Steuergerätetaugliche Verbrennungsoptimierung mit physikalischen Modellansätzen

223 Pages·2014·9.939 MB·German

by  Michael Temmler (auth.)

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraft fahrwesen (IVK) an der Universi-
tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit
mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-
zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraft fahrwesen, Fahr-
zeugantriebe und Kraft fahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus-
arbeitung des Th emengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Th eorie und Simulation.
Schwerpunkte des Kraft fahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH).
Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraft übertragung
sowie Energie und Th ermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und
batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.
Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Th emen Brennverfahrensent-
wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich
minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufl adesysteme und
-strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen
Fragestellungen.
Th emen der Kraft fahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Soft wareent-
wicklung sowie Test und Diagnose.
Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter-
stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula-
tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Th ermowindkanal sowie einen 1:1-Aero-
akustikwindkanal.
Die wissenschaft liche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert
über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-
nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraft fahrwesen,
Institut für Verbrennungsmotoren Institut für Verbrennungsmotoren
und Kraft fahrwesen, Universität und Kraft fahrwesen, Universität
Stuttgart Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraft fahrzeugmechatronik,
Institut für Verbrennungsmotoren
und Kraft fahrwesen, Universität
Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Michael Temmler
Steuergerätetaugliche
Verbrennungsoptimie-
rung mit physikalischen
Modellansätzen
Michael Temmler
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2014
ISBN 978-3-658-07652-8 ISBN 978-3-658-07653-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-07653-5
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Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandw¨ahrendmeinerT¨atigkeitalswissenschaftlicherMitar-
beiteramForschungsinstitutfu¨rKraftfahrwesenundFahrzeugmotorenStuttgart(FKFS)
undanschließendamInstitutfu¨rVerbrennungsmotorenundKraftfahrwesen(IVK)der
Universit¨atStuttgartunterderLeitungvonHerrnProf.Dr.-Ing.M.Bargende.
MeinbesondererDankgiltHerrnProf.Dr.-Ing.M.Bargendefu¨rdiehervorragende
wissenschaftliche und pers¨onliche Betreuung w¨ahrend der Durchfu¨hrung dieser Arbeit.
HerrnProf.Dr.-Ing.R.Baar(TechnischeUniversit¨atBerlin)dankeichfu¨rdieU¨bernahme
desKoreferates.
ZubesonderemDankverpflichtetbinichHerrnDipl.-Ing.H.KolbvonderDaimlerAG,
derdasZustandekommendieserArbeiterm¨oglichte,fu¨rseinegroßartigeUnterstu¨tzung.
MeinenKolleginnenundKollegenamFKFS,IVKundderDaimlerAG,besondersHerrn
Dipl.-Ing.A.Schober,dankeichfu¨rdieangenehmeArbeitsatmosph¨are,derenUnterstu¨tzung
unddiezahlreichenDiskussionen.
Den Studenten M. M¨ossinger, F. Herzenjak, M. Franke, M. Seith, die ich w¨ahrend
meinerZeitalsDoktorandbetreuendurfte,dankeichfu¨rihreUnterstu¨tzunginFormvon
Studien-/Diplomarbeiten,durchdiedieseArbeitvorangetriebenwurde.
HerrnDipl.-Ing.O.B¨anfervonderUniversit¨atSiegenm¨ochteichfu¨rdessenUnterstu¨t-
zungundRatimUmgangmitderzurVerfu¨gunggestelltenToolboxzurErstellunglokaler
Modellnetzedanken.
NichtzuletztdankeichmeinerFamilieundganzbesondersmeinerPartnerinSandrafu¨r
diegroßeUnterstu¨tzung,dasvieleVerst¨andnisunddieGeduldw¨ahrendderAnfertigung
dieserArbeit.
Stuttgart,imSeptember2013
MichaelTemmler
Abstract
Enginedevelopment’sgoaltoreducecombustionemissionandfuelconsumptionisrealised
byusingnewtechnologies.Itisenginecontrol’stasktocoordinatetheinteractionofsingle
technologies.Asaconsequenceofthesereadjustingabilitiestheapplicationeffortwillbe
higher.
Thepresentedenginemanagementofdistributedsystemsallowsareplacementofthe
centralenginecontroltoaperipheralenginecontrolwithenclosedtechnicalcomponents.To
achievethisphysicalcommandvariablesareused.Thesecommandvariablesareconverted
to actuating variables by self-sufficient subsystems. The design models in each control
systemallocatesadditionalstatevariablestotheoverallsystem,whichcanonlybemeasured
withgreateffort.Byassemblingsinglemodulestoanenginecontrolsystem,theability
tocontrolaninternalcombustionengineefficientlycouldbeprovensuccessfully.Aspark
ignitedmodeaswellasthecontrolledautoignitionwasimplementedwithintheengine
system. The additional recommendation of adaption of command variables calls for a
cooperationofparticularsubsystemswiththecentralcontrolunit,thecombustionmanager.
Theexampleofclosed-loopcombustioncontrolshowstheinteractionofcombustioncontrol
unitandthecombustionmanager.Theadaptionoffeedforwardcontrolonthebasisof
indicated mean effective pressure, centre of combustion and air fuel ratio acts on the
command variables air mass, ignition angle and fuel mass in spark ignited combustion
modes,respectivelyfuelmassofmaininjection,pilotinjectionandresidualgasratioin
controlledautoignition.
Amulti-criterianonlinearoptimizationofinternalcombustionenginesinthespaceof
theenginemanagementsystemisimplementedbymeansofthephysicalbasedmodels.
The combustion optimization exceeds the simple adaption of the feed forward control.
Empiricalcombustionandemissionmodelsarekeepingthecomputationaleffortlowand
are generating the optimization fundament. Applicating local model networks enable
inserting previous knowledge in terms of data from phenomenological physical models
or expert knowledge. The continuous ease of interpreting this model structure and the
possibility to allow online-adaption of the parametrisation enable the model to adjust
VIII Abstract
toeachparticularengine.Thiscapabilityaddstoareductionofcalibrationeffort.The
developedconceptofenginecontrolsystemwasusedintwoaggregates,anone-cylinder
testbench and a four-cylinder engine in an experimental vehicle. For this reason, the
interactionofcombustionandgasexchangeisconsideredincombustionoptimization.Both
modelscanbeadaptedtomeasurement.Sothesamecombustionmodelcanbeusedinboth
experimentalvehicles.Tooptimizethecombustioninthespaceoftheenginemanagement
systemasuitablealgorithmwasdevelopedandintegratedintothecombustionmanageras
thecentralcontrolsystem.Thealgorithmischaracterizedbyastructurethatallowsthe
samemodelstobeusedforoptimizationandcollectionoftheactualenginestate.The
resultsofoptimizingthefuelconsumptionincludingaprovisionforemissions,knocking
combustionandgasexchangeshowthesuccessfulimplementationofthepresentedconcept.
An average fuel consumption improvement in the pre-control depending on parameter
settingofthecombustionoptimizationbetween2.5%and6.2%couldbeproved.Withthe
helpofthecombustionoptimization,whichissuitableforenginecontrolunits,ithasbeen
successfultooperateaninternalcombustionengineefficientwithcomplextechnologies.
Zusammenfassung
DasZielderMotorenentwicklung,dieSchadstoffemissionenunddenKraftstoffverbrauch
zureduzieren,wirddurchdenEinsatzneuerTechnologienverwirklicht.Daskoordinierte
ZusammenwirkenderEinzelkomponentenistAufgabederMotorsteuerung.Folgedieser
neuenVerstellm¨oglichkeitenistfastimmereinerh¨ohterApplikationsaufwand.
DasvorgestellteMotormanagementderverteiltenSystemeerm¨oglichtunterVorgabe
gemeinsamerphysikalischerFu¨hrungsgr¨oßeneinErsetzenderzentralenMotorsteuerung
durch eine dezentrale Motorsteuerung mit gekapselten Technologiebausteinen. Autark
arbeitendeSubsystemesetzendieFu¨hrungsgr¨oßeninStellgr¨oßenum.DieModelleinallen
SteuerungsmodulenstellendemGesamtsystemzus¨atzliche,teilweisenichtbzw.nurmit
enormemAufwandmessbareZustandsgr¨oßenbereit.MitdemVerbundderEinzelmodule
konnteerfolgreichgezeigtwerden,dassdiesesMotorsteuerungssysteminderLageist,einen
Verbrennungsmotoreffizientzubetreiben.Sowohlderhomogenfremdgezu¨ndeteBetrieb
alsauchdieProzessfu¨hrungderhomogenenSelbstzu¨ndungsindenthalten.Diezus¨atzlich
zuempfehlendeAdaptionvonFu¨hrungsgr¨oßenerfordertdasZusammenspielderjeweiligen
Subsysteme mit der zentralen Steuerungseinheit, dem Verbrennungskoordinator. Das
dargestellteBeispielderVerbrennungslageregelungzeigtexemplarischdasZusammenwirken
vonVerbrennungsregelungundVerbrennungskoordinator.DieAdaptionderVorsteuerung
anhand des indizierten Mitteldruckes, der Verbrennungslage und des -luftverh¨altnisses
wirktaufdieFu¨hrungsgr¨oßenLuftmasse,Zu¨ndwinkelundKraftstoffmasseinnerhalbder
fremdgezu¨ndeten Betriebsarten bzw. Haupt-, Voreinspritzmasse und Restgasgehalt im
selbstzu¨ndendenBetriebein.
UnterVerwendungphysikalischbasierterModellekommteinVerfahrenzurmodellba-
siertenmultikriteriellennichtlinearenOptimierungdesVerbrennungsprozessesinnerhalb
desMotormanagementszumEinsatz.DieVerbrennungsoptimierunggehtdabeiu¨bereine
einfacheAdaptionderVorsteuerunghinaus.EmpirischeVerbrennungs-undEmissionsmo-
dellehaltendenRechenaufwandgeringundbildendieGrundlagederOptimierung.Der
EinsatzvonlokalenModellnetzenerm¨oglichtdasEinbringenvonVorwissen,dassowohlin
FormvonDatenph¨anomenologischphysikalischerModellealsauchvonExpertenwissen
X Zusammenfassung
vorlag. Die durchg¨angige Interpretierbarkeit der Modellstruktur und die F¨ahigkeit zur
Online-Adaption der Parametrierung gew¨ahrleisten das gezielte Anpassen der Modelle
andenjeweiligenMotor.Diestr¨agtzueinerReduktiondesKalibrierungsaufwandesbei.
Das entwickelte Motorsteuerungskonzept kam an zwei Aggregaten, einem Einzylinder-
Pru¨fstand und einem Vierzylindermotor in einem Versuchsfahrzeug, zum Einsatz. Die
wechselseitigeBeeinflussungvonVerbrennungundLadungswechselinnerhalbderVerbren-
nungsoptimierungberu¨cksichtigendieentwickeltenModelle.BeideModellesindadaptierbar
ausgefu¨hrt, was die Anwendung desselben Verbrenungsmodells an beiden Versuchstr¨a-
gernerm¨oglicht.Fu¨rdieVerbrennungsoptimierunginnerhalbdesMotorsteuerungssystems
wird ein geeigneter Algorithmus vorgestellt, der in den Verbrennungskoordinator - das
zentraleSteuerungsorgan-integriertist.DerAlgorithmuszeichnetsichdurchgeringen
Rechenaufwand und eine Strukturierung aus, die es erm¨oglicht, dieselben Modelle zur
OptimierungwiezurErfassungdesaktuellenMotorzustandeszuverwenden.DieErgebnisse
derVerbrauchsoptimierunginklusivederBeru¨cksichtigungvonEmissionen,Klopfenund
desLadungswechselszeigendieerfolgreicheUmsetzungdiesesbeschriebenenKonzeptes.
EinedurchschnittlicheVerbrauchsverbesserungderVorsteuerungjenachParametrierung
der Verbrennungsoptimierung zwischen 2.5 % und 6.2 % konnte nachgewiesen werden.
Mit Hilfe der steuerger¨atetauglichen Verbrennungsoptimierung ist es gelungen, einen
VerbrennungsmotormitkomplexenTechnologieneffizientzubetreiben.