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E-Book

Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

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

AutorRolf Isermann
VerlagVieweg+Teubner (GWV)
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl474 Seiten
ISBN9783834893895
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis44,95 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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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Autorenverzeichnis7
Inhaltsverzeichnis9
1 Mechatronische Fahrzeugantriebe17
1.1 Aktuelle Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren18
a) Maßnahmen bei Benzinmotoren19
b) Maßnahmen bei Dieselmotoren20
1.2 Steuerung und Regelung von Verbrennungsmotoren23
1.3 Mechatronische Komponenten29
1.4 Modellbildung und Simulation35
1.5 Diagnose41
1.6 Hybridisierung43
1.7 Zusammenfassung48
Literatur49
A Elektronische Steuerung und ihre Realisierung52
2 Aufbau und Anpassung der MotorsteuerungsSoftware für Ottound Dieselmotoren53
2.1 Anforderungen an Motorsteuerungs-Systeme53
2.1.1 Anforderungen an moderne Motoren53
2.1.2 Anforderungen an Motorsteuerungen54
2.2 Aufbau von Systemen zur Steuerung von Ottound Dieselmotoren56
2.2.1 Aufbau des Motorsteuerungs-Systems56
2.2.2 Aufbau des Motorsteuergerätes57
2.2.3 Signalfluss der Motorsteuerung59
2.3 Architektur der Motorsteuerungs-Software61
2.3.1 Sichtweisen der Software-Architektur61
2.3.1.1 Statische Sicht der Motorsteuerungs-Software61
2.3.1.2 Dynamische Sicht der Motorsteuerungs-Software62
2.3.1.3 Funktionale Sicht der Motorsteuerungs-Software63
2.3.2 Merkmale der Architektur64
2.4 Struktur der Motorsteuerungs-Software65
2.5 Parametrierung der Motorsteuerungs-Software68
2.5.1 Ablauf der Parametrierung68
2.5.2 Klassifizierung der Parametrierungsaufgaben69
2.5.3 Herausforderungen bei der Parametrierung70
2.5.4 Modellbasierte Applikation71
2.5.5 HiL-Anwendungen74
2.6 Entwicklungstrends von Motorsteuerungs-Systemen74
2.6.1 Trends der Motorentwicklung74
2.6.2 Trends der Entwicklung von Motorsteuerungs-Systemen75
2.6.2.1 Komplexitätsbeherrschung – Standardisierung75
2.6.2.2 Neue Anforderungen78
2.6.2.3 Low Price Vehicles78
2.6.2.4 Individuelle Lösungen78
2.7 Zusammenfassung79
Literatur81
3 Steuerung und Regelung Pkw-Dieselmotoren – Stand und zukünftige Anforderungen82
3.1 Die Dieselmotor-Steuerung Gestern – Heute – Morgen82
3.2 Die Abgasgesetzgebung als Treiber für Innovation im Bereich der Dieselmotor-Steuerung84
3.3 Das vorhomogenisierte Brennverfahren als Alternative zur NOx-Abgasnachbehandlung86
3.4 Zukünftige Anforderungen an die Dieselregelung88
3.4.1 Brennraumdruckbasierte Dieselmotor-Steuerung Sensoren und Funktionen89
3.4.2 Niederdruck-Abgasrückführung91
3.4.3 Direkt angetriebene Piezo-Einspritzdüsen94
3.5 Die GM „In-House-Controls“-Strategie95
3.6 Zukünftige Entwicklungstrends in der Motorsteuerung97
3.7 Zusammenfassung und Ausblick99
Literatur100
B Modellbildung und Simulation von Verbrennungsmotoren101
4 Modellansätze für die Simulation von Gemischbildung und Verbrennung102
4.1 Thermodynamische (nulldimensionale) Modelle103
4.2 Phänomenologische (quasi-dimensionale) Modelle104
4.3 CFD-Codes106
4.3.1 Erhaltungsgleichungen106
4.3.2 Spray-Modellierung107
4.3.3 Dieselmotorische Diffusionsverbrennung110
4.3.4 Ottomotorische Vormischverbrennung112
4.4 Schadstoffbildung113
4.4.1 Stickoxid-Bildung113
4.4.2 Rußbildung114
4.5 Zusammenfassung115
Literatur115
5 Mittelwertund Arbeitstaktsynchrone Simulation von Dieselmotoren117
5.1 Mittelwert-Motormodell118
5.1.1 Luftund Abgaspfad119
a) Ersatzmodell Behälter119
b) Ersatzmodell Drossel121
5.1.2 Turbolader122
a) Verdichtermodell123
b) Turbinenmodell125
c) Wärmeübergangsmodell126
d) Laufzeugmodell127
5.1.3 Zylindergruppe127
a) Motordrehmoment128
b) Zylinderfüllung128
c) Abgasenthalpie128
5.2 Arbeitstaktsynchrones Motormodell129
5.2.1 Luftund Abgaspfad129
5.2.2 Zylindergruppe130
a) Grundgleichungen des Einzonenmodells130
b) Ladungswechsel132
c) Wandwärmeübergang132
d) Verbrennung133
5.3 Echtzeitsimulationssystem134
5.3.1 Echtzeitrechnersystem135
5.3.2 Echtund Ersatzlasten135
5.3.3 Motorsteuergerät136
5.4 Simulationsergebnisse137
5.5 Zusammenfassung139
Literatur140
C Modellbildung durch Motorvermessung auf Prüfständen142
6 Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen143
6.1 Versuchsplanung144
6.1.1 Rastervermessung145
6.1.2 Klassische Versuchspläne145
6.1.3 Space-filling Designs146
6.1.4 D-optimale Versuchspläne147
6.2 Modellbildung150
6.2.1 Polynome151
6.2.2 Neuronale Netze für die stationäre Modellbildung154
6.3 Modellanalyse157
6.3.1 Der159
6.3.2 Gütemaße zur Beurteilung stationärer Modelle161
6.3.3 Resamplingverfahren162
6.3.4 Umgang mit Ausreißern164
6.3.5 Grafische Methoden zur Beurteilung stationärer Modelle165
6.4 Optimierung der Steuerung (ein Beispiel)168
6.4.1 Grundlagen evolutionärer Algorithmen170
6.4.2 Mutation171
6.4.3 Rekombination172
6.4.4 Selektion und Nebenbedingungen173
6.4.5 Optimierungsbeispiel mit evolutionären Algorithmen174
6.5 Zusammenfassung175
Literatur177
7 Dynamische Motorvermessung mit verschiedenen Methoden und Modellen180
7.1 Struktur der modellbasierten dynamischen Motorvermessung181
7.2 Variationsraumvermessung183
7.3 Aufstellung des Kandidatensets (Rasterung des Variationsraums)184
7.4 Auswahl der Amplituden185
7.4.1 D-optimale Versuchspläne185
7.4.2 Raumabdeckende Versuchspläne (Space-Filling Designs)186
7.5 Reihenfolge der Messpunkte für die dynamische Vermessung187
7.6 Quasistationäre Motorvermessung189
7.7 Generierung dynamischer Anregungssequenzen192
7.7.1 Sprungfunktionen192
7.7.2 Rampen192
7.7.3 Pseudo-Rausch-Binär-Signale (PRBS)193
7.8 Kombinierte Vermessungsstrategien194
7.8.1 Einheitliches Bezeichnungsschema für dynamische Vermessungsstrategien194
7.8.2 ADN – Pseudo-Rausch-Binär-Signale mit D-optimalen Amplituden195
7.8.3 SLN – Sprünge in lokal linearen Bereichen basierend auf LOLIMOT196
7.8.4 ALN – APRB-Identifikationssignal mit angepassten Amplituden199
7.8.5 AEN – Dynamische Vermessung auf Basis von ECU-Stellgrößen200
7.9 Dynamische Modellbildung des Verbrennungsmotors200
7.9.1 Local linear model tree – LOLIMOT202
7.9.2 Hinging Hyperplane Tree-Baummodelle – HHT203
7.9.3 Parametrische Volterra-Reihe und Hammerstein-Modelle203
7.9.4 Extraktion der Stationärwerte aus dynamischen Modellen205
7.10 Modellanalyse – Geeignete Kriterien zur Gütebewertung206
7.11 Anwendungsbeispiele207
7.12 Zusammenfassung210
Literatur211
8 Implementierung von Motorvermessungs-methoden für die Prüfstandsautomatisierung213
8.1 Herausforderung in der Kalibrierung213
8.2 Smart Calibration Ansatz214
8.3 Methodische Lösungen215
8.3.1 Besser, schneller und weniger Messen215
8.3.1.1 Besser Messen215
8.3.1.2 Schneller Messen218
8.3.1.3 Weniger Messen220
8.3.2 Arbeiten in allen Entwicklungsumgebungen221
8.4 Implementierung neuer Methoden in SW-Produkte222
8.5 Zusammenfassung224
Literatur224
D Modellgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung für Verbrennungsmotoren und Antriebsstrang226
9 Funktionsentwicklung und Kalibration für aufgeladene Motoren – Modellbasiert vom Konzept bis zur Serie227
9.1 Modulares Konzept der Motorsteuerung EMS 2228
9.2 Der modellbasierte Funktionsansatz229
9.3 Modulare und modellbasierte Funktionen zur Aufladung am Beispiel von Serienlösungen230
9.3.1 Abgasturbolader mit Wastegate230
9.3.1.1 Verdichter, Turbine, Wastegate232
9.3.1.2 Statische und dynamische Leistungsbilanz234
9.3.1.3 Abgasgegendruck235
9.3.1.4 Ladedruckregelung236
9.3.2 Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG)236
9.3.3 Kompressoraufladung240
9.4 Werkzeuge zur Simulation und Kalibration242
9.5 Zusammenfassung244
Literatur245
10 Modellgestützte Ladedruckund Abgasrückführ-Regelung von Dieselmotoren246
10.1 Modellbildung248
10.1.1 Lokal lineare Modellstruktur248
10.1.2 Parameterschätzung251
10.1.3 Lokal lineare Zustandsraumdarstellung252
10.1.4 Identifikation des Dieselmotors252
10.2 AGR-/VTG-Regelungsentwurf257
10.2.1 Vorsteuerung257
10.2.2 Reglerentwurf263
10.2.3 Prüfstandsergebnisse266
10.3 Zusammenfassung269
Literatur269
11 Brennraumdruckregelung von Dieselmotoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI)272
11.1 Die (teil-)homogene Dieselverbrennung273
11.2 Der Versuchsträger275
11.3 Realisierung der homogenen Kompressionszündung an einem seriennahen Dieselmotor276
11.3.1 Untersuchung der homogenen Kompressionszündung und Wahl der Regelgrößen277
11.3.2 Brennraumdruckbasierte Berechnung der Verbrennungsschwerpunktlage282
11.3.3 Brennraumdruckbasierte AGR-Raten-Berechnung282
11.4 Modellbildung des Luftsystems zur Regelung der homogenen Dieselverbrennung284
11.4.1 Identifikation des Luftsystems des Dieselmotors288
11.5 Regelung der homogenen Dieselverbrennung290
11.5.1 Entwurf einer modellbasierten Vorsteuerung zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb290
11.5.2 Regler zur Regelung des Luftsystems im homogenen Dieselbetrieb292
11.5.3 Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage293
11.6 Ergebnisse der Regelung295
11.7 Zusammenfassung298
Literatur299
12 Steuerung und Regelung von Automatikgetrieben301
12.1 Auswahl des richtigen Ganges301
12.2 Schaltablaufsteuerung303
12.3 Geregelte Wandlerkupplung309
12.4 Standabkopplung315
12.5 Zukünftige Rolle des Automatikgetriebes im Antriebsstrang316
12.6 Zusammenfassung317
Literatur318
E Steuerung und Optimierung von Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieben319
13 Energetische Bewertung von Betriebsstrategien im Hybrid-Antriebsstrang320
13.1 Eine einfache Beispielrechnung321
13.2 Bewertung einzelner Hybridmodi: spezifische Kosten und Ersparnisse322
13.3 Vergleich von Hybridmodi im Fahrzyklus326
13.4 Prädiktive Strategie328
13.5 Nichtprädiktive Strategie331
13.6 Hybridmodi und Schaltung333
13.7 Grenzen und Erweiterung der Methodik335
13.8 Zusammenfassung336
13.9 Anhang: Parametrierung des Modells338
Literatur339
14 Modellgestützte Hybrid Systementwicklung – Modellierung und Optimierung340
14.1 Verschiedene Hybridkonzepte340
14.2 Modellierung und Simulation342
14.3 Optimierung346
14.4 Ergebnisse348
14.5 Zusammenfassung351
Literatur352
15 Regelung ausgewählter Hybridtopologien: parallel und leistungsverzweigt353
15.1 Hybridantrieb im Allgemeinen353
15.2 Anforderungen an die Betriebsstrategie355
15.2.1 Energieund Leistungsmanagement-Funktionen355
15.2.2 Drehmomentpfadund Gangsynchronisations-Funktionen356
15.2.3 Hardwarespezifische Maßnahmen356
15.3 Softwareentwicklungsprozess357
15.4 Steuerung und Regelung des Hybridantriebsstrangs358
15.4.1 Genereller Funktionsumfang358
15.4.1.1 Steuergerätexterne Berechnung (Offline)358
15.4.1.2 Steuergerätinterne Berechnung (Online)359
15.4.2 Parallel-Antrieb359
15.4.2.1 Systemarchitektur359
15.4.2.2 Funktionsumfänge360
15.4.2.3 Koordination361
15.4.2.4 Versuch362
15.4.3 Leistungsverzweigter Antrieb363
15.4.3.1 Systemarchitektur363
15.4.3.2 Funktionsumfänge365
15.4.3.3 Koordination368
15.4.3.4 Versuch371
15.5 Zusammenfassung373
Abkürzungen373
Literatur374
16 Modellbasierte Steuerung, Regelung und Diagnose von Brennstoffzellenantrieben375
16.1 Die Umweltstrategie von General Motors375
16.2 Die Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb: Funktionsweise377
16.3 Steuerung und Regelung des Brennstoffzellenantriebs379
16.4 Modellgestützte Betriebsweise und Fehlerdiagnose382
16.4.1 Rekonstruktion nicht oder schwer messbarer Größen383
16.4.2 Modellgestützte Diagnosen383
16.4.3 Anwendungsbeispiel 1: Pumpendiagnose mittels Volumenstrombestimmung im Kühlkreislauf384
16.4.4 Anwendungsbeispiel 2: Modellbasierte Bestimmung des Stickstoffanteils im Anodenkreis387
16.5 Steuerungsund Software-Entwicklungsmethodik393
16.5.1 Einsatz der Simulationstechnik in der Vorentwicklungsphase393
16.5.2 Einsatz der Simulationstechnik in der Produktentwicklungsphase394
16.5.3 Controller Tests an HIL-Simulatoren395
16.5.4 Echtzeitsimulationsumgebungen an Testständen396
16.6 Zusammenfassung396
Literatur398
F Diagnose von Verbrennungsmotoren399
17 Diagnoseentwicklungsmethodik am Beispiel Dieselsystem400
17.1 Status Quo400
17.2 Entwicklungsmethodik bei der On-Board Diagnose403
17.2.1 Prozesselemente der OBD Entwicklung im Systementwicklungsprozess404
17.2.2 System-Anforderungsanalyse und Konzeptentwicklung404
17.2.3 Systementwicklungsunterstützende Elemente und integrierte Entwicklung405
17.2.4 Systemfreigabe Plattform405
17.3 Entwicklungsmethodik Werkstattdiagnose406
17.3.1 Systementwicklung Werkstattdiagnose406
17.3.2 Systemintegration Werkstattdiagnose410
17.4 Toolunterstützung im Diagnose-Entwicklungsprozess412
17.4.1 Toolunterstützung für die DMA413
17.4.2 Entwicklungsumgebung für testerbasierte Diagnosefunktionen und Diagnosesequenzen415
17.4.3 Standardisierte Prüfsprache zum Austausch von Diagnoseinhalten416
17.5 Zusammenfassung417
Literatur418
18 Modellgestützte Fehlerdiagnose eines DI-Benzinmotors420
18.1 Fehlererkennung im Ansaugund Abgassystem421
18.1.1 Modellierung mit lokallinearen Netzmodellen422
18.1.2 Erzeugen von Residuen und Symptomen423
18.1.3 Betriebspunktabhängige Fehlererkennung424
18.1.4 Diagnose im Ansaugund Abgassystem427
18.2 Fehlererkennung im Raildrucksystem428
18.2.1 Waveletanalyse des Raildrucksignals429
18.2.2 Analyse des Drehzahlsignals431
18.2.3 Fehlererkennung und -diagnose im Raildrucksystem432
18.3 Fehlererkennung im Zündungssystem433
18.4 Gesamtdiagnosesystem435
18.5 Zusammenfassung435
Literatur436
19 Modellgestützte Fehlererkennung und Diagnose für Common-Rail-Einspritzsysteme438
19.1 Modellbasierte Fehlererkennung und Diagnose438
19.1.1 Grundlagen438
19.2 Fehlererkennungsmodul „Common-Rail-Einspritzsystem“441
19.2.1 Druckaufbau im Hochdruckspeicher442
19.2.1.1 Volumenstrom von der Hochdruckpumpe444
19.2.1.2 Volumenstrom durch das Druckregelventil446
19.2.1.3 Volumenströme zu den Injektoren447
19.2.2 Analyse des Common-Rail-Drucksensorsignals449
19.2.3 Modellbasierte Fehlererkennungsalgorithmen454
19.2.3.1 Residuum „Mittlerer Common-Rail-Druck“455
19.2.3.2 Gleichmäßigkeitsresiduen457
19.2.3.3 Residuum „Kraftstoffförderung“457
19.2.4 Versuchsergebnisse458
19.2.5 Anwendbarkeit des Fehlererkennungsmoduls bei unterschiedlicher Systemkonfiguration461
19.3 Zusammenfassung und Ausblick464
Literatur464
Sachwortverzeichnis467

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