Dixon SKD-2300L/UL/B User Manual

Arbeitsspielaufgelöste Modellbildung undHardware-in-the-Loop-Simulation vonPkw-Dieselmotoren mit AbgasturboaufladungVom Fachbereich Elektrotechnik und

X Symbole und AbkürzungenRe [1] Reynolds-Zahls [J/(kg K)] spezifische EntropieS [J/K] EntropieT [K] thermodynamische Temperaturu [J/kg] spezifische inne

84 3 Modellbildung des Abgasturboladers0 0,2 0,4 0,6 0,8 115202530354045505560normierter Steuerstangenweg sVTG [1]~Anstellwinkel αVTG [°] R2 = 0,985f

3.4 Turbinenmodell 8510 20 30 40 50 6000,020,040,060,080,10,12Anstellwinkel αVTG [°]Widerstandszahl ξ′T [1]Bild 3.23: Rechenergebnisse des Leitradverl

86 3 Modellbildung des AbgasturboladersEndeNimm Startwert anBestimme Meridiankomponente .Gl. (3.114)Bestimme th. Umfangskomp

3.4 Turbinenmodell 87ergibt. Die Dichte T2folgt wiederum aus der idealen Gasgleichung. Bild 3.24 zeigt das iterati-ve Berechnungsverfahren. Die Ermit

88 3 Modellbildung des Abgasturboladers1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,200,10,20,30,40,5Druckverhältnis ΠT [1]bez. Massenstrom mT,bez [kg K/(s

3.5 Laufzeugmodell 89Die Stellposition wird wie bei den Drosselersatzmodellen im Luft- und Abgaspfad (siehe Ab-schnitt 2.3.2) durch den Öffnungsgrad 

90 3 Modellbildung des Abgasturboladers0 1 2 3 4 5456sVTG [V]0 1 2 3 4 5468101214x 104Zeit t [s]nATL [1/min]Bild 3.26: Dynamisches Verhalten des Abgas

3.6 Reibmodell 91radL,dWdradFWωLωradL,bBild 3.27: Radialgleitlager (schematisch)Grundlage der Modellierung stellen die in der Basisliteratur [42, 115,

92 3 Modellbildung des AbgasturboladersKeilfläche(Segment)SchmiernutMittlerer DurchmesserSegmentanzahliL,ax,daax,L,daxL,bL,axlL,axzL,axd)(21L,ax,aiL,a

3.6 Reibmodell 931 3 5 7 9 11 13x 10402004006008001000Turboladerdrehzahl nATL [1/min]Reibleistung PR [W] quadrat. mod. theoret.R20,932 0,974rekonstru

Symbole und Abkürzungen XIpZ;max[ıKW] Kurbelwinkellage des maximalen ZylinderdrucksQB;5[ıKW] 5%-Umsatzlage (Verbrennungsbeginn)QB;50[ıKW] 50%-Umsat

94 3 Modellbildung des Abgasturboladersunter der aus Messdaten rekonstruierten Reibleistung liegt. Zur Anpassung des Modells an die ex-perimentell bes

3.7 Wärmeübergangsmodell 95*T0tThm&*T5tThm&*V5tVhm&*V0tVhm&zuÖl,Ölhm&abÖl,Ölhm&WGV,Q&VPWUTL,Q&WKTL,Q&T,GWQ&WTL

96 3 Modellbildung des AbgasturboladersEine Bilanzierung der in das Ersatzmodell ein- und austretenden Wärmeströme liefert den Glei-chungssatzPQT;GWD

3.7 Wärmeübergangsmodell 97Für die Bestimmung von ˛TL;WU;frKund ˛TL;WU;Strsei wiederum auf Anhang B verwiesen. DerEmissionsgrad des Turboladergehäuses

98 3 Modellbildung des AbgasturboladersDie charakteristische Länge in den Gln. (3.166) bis (3.169) bestimmt sich gemäßlTL;WKD4ALKULKD2bLKhLKbLKC hLK:

3.8 Gesamtmodell 990,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,501020304050607080Reynolds−Zahl ReV,GW [1]Nußelt−Zahl NuV,GW [1]x 105 rekonstruiertModellBild 3.31: Verg

100 3 Modellbildung des AbgasturboladersVTG~sVtΠVqVm&Vh-V0TVqiV,aiV,aTqiT,aThTqT0hV5pV0pT5pT0pÖlTReib-leistungWärme-zufuhr nach VerdichtungWärme-a

3.8 Gesamtmodell 101Das dynamische Wärmeübergangsmodell (Abschnitt 3.7) beschreibt den Wärmeaustausch zwi-schen Turbine, Verdichter, Lagergehäuse, Mot

1024 Modellbildung der Zylindergruppe4.1 GrundlagenDer in den Zylindern des Verbrennungsmotors ablaufende Arbeitsprozess stellt einen offenenthermodyn

4.1 Grundlagen 103EinspritzungMaßgebende Parameter der Kraftstoffeinbringung sind der Einspritzbeginn, die zeitliche Formungdes Einspritzverlaufs, die

XII Symbole und AbkürzungenHV Hauptverbrennungi innenK Kolben, KühlmittelKW KurbelwelleLLuftLF LuftfilterLLK Ladeluftkühlermess gemessenMot Motorosz os

104 4 Modellbildung der ZylindergruppeDer sekundäre Strahlzerfall findet stromabwärts im Fernfeld der Düse statt. Die im Düsenbereichgebildeten Tropfen

4.1 Grundlagen 105VerbrennungDie mit dem Zündbeginn einsetzende Verbrennung kann in drei Phasen untergliedert werden, sieheBild 4.2. In der ersten Pha

106 4 Modellbildung der ZylindergruppeEBφφEEφBBφBEφBQ&,InjB,m&ZVφΔ123123vorgemischte VerbrennungDiffusionsverbrennungAusbrandInjB,m&BQ&

4.3 Grundgleichungen des Einzonenmodells 107Tabelle 4.1: Modellansätze zur Berechnung des motorischen Innenprozessesempirische Modelle phänomenolog. M

108 4 Modellbildung der ZylindergruppeBilanzraumvor/rückEV,m&vor/rückAV,m&BB,Qm&&vor/rückEV,hvor/rückAV,h,,,ZZZmTpZZZ bzw. ,λxVZPGWQ&a

4.4 Ladungswechselmodell 109Tabelle 4.2: Variablenzuordnung für die Ventil-DurchflussgleichungEV vorw. EV rückw. AV vorw. AV rückw.pzup2EpZpZp3pabpZp2E

110 4 Modellbildung der ZylindergruppeNockenwinkel θNockenhub sΘ0Θ1Θ2Θ3θ0θ1θ2θ3s1Es2EH0HBild 4.4: Hubverlauf eines ruckfreien Nockens nach [111]Der ge

4.5 Wärmeübergangsmodell 111−360 −270 −180 −90 0 90 180 270 3600246810Kurbelwinkel φ [°KW]Ventilhub hEV/AV [m]EinlassAuslassZOT UT LOT UT ZOTAÖAS,EÖES

112 4 Modellbildung der ZylindergruppeKdFShKAZKA)(LBφABdFSABild 4.6: Wärmeübertragende Wandflächen im BrennraumDabei ist Lder Liefergrad, dKder Kolben

4.5 Wärmeübergangsmodell 113Nach [77] ist bei der Berechnung des Wärmeüberganges neben der direkt vom Arbeitsgas be-aufschlagten Oberfläche auch die Ob

Symbole und Abkürzungen XIIIETK Emulator-TastkopfHFM Heißfilm-LuftmassenmesserHiL Hardware-in-the-LoopMiL Model-in-the-LoopMNEFZ Modifizierter Neuer Eur

114 4 Modellbildung der Zylindergruppeangeben. Dabei sind lGWeine charakteristische Länge, cGeine charakteristische Strömungsge-schwindigkeit des Arbe

4.5 Wärmeübergangsmodell 115270 300 330 360 390 420 45001020304050607080Kurbelwinkel φ [°KW]Zylinderdruck pZ [bar]1000 1/min2000 1/min3000 1/min Mess

116 4 Modellbildung der Zylindergruppe4.6 Phänomenologisches VerbrennungsmodellDas Verbrennungsmodell bildet eine konventionelle Dieselverbrennung mit

4.6 Phänomenologisches Verbrennungsmodell 117FFsrFFVFlammenfrontvolumenDicke der FlammenfrontFFVverbrannte ZoneFlammenfrontunverbrannte ZoneFFsBild 4.

118 4 Modellbildung der ZylindergruppeHier gibt O2;stden stöchiometrischen Sauerstoffbedarf an (O2;st 3;36 kg O2=kg Brennstoff). DieSauerstoffmasse b

4.6 Phänomenologisches Verbrennungsmodell 119Der Dissipationskoeffizient C0Dissin Gl. (4.42) ist wiederum eine Modellkonstante. Unter der An-nahme, das

120 4 Modellbildung der ZylindergruppeDie lokale Kraftstoffkonzentration ˇBin Gl. (4.50) berechnet sich gemäߡBDmB;Diff;verfVR: (4.52)Einsetzen der Gl

4.6 Phänomenologisches Verbrennungsmodell 121340 360 380 4000102030405060Kurbelwinkel φ [°KW]Brennrate dQB/dφ [J/°KW]a)340 360 380 4000102030405060Kur

122 4 Modellbildung der Zylindergruppe4.6.4 MotorbetriebspunktvariationDas dargestellte Verbrennungsmodell beruht weitgehend auf physikalisch-chemisch

4.7 Kurbeltriebsmodell 1230 2 4 6 8 10 12 14 16 18024681012141618Rekon. Zündverzug (DVA) ΔφZV,VV [°KW]Sim. Zündverzug ΔφZV,VV [°KW]R2 = 0,861a)0 2 4 6

XIV

124 4 Modellbildung der ZylindergruppeOTφKWrββcosPlφcosKWrPlKsφsinKWr=βsinPlMotωBild 4.11: Kinematik des KurbeltriebsKinematik des KurbeltriebsAus Bil

4.7 Kurbeltriebsmodell 125φKWrβPlMotωNFKFSFSFTFRFφ+βBild 4.12: Kräfte am KurbeltriebDie über eine Hubbewegung gemittelte Kolbengeschwindigkeit bestimm

126 4 Modellbildung der ZylindergruppeFNund die Pleuelstangenkraft FSzerlegt. Letztere ergibt sich unter Berücksichtigung von Gl. (4.68)und (4.69) zuF

4.7 Kurbeltriebsmodell 127PlSPaboszP,mrotP,mBild 4.13: Punktmassenersatzmodell der PleuelstangeDer oszillierende Anteil der Pleuelmasse wird über ein

128 4 Modellbildung der Zylindergruppemechanischen Verluste zurückgegriffen . Im Rahmen dieser Arbeit kommt ein Rechenansatz ba-sierend auf [53] zur A

1295 Modellbildung des Emissionsverhaltens5.1 GrundlagenWird ein CxHy-Brennstoff vollständig verbrannt, so entstehen gemäß der Bruttoreaktionsglei-chu

130 5 Modellbildung des EmissionsverhaltensBQ&,InjB,m&KurbelwinkelφMesswertim AbgasMesswertim AbgasNOcRußcNOcRußc,,InjB,m&BQ&ZVφΔBild

5.1 Grundlagen 131bestimmenden Schrittes CH CN2! HCN CN sind uneinheitlich (siehe z. B. [90, 216]). Hierauskann abgelesen werden, dass die Prompt-NO-B

132 5 Modellbildung des EmissionsverhaltensBild 5.2: Prozentualer Rußertrag als Funktion von Luftverhältnis und Temperatur [156]Wie bereits angemerkt,

5.2 Modellierungsansätze 133dimensionaler Modelle. Die in der Literatur aufgeführten Verbrennungsmodelle (siehe z. B. [73,108, 146, 196, 202]) berücks

XVKurzfassungZiel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines dynamischen, arbeitsspielaufgelösten Modells einesCRDI-Pkw-Dieselmotors mit Abgasrückführung

134 5 Modellbildung des Emissionsverhaltens5.3 Lokal-polynomiale EmissionsmodelleDer Emissionsmodellierung liegt der Gedanke zugrunde, dass der motori

1356 Bedatung des Motormodells6.1 ModellparameterDas entwickelte Motormodell umfasst etwa 300 Konstanten, Kennlinien und Kennfelder, die zuparametrier

136 6 Bedatung des MotormodellsPrüfstandskonfigurationVersuchsplanungVersuchsdurchführungMessdatenvorverarbeitungParameteridentifikationModellanalyse/

6.2 Identifikationsprozess 137Bild 6.2: Variationsraum der Aktor-Sollwerte sVTG;soll, sDK;sollund sAGRV;sollin den Lastpunk-ten a) nMotD 2000 1=min, ˛p

138 6 Bedatung des MotormodellsZeit tEing. u1Eing. u2Aufzeichnunga)Zeit tEing. u1Eing. u2Aufzeichnungb)Zeit tEing. u1Eing. u2AufzeichnungSprung Rechte

6.2 Identifikationsprozess 139Zeit tqBnMotuVTG,uAGRV,…Bild 6.4: Verstellreihenfolge zur Minimierung thermischer EinschwingprozesseDie erreichbare Model

140 6 Bedatung des MotormodellsNach dem Warmlauf des Versuchsträgers wird der erstellte Messplan mit Hilfe des Prüf-standsautomatisierungssystems abge

6.2 Identifikationsprozess 1410 10 20 30 40 50300310320330340350360370380Zeit t [s]Temperatur T [K]TG,idealTG,messTG,rekona)0 10 20 30 40 5044045046047

142 6 Bedatung des MotormodellsTabelle 6.2: Statistische Fehlermaße zur Bewertung der Abbildungsgenauigkeitmean square error (MSE) normalized mean squ

6.3 Identifikation des Luft- und Abgaspfadmodells 143Verhältnis zur Gesamtquadratsumme (SST). Bei einer sehr guten Approximation ergibt sichein Werte n

XVI

144 6 Bedatung des MotormodellsTabelle 6.3: Experimentell zu bestimmende Parameter des Luft- und AbgaspfadmodellsTeilmodell Parameter  Gleichungen Ve

6.4 Identifikation des Turboladermodells 1450 100 200 300 400 500 600 700 800 9003,544,555,5sVTG,soll [V]0 100 200 300 400 500 600 700 800 900500125020

146 6 Bedatung des MotormodellsTabelle 6.4: Experimentell zu bestimmende Parameter des AbgasturboladermodellsTeilmodell Parameter  Gleichungen Vermes

6.4 Identifikation des Turboladermodells 1470 100 200 3001214161820ΔTVt* = TV5t* − TV0t* [K]a)0 100 200 3001620242832Zeit t [s]|ΔTTt*| = |TT5t*−TT0t*|

148 6 Bedatung des MotormodellsAls Gütekriterium zur Schätzung der Parameter des physikalischen Reibmodells dient wiederumdie Summe der Fehlerquadrate

6.5 Identifikation des Zylindermodells 1496.5 Identifikation des ZylindermodellsDie Identifikation des Zylindermodells beruht auf einer Hoch- und Niederd

150 6 Bedatung des MotormodellsZur numerischen Lösung des zuvor beschriebenen Differenzialgleichungssystems müssen die An-fangsbedingungen, d. h. der

6.5 Identifikation des Zylindermodells 151180 270 360 450 5400123456Kurbelwinkel φ [°KW]Glättungsparameter m [1]ZOTES AÖBild 6.8: Glättungsparameter de

152 6 Bedatung des Motormodells330 340 350 360 370 380 39078910Kurbelwinkel φ [°KW]pZ,mess [bar]ΔφPhaseΔφthermφOT,thermφOTpZ^0 90 180 270 360 450 540

6.5 Identifikation des Zylindermodells 1530 1000 2000 3000 4000 500000,20,40,60,811,21,4Motordrehzahl nMot [1/min]Verlustwinkel Δφtherm [°KW]Bild 6.10:

11 Einleitung1.1 EinführungSeit der Einführung des Dieselmotors in Serien-Pkw im Jahr 1936 [164] ist die Komplexität desAntriebsaggregats drastisch an

154 6 Bedatung des Motormodells320 340 360 380 400 4200102030405060φ [°KW]dQB/dφ [J/°KW]φQB,VV,max.QB,VV,max.φQB,HV,max.QB,HV,max.a)320 340 360 380 40

6.5 Identifikation des Zylindermodells 155Tabelle 6.5: Experimentell zu bestimmende Parameter des Modells der ZylindergruppeTeilmodell Parameter  Glei

156 6 Bedatung des Motormodellsteten Summe zu einer gemeinsamen Gütefunktion zusammengefasst. Diese ist durchJ DMXkD1hwVV;1QPQB;VV;max;DVA.k/ QPQB;V

6.5 Identifikation des Zylindermodells 157minimieren. Die Gütefunktion ist durchJ DMXkD1iASXiDiAÖ.pZ;mess;k.i/  pZ;sim;k.i;//2: (6.50)gegeben. Auch

1587 Modellvalidierung anhand vonPrüfstandsmessdatenUm die Abbildungsqualität des entwickelten und gemäß den Ausführungen in Kapitel 6 parame-trierten

7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten 159auch zu Abweichungen beim Verbrennungsschwerpunkt. Der absolute Fehler der Schwerpunktla-ge erre

160 7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten260 300 340 380 420 4600102030405060Kurbelwinkel φ [°KW]Zylinderdruck pZ [bar]1490 min−13,9 mg/

7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten 161260 300 340 380 420 46001020304050607080Kurbelwinkel φ [°KW]Zylinderdruck pZ [bar]1490 min−116,

162 7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65−50510Arbeitspunkt [1] pmi [bar]R2 = 0,979 DVASim.5 10 15

7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten 163750150022503000EingangsgrößennMot [1/min]600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 11500102

2 1 EinleitungRegelungMotorReglerZylinder-druck-sensorenZylinder-druck-auswertungMotorbetriebspunkt--SteuerungSteuer-kennfeldSoll-wertesoll,QB,50φsoll

164 7 Modellvalidierung anhand von Prüfstandsmessdaten600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150051015x 104nATL [1/min]R2 = 0,941 g)Mess.Sim

1658 Echtzeitsimulationssystem8.1 SystemarchitekturBild 8.1 zeigt die Systemstruktur des HiL-Simulators des Instituts für Automatisierungstech-nik. De

166 8 EchtzeitsimulationssystemBild 8.2: Schematischer Aufbau des DS2210-HIL-I/O-Boards [45]DS1005-ProzessorboardsDie Echtzeitberechnung des Motormode

8.1 Systemarchitektur 167180 360270 450EinspritzsignalVoreinspritzungHaupteinspritzungErfassungsfensterφKurbelwinkel in °KWBild 8.3: Fensterbasiert

168 8 EchtzeitsimulationssystemSensor- und Aktuator-Interface Das Sensor- und Aktuator-Interface stellt eine Reihe von E-/A-Funktionen wie z. B. A/D-W

8.1 Systemarchitektur 169abcdefghiInjektor-ErsatzlastenStrommesskarteSicherungenRaildruckregelventil (DRV)AGR-Ventilelektropneumatischer Wandler (Dros

170 8 EchtzeitsimulationssystemInjI1R2R2L1LBild 8.5: Injektor-ErsatzschaltungDie Injektoren werden durch induktive Ersatzlasten nachgebildet (Bild 8.5

8.2 Softwareumgebung 1718.1.3 MotorsteuergerätAls Prüfling wird exemplarisch ein Applikationssteuergerät EDC16C8 von Bosch eingesetzt. Die-ses bietet s

172 8 EchtzeitsimulationssystemBild 8.7: Modellbibliothek unter MATLAB/Simulink Prozessorauslastung physikalische Funktion der Teilmodelle Zeitsteu

8.2 Softwareumgebung 173Maßnahmen zur Minimierung des Rechenaufwandes auf Softwareseite sind: Vereinfachung der Modellstruktur (Vermeidung identische

1.2 Modellbasierte Softwareentwicklung für Motorsteuergeräte 3teldruck pmi, die Verbrennungsschwerpunktlage QB;50oder der maximale Differenzdruckgrad

174 8 EchtzeitsimulationssystemBild 8.8: Benutzeroberfläche des HiL-Simulators unter ControlDeskUm eine einfache und intuitive Handhabung des HiL-Simul

8.3 Simulationsbeispiel 175ETAS-Echtzeitrechnersystem (ES1000) lassen sich neue Steuergerätefunktionen (wie z. B. Zylin-dergleichstellung, Schwerpunkt

176 8 Echtzeitsimulationssystem2,45 2,5 2,55 2,6 2,6503060pZ,1 [bar]a)2,45 2,5 2,55 2,6 2,658095110mHFM [kg/h].b)0,9911,01p1 [bar]2,45 2,5 2,55 2,6 2,

1779 ZusammenfassungUm Entwicklungszeiten zu reduzieren und Prüfstandsversuche einzusparen, kommen im Software-und Funktionsentwicklungsprozess für Mo

178 9 Zusammenfassungpfad wird nach der Füll- und Entleermethode durch eine alternierende Abfolge von Speicherbau-steinen und Drosselelementen beschri

9 Zusammenfassung 179druckregelung relevanten Verbrennungskenngrößen (mittlerer indizierter Druck, Verbrennungs-schwerpunktlage, Spitzendruck) werden

180A StoffgrößenA.1 VerbrennungsgasDie dynamischen Viskositäten von Luft (  105) und von stöchiometrischem Verbrennungsgas( D 1) können nach [150]

A.3 Kühlwasser 181aus zwei dynamischen Viskositäten 1und 2bei den Temperaturen T1und T2ermittelt werden.In den technischen Datenblättern der Schmier

182B Bestimmung vonWärmeübergangskoeffizientenDie für die Berechnung des Wärmeübergangs in den Rohrleitungen, Behältern und Drosselstellendes Luft- und

B.1 Wärmeübergang zwischen Gas und Wand 183101102103104105106100101102103Reynolds−Zahl Re [1]Nußelt−Zahl Nu [1]lGW/lG = 0,10,010,001Pr = 0,712300Bild

Bitte zitieren Sie dieses Dokument als:URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31658URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3165/Dieses Dokument wird bereitges

4 1 EinleitungBild 1.3: Komplexitätswachstum bei Motorsteuergeräten (Quelle: Bosch); EDC: ElectronicDiesel Control; MIPS: Million Instructions Per Sec

184 B Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten10210310410500,51Reynolds−Zahl Re [1]Gewichtung Φ [1]Φ1Φ223004000Bild B.2: Interpolation zwischen den B

B.3 Wärmeübergang zwischen Wand und Umgebung 185101102103104105106100101102103Reynolds−Zahl Re [1]Nußelt−Zahl Nu [1]lGW/lG = 0,10,010,001Pr = 0,712300

186 B Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizientenzient ˛WUsetzt sich folglich aus dem Wärmeübergangskoeffizienten der freien Konvektion ˛WU;frKund dem Wä

187C Blockschaltbild des EinzonenmodellsZxZλtxddZtddZλVGR1sZu)(Z⋅λ)(Z⋅u)(ddZ⋅tλ)(ZZ⋅∂∂λu)(ZZ⋅∂∂TuZhZZλ∂∂uZTZZTu∂∂ZλMassenbilanzZmtmddZ1s1uH1uHGaszusam

188D Technische Daten und Instrumentierungdes VersuchsmotorsDie im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Identifikations- und Modellierungsansätze werden a

D Technische Daten und Instrumentierung des Versuchsmotors 189LLKAsynchron-maschineHoch-druckp.Oxi-KatAGRKUpUT1p2Vp2LLKp2EpAGRpMotMipZ3p4pDKsAGRVsVTGs

190E Technische Daten und Instrumentierungdes VersuchsladersDer untersuchte Turbolader aus der GT17-Baureihe von Honeywell Garrett ist ein typisches A

E Technische Daten und Instrumentierung des Versuchsladers 191Die Vermessung des Turboladers wird in der realen Einbausituation am Versuchsmotor vorge

192F Motorprüfstand des IATDie experimentelle Untersuchung des Versuchsmotors erfolgt am hochdynamischen Motorprüf-stand des Instituts für Automatisie

F Motorprüfstand des IAT 193MotnKW-Sig.RCP-System 1Simulink-CodeRCP-System 3Simulink-CodePedαRCP-System 4C-CodeRCP-System 2ASCET-CodeTimerkarteControl

1.2 Modellbasierte Softwareentwicklung für Motorsteuergeräte 5 Model-in-the-Loop-Simulation Rapid-Control-Prototyping Software-in-the-Loop-Simulation

194 F Motorprüfstand des IATüber CAN-Bus. Mittels des ES1000-Systems der Firma ETAS (RCP-System 2) können steuer-geräteinterne Größen ausgelesen und a

195G HiL-SimulatorBild G.1 zeigt den HiL-Simulator des Instituts für Automatisierungstechnik. Das Testsystem istin einem rollbaren 19-Zoll-Schrank ver

196H Software-Dokumentation INDIDAT(Indizierdatenanalyse)Das Software-Paket INDIDAT dient der Auswertung und Analyse am Motorprüfstand aufgezeich-nete

H Software-Dokumentation INDIDAT (Indizierdatenanalyse) 197 schleppdruck_INDIRekonstruktion des Schleppdrucks aus dem Zylinderdruck im gefeuerten Bet

198I Software-Dokumentation desSimulationssystemsI.1 EntwicklungsumgebungDie Modellentwicklung und -implementierung sowie die grundlegende Simulations

I.1 Entwicklungsumgebung 199Virtueller Motorprüfstand V5.0BOSCH EDC 16C8 - Opel/Fiat 1.9l JTD_________________________________________________________

200 I Software-Dokumentation des SimulationssystemsSämtliche Parameter sind im MAT-Dateiformat gespeichert. Anhand des Dateinamens ist ersicht-lich, o

I.2 Experimentsteuerung 201 pwm inAnzeige pulsweitenmodulierter Simulatoreingangssignale (z. B. AGR-Ventil-Stellung,VTG-Stellung). pwm outAnzeige pu

202Literaturverzeichnis[1] ADOLPH,Dirk;REZAEI, Reza ; PISCHINGER,Stefan;ADOMEIT, Philipp ; KÖRFER,Thomas ; KOLBECK, Andreas ; LAMPING, Matthias ; TATU

LITERATURVERZEICHNIS 203[13] BAINES, Nick: Radial turbines: An integrated design approach. In: 6th European Conf. onTurbomachinery – Fluid Dynamics an

6 1 Einleitungpiliert und auf einem Echtzeitrechnersystem (RCP-System) implementiert, während alle anderenFunktionen auf dem Steuergerät gerechnet wer

204 LITERATURVERZEICHNIS[26] BOCKHORN, Henning (Hrsg.): Soot Formation in Combustion – Mechanisms and Models.Berlin, Heidelberg : Springer, 1994 (Spri

LITERATURVERZEICHNIS 205[39] CONSTIEN, Martin: Bestimmung von Einspritz- und Brennverlauf eines direkteinspritzen-den Dieselmotors, Techn. Univ. Münch

206 LITERATURVERZEICHNIS[54] FUSCO,A.;KNOX-KELECY,A.L.;FOSTER, D. E.: Application of a phenomenologicalsoot model to diesel engine combustion. In: 3rd

LITERATURVERZEICHNIS 207[67] HAGELSTEIN,D.;BEYER,B.;SEUME,J.;RAUTENBERG,M.;HASEMANN, H.: Heu-ristical view on the non-adiabatic coupling system of com

208 LITERATURVERZEICHNIS[81] ISERMANN,Rolf:Identifikation dynamischer Systeme 1 – Grundlegende Methoden. Berlin,Heidelberg : Springer, 1992[82] ISERMAN

LITERATURVERZEICHNIS 209[95] KARL, Christian ; FELDHAUS, Ulrich: CFD-Simulation für den Kühlkreislauf eines Lkw-Dieselmotors. In: Motortechnische Zeit

210 LITERATURVERZEICHNIS[107] KÖTTER,Hinrich;SEQUENZ, Heiko: Stationäre Motorvermessung mit verschiedenen Me-thoden und Modellen. In: ISERMANN, Rolf (

LITERATURVERZEICHNIS 211[120] LÜCKING, Marcus ; BAAR,Roland;SIEVERT, Mario: Die Turboladermodellierung fürProzessrechnungen bei erweiterter Leistungsb

212 LITERATURVERZEICHNIS[133] MONTGOMERY, Douglas C.: Design and Analysis of Experiments.6.Aufl.NewYork:John Wiley & Sons, 2005[134] MORAAL,Paul;KO

LITERATURVERZEICHNIS 213[146] PATTERSON,M.A.;KONG,S.-C.;HAMPSON,G.J.;REITZ, R. D.: Modeling the effectsof fuel injection characteristics on diesel eng

1.3 Allgemeine Anforderungen an Motormodelle für die HiL-Simulation 71.3 Allgemeine Anforderungen an Motormodelle für die HiL-SimulationDie HiL-Simula

214 LITERATURVERZEICHNIS[158] PISCHINGER, Rudolf ; KLELL, Manfred ; SAMS, Theodor: Thermodynamik der Verbren-nungskraftmaschine. 2. Aufl. Wien, New Yor

LITERATURVERZEICHNIS 215[171] SCHÄUFFELE,Jörg;ZURAWKA, Thomas: Automotive Software Engineering. 3. Aufl.Wiesbaden : Vieweg, 2006[172] SCHERER, Matthias

216 LITERATURVERZEICHNIS[184] SCHWENGER,A.;HINRICHSEN,U.;HENN,M.;HEIMERMANN, C.: Einsatz eines voll-variablen elektromotorischen Ventiltriebs am Verbr

LITERATURVERZEICHNIS 217[198] STODOLA, A.: Dampf- und Gasturbinen. 5. Aufl. Berlin : Springer, 1922[199] STOER, Josef ; BULIRSCH, Roland: Numerische Ma

218 LITERATURVERZEICHNIS[213] WAIBEL, Alexander ; HANAZAWA, Toshiyuki ; HINTON, Geoffrey ; SHIKANO, Kiyohiro ;LANG, Kevin J.: Phoneme recognition usin

LITERATURVERZEICHNIS 219[227] ZADEH, Lotfi A.: Outline of a new approach to the analysis of complex systems anddecision processes. In: IEEE Trans. on S

LebenslaufDer Lebenslauf ist in der Online-Versionaus Gründen des Datenschutzes nicht enthalten.

8 1 EinleitungAusgangs-werteEingangs-werteT0TSMotorsteuergerätEchtzeitsimulatorAHAHTt1Tt2Echtzeit-rechnerSteuer-gerätBild 1.5: Blockschaltbild eines E

1.3 Allgemeine Anforderungen an Motormodelle für die HiL-Simulation 9I/O-KommunikationSteuer-gerätSS Tit =S )1( Ti +0E Tjt =0 )1( Tj +tEchtzeit-rechne

10 1 Einleitungzum nächsten Abtastzeitpunkt mittels eines Halteglieds gehalten. In ganz ähnlicher Weiselässt sich auch das angeschlossenen Motorsteuer

1.3 Allgemeine Anforderungen an Motormodelle für die HiL-Simulation 11Grundprinzip der numerischen Verfahren ist es, das Integrationsintervall Œt0; tE

12 1 EinleitungProjektphaseSteuergerätetest SteuergeräteapplikationLauffähigkeit desSoftwarestandesBasisfunktionalitätgrundlegendeDiagnosefunktionenRe

1.3 Allgemeine Anforderungen an Motormodelle für die HiL-Simulation 13Lauffähigkeit eines neuen Softwarestandes oder den Test von Basisfunktionalitäte

IIIVorwortDie vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei HerrnProf. Dr.-Ing. Dr. h. c. Rolf Isermann am In

14 1 EinleitungEingangsdimensionalität zerlegen und zudem über eine begrenzte Anzahl zu identifizieren-der Parameter verfügen, sind in diesem Punkt kla

1.4 Zielsetzung der Arbeit 15TurboladermodellKraftstoffpfadmodellZylindermodellEmissionsmodellUpUTDRVuVTGuEBφEDφGrößen für Motor-optimierungECU Stellg

16 1 EinleitungAls weitere Zielstellung dieser Arbeit soll eine Bedatungsmethode für das entwickelte Motor-modell entworfen werden. Mit Hilfe der Meth

1.5 Abgrenzung der Arbeit und Eigenleistung 17trischen Elementen nachgebildet, wobei das Trägheitsverhalten der Strömung Berücksichtigungfindet. Angabe

18 1 EinleitungKühler werden rein stationär über einfache Kühlerwirkungsgradkennfelder beschrieben. Die ma-thematische Beschreibung des Turboladers ba

1.5 Abgrenzung der Arbeit und Eigenleistung 19Fokus zusätzlich auf die korrekte Nachbildung des dynamischen Verhaltens der Luft- und Abgas-führung. Zu

20 1 EinleitungZusammenfassend grenzt sich die vorliegende Arbeit von den bisherigen Veröffentlichungen durchfolgende Punkte ab: realitätsnahe Darste

1.6 Inhaltliche Gliederung 21Kapitel 8 präsentiert den Aufbau und die Funktionsweise eines ausgeführten HiL-Testsystems.Es wird auf die Implementierun

222 Modellbildung des Luft- und Abgaspfades2.1 GrundlagenDer Luft- und Abgaspfad des Verbrennungsmotors hat die Aufgabe, dem Motor die für den Ver-bre

2.1 Grundlagen 23Kapitel 3 zu entnehmen. Mit dem Druckanstieg der Ladeluft geht eine unerwünschte Erhöhung derFrischlufttemperatur auf Werte bis über

IVMeinem Vater Ing. (grad.) Günther Zahn, | 1997, gewidmet.

24 2 Modellbildung des Luft- und AbgaspfadesTabelle 2.1: Modellansätze zur Berechnung des Luft- und Abgaspfades0D-Modelle 1D-Modelle 3D-ModelleVertret

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 25Verdichter Ladeluftkühler Drosselklappe EinlasssammlerLuftfilterLFm&Vm&Vm&LLKm&LLKm&

26 2 Modellbildung des Luft- und Abgaspfadeslenwinkel bezogen. Die Modellgleichungen sind Differenzialgleichungen nach dem Kurbelwinkel [176]. Die Um

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 27p Massen- und Enthalpiezuflüssen und q Massen- und Enthalpieabflüssen betrachtet werden. Davon einem S

28 2 Modellbildung des Luft- und AbgaspfadesAls Zustandsgröße zur Charakterisierung der momentanen Gaszusammensetzung im Behälterwird der Luftmassenan

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 29Setzt man die Gln. (2.5) bis (2.7) in Gl. (2.4) ein, so ergibt sich für die zeitliche Ableitung derB

30 2 Modellbildung des Luft- und AbgaspfadesTabelle 2.2: BehälterzeitkonstantenLeitungsabschnitt LeitungsvolumenVBehŒcm3MassenstromPm Œkg=hBehälterz

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 31Massendurchsatz bei inkompressibler StrömungAufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und de

32 2 Modellbildung des Luft- und Abgaspfades0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 55000,010,020,03Δ pLF = pU − p1 [bar]0 50 100 150 200 250 300 350

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 33KβKdFdKegelventilFlachventilBild 2.5: Schematischer Aufbau eines AGR-VentilsSetzt man Gl. (2.24) in

VInhaltsverzeichnisSymbole und Abkürzungen VIIIKurzfassung XV1 Einleitung 11.1 Einführung ... 11.2 ModellbasierteSof

34 2 Modellbildung des Luft- und Abgaspfades0 0,2 0,4 0,6 0,8 1012345678normierter Stellweg sAGRV [1]~Strömungsquerschnitt AAGRV,geo [m2]x 10−4a)0 0,2

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 35DKαBdRdhDK,0αSdBARAEABild 2.7: Schematischer Aufbau einer Drosselklappeder Durchflusszahl CD;AGRVgemä

36 2 Modellbildung des Luft- und Abgaspfades0 10 20 30 40 50 60 70 80 9000,20,40,60,811,21,41,6Öffnungswinkel αDK [°]Strömungsquerschnitt ADK,geo [m2]

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 3711,41,8ΠDK = p2LLK/p2E [1]0 100 200 300 400 500 600 700280310340T2LLK [K]ΠDKT2LLK0 100 200 300 400 5

38 2 Modellbildung des Luft- und Abgaspfades0 50 100 150 20080120160200240mHFM [kg/h].a)0 50 100 150 200310330350370Zeit t [s]T [K]T2VTLLK0 10 20 30 4

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 39Gm&zuG,TabG,TGm&abK,TKm&zuK,TKm&WTBild 2.11: Rohrbündel-Wärmeübertrager (schematisch

40 2 Modellbildung des Luft- und AbgaspfadesGm&zuG,TWTGm&abG,TKm&zuK,TabK,TKm&Bild 2.12: Kreuzstrom-Wärmeübertrager (schematisch)erfol

2.3 Modellbildung mit konzentrierten Parametern 410 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600100160220280mHFM [kg/h].0 200 400 600 800 1000 1200 1400 160029

42 2 Modellbildung des Luft- und AbgaspfadesBild 2.13 stellt die Rechenergebnisse des Wärmeübergangsmodells Messdaten vom Motorprüf-stand gegenüber. G

433 Modellbildung des Abgasturboladers3.1 GrundlagenBild 3.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Pkw-Abgasturboladers. Zu den wesentlichen Bau-gruppe

VI Inhaltsverzeichnis3.4.6 Leitradverluste . . . ... 853.4.7 Turbinenaustrittsenthalpie . ... 873.4.8 Tu

44 3 Modellbildung des AbgasturboladersÖlzulaufLagerungVerdichterlaufradVerdichtergehäuseTurbinenlaufradTurbinengehäuseTurboladerwelleUnterdruck-steue

3.2 Modellierungsansätze 45Abgasturbolader ausgerüstet. Daher liegt diese Regelsystemvariante der nachfolgenden Modell-bildung zugrunde.3.2 Modellieru

46 3 Modellbildung des Abgasturboladersa) b)0 0,05 0,151321,52,5[kg/s] mMassenstro bez.bezV,m&90120140160180310200⋅60,075,0isV,=η65,070,068,0[1]

3.2 Modellierungsansätze 47In ganz ähnlicher Weise erfolgt die Auswertung des Turbinenkennfeldes. Hier kommt als zusätz-licher Kennfeldparameter die V

48 3 Modellbildung des Abgasturboladers0 90 180 270 360 450 540 630 7201,11,21,31,41,51,61,7Kurbelwinkel φ [°KW]Druck p [bar]p2Ep3Δp=0,07 barΔp=0,42 b

3.2 Modellierungsansätze 490 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,1811,522,533,5bez. Massenstrom mV,bez [kg/s].Totaldruckverhältnis ΠVt [1] 08010

50 3 Modellbildung des AbgasturboladersÄhnlich verhält sich die Situation bei der Turbine. Bei der Vermessung des Turbinenkenn-feldes am Komponentenpr

3.2 Modellierungsansätze 51das Prozessverhalten des Abgasturboladers insbesondere für kleine Turboladerdrehzahlenund geringe Massenströme beeinflusst.

52 3 Modellbildung des AbgasturboladersDie erweiterte Turboladervermessung steht auch im Fokus der Arbeit von [168, 169]. Als Ver-suchsträger dient ei

3.2 Modellierungsansätze 53einfachte Variante eines ebenfalls in [186] vorgestellten Modells zur Vorausberechnung der aero-dynamischen Leistung von Ve

Inhaltsverzeichnis VII8.1.1 Echtzeitrechnersystem . . . ... 1658.1.2 Echt- und Ersatzlasten . . . ... 1698.1

54 3 Modellbildung des Abgasturboladers3.2.2 Künstliche neuronale NetzeGrundlagenKünstliche neuronale Netze sind neurobiologisch inspirierte mathemati

3.2 Modellierungsansätze 55Diskussion und LiteraturüberblickNeuronale Netze und Neuro-Fuzzy-Modelle ermöglichen eine schnelle, weitgehend automatisier

56 3 Modellbildung des Abgasturboladersdellierung als Ganzes betrachtet werden (Modellbildung mit konzentrierten Parametern), versuchtdie Stromfadenth

3.2 Modellierungsansätze 57Der Drehimpulssatz wird für den Fall, dass kein Moment übertragen wird, auch häufig in der Formdes Satzes vom konstanten Dra

58 3 Modellbildung des AbgasturboladersNeuronale Netze bieten prinzipiell die Möglichkeit, das stationäre und das dynamische Verhal-ten des Abgasturbo

3.3 Verdichtermodell 59V2V3V4V0 V1V5V2diV1,daV1,dV5ATLωV1V3V2V4acdebbcdeV4V3,bbabcEintrittskanalLaufrad (Splitterrad)RingspaltdePlattendiffusorSpiralg

60 3 Modellbildung des AbgasturboladersV2pV1pV3pV4pV5pV5tpV2tTV2tpV5tTV1tpV0p2/2V0cs2/2V2c2/2V1c2/2V5cV0tTV1tTV0tpV2TV1TV0TV5TV4TV3TV5tV2thh =V1tV0thh

3.3 Verdichtermodell 61hsrealModell*V0tT*Vt,diaΔhV5tTV0tT*V5tT*V0tV0tpp=*V5tV5tpp=VEqVAqiV,Vt,adiΔ ah =*isVt,ΔhVt,isΔhBild 3.7: Diabater Verdichterges

62 3 Modellbildung des Abgasturboladers3.3.3 VerdichterleistungFür die thermodynamische Betrachtung der Verdichterstufe ist die sog. spezifische innere

3.3 Verdichtermodell 63b)c)uV1,cV1uV1αmV1,cV1cV1wV1βthV2,cthV2,βV2cV2wV2uuV2,cthu,V2,cthV2,αV2αuV2,ΔcV2βmV2,cthm,V2,c=SV2,β=mit Vordrallohne Vordrallt

VIIISymbole und AbkürzungenFormelzeichenFormelzeichen für Systemtheoriee FehlerG Übertragungsfunktions Laplacevariablet [s] ZeitT ,  [s] Zeitkonstant

64 3 Modellbildung des Abgasturboladers0 10 20 30 40 50 600102030405060Rekon. spez. innere Arbeit aV,i [kJ/kg]Sim. spez. innere Arbeit aV,i [kJ/kg]R2

3.3 Verdichtermodell 65ATLωATLω−ATLωV2wV2uthV2,wV2βSV2,βuV2,wΔBild 3.10: Relativströmung im Verdichterlaufrad (modizifiert nach [128]): a) schaufelkon-

66 3 Modellbildung des AbgasturboladersQuantifizierung des Schlupfeffekts wird im Rahmen der Stromfadentheorie der bereits eingeführteMinderleistungsfa

3.3 Verdichtermodell 67Wie in Abschnitt 3.3.1 erläutert, ist das Laufrad des Verdichters mit Zwischenschaufeln ausge-stattet. Um den Busemann’schen An

68 3 Modellbildung des Abgasturboladers80 120 160 200 240 280 3200102030405060708090Umfangsgeschwindigkeit uV2 [m/s]Schlupfgeschwindigkeit ΔcV2,u [m/s

3.3 Verdichtermodell 690 10 20 30 40 50 60 700,30,40,50,6Strömungswinkel αV2 [°]Druckbeiwert CV,D [1]a)0 10 20 30 40 50 60 70−0,4−0,200,20,4Strömungsw

70 3 Modellbildung des Abgasturboladerseinfacher Verlustansatz für inkompressible Fluide (V4 V5) nach [86] herangezogen. Dieserberücksichtigt Merid

3.3 Verdichtermodell 71Für Strömungswinkel kleiner 45ıwirkt das Spiralgehäuse wie ein Diffusor. Der DruckbeiwertCV;Sist positiv.Ergänzend ist in Bild

72 3 Modellbildung des AbgasturboladersEndeNimm Startwert anBestimme Meridiankomponente .Gl. (3.33)Bestimme th. Umfangskompo

3.3 Verdichtermodell 73zu bestimmen, der die Prozessgrößen Totaldruckverhältnis …Vt, Turboladerdrehzahl nAT LundMassenstrom PmVin Relation setzt. Der

Symbole und Abkürzungen IX˛ [rad/s2] Winkelbeschleunigung˛ [deg] Absolutströmungswinkel, Leitschaufelwinkelˇ [deg] Relativströmungswinkel, Laufschaufe

74 3 Modellbildung des AbgasturboladersVALLKm&Vl2VpV5pVm&Behälter nach VerdichterWirkendeScheibe(actuator disc)2VT2VVBild 3.14: Verdichterersa

3.4 Turbinenmodell 750 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10,60,811,21,41,61,82bez. Massenstrom mV,bez [kg/s].Totaldruckverhältnis ΠVt [1]SP(mV,bez,SP|ΠVt,SP).0204

76 3 Modellbildung des AbgasturboladersT3dT5T2T1T3T0T4T2T1,bbT0T4T2,DHT3T1aaedbcATLωdbcT2deLaufradAuslasskanalT0...T5 Strömungsquerschnitte(Stromfaden

3.4 Turbinenmodell 77realMod.hs*diaTt,ΔhT5tT*T5tT*isTt,Δh*T0tTT0tTT5tp*T0tT0tpp=*T5tp=TAqTEqiT,adiTt,Δ ah =isTt,ΔhBild 3.17: Diabater Entspannungsproz

78 3 Modellbildung des Abgasturboladersphysikalisch unplausiblen Werte ist die ungeeignete Wirkungsgraddefinition, bei der die Wärme-verluste fälschlic

3.4 Turbinenmodell 79a) b)mit Austrittsdrallohne AustrittsdrallT3αT3cT3wT3βuT3,cT3umT3,cT4cT4wT4uuT4,cmT4,cT4βT4αBild 3.18: Strömungsgeschwindigkeiten

80 3 Modellbildung des Abgasturboladers0 10 20 30 40 50 60 70010203040506070Rekon. spez. innere Arbeit |aT,i| [kJ/kg]Sim. spez. innere Arbeit |aT,i| [

3.4 Turbinenmodell 81T1dT3dT2d1ar2rrDxVTGαDHT2,lM1P1SAeSEeSEl′SAl′DHT2,dM2P2DHT2,αDHT2,c2arNerΦerΦSlSSxrBild 3.20: Vektorgeometrisches Modell des vers

82 3 Modellbildung des Abgasturboladers02468x 10−3Schaufelabstand lT2,DH [m]lT2,DH10 20 30 40 50 6002468x 10−4Anstellwinkel αVTG [°]Strömungsquerschni

3.4 Turbinenmodell 83Seite der Leitschaufel verläuft. Der Strömungswinkel entspricht damit dem in Bild 3.20 aufge-führten Winkel ˛T2;DH. Dieser errech