ENTWICKLUNG

Berechnung und Simulation

Typisches Steuergerät für Common-Rail-Dieselmotoren Typical control unit for common-rail diesel engines

Echtzeitfähige Simulation von Common-RailTurbodieselmotoren Die Entwicklung von Steuergerätefunktionen am realen Verbrennungsmotor wird zusehends von der modellbasierten Entwicklung ergänzt. Dabei kommen detaillierte Motormodelle zum Einsatz, die abhängig von der Anwendung auch auf geeigneter Hardware in Echtzeit ausführbar sein müssen. Am Beispiel der Simulation von Common-Rail-Turbodieselmotoren gibt der Beitrag einen knappen Überblick über das Motormodell en-Dyna der Tesis Dynaware GmbH, das vielfach für Entwicklung und Überprüfung von Motorsteuergeräte-Funktionen im Einsatz ist.

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MTZ 5/2004 Jahrgang 65

Der Autor Dipl.-Math. Oliver Philipp ist Leiter Motordynamik bei der Tesis Dynaware GmbH in München.

1 Einleitung

Für die modellbasierte Entwicklung der Software von Motorsteuergeräten muss ein Motormodell verfügbar sein, das die Realität so genau abbildet, dass die Software es als realen Motor akzeptiert. Dies beinhaltet die korrekte physikalische Abbildung der wichtigsten Phänomene, weil moderne Steuergerätefunktionen überprüfen, ob die Sensorsignale plausibel sind. Sollen im Rahmen der Entwicklung auch Tests am Hardware-in-the-Loop-Simulator durchgeführt werden, wird notwendigerweise ein in Echtzeit zu simulierendes Modell benötigt, was die mögliche Modellierungstiefe begrenzt. Für Simulationen auf dem PC ohne Echtzeitanforderungen im Rahmen eines Software-in-the-Loop-Ansatzes ist eine kurze Rechenzeit sehr erwünscht, damit die Ergebnisse von Parametervariationen schnell verfügbar sind. In den folgenden Abschnitten wird das echtzeitfähige Motormodell en-Dyna von Tesis Dynaware in Teilen vorgestellt. Die Modellbeschreibung beschränkt sich auf Luftpfad, Kraftstoffpfad und Drehmomentsimulation eines Common-Rail-Turbodieselmotors. Für weitergehende Informationen wird auf [1] und [2] verwiesen. 2 Modellbeschreibung

Das Motormodell ist ein Mittelwertmodell, das so weit, wie es im Rahmen der Echtzeitforderung möglich ist, auf physikalischen Gesetzen basiert. Komplexere Zusammenhänge sind in Kennfeldern abgelegt; diese Modellparameter sind komplett von den eigentlichen Formeln abgetrennt. Zur Berechnung der Zylinderluftfüllung ist im ersten Schritt die Simulation des Luftpfads erforderlich. Dieser besteht aus Turbolader (Verdichter), Drosselklappe, Saugrohr und Zylinderfüllung. Wesentlich ist hierbei die Simulation des Saugrohrdrucks. Der Druck wird nach der Füll- und Entleermethode mit Hilfe der Zustandsgleichung idealer Gase simuliert. Der dem Saugrohr zugeführte Luftmassenstrom wird über die Drosselgleichung berechnet (Simulation der Drosselklappe); dabei geht insbesondere das Druckverhältnis zwischen Saugrohrund Ladedruck ein. Der Luftmassenstrom

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vom Saugrohr in die Zylinder wird mit dem Luftaufwandkennfeld und der MotorPumpgleichung berechnet. Damit ist die Luftmasse im Zylinder bekannt. Beim Dieselmotor ist die eingespritzte Kraftstoffmasse neben der Motordrehzahl die zentrale Größe, die das motorische Verhalten bestimmt. Die korrekte Simulation des Kraftstoffpfads im zweiten Schritt ist daher sehr wichtig. Das Niederdruck-Kraftstoffsystem, bestehend aus elektrischer Kraftstoffpumpe und Kraftstoffspeicher (Verschlauchung), wird zur Simulation des Eingangsdrucks der Hochdruckpumpe be-

nötigt. Ein zu niedriger Kraftstoffdruck führt zu einer Verringerung der Fördermenge durch die Hochdruckpumpe. Der maximal durch die Hochdruckpumpe förderbare Volumenstrom ist durch die Abmessungen des Pumpenkolbentriebs (Hub und Durchmesser des Kolbens), durch die Kolbenzahl und die Pumpendrehzahl definiert. Dieser wird jedoch bei einigen Pumpenkonstruktionen durch ein Zulaufbegrenzungsventil gemindert, welches von der Motorsteuerung geregelt wird. Der in den Hochdruckspeicher gepumpte Volumenstrom wird hieraus berechnet, in-

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M(ϕ ) = MV (ϕ ) + M R + M P (ϕ ) + M K (ϕ ) + MO (ϕ ) + MZ M (ϕ ) = M

ϕ1 + ϕ

∫

Bernd Gottschalk, Ralf Kalmbach

ϕ1

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d dϕ

ϕ1 + ϕ

∫

˜ (ϕ*)dϕ* = M

ϕ1

M(ϕ* )dϕ* =

ϕ1 + ϕ

∫

d [ F(ϕ 1 + ϕ ) − F(ϕ 1)] dϕ

Mdϕ* = Mϕ

Gl. (1)

Gl. (2)

Gl. (3)

ϕ1

dem die Kompressibilität des Kraftstoffs berücksichtigt wird. Der Raildruck wird über ein Behältermodell mit der Füll- und Entleermethode berechnet. Dabei wird die Kompressibilität des Kraftstoffs berücksichtigt. Bei der Simulation des Einspritzventils zur Berechnung der eingespritzten Kraftstoffmasse sind bei Common-Rail-Dieselmotoren Mehrfacheinspritzungen zu berücksichtigen. Die Implementierung ist daher so gewählt, dass eine beliebige Anzahl von Einspritzdauern an das Einspritzventilmodell übergeben werden kann, aus denen die zugehörigen eingespritzten Kraftstoffmassen berechnet werden. Die eingespritzten Kraftstoffmassen pro Zylinder können dann durch Summieren der pro Einspritzimpuls injizierten Massen dieses Zylinders berechnet werden. Zur Berechnung der eingespritzten Kraftstoffmasse wird zunächst von der Einspritzdauer ein

Offset abgezogen, welcher der Ventilöffnungs- und Schließzeit entspricht. Die so erhaltene effektive Einspritzdauer bestimmt über das Injektorkennfeld zusammen mit der Druckdifferenz am Ventil (Raildruck minus Zylinderdruck) die eingespritzte Kraftstoffmasse. Dieses Railsystemmodell kann alle heute gebräuchlichen Varianten simulieren. Die konstruktiven Unterschiede lassen sich dabei über unterschiedliche Parametersätze abbilden. So ist beispielsweise das Injektormodell gleichermaßen zur Simulation von Magnet- und Piezoinjektoren geeignet. Im dritten Schritt erfolgt die Drehmomentsimulation. Das Moment am Schwungrad M(ϕ) setzt sich in der Simulation aus dem Verbrennungsmoment MV, dem Reibmoment MR, dem Pumpmoment MP, dem Kompressionsmoment MK, dem Moment der oszillierenden Massen MO

2 Modellbeschreibung

B. Gottschalk, R. Kalmbach

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Änderungen vorbehalten. Stand: Oktober 2003.

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Bild 1: Graph der Formfunktion-Technik Figure 1: Graph of the shape function technique

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und dem Moment der Zusatzaggregate MZ zusammen, Gl. (1). Die Momente MV, MP, MK und MO werden zunächst als Werte ––– (mittlere Momente M ) berechnet, die während eines Arbeitsspiels konstant sind. Aus den mittleren Momenten wird dann mit der so genannten FormfunktionTechnik ein kurbelwinkelsynchrones Moment ermittelt, Gl. (2). Dazu wird in einer Kennlinie ein angenommener Verlauf des Moments über dem Kurbelwinkel vorgegeben, Bild 1. Das Moment zu einem vorgegebenen Kurbelwinkel ϕ folgt aus der Bedingung, dass die mechanische Arbeit des mittleren Moments der mechanischen Arbeit des modulierten Moments während eines Arbeitsspiels entsprechen muss, Gl. (3). Auf diese Weise erhält man einen im Mittel dem mittleren Moment äquivalenten Drehmomentverlauf, der eine realistische Simulation der Motordrehzahl ermöglicht; dies ist für moderne Steuergerätefunktionen wichtig, siehe auch [3].

Schwingungen sehen

3 Anwendungsbereiche

Die modellbasierte Entwicklung von Steuergerätefunktionen kann mit dem vorgestellten echtzeitfähigen Motormodell enDyna durchgeführt werden. Bestehende Anwendungen reichen von der Entwicklung von Steuergerätefunktionen bis zu deren Prüfung. Beispiele sind in [4] zu finden. Das Modell kann dabei sowohl für Untersuchungen mittels Software-in-theLoop-Methodik als auch in Hardware-inthe-Loop-Prüfständen ohne Änderungen genutzt werden. Damit wird Pflegeaufwand für verschiedene Modelle und Parametrisierungen vermieden [5]. Literaturhinweise [1] [2] [3]

[4]

[5]

Tesis Dynaware (Hrsg.): en-Dyna – Model Overview and Assumptions. Handbuch, München, 2003 Tesis Dynaware (Hrsg.): en-Dyna – Block Reference Manual. Handbuch, München, 2003 Schmidt, T.; et al.: Drehzahlbasierte Bestimmung des Motordrehmoments. Tagungsband zum 4. Symposium Steuerungssysteme für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, Berlin, 2003 Caraceni, A.; et al.: Benefits of Using a Realtime Engine Model During Engine ECU Development. SAE Paper No. 2003-01-1049, Warrendale, USA Philipp, O.; Chucholowski, C.:Spezielle Anforderungen an die Simulation aufgeladener Common-Rail-Dieselmotoren im HIL-Betrieb. Tagungsband zur Tagung „Hardware-in-theLoop-Simulation in der Fahrzeugentwicklung – Methoden und Anwendungen“, Haus der Technik, Essen, 2001 For an English version of this article, see MTZ worldwide For information on subscriptions, just call us or send an email or fax.

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