Modellgestützte Steuerung, Regelung und Diagnose von Verbrennungsmotoren

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

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Rolf Isermann (Hrsg.)

Modellgestützte Steuerung, Regelung und Diagnose von Verbrennungsmotoren

Mit 254 Abbildungen und 26 Tabellen

Springer

Professor Dr.-Ing. Rolf Isermann

Technische Universität Darmstadt FB 18, Institut für Automatisierungstechnik Landgraf-Georg-Straße 4 64283 Darmstadt

E-mail: risermann @ iat. tu-darmstadt. de

ISBN 978-3-540-44286-8 ISBN 978-3-642-55698-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-55698-2

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Satz: PTPSossna, Berlin Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/ 3020hu -5 4 3 2 1 0 -

Vorwort

Die Steuerungs- und Regelungstechnik mit moderner Sensorik, Aktorik unddigitaler Signalverarbeitung hat einen hohen Anteil an den Innovationen beiVerbrennungsmotoren. Sie ist integraler Bestandteil von mechatronischenEntwicklungen und erlaubt vielfaltige neue Funktionen. Der Entwurf, dieErprobung und die Implementierung der Motor-Steuerungen und Regelun-gen erfordert nun zunehmend rechnergestutzte Methoden auf der Basis von¨mathematischen Modellen der Verbrennungsmotoren.Im ersten Teil des Buches werden die Grundlagen zur Steuerung und Rege-

lung des Motors betrachtet. Dabei wird der derzeitige Stand der drehmomen-torientierten Struktur und der automatisierten Applikation der Steuerungenbeschrieben.In einem zweiten Teil folgen Methoden der theoretischen und experimen-

tellen Modellbildung (Identifikation) von Verbrennungsmotoren. Nach einerEinfuhrung in die Methoden der Modellbilung werden zun¨f¨f achst theoretische¨Brennraumdruck- und Drehmomentmodelle fur die Echtzeitsimulation be-schrieben. Dann folgt die Darstellung von Kennfeldern mittels Rasterdarstel-lung, Polynommodellen und neuronalen Netzen. Es wird beschrieben, wie op-timierte Versuchstechniken zur Vermessung der Motoren mit mehreren Stell-und Ausgangsgroßen mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung,¨Polynommodellen und neuronalen Netze entwickelt werden. Mehrere Anwen-dungen zeigen die experimentelle-computerbasierte Generierung von Model-len fur das station¨f¨f are und dynamische Verhalten der Motoren.¨Der dritte Teil behandelt den modellgestutzten Entwurf von Steuerun-¨

gen und Regelungen. Ein Kriterium mit wahlbarer Gewichtung von Ver-brauch und Emissionen erlaubt den systematischen Entwurf nichtlinearerSteuerkennfelder. Es wird dann die modellgestutzte Ladedruck-Regelung vonNutzfahrzeug-Dieselmotoren beschrieben. Neue Moglichkeiten der Brenn-raumdruck-Regelung mit adaptiven Korrekturkennfeldern werden fur Benzin-Motoren gezeigt. Schließlich wird am Beispiel von automatischen Getriebe dieAnwendung von qualitativenModellen zur Erzeugung einer lernfahigen Feh-f¨flerstrategie mit Fuzzy-Logik demonstriert.Der vierte Teil widmet sich zunachst den¨ modernen Entwicklungssyste-

men mit Echtzeitsystemen, Hardware-in-the-Loop Simulatoren und Rapid-Control-Prototyping-Systemen zur Entwicklung von Steuerungsfunktionen.Es wird gezeigt wie die On-line Optimierung der Steuerungen am Moto-renprufstand mittels Pr¨¨ ufstandtechniken und Softwaresystemen effizient er-¨reicht wird und welche Einsatzmoglichkeiten es fur Echtzeitsysteme gibt. Amf¨fBeispiel der HiL-Simulation von Dieselmotoren wird die Losung verschiedenerProbleme beschrieben.

VI Vorwort

Der letzte Teil zeigt neue Moglichkeiten der Fehlererkennung und -diagno-se von Benzin- und Dieselmotoren mit signal- und modellgestutzte Methoden¨auf. Hier wird zunachst eine Einf¨¨ uhrung in die modellgest¨f¨f utzte Fehlererken-¨nung und Fehlerdiagnose gegeben. Dann wird beschrieben, wie Fehler undStorungen des Ansaugsystemes und der Verbrennung mit Seriensensoren er-¨kannt werden. Dabei werden auch Ergebnisse zur Diagnose von Aussetzernund verschleppten Verbrennungen mittels Abgasdruck- und Ionenstrommes-sung gezeigt.Das Buch gibt dem in der Entwicklung und Anwendung tatigen Ingeni-¨

eur und Studierenden eine Einfuhrung in moderne Methoden und Hinweisef¨fzur Entscheidung und Anwendung der prinzipiellen Vorgehensweisen, um diekomplexen Probleme bei Motorsteuerungen zu losen. Voraussetzungen sindGrundkenntnisse der Motorentechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik.Die Autoren kommen aus verschiedenen Firmen und aus dem Institut

fur Automatisierungstechnik. Der Herausgeber dankt den Autoren, die aus-f¨fgehend von einem Seminar mit dem Haus der Technik, Essen, dieses Buchgemeinsam gestaltet haben.

Darmstadt, Mai 2002 Rolf Isermann(Herausgeber)

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Rolf IsermannTechnische Universitat Darmstadt¨Institut fur Automatisierungstechnikf¨fLandgraf-Georg-Str. 464283 Darmstadt

Dr.-Ing. Werner HeßRobert Bosch GmbHAbt. GS/EVP1Postfach 30 02 4070442 Stuttgart

Dr.-Ing. Harald StuhlerRobert Bosch GmbHAbt. GS/P-AVPostfach 30 02 4070442 Stuttgart

Dr.-Ing. Stefan SinselADAM Opel AGITEZ, GAPCIPC 81-9065423 Russelsheim¨

Dr.-Ing. Susanne Topfer¨BioControl Jena GmbHWildenbruchstraße 1507745 Jena

Dr.-Ing. Eike MartiniPorsche AGPorschestraße71287 Weissach

Dr.-Ing. Michael HafnerDaimlerChrysler AGEP/QZM; HPC X497W59, Bau 20/1, 5. OgBela-Barenyi-Str. 171059 Sindelfingen

Dr.-Ing. Jochen SchaffnitADAM Opel AGGlobal Alt. Propulsion CenterIPC 81-9065423 Russelsheim¨

Dr.-Ing. Norbert Muller¨Robert Bosch GmbHGS/ESK1Postfach 30 02 4070442 Stuttgart

Dr.-Ing. Oliver NellesSiemens Automotive PowertrainAT PT DTS FDCOsterhofener Str. 14 / A2093055 Regensburg

Dr.-Ing. Kurt GschweitlAVL List GmbHHans-List-Platz 1A-8020 Graz

Dr.-Ing. Herbert Schutte¨dSPACE GmbHTechnoligiepark 2533100 Paderborn

Dr.-Ing. Markus WillimowskiRobert Bosch GmbHAbt. GS/ESK6Postfach 30 02 4070442 Stuttgart

Dipl.-Ing. Frank KimmichTechnische Universitat Darmstadt¨Institut fur Automatisierungstechnikf¨fLandgraf-Georg-Str. 464283 Darmstadt

Dipl.-Ing. Anselm SchwarteTechnische Universitat Darmstadt¨Institut fur Automatisierungstechnikf¨fLandgraf-Georg-Str. 464283 Darmstadt

Inhaltsverzeichnis

1. Einfuhrungf¨f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Rolf Isermann

A. Grundlagen zu Motorsteuerungen

2. Drehmomentorientierte Struktur derMotorsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Werner Heß

3. Parametrierung von Motorsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Harald Stuhler, Thomas Kruse

B. Modellbildung von Verbrennungsmotoren

4. Grundlagen der theoretischen Modellbildungtechnischer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Rolf Isermann

5. Grundlagen der experimentellen Modellbildung(Identifikation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Rolf Isermann

6. Physikalische Brennraumdruck- undDrehmomentmodelle fur die Simulationf¨f . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Stefan Sinsel, Jochen Schaffnit

7. Polynommodelle, Kennfelder und neuronale Netze . . . . . . . . 103Susanne Topfer, Oliver Nelles

8. Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Susanne Topfer¨

9. Stationare Motorvermessung mit neuronalen Netzen¨ . . . . . . 131Susanne Topfer, Eike Martini, Christian Kunde

10. Dynamische Motorvermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Michael Hafner

11. Experimentelle stationare und dynamische Motormodelle¨fur DI-Dieselmotoren mit Turbolader undf¨fAbgasruckf¨¨ uhrungf¨f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Michael Hafner

X Inhaltsverzeichnis

C. Modellgestutzter Entwurf von Steuerungen und¨Regelungen fur Verbrennungsmotoren undden Antriebsstrang

12. Multikriterienoptimierung von Verbrauch undEmissionen fur die nichtlineare Motorsteuerungvon Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181Michael Hafner

13. Modellgestutzte Ladedruck-Regelung vonNfz-Dieselmotoren mit einem Control PrototypingSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201Jochen Schaffnit, Matthias Weber

14. Adaptive Motorregelung beim Benzinmotor mitBrennraumdruck-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Norbert MullerM¨M

15. Lernfahige Fuzzy-basierte Fahrstrategie fur automatischef¨fGetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233Oliver Nelles

D. Moderne Entwicklungstools

16. Optimierung von Motorsteuerungen amMotorenprufstand¨ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251Tiziana Fortuna, Monika Mayer, Horst Pflugl, Kurt Gschweitl

17. Echtzeitsysteme fur die Motorenentwicklung . . . . . . . . . . . . . . 275Herbert Schutte, Frank Sch¨¨ utte, Thomas Thomsen¨

18. HIL Simulation von Dieselmotoren mit Antriebstrang . . . . . 307J. Schaffnit

E. Diagnosemethoden fur Verbrennungsmotoren

19. Modellgestutzte¨ Uberwachung und FehlerdiagnoseTechnischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325Rolf Isermann

20. Verbrennungsdiagnose von Ottomotoren mit Abgasdruck-und Ionenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359Markus Willimowski

Inhaltsverzeichnis XI

21. Modellgestutzte Fehlerdiagnose des Ansaugsystemseines Dieselmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387Anselm Schwarte

22. Modellgestutzte Fehlerdiagnose der Verbrennung einesDieselmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409Frank Kimmich

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425