Magneti Marelli stellt vor: Neues Steuergerätfür MultiAir-System

Mehrfacher NutzenDie MultiAir-Technologie ermöglichtdas individuelle Befüllen jedes einzel-nen Zylinders. Die Nockenprofile –„scharf“ oder „weich“ – können ohneKompromisse entworfen werden. DasEinlasssystem des Motors lässt sich füreine Leistungssteigerung maximieren. Mit Hilfe des VVA können unterschied-liche Nockenformen elektronisch de-finiert werden, welche dann das zu-treffende Ventilöffnungsmanagementsteuern. Dadurch wird es möglich, beiTeillasten das Drehmoment zu erhö-hen, indem man den bei Mehrventil-Motoren typischen Gas-Rückfluss amEinlassventil reduziert. Gegenwärtiglassen sich mit vergleichsweise gerin-gem Aufwand durch MultiAir etwa10 Prozent mehr Leistung und 15 Pro-zent mehr Drehmoment aus einemMotor herausholen; der Verbrauchwiederum sinkt um 10 Prozent.

ECU – Neue Funktionen für MultiAirUm MultiAir zu ermöglichen, entwi-ckelte Magneti Marelli Powertrain einauf dieses System zugeschnittenesSteuergerät (ECU). Es basiert auf dem32-Bit Freescale-Microcontroller derMPC5500-Familie. Die ECU verwaltetalle Motorfunktionen und System-komponenten (einschließlich Venti-len), wodurch sich optimierte Wirt-schaftlichkeit, Leistung und Emissio-nen ergeben. Basierend auf dem De-signkonzept und technischen Spezi-fikationen von Magneti Marelli ver-fügt die ECU über Softwaretreiber fürmehrere Betriebsmodi. Bei der Ent-wicklung und Integration der dedizier-ten Software-Architektur partitionier-te Magneti Marelli die Software inverschiedene Schichten (vom Hard-ware Abstraction Layer, HAL, bis hinzur Anwendungssoftware). Dadurchlassen sich die Softwarekomponen-

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Von Alessandro Palazzi und Roberto Valacca, Magneti Marelli S.p.A., und Arnold Mayr, ETAS

ETAS-Produkte unterstützen Entwicklung der Steuergerätesoftware

Bei herkömmlichen Ottomotoren erfolgt die Gemischladung der Zylinder durch die Einlassventile, während die Arbeits-

zyklen durch die Drehung der Nockenwelle gesteuert werden. Hauptnachteile dieses Verfahrens sind Energieverluste

und mangelnde Anpassungsmöglichkeiten an sich ändernde Fahrbedingungen. „MultiAir“, patentiert durch Fiat Power-

train Technologies (FPT), ist die neue Technologie zur dynamischen Luft- und Verbrennungssteuerung, welche auf jeden

einzelnen Zylinder und einzelne Kolbenbewegungen individuell einwirkt. Dadurch werden höhere Motorleistung,

geringerer Kraftstoffverbrauch und reduzierte Abgasemissionen erzielt.

„MultiAir“ definiert eine neuartige,auf elektromagnetischen Aktorenbasierende integrierte Steuerung desLufteinlasssystems. Die mechanischeÖffnung des Einlassventils wird durcheine Hochdruck-Ölkammer gesteuert.Ein Steuergerät (ECU) regelt das in derKammer befindliche Ölvolumen überein Magnetventil. Mit Hilfe dieserTechnologie kann der Motor sehrflexibel an sich ändernde Anforde-rungen angepasst werden.

Technische InnovationDas Magnetventil folgt ohne direktemechanische Verbindung „kontakt-los” dem Nockenprofil des Einlass-ventils. Beim Schließen des Magnet-ventils wird das Einlassventil durchKontakt mit dem Nockenprofil betä-tigt. Wird das Magnetventil voll ge-öffnet, fließt das Öl aus der Kammerin eine Nebenkammer. Das Einlass-

ventil wird vollständig geschlossen.Auf diese Weise kann, individuellfür jeden einzelnen Zylinder, eineunendliche Anzahl von Ventilzustän-den realisiert werden, ohne die Not-wendigkeit der Druckregulierung imAnsaugsystem.

In einem MultiAir-Motor wird jederZylinder durch eine variable Ventil-hub-Verstellung (Variable Valve Actu-ator, VVA) direkt gesteuert. Dennochwird zur Steuerung einiger dedizierterFunktionen mit definiertem Druckab-fall (z. B. durch das Tankentlüftungs-ventil) der Einlassdruck durch dieDrosselklappe reguliert. Das Hauptziel der Motormanage-mentstrategie ist das Maximieren desWirkungsgrads, das Minimieren vonPumpen-Verlusten und das Erreicheneiner effizienten Verbrennung. Dievorgenannten Ziele werden durch die

Nutzung unterschiedlicher Ventilöff-nungen erreicht:

Fallbeispiel 1: Frühzeitige Ventilschlie-ßung, abweichend von der mecha-nischen Ventilsteuerung durch dasNockenprofil. In diesem Modus, imVergleich zum Ansaugrohr mit An-saugdrossel, reduziert der in denZylinder einfließende Teilluftstrom diedynamischen Verluste. Diese Betriebs-art eignet sich zum Einsatz bei mittle-ren und niedrigen Drehmomenten. Fallbeispiel 2: Verzögerter Ventilöff-nungspunkt verringert den Ventilhub.Beabsichtigt ist hier die Erzeugungeiner starken Verwirbelung des Zylin-derinhalts zur Optimierung des Kraft-stoff-Luftgemischs. Diese „MultiLift“-Betriebsart wird beim Start desMotors eingesetzt und dient derOptimierung der Verbrennungssteu-erung.

High pressure oil chamber

CamPiston

Intake Valve

Solenoid Valve

Modifiziertes Marelli MultiAir-System.

Marelli MultiAir-Steuergerät.

innovativer Technologien in der Kraft-fahrzeugelektronik widmet sich dieArbeit des gemeinsamen Laborsebenfalls der Durchführung von Kun-dentrainings und -veranstaltungen.

Das Labor zeigt die ETAS-Entwick-lungsumgebung für die Kraftfahr-zeugelektronik im praktischen Ein-satz: Von der Funktionsentwicklungmit Hilfe von Rapid Prototyping überdie automatische Codegenerierungfür Zielsteuergeräte, Test und Vali-dierung durch performante Echtzeit-Simulationen von Fahrzeug undUmwelt bis hin zur Applikation. Miteinem kompletten Satz an ETAS-Funktionsmodulen ausgestattet, stelltdas Labor in China die am vollstän-digsten ausgerüstete Umgebung fürdie Entwicklung von Steuergeräte-software dar.

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Joint Lab

Von Jasmine Zhang, ETAS

ETAS China kooperiert mit der Shanghai Jiao Tong University

Im November 2009 unterzeichneten ETAS China und die Shanghai Jiao Tong University (SJTU) einen

Kooperationsvertrag, dessen Umfang auf 1,9 Millionen Yuan beziffert wird. Ziel dieser Vereinbarung

ist die Bereitstellung einer vollständigen, das gesamte ETAS-Produktportfolio umfassenden Werk-

zeugkette zur Abdeckung des gesamten V-Modells. Darin eingeschlossen sind ETAS-Werkzeuge

für Funktions- und Software-Entwicklung, Test, Validierung, Steuergeräte-Applikation und Diagnose.

Zusätzlich werden in naher Zukunftbeide Kooperationspartner, als Be-standteil des kürzlich für die SJTUbewilligten staatlichen Engineering-Labors für Kraftfahrzeugelektronik(State Engineering Laboratory ofAutomotive Electronics), ein gemein-sam betriebenes Labor für die Kraft-fahrzeugregelungstechnik einrichten.Dadurch leistet ETAS erneut im Be-reich Nachwuchsförderung und Ent-wicklung einen wichtigen Beitrag fürdie Automobilindustrie in China.

Chinas „National Engineering Labo-ratory for Automotive Electronic Con-trol Technology“ ist ein wichtiges In-dustrialisierungsprojekt, welches imSeptember 2008 von der Kommissionfür Nationale Entwicklung und Re-form (NDRC) genehmigt wurde. Weitoben auf der Förderliste im Bereichnationale Wissenschaft und Technikangesiedelt, ist diese neu etablierte

Einrichtung mit ihrer 45 MillionenYuan Forschungs- und Entwicklungs-abteilung auf 10.000 Quadratmeterndas einzige für die Kraftfahrzeugelek-tronik zuständige Forschungslabordes Landes. Das Institut wird alsF & E- sowie Technologietransferzen-trum für Kerntechnologien der Fahr-zeugelektronik, Schlüsseltechnologienund Engineering-Anwendungen fürdie chinesische Automobilindustriefungieren. In dieser Eigenschaft dientes ebenfalls als wichtige Basis für Aus-bildungszwecke und internationalenAustausch.

Das durch den Kooperationsvertragvon ETAS und SJTU ins Leben gerufe-ne Labor für Kraftfahrzeugregelungs-technik wird sich hauptsächlich aufForschungsarbeiten im Zusammen-hang mit Projekten beider Seiten kon-zentrieren. Mit dem Hauptaugenmerkauf der Untersuchung und Förderung

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ten bei zusätzlicher einfacher Wieder-verwendung leicht integrieren, testenund applizieren.Die Mehrzahl der Softwarekompo-nenten wurden mit Hilfe modell-basierter Entwicklung implementiert.Der Programmcode wurde auf derBasis von MATLAB®/Simulink®-Mo-dellen direkt erzeugt. Dieser Entwick-lungsansatz führt zu robustem Code,einer dramatischen Verkürzung derSoftware-Entwicklungszeiten und er-möglicht sofortige Anpassungen derSteuerungsstrategien.

Die in der Entwicklung verwendetenECUs basierten auf dem vorgenann-ten Freescale-Microprozessor, instal-liert in einem CSP-Gehäuse („ChipScale Package“) mit „VertiCal Base-board“. Als Schnittstellen für eineAnzahl von ETAS-Tools wurden dieseECUs mit einem parallelen Emulator-Tastkopf ETKV1.0 ausgerüstet.

ETAS-Tools im EinsatzDie Entwicklung der benötigtenSoftwarekomponenten wurde durchdie Rapid Prototyping-SoftwareINTECRIO unterstützt. Zusammenmit den Rapid Prototyping-Hardware-modulen ES1000 und ES910 konn-ten Implementierungsmodelle derSoftware bereits vor der Integrationder Software in das Steuergerät aus-geführt und getestet werden. DasMess- und Applikationssystem INCAwurde hauptsächlich für die Beda-tung der Softwarekomponenten unddie Verwaltung der Applikationsda-ten verwendet. Der Funktionsvielfalt,Vielseitigkeit und einfachen Bedie-nung von INCA ist es zu verdanken,dass die ECU-Entwicklungsarbeitenüber alle Phasen hinweg zügig underfolgreich abgeschlossen werdenkonnten. Was die enorme Anzahl derdurch den ETK gemessenen Variablenund die effiziente Verwaltung derApplikationsdaten anbetrifft, wurdendie einzelnen Entwicklungsphasendurch den Einsatz von INCA erheblichbeschleunigt.

INCA wurde in all jenen typischenSituationen eingesetzt, in denen Appli-kationsdaten angepasst oder modifi-ziert werden mussten:Zum Beispiel am HiL-Prüfstand mitallen Systemlasten, wo das Steuer-gerät mit einem Motormodell ver-bunden wurde; oder am Motoren-prüfstand, wo das Steuergerät überdie Standardschnittstelle ASAP3 vonINCA angeschlossen wurde. Bei derletztgenannten Anwendung übertrugINCA Messgrößen und Applikations-

daten für die automatisierte Applika-tion von Steuerungsstrategien einer-seits und für die Verifizierung desECU-Verhaltens mit einem realenMotor andererseits.Im Zusammenspiel mit ETAS-Mess-modulen (z. B. ES610, ES620, ES650)wurde INCA umittelbar an Bord desTestfahrzeugs eingesetzt. Einsatzzielewaren die Messung und Aufzeich-nung von Analogsignalen und Tem-peraturen. Für besondere Aufgaben,wie z. B. die Kalibrierung des Luft-druckvorhersagemodells, war dieperformante MATLAB®-Schnittstelle(INCA-MIP) von INCA ideal geeignet.Im Verlauf dieser speziellen Anwen-dungsfälle wurden wiederholbareKalibrierabläufe in MATLAB® erzeugtund bei gleichzeitiger Messung einergroßen Anzahl von Variablen mehr-mals ausgeführt. Alles in allem bilde-te INCA die unerlässliche Grundlagefür die Applikation und die Vali-dierung der Softwarekomponenten inden verschiedenen Phasen. Eine An-zahl von INCA-Experimenten wurdein Verbindung mit dem Drive Recor-der ES715 von ETAS durchgeführt.Dank seiner großen Speicherkapazitätund automatischen Datenerfassungermöglichte das ES715-Modul dieDurchführung von Langzeitmessun-gen mit den Testfahrzeugen.

MultiAir-FahrzeugeBei der Fiat-Gruppe stellt der 4-Zylin-der-MultiAir-Motor die neue Referenzfür Benzinmotoren dar. Mit demMotor werden bereits der Alfa MiTound der neue Fiat Punto Evo ausge-stattet. Der Einbau in viele andereModelle der Fiat-Gruppe, wie z. B.Fiat Bravo, Lancia Delta und die neueAlfa Giulietta, ist geplant. MultiAir istebenfalls für die 2-Zylinderversionendes neuen Fiat 500, wie auch für denneuen Panda und Lancia Ypsilon,vorgesehen. Es wird beabsichtigt, den2-Zylinder-MultiAir-Motor in allenverbleibenden Kleinwagen der Fiat-Gruppe anzubieten.

HERAUSFORDERUNGBei herkömmlichen Ottomotoren erfolgt die Gemisch-ladung der Zylinder durch die Einlassventile, während die Arbeitszyklen durch die Drehung der Nockenwellegesteuert werden. Hauptnachteile dieses Verfahrens sind Energieverluste und eingeschränkte Anpassungs-möglichkeiten an sich ändernde Fahrbedingungen.

LÖSUNG„MultiAir“ ist die neue Technologie zur dynamischenLuft- und Verbrennungssteuerung. Um MultiAir zu ermöglichen, entwickelte Magneti Marelli Powertrainein auf dieses System zugeschnittenes Steuergerät(ECU). Zur Entwicklung der benötigten ECU-Software-komponenten stellte ETAS die Hardware- und Software-produkte wie z. B. ETK, ES1000, ES910, ES715, INCA,INTECRIO und mehrere Messmodule zur Verfügung.

NUTZENMultiAir führt zu etwa 10 Prozent mehr Leistung und 15 Prozent mehr Drehmoment insbesondere bei niede-ren Drehzahlen. Dabei reduziert sich der Verbrauch um mindestens 10 Prozent.

Alfa MiTo.