassischen Dieselmotors:Problematik des klassischen Dieselmotors:(d.h. mit Direkteinspritzung und inhomogene Gemischbildung)

Gleichzeitige Einhaltung der Ruß- und NOx-Grenzwerten ohne große Verbrauchseinbuße

Ruß

-Au

ssto

ß

Quelle FEV

Return

InhaltInhalt


Problematik des klassischen Dieselmotors:Problematik des klassischen Dieselmotors:Gleichzeitige Einhaltung der Ruß- und NOx-Grenzwerten ohne große Verbrauchseinbuße

Quelle Bosch

Return

InhaltInhalt


TheorieTheorie

Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ(O2 – Konzentration)

fett 1 mager

Verb

renn

ungs

tem

pera

tur

Verbrennungstemperatur(Temperatur x Zeit)

ca. 2000 KKonz

entr

atio

n NOxRuß


fett

1

mager

Konz

entr

atio

n

Ruß NOx

notwendigeLuftmasse

unnötigeLuftmasse

Kraftstoffmasse

Zu viel unnötiger O2 !!!

Hubvolumen

Return

InhaltInhalt


TheorieTheorie

Verbrennungstemperatur(Temperatur x Zeit)

ca. 2000 KKonz

entr

atio

n NOxRuß


fett

1

mager

Konz

entr

atio

n

Ruß NOx

notwendigeLuftmasse

Abgaseaus AGR

KraftstoffmasseHubvolumen


fett 1 mager

Verb

renn

ungs

tem

pera

tur

Return

ModellierungsartModellierungsart SteuerungsSteuerungs-- und und RegelungsartRegelungsart

Verwendungsart Verwendungsart der Messsignaleder Messsignale

nur auf Kennfelder nur auf Kennfelder basierendbasierend vorhersehbarvorhersehbar als Erregungals Erregung

physikalisch + physikalisch + kennfeldbasierendkennfeldbasierend

vorhersehbar + vorhersehbar + anpassendanpassend als Erregungals Erregung

analysierend + analysierend + physikalisch (+ physikalisch (+

kennfeldbasierend)kennfeldbasierend)

vorhersehbar + vorhersehbar + anpassend + anpassend + selbstprüfendselbstprüfend

als Infoquelle + als Infoquelle + als Erregung als Erregung

InhaltInhaltAnforderungen

MODELLARTEN FÜR MOTOR-STEUERGERÄTE (MSG)1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft

1.

2.

3.

Return

Gaspedal-stellung

(Lastgeber)

Drehzahlgeber02000

40006000

0

50

1000

100

200

300

400

Kennfelder (z.B. Einspritzdauer, Zündzeitpunkt usw.)

MSG



nur auf Kennfelder nur auf Kennfelder basierendbasierend vorhersehbarvorhersehbar als Erregungals Erregung

InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN

1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft

Return

Last

Drehzahl

MSG



physikalisch + physikalisch + kennfeldbasierendkennfeldbasierend

vorhersehbar + vorhersehbar + anpassendanpassend als Erregungals Erregung

•Ansaugrohrsubmodell•Gemischbildungssubmodell usw.

Kennfelder für Wirkungsgrade, Durchflußkoeff. usw.

02000

40006000

0

50

1000

100

200

300

400

InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase

2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft

Return



Test des MOTORMODELLS bei vorgegebener soll-Drehzahl (n_soll) und variablem Widerstandsmoment (M_Last)

n_soll

Widerstands-Moment

n_soll

n_istbeta_DK

REGLER(Tempomat)

Mu

Mu

OOOOOO

MOTORMODELL

Info

Erregung

Drehzahl

n_istn_ist

n_ist

beta_DKbeta_DK

beta_DK

M_Last

M_Last

n_ist (gelb) & n_soll

n_soll

n_soll

n_soll

M_ist (gelb) & M_Last

M_ist

FAHRZEUGMODELL

n_soll

In1Out1

Strasse- und Wind-Widerstaende

Scope1

Scope

n_soll

n_istbeta_DK

REGLER

Mu

Mu

OOOOOO

MOTORMODELL

8Kupplungsweg

Kupplung

4HA_Uebersetzung

Getriebe

-K-

1G_Uebersetzung

Fahrzeug

Antriebsstrang

beta_DK

M_Last

M_LastM_Mot

omega_M

M_Antrieb

M_Antrieb

M_Widerstand

omega_G

omega_Komega_A

omega_F

V_Fahrzeug[km/h]

n_ist

n_ist

n_soll

n_soll

n_soll (gelb) & n_ist

M_Mot (gelb) & M_Last

Return

Luftmassen-messer

m´DK

ro*S

m´V

Lambdasonde



Motordrehmoment[Nm]

DREHMOMENTERZEUGUNG-SUBMODELLE

Motordrehzahl[1/min]

Öffnung derDrosselklappe [%]

1

output

relative Dichte

SAUGROHR

Mu

Mux Massenströme

HOCHDRUCKPROZESSE

GEMISCHBILDUNG

2

n_ist

1

beta_DK

n_ist

n_istm'KrV

beta_DK

beta_DK

m'DK

m'DK

m' V

m' Vm' V

ro*S

ro*S

m'DK (gelb) & m' V

Return

FAHRZEUGM ODELL

n_soll

In1Out1

Strasse- und Wind-Widers taende

Scope1

Scope

OOOOOO

Motor

8Kupplungsweg

Kupplung

n_soll

n_istbeta_DK

Kontroller

4HA_Uebersetzung

Getriebe

-K-

1G_Uebersetzung

Fahrzeug

Antriebss trang

beta_DK

M_Last

M_LastM_Mot

om ega_M

M_Antrieb

M_Antrieb

M_Widers tand

om ega_G

om ega_Kom ega_A

om ega_F

n_Rad

n_is t

n_is t

n_soll

0 1 2 3 4 5 60

1000

2000

3000

4000

Dre

hzah

l [1/

min

]

n solln istn Rad

0 1 2 3 4 5 60

50

100

Dro

ssel

klap

penw

inke

l [°]

beta DK

0 1 2 3 4 5 6

0

100

200

300

Zeit [s]

Dre

hmom

ent [

Nm

] M MotM Last

0 1 2 3 4 5 60

1000

2000

3000

4000

Dre

hzah

l [1/

min

]

n solln istn Rad

0 1 2 3 4 5 60

50

100

Dro

ssel

klap

penw

inke

l [°]

beta DK

0 1 2 3 4 5 6

0

100

200

300

Zeit [s]

Dre

hmom

ent [

Nm

] M MotM Last

m´DK

m´V



Steuerung mit:

Return

m´DK

ro*Sm´V

0 1 2 3 4 5 60

0.05

0.1

Mas

sens

trom

[kg/

s]

Ergebnisse aus Saugrohrsubmodell

m'DKm'V

0 1 2 3 4 5 60

50

100

Dro

ssel

klap

penw

inke

l [°]

beta DK

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

Zeit [s]

rela

tive

Sau

groh

rdic

hte

[°]

ro*S

0 1 2 3 4 5 60

0.05

0.1

Mas

sens

trom

[kg/

s]

Ergebnisse aus Saugrohrsubmodell

m'DKm'V

0 1 2 3 4 5 60

50

100

Dro

ssel

klap

penw

inke

l [°]

beta DK

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

Zeit [s]

rela

tive

Sau

groh

rdic

hte

[°]

ro*S

m´DK

m´V



Steuerung mit:

Return

die auf der Wand flüss ig gelagerte Krafts toffm asse m KrF

der insgesam t im Zylinderangesaugte

Kr-Massens trom

in der Lufts tröm ungfein zers täubter

Kr-Massens trom anteil

der insgesam teingespritzte

Kr-Massens trom

der flüss ig angesaugte Kr-Massens trom

der aus der Wandverdam pfte

Kr-Massens trom

auf der Wandflüss ig gelagerter

Kr-Massens trom anteil

GEM ISCHBILDUNGSM ODELL

1

m 'KrV

xW*u[1]

m 'KrW

(1-xW)*u[1]

m 'KrL

u[1]/tauD

m 'KrD

xA*power(u[1]/u[2],0.75)*u[1]*u[3]*u[3]

m 'KrA

u[2]/Ls t/u[1]

m 'Kr

Info

Saturation

Mu

Mu

Mu

1

Lam bda_soll

Lam bda_is t

u[2]/Ls t/u[1]

Lam bda real

Kr

1/s

Integrator 3

ro*S

2

m 'V

1

m 'DK

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

x 10-3

Mas

sens

trom

[kg/

s]

Ergebnisse aus Gemischbildungsmodell

Zeit [s]

m'Krm'KrLm'KrAm'KrD

0 1 2 3 4 5 6-2

-1

0

1

2x 10

-3

Mas

sens

trom

diff.

[kg/

s]

m'Kr - m'Kr Zy l

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

1.5

2

Luftv

erhä

ltnis

[-]

Zeit [s]

λ

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

x 10-3

Mas

sens

trom

[kg/

s]

Ergebnisse aus Gemischbildungsmodell

Zeit [s]

m'Krm'KrLm'KrAm'KrD

0 1 2 3 4 5 6-2

-1

0

1

2x 10

-3

Mas

sens

trom

diff.

[kg/

s]

m'Kr - m'Kr Zy l

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

1.5

2

Luftv

erhä

ltnis

[-]

Zeit [s]

λ

m´DK

m´V



Steuerung mit:

Return

Last

Drehzahl

MSG








Kennfeld für den effektiven Wirkungsgrad

02000

40006000

0

50

1000

100

200

300

400

InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase

3. PhaseProbleme+Zukunft

Return

Last

Drehzahl

MSG








Analyse der Ungleichförmigkeit der Kurbelwellenumdrehung zur Zylinderdruckverlaufsermittlung. Dadurch kann auch der effektive Wirkungsgrad abgeschätzt werden.



Return

Last

Drehzahl

MSG


Analyse der Ungleichförmigkeit der Kurbelwellenumdrehung zur Zylinderdruckverlaufsermittlung. Dadurch kann auch der effektive Wirkungsgrad abgeschätzt werden.

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.1005 0.1006 0.1007 0.1008 0.1009 0.1010

2

4

64.11133

0.307617

Uivolt

0.1010.1 tisec

Zahnradsignal-Aufnahme (Abschnitt)

AUDI 5 Zyl. TDI



Return

0.1 0.1001 0.1002 0.1003 0.1004 0.1005 0.1006 0.1007 0.1008 0.1009 0.1010

2

4

64.11133

0.307617

Uivolt

0.1010.1 tisec

Zahnradsignal-Aufnahme (Abschnitt)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2380

400

420

440

460

ωi

ω fi

tisec

Roh- und filtrierte WinkelgeschwindigkeitAUDI 5 Zyl. TDI



Return

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2380

400

420

440

460

ωi

ω fi

tisec

Filtrierte Winkelgeschwindigkeit

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2416

417

418

419

420

421

422421.268

416.81

ω fi

0.199930.000146 tisec

AUDI 5 Zyl. TDI



Return

= 1

z

j

P GasjP Nutz P Reib

d

dtE kin

d

dtE pot

P Gasj..p Zylj

p 0 A Kd

d tsj

d

d tE kin

.M Massen ω P VT P EP

= 1

z

j

..p Zyljp 0 A K

d

dtsj P i

.MMassen ω

.A K

ω= 1

z

j

.p Zyljp 0

d

dtsj M i M Massen

M Massen.J d

d tω ..1

2J´ ω2

J J 0..r2 m o= 1

z

j

x j́2

J´d

dαJ ...2 r2 m o

= 1

z

j

.x j́ x´ j́



Return

x 1 .1

Λ1 μ2 .1

Λ1 ( ).Λ sin( )α μ 2

cos( )α

x´ d

dαx

.( ).Λ sin( )α μ cos( )α

1 ( ).Λ sin( )α μ 2

sin( )α

x´´d

d

2

2αx

+...Λ ..2 Λ sin( )α 2 .Λ3

sin( )α 4 ...3 Λ2sin( )α 3 μ

...3 Λ sin( )α 2 μ2 .sin( )α μ .sin( )α μ3

1 ( ).Λ sin( )α μ 2 3

cos ( )α

s .x r

d

d ts ..r x´ ω

d

d

2

2ts .r .x´´ ω2 .x´ d

d tω

..r A K= 1

z

j

.p Zyljp 0 x´j M i

+

....J 0..r2 m o= 1

z

j

x´j2 d

dtω

...r2 m o ω2

= 1

z

j

.x´j x´ j́



Return

Vergleich zwischen berechneter (aus dem Zylinderdruck) und gemessener (rot)

Winkelgeschwindigkeit

0 90 180 270 360 450 540 630 7200

50

100

150

p Zylibar

αi°KW

Zylinderdruck aus der Indizierung

0 90 180 270 360 450 540 630 720416

418

420

422

ω iradsec

ω biradsec

αi°KW

AUDI 5 Zyl. TDI



Return



0 90 180 270 360 450 540 630 720416

418

420

422

ω iradsec

ω biradsec

αi°KW

AUDI 5 Zyl. TDI

0 90 180 270 360 450 540 630 7204000

2000

0

2000

4000

dωdtirad

sec2

dωdt birad

sec2

αi°KW


Winkelbeschleunigung



Return

Vergleich zwischen berechneter (aus dem

Zylinderdruck) und gemessener (rot)


0 90 180 270 360 450 540 630 720416

418

420

422

ω iradsec

ω biradsec

αi°KW

AUDI 5 Zyl. TDI

Vergleich zwischen berechnetem (aus der Ungleichförmigkeit der KW-Umdrehung) und

gemessenem (rot) Druckverlauf

0 18 36 54 72 90 108 126 1440

50

100

140

0

p Zyli .δ 2p 0

bar

Σx´Δpibar

c

x´i .δ 2

c

δ0 αi°KW



Return

Probleme:1. Das Winkelgeschwindigkeitssignal ist sehr stark verrauscht

(große Aufwand für die Filtrierung und gleichzeitig große Unsicherheit über das Ergebnis).

2. Die Indizierung und somit der Vergleich zwischen Experiment und Simulation wurde nur an einem Zylinder von fünf durchgeführt. Aus diesen Untersuchungen resultiert aber, dass die Zylinder unterschiedliche Druckverläufe aufweisen, was bisher noch nicht überprüft wurde.

3. Für die Erfüllung der zukünftigen Abgasvorschriften werden neue Drehzahlsensoren benötigt.

Zukunftsentwicklungen:1. Es wird einen neuen Drehzahlsensor entwickelt, der weniger

Verrauschen der Signale produziert.2. Die Indizierung wird an allen fünf Zylinder gleichzeitig

durchgeführt, um die Unterschiede zwischen den Zylinder erfassen zu können.

InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. Phase

PROBLEME + ZUKUNFT

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