Modul Applikationsentwicklung Kapitel 5: Das Drehmomentenmodell. Dipl.-Ing. M.Graf

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1 Modul Applikationsentwicklung Kapitel 5: Das Drehmomentenmodell Dipl.-Ing. M.Graf

2 Kapitel 5: Das Drehmomentenmodell Gliederung 1. Einleitung 2. Das Drehmomentenmodell in der Motorsteuerung 1. Die Applikation des Drehmomentenmodells 2. Das innere Drehmoment und die Wirkungsgrade 3. Die Berechnung des Kupplungsmoments 4. Die drehmomentenbasierte Funktionsstruktur 5. Die beiden Drehmomentpfade 6. Checkliste zur Applikation 3. Schluss 1. Ausgewählte Verständnisfragen 2

4 1. Einleitung Einordnung der heutigen Vorlesung in das beispielhafte Applikationsprojekt Ausschnitt aus Projektzeitplan Stand der Vorlesung Rückblick: Projektzeitplan besprochen Füllungserfassung beendet Einspritzung beendet Zündung beendet Heutiger Vorlesungsinhalt Das Drehmomentenmodell 4

5 1. Einleitung Systemsteuerung der Motorsteuerung Quelle: Bosch 5

7 2. Das Drehmomentenmodell in der Motorsteuerung 2.1. Die Applikation des Drehmomentenmodells Funktionen der Motorsteuerung Eine moderne Motorsteuerung enthält mehr als nur die Steuerung von Einspritzung und Zündung: Komplexe Steuerungsfunktionen: Start Leerlaufregelung Drehzahlbegrenzung Thermischer Motorschutz Triebstrangfunktionen: Fahrkomfort Geschwindigkeitsbegrenzung Optimierung Gangwechsel Grundgedanke des M d -Modells Alle Leistungsanforderungen an den Motor werden in einen Drehmomentenwunsch umgerechnet Im Drehmomentkoordinator werden die Anforderung von internen und externen Verbrauchern sowie die Wirkungsgradvorgaben priorisiert Das resultierende Sollmoment wird auf die Anteile des Luft-, Kraftstoff - und Zündsystems aufgeteilt 7

8 2. Das Drehmomentenmodell in der Motorsteuerung 2.1. Die Applikation des Drehmomentenmodells Applikationsmethotik Zur Applikation des Drehmomentensystems sind vor allem das Basiskennfeld für das Drehmoment sowie die Wirkungsgrade von Zündung und Lambda sowie deren Invertierung ( Vorwärtspfad und Rückwärtspfad zu ermitteln. Durch Kenntnis dieser Werte lassen sich im Fahrbetrieb das aktuelle Drehmoment berechnen und diese über die Aktuatoren einstellen. Vorbereitung Datenstand Nockenwellenposition, Füllungserfassung, Einspritzung und Zündung appliziert Notwendige Motor-Hardware Komplette Motorhardware mit Serienintention 8

9 2. Das Drehmomentenmodell in der Motorsteuerung 2.2. Das innere Drehmoment und die Wirkungsgrade Funktionsrahmen Berechnung inneres Moment Luftmasse Drehzahl Lambda Basiskennfeld Drehmoment Abstand zum opt. Zündwinkel Lambda- Wirkungsgrad Zündwinkel- Wirkungsgrad Inneres Moment Das Basiskennfeld für das Drehmoment wird über Drehzahl und Luftmasse abgelegt. Es beinhaltet genau das Drehmoment, welches bei optimalem Zündwinkel und bei λ=1 vom Motor erreicht wird. In den Kennfelder des Lambdaund des Zündwinkelgrads wird der Faktor für das Drehmoment hinterlegt, welcher sich bei Abweichung vom optimalem Zündwinkel und vom stöchiometrischem Gemisch ergibt 9

10 2. Das Drehmomentenmodell in der Motorsteuerung 2.2. Das innere Drehmoment und die Wirkungsgrade Das Basiskennfeld Drehmoment Die relative Momentenbetrachtung miopt [%] nmot [1/min] rl [%] Die Berechnung des inneren Moments erfolgt immer prozentual im Hinblick auf ein maximales Drehmoment, welches der Motor erreichen kann Der Absolutwert für das maximale Drehmoment ist in einer Motorsteuerungsvariable separat hinterlegt 10

11 Lambdawirkungsgrad [-] lambda efficiency 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.2. Das innere Drehmoment und die Wirkungsgrade Der Lambdawirkungsgrad Physikalische Grundlagen 1,06 106% Drehmoment M d : M d i 2 p me V H 104% 1,04 1,02 102% 100% 1,00 Effektiver Mitteldruck p me : 98% 0,98 0,96 96% 0,94 94% p me H e l G 0,92 92% 0,90 90% 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 Lambda Lambda [-] Gemischheizwert: (innere Gemischbildung) H G H L u st L Lambdawirkungsgrad M d( ) M ( 1) d 11

12 Zündwirkungsgrad [-] ignition timing efficiency Drehmoment [Nm] 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.2. Das innere Drehmoment und die Wirkungsgrade Der Zündwinkelwirkungsgrad Physikalische Grundlagen 1,00 100% 90% 0,80% 70% Der Einfluss des Zündwinkels auf das Drehmoment ist unabhängig vom Betriebspunkt (Drehzahl, Luftmasse und Lambda) und wird in einer Kennlinie für den gesamten Betriebsbereich hinterlegt 0,60% 50% 0,40 40% 30% λ = 1,0 λ = 0,95 0,20 20% 10% 0% Zündwinkelwirkungsgrad Zündwinkelrückzug Timing retardation [ KW] M d( Zündwinkel ) M ( opt.zündwinkel ) d Zündwinkel [ KW] λ = 0,7 λ = 1,1 12

13 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.3. Berechnung des Kupplungsmoments Das Kupplungsmoment Berechnung des Kupplungsmoments Torque Drehmoment M D / [Nm] M LW M HD M I Zur Berechnung des Kupplungsmomentes sind die Verlustmomente abzuziehen M S M R M eff M eff = M HD - M S M S = M R + M LW Drehmoment high pressure Hochdruck torque Indiziertes 15 total indicated Drehmoment torque Kupplungsmoment brake torque ignition Zündwinkel angle [ KW / CA vor BTDC OT] M R M I M LW M eff M S = Reibmoment = indiziertes Drehmoment = Ladungswechselverluste = Kupplungsmoment = Schleppmoment 13

14 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.3. Berechnung des Kupplungsmoments Funktionsrahmen Das Reibmoment Luftmasse Drehzahl Öltemp. Kühlwassertemperatur Reibmoment Motor Temperaturkorrektur Verlustmoment Nebenaggregate + Reibmoment Das Reibmoment des Motors setzt sich aus einem Kennfeld für betriebswarm und aus einem Kennfeld für den Temperatureinfluss zusammen Ebenfalls zum Reibmoment gehören die Verlustmomente der Nebenaggrate wie: Servolenkung Klimaanlage Generator Kühlventilator 14

15 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.4. Die drehmomentorientierte Funktionsstruktur Realisierung des Fahrerwunschs durch das Momentenmodell Fahrerwunsch- - moment Saugrohrmodell Sollwert Saugrohrdruckes Winkel Drosselklappe Drehmomentenkoordination Sollwert Füllung Ladedruck regelung Wastegate Einspritzzeit Weitere externe und interne Momentenanforderungen Sollwertinneres Moment Zündwinkel 15

16 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Realisierung des Drehmoments Zur Erfüllung der Drehmomentanforderungen wird das Sollmoment als Ergebnis der Koordination über zwei Pfade realisiert Durch die Koordination beider Pfade ist es möglich, schnelle M d - Erhöhungen zu realisieren (Leerlaufregelung, Getriebeeingriff) oder gezielt einen Wirkungsgradverschlechterung herbeizuführen (Katalysatorheizen) Die beiden Drehmomentpfade Füllungspfad langsamer Pfad Steuerung der Drossel- und Wastegateklappe (Luftmasse) Kurbelwellensynchroner Pfad schneller Pfad Steuerung der von der Füllung unabhängigen Stelleingriffe, welche synchron zum Arbeitstakt ablaufen (Einspritzung und Zündung) 16

17 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Funktionsrahmen Füllungspfad (I) Sollwert für das Füllungsmoment Fahrerwunschmoment Leerlaufregelung Katheizen Zündwinkelwirkungsgrad M A X + M A X Bauteilschutz Getriebeschutz M I N Sollwert Füllungs- Moment Das Fahrerwunschmoment bzw. die Zusatzmomente unter Berücksichtigung des Zündwinkelwirkungsgrad dienen als Grundlage für die Sollwertberechnung Über die Minimalauswertung werden dann die Drehmomentreduzierungen von internen und externen Eingriffe berücksichtigt ASC n max /v max 17

18 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Funktionsrahmen Füllungspfad (II) Der Sollwert für die Füllung Drehzahl Sollwert- Füllungsmoment Produkt aus Zündwinkelund λ-wirkungsgrad Drehzahl / Motormoment invertiert minimale Füllung M A X Sollwert Füllung Mittels Drehzahl und den durch die Wirkungsgrade bewerteten Sollwert des Füllungsmoments wird über das inverse Drehmomentkennfeld der Sollwert für die Füllung berechnet Dieser Sollwert wird über eine Maximalauswertung zuvor mit einer minimalen Füllung verglichen, welche im Schubbetrieb eine stabile Verbrennung sicherstellen soll 18

19 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Funktionsrahmen Füllungspfad (III) Der Sollwert für die Drosselklappe Sollwert- Füllung Drehzahl Luftmassenstrom über die Tankentlüftung Durchflußkennlinie Drosselklappe - / Drosselklappenkennfeldi nvertiert Sollwert Drosselklappenwinkel Der zuvor berechnete Sollwert für die Füllung wird mit der Motordrehzahl bewertet, zudem wird der Luftmassenstrom der Tankentlüftung berücksichtigt Nach Berücksichtigung der Durchflußkennline der Drosselklappe (ψ-funktion) wird über das inverse Drosselklappenkennfeld die Stellung der Drossel ermittelt Bei aufgeladenen Motoren wird zusätzlich über die Ladedruckregelung noch die Stellung der Wastegateklappe berechnet. 19

20 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Funktionsrahmen KW-Syncropfad (I) Sollwert für das innere Moment Fahrerwunsch n max /v max Getriebeschalteingriff Getriebeschutz ASC M I N + Sollwert Inneres Moment In einer Minimalauswahl wird der Sollwert aus dem Fahrerwunschmoment und aus diversen internen und externen Eingriffen gebildet. Additiv wird noch ein Offset für die Fahrkomfortfunktion Antiruckel hinzugefügt Antiruckel 20

21 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.5. Die beiden Drehmomentpfade Funktionsrahmen KW-Syncropfad (II) Sollwert für Zündwinkel und λ Zündwinkelwirkungsgrad Inneres Moment für Basiszündwinkel und λ=1 Lambdawirkungsgrad Sollwert Inneres Moment Opt. Moment bei λ=1 Opt. Zündwinkel bei λ=1 Sollwert Lambda Sollwert Einspritzausblendung Sollwert Zündwinkel Der Sollwert des inneren Moments wird über den Abgleich mit dem Drehmoment bei optimalem Zündwinkel und λ=1 bewertet Über die entsprechenden Wirkungsgradkennlinien werden die Sollwerte für das Lambda (und bei Bedarf für die Zylinderdeaktivierung) sowie für den Zündwinkel bestimmt 21

22 2. Das Momentenmodell in der Motorsteuerung 2.6. Checkliste zur Applikation Checkliste Motorprüfstand Basiskennfeld Drehmoment sowie die Verlustkennfelder für die Reibung appliziert Kennlinien für den Wirkungsgrad für Lambda und Zündung eingetragen Optimales Drehmoment des Motors als Grundlage für die gesamte Relativberechnung des Drehmomentenmodells hinterlegt Kennfeldinvertierung für das Drehmomentenkennfeld, für die Wirkungsgrade und für das Drosselklappenkennfeld durchgeführt Checkliste Fahrzeugvalidierung Prüfung des korrekten Drehmomentberechung im Leerlauf über die Abweichungen im Leerlaufregler Überprüfung der drehmomentneutralen Umschaltung von Betriebsbereichen (z.b. mager vs. stöchiometrischen Betrieb) Prüfung der Umsetzung von externen Momenteneingriffen (z.b. Getriebe) 22

24 3. Schlussteil 3.1. Ausgewählte Verständnisfragen Das Drehmomentenmodell Erklären Sie kurz, wie über die Funktionalität des Drehmomentenmodells das Katheizen realisiert wird Wieso werden die Getriebeschalteingriffe nur auf dem KWsynchronen Pfad umgesetzt? Das Drehmomentenmodell Im Projekt wird entschieden, dass eine geänderte Drosselklappe verwendet werden soll. Was ist hinsichtlich des Momentenmodells besonders zu beachten, wenn das vom Systemlieferant gelieferte Drosselklappenkennfeld in die Motorsteuerung implementiert wird? 24

25 Modul Applikationsentwicklung Kapitel 5: Das Drehmomentenmodell Dipl.-Ing. M.Graf Bei Verständnisfragen bitte melden!

26 Kapitel 5: Das Drehmomentenmodell Anhang: Verwendete Formelzeichen und Indizes Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen: ASC H u H G KW L st M d p me V H η e λ λ l ρ L Antischlupf-Control Heizwert Kraftstoff Gemischheizwert (innere Gemischbildung) Kurbelwelle stöchiometrischer Luftbedarf Drehmoment effektiver Mitteldruck Hubvolumen effektiver Wirkungsgrad Luftverhältnis Liefergrad Dichte Luft