Darstellung einer flexiblen Steuergeräteumgebung für thermodynamische Untersuchungen an einem Prototypenmotor

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1 Darstellung einer flexiblen Steuergeräteumgebung für thermodynamische Untersuchungen an einem Prototypenmotor Dipl. Ing. Knut Ackermann agr engineering Dipl. Ing. Andreas Stark National Instruments

2 agr engineering Gegründet 2006 in Balve von Dipl. Ing. Knut Ackermann Kontakt: Kruspad Balve info@agr-engineering.de Mitarbeiter: 5

3 Leistungsspektrum: Powertrain Konzept, Vorentwicklung Auslegung, Konstruktion Prototying Testing: Motor, Fahrzeug Fahrversuch und Applikation Aufbau von Versuchsträgern Funktionsapplikation und Auswertung Funktionsentwicklung Modellbasierte Entwicklung von Regler- und Beobachteralgorithmen Modellbasiertes Testen Funktionsapplikation

4 Vorwort Häufig stehen Kleinserienhersteller, Zulieferer oder kleinere Dienstleister vor der Aufgabe, Untersuchungen an Konzept- oder Prototypenmotoren durchzuführen. Für diese Aufgabe wird häufig eine flexible Steuergeräteumgebung benötigt, die der entsprechenden Aufgabe gerecht wird. Der Zugriff auf Steuergerätehersteller ist oft nicht möglich, die Entwicklung und Herstellung von individuellen Lösungen zu teuer und langwierig. Die auf dem Markt verfügbaren einfachen offenen Steuergeräte, wie z.b. Bosch Motorsport, Verfügen zwar über eine offene Applikationsschnittstelle und können für die entsprechende Motorhardware konfiguriert werden sind aber in Bezug auf spezielle Entwicklungsanforderungen eingeschränkt. Diese Steuergeräte sind nicht für solche Anwendungen entwickelt worden und eine Nachrüstung ist relativ kosten- und zeitintensiv. Für umfangreiche Untersuchungen an modernen Verbrennungsmotoren wird also ein geeignetes Prototypensteuergerät benötigt. Dieser Vortrag soll zeigen, wie für einen Konzeptmotor eine geeignete Steuergeräteumgebung dargestellt wird.

5 Aufgabe Die Aufgabe bestand nun darin, eine Steuergeräteumgebung darzustellen, die nicht nur einen Applikationszugang hat, sondern auch eine eigene Funktionsentwicklung zulässt. Außerdem sollten folgende Bedingungen erfüllt sein. 4 Zylinder Otto DI Betrieb mit Abgasturboaufladung Breitbandlambdaregelung Nockenwellenverstellung Ansteuerung einer Hochdruckpumpe über ein MSV Untersuchung mit Elektromagnetische Einspritzventile Untersuchung mit Piezo Einspritzventile Saugrohreinspritzung Funkenbandzündung

6 Auswahl der Steuergeräte Für die Erstinbetriebnahme des Konzeptmotors wurde ein Bosch Motorsport Steuergerät ausgewählt. Zusammen mit der MS4.0 Sport und der separaten Endstufe HPI 5 konnte der Motor mit Benzin-Direkt-Einspritzung in Betrieb genommen werden. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme und den ersten Hardwareänderungen kam schnell der Wunsch nach einer höheren Flexibilität des Steuergerätes auf. Aufbau der Steuergeräteumgebung mit dem Bosch Motorsport Steuergerät MS 4

7 Für die nächsten Untersuchungen soll das Motorsteuergerät folgende Eigenschaften erfüllen. Eigenständige Funktionsänderung bzw. Entwicklung, um auf die gewonnen Erkenntnisse reagieren zu können Benzindirekteinspritzung mit Mehrfach Einspritzung Ansteuerung der Zündspulen mit der Möglichkeit der Funkenbandzündung Ansteuerung von Piezo Einspritzventilen Variable Ansteuerung der Piezo Einspritzventile mit Voll und Teilhub Folgende Steuergeräte und Entwicklungsumgebung erfüllte die neu gestellten Anforderungen: Motorsteuergerät: ETAS FlexECU auf Basis der MED17 Zusatzendstufe für die Ansteuerung der Piezo Injektoren: NI Direct Injector Driver System Funktionsentwicklung wird mit MATLAB Simulink in Verbindung mit der Entwicklungsumgebung EHOOKS durchgeführt.

8 Darstellung der Entwicklungsumgebung FlexECU mit Simulink und EHOOKS.

9 Drosselklappe V_in Beispiel Simulink Model - Regelung der Drosselklappe H-Brücke Motor

10 Ablauf der Entwicklungsschritte mit der FlexECU Entwicklung und Aufbau der Modelle in Simulink Simulation der Funktionen in Simulink Generieren von Steuergeräte Files xxxx.a2l und xxxx.hex. Testen der Files mit der FlexECU an dem HIL Simulator Inbetriebnahme des Motors am Motorprüfstand Die so dargestellte Steuergeräteumgebung ermöglichte den Betrieb des Motors mit folgenden Möglichkeiten Benzindirekteinspritzung mit elektromagnetischen Einspritzventilen z.b. Bosch HDEV5 Mehrfacheinspritzung Ansteuerung einer Hochdruckpumpe mit MSV Raildruckregelung Zündausgabe mit Mehrfachzündung (Funkenband) In der nächsten Baustufe sollten nun Piezo Einspritzventile des Typs Bosch HDEV4 verwendet werden. Da die FlexECU keine Piezo Einspritzventile ansteuern kann, wurde eine externe Endstufe benötigt.

11 Für die Ansteuerung der Piezo Einspritzventile HDEV4 wurde das NI Direct Injector Driver System verwendet.

12 Steuergeräteumgebung. Standard Motorfunktionen Ansteuerung MSV Ansteuerung HDEV5 Berechnung Einspritzwinkel, Einspritzzeit und Mehrfacheinspritzung in der FlexECU Ansteuerung Piezo HDEV4

13 Potential der Prototyping-Umgebung Idee Aufbau Motor Simulation Kabelbaum Programmierung Inbetriebnahme 3 Monate 2-3 Monate

14 NI Powertrain Control Modules Open, Modular, Configurable Prototyping ECU Programmable with LabVIEW or The MathWorks, Inc. SimuLink software via NI Veristand Programmable FPGA High Performance Injector Drivers ni.com Simulink is a registered trademark of The MathWorks, Inc.

15 Typical Engine Control Application ni.com NI CONFIDENTIAL

16 I/O Module I/O Module I/O Module I/O Module I/O Module I/O Module I/O Module I/O Module System Diagram Engine control software and calibration points FPGA-based driver code for modules (ie EPT) User-defined I/O configuration User Interface Link: Ethernet RT Processor FPGA ni.com NI CONFIDENTIAL

17 NI crio ECU using NI SCM Toolkit ni.com

18 NI Direct Injector Driver System ni.com NI CONFIDENTIAL

19 NI Combustion Analysis Systems NI Full Stand-Alone Combustion Analysis System Lowest Per Channel Cost in Industry Portable, Scalable, Modular and Reusable ni.com NI CONFIDENTIAL

20 NI Combustion Analysis System Software Next-Cycle Control capabilities Simultaneous enginesynchronous and timebased data acquisition Engine noise and knock analysis Insert custom analysis blocks for unique test applications Common pegging and cylinder alignment options Engine sync from encoders or production engine trigger wheels ni.com NI CONFIDENTIAL

21 Knock Analysis Feature ni.com NI CONFIDENTIAL

22 NI Combustion Analysis System Software ni.com NI CONFIDENTIAL

23 NI Engine Control System Available with Combustion Analysis for Next-Cycle Control Open, Modular, Configurable HW & SW Programmable with LabVIEW or Simulink via NI VeriStand Turnkey & Commissioned onsite Choose between standard or custom software ni.com NI CONFIDENTIAL Simulink is a registered trademark of The MathWorks, Inc.

24 Overview of Next-Cycle and Same-Cycle Cylinder Pressure Based Control of Internal Combustion Engines Next-Cycle Control Control based on cylinder pressure derived calculations Calculations are complete before the next firing of the related cylinder Requires <1ms loop time Can be done with dedicated hardware or with interrupts in the main CPU Applications Load balancing Auto-calibration Aid in engine tuning Same-Cycle Control Control within the same cylinder event Requires ~ 1CAD loop times Done with dedicated computing resources Applications Multi-inject control Misfire re-spark Lean misfire re-inject Dynamic fuel control ni.com NI CONFIDENTIAL

25 NI Powertrain Controls Product Offering Powertrain Control Modules Software Packages Customizable Systems ni.com/powertraincontrols Standard Systems ni.com NI CONFIDENTIAL

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