Rolf Isermann (Hrsg.) Elektronisches Management ... Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

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  • Rolf Isermann (Hrsg.)

    Elektronisches Management motorischer Fahrzeugantriebe

  • Rolf Isermann (Hrsg.)

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

    Mit 318 Abbildungen und 24 Tabellen

    PRAXIS | ATZ/MTZ-Fachbuch

  • Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

    1. Auflage 2010

    Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010

    Lektorat: Ewald Schmitt | Elisabeth Lange

    Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de

    Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.

    Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

    Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Satz: Klementz Publishing Services, Gundelfingen Umschlagbild: 4-Zylinder Dieselmotor 2,2 l Hubraum zur Verfügung gestellt von Daimler Medien Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany

    ISBN 978-3-8348-0855-4

  • V

    Vorwort

    Vorwort Die stark gestiegenen Forderungen zur Erhöhung der Leistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und Emissionen führen bei Verbrennungsmotoren neben konstruk- tiven und thermodynamischen Verbesserungen zu einer Zunahme von Mess- und Stell- größen. Damit steigt die Komplexität der Steuerungs-, Regelungs- und Diagnosefunktio- nen an. Der Entwurf, die Erprobung und Implementierung dieser Managementfunktionen erfordert deshalb verstärkt ein systematisches Vorgehen, umfassende Modellbildungs- und Simulationstools und effiziente Applikationsmethoden. Die aktuellen Entwicklungen sind geprägt durch eine mechatronische Gesamtbetrachtung des Antriebsstranges. Dieses Buch ist aufgrund einer Tagung mit dem Haus der Technik e.V., Essen, im März 2009 an der Technischen Universität Darmstadt entstanden. Nach einer Übersicht der all- gemeinen mechatronischen Entwicklungen bei Verbrennungsmotoren und Hybridantrie- ben wird im Teil A eine Übersicht elektronischer Motorsteuerungen gegeben. Dabei wird auf die Architektur und Funktionen der Software für Otto- und Dieselmotoren eingegan- gen und es wird das Management moderner Pkw-Dieselmotoren und ihre zukünftige Entwicklung beschrieben. Der Teil B enthält Beiträge zur Modellbildung und Simulation. Die Gemischbildung und Verbrennung wird anhand von theoretischen Modellen ver- schiedener Dimensionen und ihrer Simulation für Parameterstudien und experimentelle Analysen betrachtet. Für Dieselmotoren mit Common-Rail Einspritzung folgt eine dyna- mische Modellbildung für das Luftsystem, die Verbrennung und den Turbolader in Form von Mittelwert- und arbeitstakt-synchronen Modellen zur Echtzeit-Simulation. Zur experimentellen Modellbildung auf Prüfständen in Teil C wird sowohl die stationäre als auch dynamische (instationäre) Vermessung mit verschiedenen Methoden wie z.B. dem Design of experiments und der Anwendung bestimmter neuronaler Netzmodelle be- schrieben. Dann werden aktuelle Anforderungen und Ansätze zur Implementierung als Plattformkonzepte angegeben und ihre Realisierung in der Prüfstandsautomatisierung be- trachtet. Die vieldimensionalen und komplexen Steuerungs- und Regelungsfunktionen erfordern zunehmend einen modellgestützten Entwurf. Der Teil D beginnt mit der Funktionsent- wicklung und Kalibration für aufgeladene Ottomotoren und erläutert die Schritte vom Konzept bis zur Realisierung am Beispiel der Ladedruckregelung. Dann wird eine nicht- lineare modellgestützte Ladedruck- und Abgasrückführ-Regelung für Dieselmotoren be- schrieben. Eine weitere modellgestützte Methodik mit nichtlinearen dynamischen Vor- steuerungen und einer Verbrennungsschwerpunkt-Regelung mit Brennraumdrucksenso- ren erlaubt eine homogene Kompressionszündung eines Dieselmotors (HCCI) im Teil- lastbereich, wodurch eine starke Reduktion von NOx und Partikel möglich wird. Es folgt eine Beschreibung der Steuerungs- und Regelungsfunktionen von modernen Automatik-

  • VI Vorwort

    getrieben mit hydraulischem Strömungswandler, Überbrückungskupplung und optimier- ten Schaltvorgängen. Hybrid- und Brennstoffzellen-Antriebe erfordern eine umfangreiche Optimierung, die besonders durch Simulationen zu bewältigen sind. Deshalb wird in Teil D zunächst ei- ne energetische Bewertung verschiedener Betriebsstrategien von Verbrennungsmotor, Elektromotor und Batterien in Form von Kosten erläutert. Eine modellgestützte Sys- tementwicklung im Hinblick auf die Komponenten und optimale Betriebsweisen er- laubt den Vergleich verschiedener Hybridkonzepte. Dann wird auf die Regelung von parallelen und leistungsverzweigten Hybridantrieben eingegangen. Eine objektorien- tierte Modellbildung und Simulation erlaubt dabei Vergleiche und eine Optimierung für bekannte und unbekannte Fahrrouten. Brennstoffzellenantriebe benötigen, neben der Drehmoment-Steuerung mit den Hauptstellgrößen Wasserstoff- und Luftstrom, mehrere Regelungen für das thermische und elektrische System. Dabei werden modell- gestützte Methoden zur Entwicklung vom model-in-the loop bis zum hardware-in-the loop eingesetzt. Prozessmodelle mit virtuellen Sensoren erlauben eine Einsparung von Sensoren und ermöglichen Diagnosefunktionen. Die zunehmende Komplexität der Fahrzeugantriebe erfordert parallel zur Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsfunktionen eine umfassende Diagnose. In Teil D wird ei- ne Diagnoseentwicklungsmethodik für die vorgeschriebenen OBD-Funktionen (On- Board-Diagnose) behandelt. Dabei werden die Schritte von der Anforderungsanalyse, über die Funktionen, Implementierung und Testpläne beschrieben. Die eingesetzten Tools werden sowohl für die On-Board- als auch Werkstattdiagnose erläutert. Dann wird zunächst für einen DI-Benzinmotor mit homogener und geschichteter Verbrennung ge- zeigt, wie man mit nichtlinearen Prozess- und Signalmodellen durch gleichzeitige Aus- wertung mehrerer Sensorsignale verschiedene Fehler diagnostizieren kann. Eine entspre- chende Methodik mit Signalanalysen wird für das Common-Rail-System eines Dieselmo- tors beschrieben, um Fehler der Einspritzpumpe oder der Injektoren zu diagnostizieren. Die einzelnen Kapitel sind als individuelle Beiträge zu betrachten, die die Sicht des je- weiligen Autors darstellen. Sie enthalten sowohl theoretische Ansätze als auch praktische Ergebnisse und sind aktuelle Beispiele für das umfassende Gebiet des elektronischen Managements von Fahrzeugantrieben. Der Herausgeber dankt allen Autoren für die interessanten Beiträge und dem Verlag für die sehr gute Zusammenarbeit. Darmstadt, Januar 2010 Rolf Isermann

  • VII

    Autorenverzeichnis

    Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Bernhard Baaser Adam Opel GmbH, GM Alternative Propulsion Center Europe, Rüsselsheim

    Dr. Thomas Burkhardt Continental Automotive AG, Regensburg

    Dr. Joachim Bußhardt Adam Opel GmbH, GM Alternative Propulsion Center Europe, Rüsselsheim

    Dipl.-Wirtsch.-Ing. Sebastian Clever Institut für Automatisierungstechnik, TU Darmstadt

    Dipl.-Ing. (FH) René Diener Robert Bosch GmbH, Stuttgart

    Dr. Jürgen Dingl Continental Automotive AG, Regensburg

    Christoph Eisath Continental Automotive AG, Regensburg

    Dr. Volker Formanski Adam Opel GmbH, GM Alternative Propulsion Center Europe, Rüsselsheim

    Dr.-Ing. Martin Fritz Robert Bosch GmbH, Plochingen

    Dr.-Ing. Wolf-Dieter Gruhle ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen

    Dr.-Ing. Michael Hackner Robert Bosch GmbH, Stuttgart

    Dipl.-Ing. Thomas Huber Robert Bosch GmbH, Stuttgart

    Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann Institut für Automatisierungstechnik, TU Darmstadt

    Dipl.-Ing. Hinrich Kötter TRW Automotive, Global Control Functions, TechCenter Düsseldorf

    Dipl.-Ing. Martin Kohlhase CLAAS Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH, Harsewinkel

    Dipl.-Ing. Gerhard Landsmann Adam Opel GmbH, GM Powertrain Germany GmbH, Rüsselsheim

    Dr. rer. nat. Walter Lehle Robert Bosch GmbH, Stuttgart

    Dipl.-Ing. Michael Leykauf Adam Opel GmbH, GM Alternative Propulsion Center Europe, Rüsselsheim

  • VIII Autorenverzeichnis

    Dipl.-Ing. (FH) / Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Eike Martini AVL List GmbH, Graz, Österreich

    Dr. rer. nat. Frank Mertins IAV GmbH, Berlin

    Dipl.-Ing. Konstantin Neiß Daimler AG, Sindelfingen

    Dipl.-Ing. Karl von Pfeil John Deere Werke, Mannheim

    Dr.-Ing. Volker Ricken Robert Bosch GmbH, Stuttgart

    Dr.-Ing. Siegfried Saenger Zetina Daimler AG, Sindelfingen

    Dipl.-Ing. Sascha Schäfer Adam Opel GmbH, GM Alternative Propulsion Center Europe, Rüsselsheim

    Dr.-Ing. Torsten Scholt Daimler AG,