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
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
InhaltInhalt
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
Problematik des klassischen Dieselmotors:Problematik des klassischen Dieselmotors:Gleichzeitige Einhaltung der Ruß- und NOx-Grenzwerten ohne große Verbrauchseinbuße
Quelle Bosch
Return
InhaltInhalt
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ(O2 – Konzentration)
fett
1
mager
Konz
entr
atio
n
Ruß NOx
notwendigeLuftmasse
unnötigeLuftmasse
Kraftstoffmasse
Zu viel unnötiger O2 !!!
Hubvolumen
Return
InhaltInhalt
ANFORDERUNGEN an den MOTORSTEUERUNGENMODELLARTEN1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
TheorieTheorie
Verbrennungstemperatur(Temperatur x Zeit)
ca. 2000 KKonz
entr
atio
n NOxRuß
Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ(O2 – Konzentration)
fett
1
mager
Konz
entr
atio
n
Ruß NOx
notwendigeLuftmasse
Abgaseaus AGR
KraftstoffmasseHubvolumen
Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ(O2 – Konzentration)
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
ModellierungsartModellierungsart SteuerungsSteuerungs-- und und RegelungsartRegelungsart
Verwendungsart Verwendungsart der Messsignaleder Messsignale
nur auf Kennfelder nur auf Kennfelder basierendbasierend vorhersehbarvorhersehbar als Erregungals Erregung
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN
1. Phase2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
Last
Drehzahl
MSG
ModellierungsartModellierungsart SteuerungsSteuerungs-- und und RegelungsartRegelungsart
Verwendungsart Verwendungsart der Messsignaleder Messsignale
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase
2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase
2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase
2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase
2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase
2. Phase3. PhaseProbleme+Zukunft
Steuerung mit:
Return
Last
Drehzahl
MSG
ModellierungsartModellierungsart SteuerungsSteuerungs-- und und RegelungsartRegelungsart
Verwendungsart Verwendungsart der Messsignaleder Messsignale
analysierend + analysierend + physikalisch (+ physikalisch (+
kennfeldbasierend)kennfeldbasierend)
vorhersehbar + vorhersehbar + anpassend + anpassend + selbstprüfendselbstprüfend
als Infoquelle + als Infoquelle + als Erregung als Erregung
•Ansaugrohrsubmodell•Gemischbildungssubmodell usw.
Kennfeld für den effektiven Wirkungsgrad
02000
40006000
0
50
1000
100
200
300
400
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
Last
Drehzahl
MSG
ModellierungsartModellierungsart SteuerungsSteuerungs-- und und RegelungsartRegelungsart
Verwendungsart Verwendungsart der Messsignaleder Messsignale
analysierend + analysierend + physikalisch (+ physikalisch (+
kennfeldbasierend)kennfeldbasierend)
vorhersehbar + vorhersehbar + anpassend + anpassend + selbstprüfendselbstprüfend
als Infoquelle + als Infoquelle + als Erregung als Erregung
•Ansaugrohrsubmodell•Gemischbildungssubmodell usw.
Analyse der Ungleichförmigkeit der Kurbelwellenumdrehung zur Zylinderdruckverlaufsermittlung. Dadurch kann auch der effektive Wirkungsgrad abgeschätzt werden.
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
Last
Drehzahl
MSG
•Ansaugrohrsubmodell•Gemischbildungssubmodell usw.
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
Vergleich zwischen berechneter (aus dem Zylinderdruck) und gemessener (rot)
Winkelgeschwindigkeit
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
Vergleich zwischen berechneter (aus dem Zylinderdruck) und gemessener (rot)
Winkelbeschleunigung
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
Return
Vergleich zwischen berechneter (aus dem
Zylinderdruck) und gemessener (rot)
Winkelgeschwindigkeit
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
InhaltInhaltAnforderungenMODELLARTEN1. Phase2. Phase
3. PhaseProbleme+Zukunft
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