FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulation im Maschinenbau Dresdner Tagung Simulation im Maschinenbau Softwaretools und Anwendungen in Lehre, Forschung

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Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau

Dresdner Tagung Dresdner Tagung


Softwaretools und Anwendungen in Lehre, Forschung und PraxisSoftwaretools und Anwendungen in Lehre, Forschung und Praxis

24. /25. Februar 200024. /25. Februar 2000

VortragVortrag

Simulationsmodell eines elektronischSimulationsmodell eines elektronisch

geregelten 6-Zyl.-Dieselmotorsgeregelten 6-Zyl.-Dieselmotors



PedalwertPedalwert

SteuergerätSteuergerät

DieselmotorDieselmotorMotordrehzahl

0...100%

Kraftstoffmenge Spritzbeginn

Lastmoment

Strukturbild der elektronischen DieselregelungStrukturbild der elektronischen Dieselregelung



Verbrennungs-moment

Verbrennungs-moment

MassenmomentMassenmoment

Kompressions-/Expansionsmoment

Kompressions-/Expansionsmoment MotordynamikMotordynamik

ReibmomentReibmoment

Motordrehzahl

SpritzbeginnKraftstoffmenge

Drehwinkel

Lastmoment

-

+M_ke+

-

M_r

+

M_m

+

M_v

M_a

Strukturbild DieselmotorStrukturbild Dieselmotor



Druckverlauf muß bekannt sein

Gasdruckmomente darstellbar

instationäre Vorgänge nur schwer erfaßbar

große Datenmenge

nur das mittlere Drehmoment des Motors darstellbar

periodische Gasdruckmomente nicht darstellbar

Momentenverläufe müssen am Motor aufgenommen werden

keine innermotorische Betrachtung

Fourier-ReihenFourier-Reihen KennfelderKennfelder

Abbildungsverfahren der VerbrennungAbbildungsverfahren der Verbrennung



genaue Abbildung der Verbrennung mittels Vibe-Brennfunktion

Darstellung der periodischen Gasdruckmomente mittels Einzonenmodell

instationäre Vorgänge darstellbar handhabbare Datenmenge

ProzessrechnungProzessrechnung



d

dmTR

d

dRTm

d

dTRm

d

dpV

d

dVp d

dmTR

d

dRTm

d

dTRm

d

dpV

d

dVp

• Zustandsgleichung

d

dm

d

dm

d

dB

d

dm

d

dm LeckAE d

dm

d

dm

d

dB

d

dm

d

dm LeckAE

• Massenbilanz

d

dmh

d

dmh

d

dQ

d

Q

d

dVp

d

umd

d

dU AA

EE

wB

)()(

d

dmh

d

dmh

d

dQ

d

Q

d

dVp

d

umd

d

dU AA

EE

wB

)()(

• Energiebilanz

EinzonenmodellEinzonenmodell



• Drucksteigerung

d

dVp

R

c

d

dQ

Vc

R

d

dp vB

v

1

d

dVp

R

c

d

dQ

Vc

R

d

dp vB

v

1

• Temperatursteigerung

d

dVp

HTc

d

dQ

cmd

dT

uv

B

v

11

1

d

dVp

HTc

d

dQ

cmd

dT

uv

B

v

11

1

Endgleichungen des EinzonenmodellsEndgleichungen des Einzonenmodells



1

1

vm

BD

a

BgesB eQQ

1

1

vm

BD

a

BgesB eQQ

1

1

vm

BD

v am

BDv

BD

BgesB emaQ

d

dQ

1

1

vm

BD

v am

BDv

BD

BgesB emaQ

d

dQ

Vibe-ErsatzbrennverlaufVibe-Ersatzbrennverlauf



d

dQB

Änderung Wärmemenge dQB/dphi - Vibe- Brenngeschwindigkeit dQB/dphi / Kurbelwinkel - DrehwinkelÄnderung Wärmemenge dQB/dphi - Vibe- Brenngeschwindigkeit dQB/dphi / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignalausgang - Kraftstoffmasse mk1 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignalausgang - Kraftstoffmasse mk1 / Kurbelwinkel - Drehwinkel

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

50

100

150

200

250

300

350

400

--

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002kgkg

350 355 360 365 370 375 380 385 390

°

350 355 360 365 370 375 380 385 390

°

mk kgVBEB

EB VB

mk

EB

EB

VB m_k(soll)

VB

dQB/d

[J/°] [kg]

Beispiel eines Brennverlaufes (Vibe)Beispiel eines Brennverlaufes (Vibe)

m_k(soll)



Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ) - Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ)2 / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungsdruck pv (VB-AÖ) - Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ)2 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - Drehwinkel

0

10

20

30

40

50

60

0

10

20

30

40

50

60

barbar

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002kgkg

350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550

°

350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550

°

pv VB m_k(soll)

[kg]EB VB

EB

[bar]

m_k(soll)

pv

Beispiel eines DruckverlaufesBeispiel eines Druckverlaufes



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100bar

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100bar

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

p

p_ke

OT UT OT OTUT

pges

vp

Darstellung des ZylinderdruckesDarstellung des Zylinderdruckes



Vz - 4 / Kurbelwinkel - 3

0

500

1000

1500

2000

0

500

1000

1500

2000cm³cm³

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°Vc

UT OT OTOT UT

Vz

Zylinder- Arbeitsvolumen

V_z

p_ke(phi)

Arbeitsspiel 720°KW

Druck Kompression-Expansion p_ke(180°KW-540°KW)

Eingangsgröße Drehwinkel

p_L

p_ke (720°)

p_ke(phi)

V_z

ckz V)sincos(Ar)(V

1

11

1 22ckz V)sincos(Ar)(V

11

11 22

0

10

20

30

40

50

0

10

20

30

40

50barbar

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

OT UT OT OTUT

pke()Druck Kompression-Expansion pke - Druck Kompression-Expansion pke(180°KW-540°KW) / Kurbelwinkel - Drehwinkel

0

10

20

30

40

50

0

10

20

30

40

50barbar

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

pke()

OT UT OT OTUT

Berechnung des Kompressions- / Expansionsdruckes Berechnung des Kompressions- / Expansionsdruckes

)()(

z

HLke V

Vpp

)()(

z

HLke V

Vpp



Signal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungstemperatur Tv - 6 / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungstemperatur Tv - 6 / Kurbelwinkel - Drehwinkel

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

0.5

1

0

0.5

1

--

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002

0

5e-005

0.0001

0.00015

0.0002

kgkg

0

250

500

750

1000

1250

0

250

500

750

1000

1250KK

350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550

°

350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550

°

EB VB m_k(soll) Tv

[kg] [K]

EBVB

m_k(soll)

Tv

Beispiel eines TemperaturverlaufesBeispiel eines Temperaturverlaufes



0

500

1000

1500

2000K

0

500

1000

1500

2000K

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

T

Tke

OT UT OT OTUT

Tges

vT

Darstellung der BrennraumtemperaturDarstellung der Brennraumtemperatur



-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500Nm

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500Nm

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

0 90 180 270 360 450 540 630 720

°

M

OT UT OT OTUT

Reibmoment

Antriebsmoment

Massenmoment

Verbrennungsmoment

Kompressions-Expansionsmoment

Darstellung des AntriebsmomentesDarstellung des Antriebsmomentes



Leerlauf-Regler

Leerlauf-Regler

Vollast-Begrenzung

Vollast-Begrenzung

Enddrehzahl-Regler

Enddrehzahl-Regler

Fahrverhalten-Kennfeld

Fahrverhalten-Kennfeld

Minimal - Auswahl Minimal - Auswahl

Spritzbeginn-Kennfeld

Spritzbeginn-Kennfeld

Motordrehzahl Pedalwert

Spritzbeginn Kraftstoffmenge

+

m_Fahr

+m_LLm_End

m_Begrenz

Strukturbild SteuergerätStrukturbild Steuergerät



n(End)

-

-

P-Regler

I-Reglern(soll)=35001/min

Summe( P+ I )+

+

KRück

VerstärkungI-Anteil

m_End

n(ist) Zuweisungm_End

pos. Begrenzer

+

Makro Enddrehzahlregler: Rückgekoppelter PI-Regler

Regelung der EnddrehzahlRegelung der Enddrehzahl



Simulationsmodell 6-Zyl.-DieselmotorSimulationsmodell 6-Zyl.-Dieselmotor



Antriebsmoment an Zylinder 1 bzw. Antriebsmoment an Zylinder 1 bzw. Gesamtantriebsmoment an der KurbelwelleGesamtantriebsmoment an der Kurbelwelle



Verhalten von Einspritzmengenstreuungen auf den DrehzahlverlaufVerhalten von Einspritzmengenstreuungen auf den Drehzahlverlauf• Zyl. 1 mit m_k(stör) : + 2mg Kraftstoff • Zyl. 3 mit m_k(stör) : - 1mg Kraftstoff• Zyl. 5 mit m_k(stör) : + 5mg Kraftstoff



Verwendungszweck des SimulationsmodellsVerwendungszweck des Simulationsmodells• Simulation in der Ingenieurausbildung

- Verständnis der komplexen Teilprozesse- mechatronische Gesamtbetrachtung des Systems

• Untersuchung der dynamischen Beanspruchung verschiedener Motorkomponenten

• Systementwicklung in der Kraftfahrzeugtechnik- Laufruheregelung- Fahrgeschwindigkeitsregelung, -begrenzung- Ruckeldämpfer- Zylinderabschaltung etc.

• Dynamikuntersuchungen an Fahrzeugsträngen unter Verwendung einer realitätsnahen Antriebsquelle

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