Elektronik Motorsteuerung
Die neue Motorsteuerung ME 7.2 von Bosch für den BMW V8-Motor
Von Dieter Meisberger Christian Albert und Klaus Bourdon
1
Einleitung
Die neuen BMW Achtzylindermotoren wurden nach 1996 [1] durch die zweite Weiterentwicklungsstufe den gestiegenen Anforderungen angepaßt. Dabei standen die Erfüllung neuer gesetzlicher Auflagen (EU3, LEV [2,3]) und die Steigerung des Kundennutzens im Mittelpunkt. Durch den Einsatz der neuen Motorsteuerungsgeneration ME 7 konnten die neuen Motorfunktionalitäten wie elektronische Motorleistungsregelung, kontinuierliche Nockenwellenverstellung und eine effiziente Abgasnachbehandlung realisiert werden.
Nach Jahren der Weiterentwicklung und Anpassung von bestehenden Motormanagementsystemen (M3, M5) an die steigenden Anforderungen der Motoren (Verbrauchssenkung, Leistungssteigerung, ASC, OBD2, Komfortsteigerungen) war ein deutlicher Schritt in der Entwicklung nötig, um auch für künftige Anforderungen gerüstet zu sein. Die ME 7 der Robert Bosch GmbH stellt die Plattform für die nächsten Entwicklungen dar und integriert die Funktionen für Motorsteuerung und E-Gas in einem Verbund.
2
Steuergerät
Die Steuergerätemechanik der ME 7.2 baut konsequent auf die SchalenkonstruktionEinheitsgehäuse auf. In allen Motorbaureihen von BMW wird dieses von Bosch entwickelte Steuergeräte-Gehäusekonzept eingesetzt.
mischen Konzept notwendig. Der Wärmehaushalts war in zweierlei Hinsicht problematisch: 1. Die gestiegenen Funktionaliäten des Steuergerätes wie VANOS, EML und weitere Ausstattungsvarianten erhöhten die Verlustleistung um etwa 20 % (im Vergleich zur M5.2.1). 2. Die Hochintegration der Endstufenbausteine führte zu einer größeren Verlustleistungsdichte (Wärmespots).
Für die Achtzylindermotoren mit integrierter elektronischer Motorleistungsregelung (EML) waren aufbauend auf dem Standardgehäuse weitere Verbesserungen im ther-
Für die ME 7.2-Anforderungen wurden weitergehende detaillierte Simulationen und Temperaturmessungen bei Bosch und bei BMW durchgeführt. Durch den Einsatz von
2.1
Mechanik-Konzept und Wärmehaushalt
826
MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Elektronik Motorsteuerung SK-E Leiterplatte
Leistungsendstufe
SK-E-T Gehäusedeckel
Leiterplatte
Heatsink
Heatsink
Wärmefluß
Wärmeleitmedium
Leistungsendstufe
Gehäusedeckel
Wärmefluß Gehäuseboden
Gehäuseboden
Bild 1: Wärmeableitung bisheriges Konzept
Bild 2: Wärmeableitung neues Konzept
Fig. 1: Heat dissipation, previous concept
Fig. 2: Heat dissipation, new concept
CFD (Computational Fluid Dynamics) konnten frühzeitig die möglichen Verbesserungspotentiale bewertet werden. Das Ergebnis war eine Reduzierung des thermischen Widerstandes durch Schaffung eines vertikalen Wärmeflusses und den Einsatz eines Wärmeleitmediums zwischen Leiterplatte und Bodenplatte, Bilder 1, 2 und 3. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß der Wärmehaushalt beherrschbar ist, aber eine aktive Kühlung bei der derzeitigen Packungsdichte der E-Box im Achtzylindermotor und den Steuergerätespezifikationen unbedingt erforderlich ist.
2.2
Hardware
Das Hardwarekonzept der ME 7.2 stellt eine konsequente Weiterentwicklung der in der M5-Generation verwendeten Prinzipien dar. So wurden insbesondere die Endstufenfunktionen noch stärker integriert als bisher, Bild 4. Dies führte zu einem Endstufenbaustein mit folgendem Umfang: – zwei Treiber mit 2,7 A Leistung – acht Treiber mit 2,2 A Leistung – vier Kleinsignaltreiber mit 0,6 A. Allen Treibern ist die volle Diagnosefähigkeit mit der Unterscheidung aller drei Fehlerfälle (Kurzschluß gegen U-Batt, Kurzschluß gegen Masse, Unterbrechung) gemeinsam. Die Kommunikation mit der Endstufe zur Konfiguration und zur Ermittlung des aktuellen Diagnosestatus erfolgt dabei über eine serielle Schnittstelle. Werden wie im Falle der ME 7.2 mehrere Endstufenbausteine benötigt, so können diese über die Schnittstelle in einer Daisy-Chain Konfigu-
Bild 3: Auschnitt mit Klebung Fig. 3: Cut-out with adhesive bonding
ration gekoppelt werden, ohne daß zusätzliche Steuerleitungen am Prozessor nötig sind. Aus funktionalen Gründen wurden die Heizungen der vier Lambdasonden getrennt. Damit entfällt die Möglichkeit, die Heizleistung mittels des Stromflusses durch die Heizer zu ermitteln, da der für die Meßshunts benötigte Platz auf der Leiterplatte nicht mehr ausreicht. Als Alternative erfolgt die Überwachung der Sondenheizungen durch elektrische Überwachung der Endstufe sowie durch qualitative Bewertung der Heizleistung durch Bestimmung des Innenwiderstandes des Sondenelementes. Durch die Kombination der beiden Methoden können die Anforderungen an die Diagnose der Lambdasondenheizung voll abgedeckt werden.
Das Prozessorsystem besteht aus zwei identischen Prozessoren vom Typ 80C167. Die Prozessoren umfassen insgesamt 96kB ROM on chip. Der Hauptrechner ist zusätzlich mit externem Speicher (512kB Flash, 32kB RAM und 1kB EEPROM) ausgerüstet. Der FlashSpeicher ist mit geeigneten Hilfsmitteln onboard programmierbar, damit ein Programm- oder Datenupdate ohne Austausch des Steuergerätes durchgeführt werden kann. Der Co-Prozessor dient als intelligente Porterweiterung und übernimmt zusätzlich die Funktion eines Watchdogs. Beide Prozessoren sind über eine serielle Schnittstelle gekoppelt. Durch die geeignete Spezifikation des Übertragungsprotokolles ist eine einfache Erweiterung der Funktionen gegeben,
Elektronik Motorsteuerung
Pedalwertgeber, Bremse u. Multifunktionslenkrad
HBrücke
DrosselklappenSteller
8 Zündendstufen
Zündspulen 1 – 8
Hauptrechner
KurbelwellenGeber
Einspritzventile 1 – 8
Endstufen
NockenwellenGeber 1 + 2 Temperaturfühler
Leck-Diagnosemodul
P
RAM
EPROM Relais
NTC
Kennfeldthermostat
Flash
E-Box-Lüfter
NTC
HFM
VANOS 1 + 2 Klopfsensoren
ASIC
M
CAN, Diagnose
Sekundärluftpumpe E-Lüfter
4 Lambdasonden
Bild 4: Hardware Blockschaltbild Fig. 4: Hardware, block circuit diagram
so daß bei Bedarf eines zusätzlichen Einoder Ausganges nicht sofort eine Änderung der ROM-Maske nötig wird.
– Verlagerung laufzeitintensiver Basisfunktionen in das On-Chip-ROM (insgesamt 64kB Code).
Aufgrund der Auslegung der Ports des 80C167 sind keine aufwendigen Eingangsbeschaltungen mehr nötig. Alle übrigen Funktionen, für die keine eigenen Bausteine existieren (Auswertung Induktivgeber für KW, Diagnoseschnittstelle) sind in den Spannungsregler integriert
Vergleichende Messungen des Laufzeitverhaltens mit und ohne die angeführten Maßnahmen haben die Notwendigkeit und die Wirksamkeit der gewählten Methoden bewiesen. Durch die ergriffenen Maßnahmen ist ein sicherer Betrieb auch jenseits der Drehzahlgrenze des Motors bei etwa 6500/min gewährleistet.
2.3
Software
Die ME 7 stellt für Bosch den Einstieg in den Einsatz von Echtzeitbetriebssystemen für Motorsteuerungen dar. Der Einsatz eines Betriebssystemes bringt auch die Verlagerung des Schwerpunktes der Funktionscodierung von Assembler zur Hochsprache (C) mit sich. In Verbindung mit einer standardisierten Dokumentation der Funktionalitäten (ASCET-RS) erlaubt dies insbesondere im Rahmen der Fehlersuche eine schnellere Zuordnung von gewünschter Funktionalität und codierter Software und beschleunigt damit die Fehlersuche. Um trotz der extrem hohen Anforderungen (acht Zylinder und geregeltes VANOS für Ein- und Auslaßseite) die Laufzeitreserven des Systemes nicht auszureizen, wurden verschiedene Maßnahmen eingesetzt: – Abschalten bestimmter Funktionalitäten ab einer Drehzahlgrenze – Aufweitung des höchstprioren Zeitrasters ab einer Drehzahlgrenze
3
Funktionen
Die aus der M5 bekannten Funktionen wurden stark überarbeitet und neu implementiert. Komplett neu hinzugefügt wurden: – elektronische Motorleistungsregelung EML – drehmomentorientierte Funktionsstruktur – Fahrgeschwindigkeitsregler – Regler für das Einlaß-VANOS – neue Lasterfassung mit Saugrohrdruckmodell – Diagnoseprotokoll KWP 2000.
3.1
Drosselklappe über einen elektromotorisch betriebenen Steller wird anschließend durch die Motorsteuerung auf den Betriebspunkt des Motors hin optimiert. Über den Drosselklappensteller wird auch die Leerlaufregelung durchgeführt. Der Leerlaufsteller mit seinen Schlauchverbindungen kann deshalb entfallen.
EML
Das Hauptmerkmal der ME 7.2 stellt die Integration von elektronischer Motorleistungsregelung und Motorsteuerung dar. Der von einem Sensor ermittelte Fahrerwunsch dient als Eingangsgröße für die Motorsteuerungsfunktionen. Die Öffnung der
828
Die Funktion des Fahrgeschwindigkeitsreglers (Tempomat) kann durch die EML ebenfalls in die Motorsteuerung integriert werden. Das Steuergerät wertet die Eingangsinformationen von Multifunktionslenkrad, Bremse und Kupplung aus und führt die gewünschten Stell- und Regelungsvorgänge aus. Das EML-System stellt darüber hinaus auch ein Stellglied für externe Steuergeräte dar. DSC (Dynamische Stabilitäts Control) und die Steuerung des Automatikgetriebes übermitteln über CAN ihre Stellwünsche an die Motorsteuerung, die diese Eingriffe gegenüber ihrer eigenen Ansteueranforderungen bewertet und ausführt. Durch die direkte Beeinflussung der Motorleistung über den Luftpfad können längere Regeleingriffe des DSC harmonisch ausgeführt werden. Insbesondere die Aufregelung des Eingriffes erfolgt wegen der Dämpfung durch das Ansaugvolumen sehr komfortabel.
3.2
Drehmomentorientierte Funktionsstruktur
Die Aufgaben einer modernen Motorsteuerung für einen Ottomotor gehen heute weit über die Steuerung von Einspritzung und Zündung hinaus. Dabei sind zwei Kategorien zu unterscheiden : – höherwertige Steuerungsfunktionen wie die Startsteuerung, die Regelung der Leerlaufdrehzahl des Motors, das „motorische“ Aufheizen des Katalysators, die Begrenzung der maximalen Motordrehzahl sowie der Schutz motorischer Baugruppen (Abgaskrümmer, Katalysator, etc.) vor Übertemperatur etc. – das Zusammenwirken mit übergeordneten Triebstrang- und Fahrdynamikfunktionen, zum Beispiel Fahrkomfortfunktionen zur Dämpfung von Lastwechseln oder Ruckelneigungen, die Fahrgeschwindigkeitsregelung, die Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit, die Optimierung des Gangwechsels bei einer Getriebesteuerung, die Fahrdynamikregelung etc. Bei der Umsetzung dieser Anforderungen hat es die Realisierung der EML ermöglicht, durch die Beeinflussung der Zylinderfüllung MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Elektronik Motorsteuerung in Abweichung von den Vorgaben des Fahrers eine gesteigerte Funktionsgüte zu erreichen. Im hier vorgestellten neuen Ansatz zur Funktionsarchitektur einer Motorsteuerung [6] werden alle Anforderungen, die sich als Drehmoment oder Wirkungsgrad formulieren lassen, tatsächlich auf Basis dieser physikalischen Größen berechnet. Das bedeutet, daß Schnittstellen innerhalb von Funktionen als Drehmomente oder Wirkungsgrade definiert sind. Dies ermöglicht eine klare, überschaubare Funktionsarchitektur, Bild 5. Diese neue Systemarchitektur hat entscheidende Vorteile: – einfache Änderungen/Ergänzungen am Gesamtsystem – vereinfachte Applikation des Steuergeräteverbunds im Fahrzeug durch eine Entkopplung der Applikation von Motorsteuerung und Systemen zur Triebstrang- oder Gesamtfahrzeugsteuerung – gesteigerte Genauigkeit bei der Realisierung angeforderter Momente. 3.2.1 Drehmomentpfade
Zur Erfüllung von Drehmomentanforderungen mit hoher zeitlicher Dynamik wird der Ansatz dahingehend erweitert, daß das resultierende Sollmoment als Ergebnis der Koordination über zwei Pfade realisiert wird: – Der Füllungspfad steuert die füllungsbeeinflussenden Stelleingriffe der Drosselklappe. – Im kurbelwellensynchronen Pfad sind alle Stelleingriffe zusammengefaßt, die das vom Motor abgegebene Moment unabhängig von der Füllung, synchron zum Arbeitstakt des Verbrennungsmotors beeinflussen (wie Einspritz- und Zünd-Timing). Durch die Koordination der beiden Pfade, ergibt sich die Möglichkeit, durch Zündwinkelverstellungen auch schnelle Drehmomenterhöhungen herbeiführen zu können. Das ist relevant für Leerlaufregelung, Start, Getriebeeingriffe und Antriebsschlupfregelung. Ferner ist über diese Abweichung eine gewollte Wirkungsgradverschlechterung realisierbar, die ebenfalls mit einer Zündwinkelspätverstellung einhergeht, was für das schnelle Aufheizen des Katalysators nach dem Start genutzt werden kann. Füllungspfad Bild 6 zeigt den Ablauf der Drehmomentkoordination für den Füllungspfad. Ausgehend vom Fahrerwunsch und der Addition der Zusatzmomente wird durch die MultiMTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Drehmomentorientierte Funktionsstruktur Externe Anforderungen - Fahrer - Fahrkomfort - Geschwindigkeitsregelung - Getriebe - Fahrdynamik
Start, Aufheizen des Katalysators, Leerlaufregelung Wirkungsgrad Drosselklappe Koordination der Momenten- und Wirkungsgradanforderungen
Start Leerlaufregelung
Umsetzung des Moments in die verfügbaren Stellgrößen
Drehzahlbegrenzung
Einspritzzeit Ausblendmuster Zündwinkel
Bauteileschutz
Bild 5: Drehmomentorientierte Funktionsstruktur Fig. 5: Torque-oriented functional structure
Fahrerwunsch für inneres Moment
Leerlaufregelung
Katheizen
*
(1)
(1)
M A X nmax, vmax
M A X
Zündwinkelwirkungsgrad der Grundapplikation
Bauteileschutz
FahrdynamikMSR M I N
M A X
Getriebeschutz FahrdynamikASC
Sollwert Füllungsmoment
Vorhalt für ASC
(1) Zusatzmomente dienen zur Schaffung eines Dynamikvorhalts oder gewollter Wirkungsgradverschlechterung durch Zündwinkelspätverstellung
Bild 6: Momentenkoordination Füllungspfad Fig. 6: Torque co-ordination, charge path
plikation mit dem Zündwinkelwirkungsgrad der Grundapplikation ein eventuell bereits vorhandener Abstand vom Wirkungsgradoptimum berücksichtigt. Durch die anschließende Maximumbildung wird gewährleistet, daß das Fahrerwunschmoment auf jeden Fall realisiert wird. Die darauffolgende Minimum- und Maximumbildungen koordinieren das resultierende Sollmoment mit den drehmomentreduzierenden Eingriffen seitens der Drehzahlbegrenzung, der Geschwindigkeitsbegrenzung, des Bauteileschutzes (Motor), des Getriebeschutzes und des ASC-Anteils der Fahrdynamikregelung sowie des drehmomenterhöhenden Eingriffes der Motorschleppmomentregelung. Bild 7 zeigt die Umrechnung von Sollmo-
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ment in Sollfüllung. Dazu wird der Sollwert für das innere Moment durch das Produkt der Basis-Wirkungsgrade dividiert. Durch Verwendung des inversen Drehmomentkennfelds erhält man den Sollwert für die Frischgasfüllung. In einem weiteren Schritt erfolgt die Berechnung des Sollwerts für den Saugrohrdruck, der als Zwischengröße für die weiteren Berechnungen benötigt wird. Der Rechnung liegt ein Modell für den Zusammenhang zwischen Frischgasfüllung im Zylinder und Saugrohrdruck zugrunde, das in [4] erstmals vorgestellt wurde und gute Übereinstimmung zwischen Modell und Istzustand zeigt. Im letzten Schritt, Bild 8, wird aus dem Sollwert für die Frischgasfüllung der Sollwert für die Ansteuerung der Drosselklappe berechnet. Dieser Sollwert wird ei-
Elektronik Motorsteuerung
Sollwert Füllungsmoment
Berechnung Wirkungsgrade und Momentenbezugsgroßen
3.2.2 Fahrerwunschinterpretation
Sollmoment bezogen auf optimalen Zündwinkel Lambda = 1
Produkt aus Lambda- und ZündwinkelWirkungsgrad Drehzahl
Als letzter Baustein der Gesamtstruktur wird schließlich die Fahrerwunsch- oder Fahrpedalinterpretation benötigt, Bild 11. Da ein aktiver Fahrgeschwindigkeitsregler die Bewegung des Fahrpedals beziehungsweise den über das Fahrpedal formulierten Drehmomentwunsch ersetzt, wird der Eingriff dieses Reglers konsequenterweise auf dieser Ebene eingerechnet. Sowohl das über ein Kennfeld mit einer Progression ausgestattete Fahrpedal als auch der Fahrgeschwindigkeitsregler greifen über einen zwischen 0 und 100 % skalierten Faktor ein. Über geeignete Filter, die zur positiven und negativen Lastschlagdämpfung dienen, ergibt sich schließlich der Drehmomentsollwert für den Fahrerwunsch.
Drehzahl
Momentenkennfeld (1)
M A X
minimale Füllung Drehzahl
B_sa(2) Sollwert Füllung
(1) Kennfelddaten identisch mit Momentenkennfeld bei der Momentenberechnung, hier jedoch invers ausgewertet (2) Bedingung Schubabschaltung aktiv
Bild 7: Berechnung Sollwert Füllung
3.2.3 Berechnung Ist-Wert des Drehmoments
Fig. 7: Calculation of desired value for charge
ner Kennlinie entnommen, in der die Charakteristik des Drosselklappenstellers bei überkritischem Druckverhältnis und Normdichte abgelegt ist. Der Massenstrom bei tatsächlichem Druckverhältnis wird bestimmt durch Bewertung dieses maximal möglichen Massenstroms mit einer Durchflußziffer unter Berücksichtigung der aktuellen Dichte. Die benötigten Zustandsgrößen werden über Modelle und Meßgrößen ermittelt. Bei Kenntnis des Sollwerts für den Massenstrom der Frischgasfüllung kann somit der Sollwert für die Drosselklappenstellung errechnet werden. Ein nachgeschalteter Lageregler stellt die Einhaltung dieses Sollwerts sicher. Kurbelwellensynchroner Pfad Die Koordination der schnellen Eingriffe (Zündwinkel, Ausblendung, Lambda), die kurbelwellensynchron berechnet werden müssen, ist in Bild 9 dargestellt. Berücksichtigt werden die gleichen Sollwerte wie beim Füllungspfad, mit dem Unterschied, daß für das Getriebe der schnelle Eingriff zur Unterstützung des Schaltablaufs hinzukommt und beim ASC-Eingriff der VorhaltAnteil entfällt. Außerdem kommt aufgrund der im Vergleich zu den anderen Eingriffen unterschiedliche Reglerstruktur ein additiver Drehmomenteingriff zur Dämpfung von Triebstrangschwingungen und somit zur Verbesserung des Fahrkomforts hinzu.
ellen Wert des Gemischeingriffs. Analog wirken Ausblendeingriff und anschließender Zündwinkeleingriff zusammen.
Sollwert FrischgasFüllung
*
Drehzahl
Tankentlüftung
Die entscheidende Vereinfachung des zunächst sehr unübersichtlichen empirischen Zusammenhangs zwischen Füllung, Sollwert Luftmassenstrom über Drosselklappe bei Sollwert tatsächlichem und bei Drosselüberkritischem klappe Druckverhältnis
Sollwert Luftmassenstrom -
Charakteristik Drosselklappen -steller
Luftmassenstrom über Tankentlüftung
Sollwert Saugrohrdruck Durchflußfunktion
Druck vor Drosselklappe
Temperatur vor Drosselklappe
Bild 8: Berechnung Sollwert Drosselklappenwinkel Fig. 8: Calculation of desired value for the throttle angle Fahrkomfort Fahrerwunsch nmax, vmax Getriebeschalteingriff
M I N
Fahrdynamik-MSR
M A X
Sollwert inneres Moment
Getriebeschutz
Bild 10 zeigt die aktuell gewählte Kaskadierung der Eingriffe. Zunächst erfolgt der Eingriff über das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Gemisch). Der Eingriff über Einspritzausblendung oder Zylinderstillegung wird aktiv, wenn der Gemischeingriff nicht mehr ausreicht, dazu berücksichtigt er den aktu-
Fahrdynamik-ASC
Bild 9: Momentenkoordination kurbelwellensynchroner Pfad Fig. 9: Torque co-ordination, crankshaft-synchronous path
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Elektronik Motorsteuerung Drehzahl, Lambda, Zündwinkel, Einspritzausblendung und Drehmoment, ergibt sich durch die Einführung des optimalen Zündwinkels und des dazugehörenden Drehmoments, das beim optimalen Zündwinkel den größtmöglichen Wert annimmt. Durch den Bezug auf den optimalen Zündwinkel und die Betrachtung des Moments aus Verbrennung gelingt die in Bild 12 gezeigte Entkopplung der verschiedenen Einflußgrößen. Die Berücksichtigung des Zündwinkeleinflusses in Form einer Kennlinie über dem Abstand zum optimalen Zündwinkel ist in der Tat nahezu unabhängig vom momentanen Betriebspunkt in bezug auf Füllung und Drehzahl.
Sollwert inneres Moment
Inneres Moment bei Basis-Zündwinkel für Lambda = 1
Sollwert Lambda
Beeinflussung Gemisch (z.B. Magerkonzepte)
Istwert Lambda Sollwert Ausblendmuster
Beeinflussung Einspritzausblendung und Zylinderstillegung
Sollwert Zylinderstillegung Istwert Ausblendmuster
Istwert LambdaWirkungsgrad
Istwert Zylinderstillegung Optimales inneres Moment bei Lambda = 1 Optimaler Zündwinkel bei Lambda = 1
Beeinflussung Zündung
Sollwert Zündwinkel
Bild 10: Umsetzung kurbelwellensynchroner Eingriffe
Bild 13 zeigt die Meßpunkte für den gesamten Variationsbereich der Füllung und der Drehzahl für einen konkreten Motor, wie sie sich bei der Ermittlung des Zündwinkelwirkungsgrads in Abhängigkeit von der Zündwinkeldifferenz ergeben. Die zusätzlich eingezeichnete Kennlinie zeigt die in der Motorsteuerung abgelegte Kennlinie.
3.3
Einlaß-VANOS
Durch die kontinuierliche Nockenwellverstellung (VANOS) [5] mit Positionsregelung der beiden Einlaßnockenwellen werden folgende Verbesserungen des Motorbetriebsverhalten erreicht: – Steigerung des Vollast-Drehmoments über dem gesamten Drehzahlbereich – Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs – starke Emissionsabsenkung während der Heizphase des Katalysators – gute Leerlaufqualität. Die Verstellung erfolgt durch Veränderung der relativen Winkellage der Nockenwelle. Verstellrichtung und -geschwindigkeit der Einlaßnockenwelle werden durch ein Regelventil bestimmt, dessen Durchfluß durch Ansteuerung mit unterschiedlichen Tastverhältnissen gesteuert wird. Das Ventil wird in drei Arbeitspunkten betrieben: – Verstellung der Nockenwelle in Richtung früh – Halteposition – Verstellung der Nockenwelle in Richtung spät. Die Messung der Position der Nockenwelle erfolgt abhängig von der Drehzahl vier oder einmal je Nockenwellenumdrehung. Die Lageregelung erfolgt durch einen DreiPunkt-Regler mit integriertem Beobachter. Wesentliches Merkmal des Beobachters ist, daß nicht nur eine gegenwärtige ZustandsMTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Fig. 10: Implementation of crankshaft-synchronous interventions
Pedalwert
skaliertes Wunschmoment
Drehzahl
Faktor zur Momentenskalierung
Geschwindigkeitsregelung
Berechnung max. inneres Moment
MAX
*
Fahrerwunsch für inneres Moment (1) Filterung (Komfortfunktionen)
Inneres Fahrermoment Max. aktuell
-
Skalierungsfaktor
Min. aktuell
Berechnung min. inneres Moment
0 0
(1) Alternative: Vorgabe durch übergeordnete Instanz (Schaltstrategie)
100% Skalierungsfaktor
100% Pedalwert
Bild 11: Fahrerwunschinterpretation Fig. 11: Interpretation of driver's intentions
größe beobachtet wird (Position der Nockenwelle), sondern zusätzlich berücksichtig wird, welche Veränderung diese Zustandsgröße noch erfahren wird, wenn keine weitere Verstellforderung ausgegeben wird. Durch diese Berücksichtigung des TiefpaßVerhaltens der Verstelleinheit ist eine stabile Regelung auch dann möglich, wenn hohe Verstellgeschwindigkeiten und eine große Zeitkonstante vorliegen. Die Lageregelung, Bild 14 oben, erfolgt durch den Vergleich des Sollwertes mit dem geschätzten Winkelwert. Liegt die Abweichung außerhalb des Toleranzbandes, Bild 14 unten, wird eine Verstellung durch Ausgabe des Tastverhältnisses für die Frühverstellung TVfrüh oder für die Spätverstellung TVspät bewirkt. Andernfalls wird das Haltetastverhältnis TVhalten ausgegeben. Die Verstellgeschwindigkeit berücksichtigt
831
nicht nur die Istposition der Nockenwelle, sondern zusätzlich die Verstellung, die zwar angefordert, aufgrund des Tiefpaßverhaltens der Verstelleinheit jedoch nicht umgesetzt wurde. Hierdurch wird eine Verstellung beendet, bevor der Sollwert erreicht ist, und damit der gewünschte Sollwert genau eingestellt. Bild 15 zeigt beispielhaft das Verstellverhalten von beiden Einlaßnockenwellen bei einem Fahrzyklus bei Beschleunigung und anschließendem Schaltvorgang. Mit dem beschriebenen Reglerprinzip ergibt sich eine hohe Regelgüte auch bei schnellen Änderungen des Sollwertes.
3.4 KWP 2000-Programmierung Als Basisverfahren wird bei allen Antriebsteuergeräte von BMW die Flashtechnologie
Elektronik Motorsteuerung Entkopplungsstruktur für den Zusammenhang zwischen Füllung, Drehzahl, Zündwinkel, Lambda und Drehmoment FrischgasFüllung
*
Drehzahl
*
*
LambdaWirkungsgrad
Lambda
Ausblendung Einspritzung Abstand vom optimalen Zündwinkel
Inneres Moment unter Berücksichtigung von Zündwinkel, Lambda und Ausblendung
Reduktionsfaktor
Zündwinkelwirkungsgrad
Fig. 12: Torque calculation model in the control unit
Zündwinkelwirkungsgrad
Abweichung des realen Wirkunggrads von der verwendeten Kennlinie
1.2 1.0 0.8
0.4 0.6 0.2
0
10 20 30 40 Abstand des Zündwinkels vom Optimum in °KW
50
Ergebnis der Fehlerminimierung (quadratisches Optimum) realer Wert für den Wirkungsgrad
Bild 13: Zündwinkelwirkungsgrad, verbleibender Restfehler bei der Entkopplungsstruktur Fig. 13: Ignition angle efficiency, residual errors in the de-coupling structure
als ökonomische Wartungmöglichkeit genutzt. In konsequenter Weiterentwicklung wurde das Verfahren, das bisher auf dem BMW eigenen Diagnoseprotokoll (DS2) basiert, auf das neue Standardprotokoll KWP2000 übertragen.
Im selbem Maße wie das Steuergerät eine Verfeinerung erfuhr, wurde die notwendige Infrastruktur bespielweise um eine datenbankgestützte Verwaltung der Steuergerätedaten für die Programmierung erweitert.
Aus Kompatibilitätsgründen zu bestehendem Buskonzept und Toollandschaft mußte die Baudrate (9,6 kBaud) sowie das Blockframing beibehalten werden. Bei Punkt zu Punkt Verbindung z.B. Offboard Programmierung, wird über eine Umschaltung die höchstmögliche Baudrate von 125 kBaud genutzt.
3.5
Diagnose
Von der Überarbeitung der Funktionen war auch die Speicherung und Verwaltung der Diagnoseergebnisse (Fehlerspeicherverwaltung) betroffen.
832
Um die Kapselung der Fehlerspeicherverwaltung zu erreichen, wurde der Fehlerspeicher objektorientiert aufgebaut. Die Funktionen besitzen keinen direkten Zugriff auf die Stati des Fehlerspeichers mehr, sondern melden ihre Ergebnisse und erhalten die Stati nur über prozedurale Schnittstellen. Dadurch ist gewährleistet, daß diese Informationen im gesamten System konsistent vorliegen und nicht unbeabsichtigt modifiziert werden. Da die Fehlerspeicherverwaltung die gesamte Bearbeitung des Fehlerspeichers zentral vornimmt, ist die Flexibilisierung auch einfach durchzuführen, da nur noch sehr wenige Methoden entsprechend konfiguriert werden müssen. Systemspezifisch sind dabei die Anzahl der Einträge und Sätze für die Umweltbedingungen der Fehlerspeichereinträge. Alle anderen Eigenschaften der Verwaltung der Fehler sind applizierbar. Um die Applikation dieser Eigenschaften übersichtlich zu halten, werden die Fehler Klassen zugeordnet.
Bild 12: Modell zur Drehmomentberechnung im Steuergerät
0.0
Die Überarbeitung war von folgenden Zielen getrieben: – Kapselung des Fehlerspeichers – Steigerung der Flexibilität – Vereinfachung der Applikation.
Die Auswahl der Klassen beinhaltet dabei sowohl standardisierte Vorgaben als auch Klassen, deren Verhalten kundenspezifisch definiert werden kann. Mit Hilfe dieser Werkzeuge kann das Verhalten der Einträge im Fehlerspeicher in weiten Bereichen auf die Anforderung des Anwenders und gesetzliche Randbedingungen (OBDII, EOBD) angepaßt werden.
4
Entwicklungsablauf
Vom Beginn der ersten Gespräche mit dem Entwicklungspartner bis zum Serieneinsatz stand ein Zeitraum von 36 Monaten für die Entwicklung der neuen Motorsteuerung zu Verfügung, Bild 16. Im Rückblick hat sich dies wegen der grundlegenden Neuentwicklung der Motorsteuerungsfunktionen als sehr anspruchsvolle Aufgabe herausgestellt. Ohne die enge Zusammenarbeit der beteiligten Partner bei BMW und Bosch hätte der Serieneinsatz nicht erreicht werden können. Die Basis für die Zusammenarbeit bilden regelmäßige Treffen im Rahmen des SETeams. An diesem Team sind alle Prozeßpartner beteiligt. Damit werden die Informationen über den aktuellen Stand und MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Elektronik Motorsteuerung Durch die Beteiligung der Funktionsentwickler fand ein Informationsaustausch statt, der sowohl zum Verständnis der Funktion bei BMW als auch zur Verfeinerung der Funktionen führte. Diese Vorgehensweise besaß folgende Vorteile: – frühzeitiges Kennenlernen der Funktion bei BMW – Erhöhung der Testtiefe vor Abgabe der Funktion an BMW – Erstbedatung im Rahmen der Test – Verständnis für BMW-Probleme beim Bosch-Funktionsentwickler.
Sollwinkel wnws Verstellgeschwindigkeit vnwgs Tiefpass
Integrator
-
Integrator
Regelabweichung dwnw
-
-
Geschätzter Endwinkel wnwgs
TV spät TV früh
TV aktuell
TV halten Regelabweichung dwnw
Ein weiteres Element der intensiven Zusammenarbeit war die Beteiligung von Applikation und Software auf Erprobungen. Durch die Diskussion der Probleme mit allen Beteiligten war eine schnelle Zuordnung möglich und auch Lösungsansätze konnten gemeinsam erarbeitet und getestet werden. Dies senkte die Bearbeitungzeit deutlich.
>WSNW
Bild 14: VANOS Bestimmung Regelabweichung / VANOS Ausgabe Tastverhältnis Fig. 14: VANOS, determination of deviation/VANOS, output of the duty ratio
Fahrpedal [%] Einlaß öffnet vor UT
Motordrehzahl [1/min]
50 40
Soll Bank 1 Bank 2
6000
20 5000
10 0
4000
—10
100
50
1000 0
0
Zeit [s]
Bild 15: VANOS Regelgüte Fig. 15: VANOS control quality
Wie oben bereits ausgeführt wurde, stellt die ME 7 eine komplette Überarbeitung der MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 12
Die Integration einer elektronischen Motorleistungsregelung eröffnet neue Möglichkeiten für die Steuerung des Motors und bietet zusätzliche Schnittstellen für neue Funktionalitäten, zum Beispiel DSC.
3000 2000
die nächsten Schritte der Entwicklung über die gesamte Prozeßkette verbreitet. Dies ermöglicht auch dem Lieferanten, die Hintergründe für Forderungen zu verstehen und die eigenen Tätigkeiten entsprechend der Bedürfnisse von BMW zu planen und zu priorisieren. Sollten trotzdem Anpassungen der Vereinbarungen nötig sein, werden diese gemeinsam diskutiert, damit das Ergebnis die Bedürfnisse aller Beteiligten berücksichtigt und nicht am Ziel vorbei geht.
Zusammenfassung
Für den überarbeiteten V8-Motor von BMW wurde zusammen mit Bosch eine neue Motorsteuerung (ME 7.2) entwickelt.
7000
30
5
Motorsteuerungsfunktionen dar. In einigen Fällen führte dies sogar völlig zu neuen Lösungsansätzen. Um das Risiko einer überhöhten Zahl von Rekursionsschleifen nach Integration der neuen Funktionen zu reduzieren, wurde die Inbetriebnahme dieser Funktionen gemeinsam durchgeführt. Einige Wochen vor der geplanten Abgabe eines neuen Programmstandes, der die Funktion enthält, fanden Treffen bei Bosch statt. Diese dienten dazu, die neuen Funktionen vorzustellen, abzutesten und eine erste Bedatung vorzunehmen.
833
Für die Funktionsstruktur und die drehmomentrelevanten Grundalgorithmen der Motorsteuerung von Ottomotoren wurde ein durchgängiger Neuentwurf gewählt. Entscheidende Vorteile liegen in der besseren Überschaubarkeit der Gesamtkomplexität, verbunden mit einer Entkopplung der zu applizierenden Daten, der Erweiterbarkeit für neuartige Systemkonfigurationen (etwa Benzindirekteinspritzung) sowie einem hohen Maß an Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit von Software (zum Beispiel als Grundlage für Software-Sharing). Ähnliche Strukturen werden auch bei Dieselmotor-Steuerungen zum Einsatz kommen, wodurch sich Darstellung einer Antriebstrangsteuerung mit weitestgehender Unabhängigkeit vom verwendeten Motorprinzip realisieren läßt und eine solide Grundlage für den zukünftigen Aufbau von weiteren intelligenten Steuerungsdiensten für die Fahrzeugführung bereitsteht.
Elektronik Motorsteuerung Die Verfasser 95
96
97
98
Motor
BG 2.1
BG 2.2
Serie
HW-Muster
B-Muster
C-Muster
Serie
Klaus Bourdon ist in der BMW Antriebsentwicklung tätig. Er ist zuständig für die Serienentwicklung Applikation der V8Motoren.
Funktionalität
Dieter Meisberger ist in der Antriebsentwicklung der BMW AG tätig. Er ist zuständig für die Motorelektronik der V-Motoren.
Bild 16: Entwicklungsablauf Fig. 16: Development procedure
Literaturhinweise [1] Bauer, R.; Brox, W.; Fischer, A;. Hofmann, R.; Lemberger, H.; Städter, J.: BMW V8-Motoren. In: MTZ 57(1996) [2] State of California, Air Resources Board: Proposed California Exhaust Emissions Standards and Test Procedures for 1998 and Subsequent Model Passenger Cars. HEV Workshop, Draft, August 1996 [3] Vorschlag der Europäischen Kommission: Passenger Car Limits in 2000 and 2005. Juni 1996
Christian Albert bearbeitet in der Antriebsentwicklung der BMW AG, die konstruktiven Belange und die Programmierung von Steuergeräten der Motorelektronik.
[4] Hendricks, E ; Chevalier, A. ; Jensen, M. ;Sorenson, S. C.: Modelling of the Intake Manifold Filling Dynamics. SAE Paper 96 0037, 1996 [5] Städter, J. u. a.: BMW V8 Motoren - Lösungen für mehr Umweltverträglichkeit und Kundennutzen. In: MTZ 59 (1998) [6] Benninger, N.F.; Gerhardt, J.; Heß, W. Drehmomentorientierte Funktionsstruktur der elektronischen Motorsteuerung als Basis für Triebstrangsysteme. 6. Aachener Kolloquium Fahrzeug und Motorentechnik 1997
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