Entwicklung einer Kühlerfunktion für Dieselmotoren

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1 Entwicklung einer Kühlerfunktion für Dieselmotoren Wolfgang Eglseder, Peter Firsching, Nikolaus Müller SV P ED T HW23 Fachbereich Elektrotechnik / Medientechnik Siemens VDO Automotive AG Fachhochschule Deggendorf Siemensstr. 12 / EZ 3.I05.1 Edlmairstrasse Regensburg Deggendorf wolfgang.eglseder@siemens.com peter.firsching@fh-deggendorf.de nikolaus.mueller@fh-deggendorf.de Abstract: Am Beispiel der Entwicklung einer Kühlerfunktion wird der Weg aufgezeigt, wie aus einer verbalen Anforderungsbeschreibung mit Hilfe der Modellbildung und Simulation eine fertige Softwarespezifikation entsteht. Bei der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge liegt ein Hauptaugenmerk auf der Reduktion des Verbrauchs. Da der thermodynamische Verbrennungsprozess bereits nahezu verbrauchsminimal abläuft, wird vermehrt nach Einsparpotenzial außerhalb des Verbrennungsraums gesucht. Ein intelligentes Thermomanagement des Motorblocks ist dazu ein vielversprechender Ansatz. Die Anforderungen nach ausreichender Kühlleistung kommen von verschiedenen Einheiten, z.b. vom Verbrennungsmotor, vom Getriebe, von der Klimaanlage usw. Diese Anforderungen werden in einem Management-Modul gesammelt, nach bestimmten Kriterien ausgewählt und einem Regler zugeführt. Dessen Ausgangssignal soll zur Ansteuerung eines drehzahlvariablen Lüfters verwendet werden. Die Funktionalität der Steuerung wird in einer Matlab / Simulink - Umgebung mit bestimmten Strukturvorgaben in Form eines hybriden Modells formuliert. Ein einfaches Modell der Strecke "Motorblock" diente zur Verifikation der Vorgaben. Mit Hilfe der Strukturvorgaben ist es möglich, direkt aus dem Simulink-Modell automatisch eine Software-Spezifikation erzeugen zu lassen, die einem Software- Ingenieur als Vorlage zur Code-Generierung dient. Die Entwicklung entstand in Zusammenarbeit mit der Siemens VDO Automotive AG in Regensburg.

2 1 Ausgangsproblem Thermomanagenent im Fahrzeug 1.1 Thermomanagement im Fahrzeug Das Thermomanagement umfasst die Gesamtheit aller Maßnahmen zur energetischen Optimierung des Wärmehaushaltes im Kraftfahrzeug. Diese Technologie ist mit der Zeit immer bedeutender und aufwendiger geworden. Sehr komplexe Funktionen beeinflussen den Kraftstoffverbrauch bzw. die Ökonomie des Fahrzeugs. Ziel des Thermomanagements ist es, durch aktive Kontrolle der Komponenten des Kühlsystems den Motor schnell zum optimalen Betriebspunkt zu bringen und die Temperatur im Teillastbereich zu erhöhen. Die Leistung des Kühlsystems wird dynamisch an den jeweiligen Betriebszustand des Automobils angepasst. Die Folge ist ein reduzierter Kraftstoffverbrauch mit entsprechend geringeren Emissionen. Für die Realisierung des Thermomanagements im Automobil sind simulierbare Modelle der einzelnen Komponenten nötig. Dieser Beitrag zeigt das Konzept der Erstellung von angepassten Steuerungslösungen. Zunächst werden Bedingungen für die Ansteuerung eines elektrischen Lüfters, abhängig von verschiedenen Betriebssituationen, formuliert. Weiterhin ist die Entwicklung eines simulierbaren Modells der Lüftersteuerung nötig, um das Betriebsverhalten der Steuerfunktionen verifizieren zu können. 1.2 Aufbau des physikalischen Kühlkreislaufs In konventionellen Motorkühlungssystemen wird die Kühlmittelpumpe mittels eines Riemenantriebes direkt vom Motor angetrieben. Das Kühlsystem muss gewährleisten, dass auch unter extremen thermischen Bedingungen (Volllast bei Nenndrehzahl) genügend Wärme abgeführt werden kann. Durch die direkte Kopplung von Motor- und Pumpendrehzahl über den Riemenantrieb ist die Kühlleistung beim Teillastbetrieb mehrfach überdimensioniert. Dadurch wird der Motorwirkungsgrad verschlechtert, was eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge hat. Ein Bestandteil des konventionellen Kühlkreislaufs ist das (ungesteuerte) Thermostatventil. Es kontrolliert durch die Ventilstellung den Kühlmittelstrom durch den Kühler und damit die vom System abzuführende Wärmemenge (Abbildung 1). Die Kühlertemperatur wird aktiv durch den elektrischen Lüfter geregelt. Die resultierende Kühlmitteltemperatur ist für normale Betriebsbedingungen im Allgemeinen nicht optimal. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades kann bereits durch den Einsatz eines elektronisch geregelten Thermostatventils erzielt werden. Eine weitere Ausbaustufe sieht zusätzlich den Einsatz einer elektrischen Kühlmittelpumpe vor.

3 Abbildung 1: physikalischer Aufbau des Kühlkreislaufs 1: Motorblock, 2: Zylinderkopf; 3: Kühlmittelpumpe; 4: Thermostatventil; 5: Kühler; 6: Lüfter; 7: Heizungswärmetauscher; 8: Zusatzwasserpumpe; 9: Absperrventil; 10: 1.3 Steuerungsentwurf für eine Kühlerfunktion In den vergangenen Jahren wurden bereits zahlreiche fahrzeugspezifische Konzepte von Kühlerfunktionen implementiert, die üblicherweise speziell auf bestimmte Fahrzeugtypen abgestimmt wurden. Eine möglichst universelle Lösung soll nun alle nötigen und sinnvollen Funktionen der einzelnen Lösungen zusammenfassen, um je nach Konfiguration für verschiedene Automobiltypen realisierbar zu sein. Ein entscheidender Aspekt der der hier vorgestellten Lösung ist die Erweiterbarkeit um neue Funktionen. Dadurch werden Aktualität und Wiederverwendbarkeit über einen längeren Zeitraum gewährleistet. Um das erstellte Softwaremodell simulieren zu können, existiert ein einfaches Modell des realen Kühlkreislaufs. Die Umsetzung des Systemdesigns erfolgt in Matlab/Simulink unter Zuhilfenahme eines besonderen Tools SDA (System Design Automation) von Siemens-VDO. SDA ist als Simulink-Toolbox realisiert und dient der Vereinfachung und Vereinheitlichung von Software-Designansätzen. SDA schränkt dazu insbesondere die Funktionsvielfalt von Simulink ein. Bereits existierende fahrzeugspezifische Kühlerfunktionen können mit SDA analysiert werden. Nach Erstellen einer Steuerungsfunktionalität generiert SDA ein Software Lastenheft (Software Requirement Specification), das Grundlage der eigentlichen Steuergerätesoftwareerstellung ist.

4 2 Modellierung der Kühlungssteuerung 2.1 Allgemeine Blockstruktur des Modells Ein SDA Modell (Abbildung 2) besteht prinzipiell aus 4 Komponenten. Um die Funktion zu stimulieren gibt es einen Funktionsblock für die System-Stimuli. Hier wird auch ein Zeitsignal generiert, welches den Systemtakt für die Abarbeitung der Funktionen bildet. Weiterhin wird das Reset-Signal erzeugt, das für einen definierten Anfangszustand der Funktion beim Systemstart nötig ist. Diese Signale werden automatisch vom System erstellt und eingebunden. Darüber hinaus kann der Entwickler selbst Stimuli definieren, die als Eingangssignale für die verschiedenen Teilfunktionen dienen. Der Projektteil PRJ_NAME enthält die gesamte -Funktionalität und ein simuliertes Betriebssystem, welches das System erst lauffähig macht. Dieser Teil beinhaltet auch alle Informationen, die abschließend in der automatisch generierten Software Requirement Specification enthalten sind. Neben dieser Beschreibung der Funktionsstrategie gibt es einen weiteren Modellbaustein, der das physikalische System simuliert (PLA_PRJ_NAME). Der vierte Teil stellt die Displayfunktion von Simulink zur Verfügung (DISP_PRJ_NAME). So kann jede Systemgröße während der Simulation graphisch dargestellt werden. STI_PRJ_NAME PRJ_NAME DISP_PRJ_NAME PLA_PRJ_NAME Abbildung 2: Struktur eines SDA Modells

5 Diese vier Blöcke bilden die oberste Ebene eines Hierarchiesystems. Der Block PRJ_NAME kann weitere sogenannte Aggregate beinhalten. Ein Aggregat ist ein Softwarebaustein, der Module mit ähnlicher Funktionalität zusammenfaßt. Der modulare Aufbau erleichtert die nachträgliche Änderung von Funktionen. 2.2 Das hybride Modell der Kühlungssteuerung Für die Entwicklung der Kühlungssteuerung ist der Entwurf eines hybriden Modells erforderlich. Dies bedeutet, dass in diesem Modell sowohl zeitkontinuierliche (dynamische Modellbestandteile wie z. B. Regler oder Simulation des physikalischen Kühlkreislaufs) als auch ereignisdiskrete Teilmodelle (im Wesentlichen Zustandsautomaten für Steuerfunktionen) realisiert sind. Die Kühlerfunktion besteht aus zwei Einzelmodulen, die Bestandteile des Aggregats Engine Temperature (ENTE) sind (Abbildung 3). Das Modul ENTE_MANAG beinhaltet alle Funktionen, die direkt in die Lüftersteuerung eingreifen. Hier wird die erforderliche Kühlleistung berechnet und an einem Modulausgang (PWM_RAW) zur Verfügung gestellt. Alle für die Berechnung notwendigen Signale (Stimuli) sind als Eingänge am Funktionsblock vorhanden. Sie stammen von anderen Funktionen des Steuergerätes ( Electronic Control Unit). Im Modul ENTE_CFANS wird das berechnete Anforderungssignal an die technischen Gegebenheiten des Lüfters angepasst. Das endgültig aufbereitete PWM-Signal wird durch den Ausgang PWM_OUT direkt auf den Lüfter gegeben. Für den Lüfternachlauf müssen die notwendigen Komponenten auch bei ausgeschalteter Zündung mit Strom versorgt werden. Deshalb kann das Modul ENTE_MANAG eine spezielle Funktion im Kühlungssteuergerät, die sog. Powerlatch- Funktion, aktivieren. Powerlatch Aggregat ENTE Modul ENTE_MANAG Modul ENTE_FANS Eingänge PWM_RAW PWM_OUT Lüfter Berechnung des PWM-Request- Signals Technische Anpassung Abbildung 3: Aufbau des Aggregats ENTE

6 2.3 Das Modul ENTE_MANAG Das Modul ENTE_MANAG berechnet die Kühlleistung, die notwendig ist um das thermische Gleichgewicht des Kühlkreislaufs zu erhalten. Es sind fünf Teilfunktionen vorhanden, die die jeweils erforderliche Lüfterleistung für die Kühlung von einzelnen Komponenten des Automobils berechnen (Abbildung 4). Das Modul und alle Teilsysteme werden beim Start durch das Reset-Signal auf einen definierten Anfangszustand gebracht. Ab diesem Zeitpunkt wird das gesamte Modul alle 100 ms einmal abgearbeitet. Die Entscheidung, welches der Subsysteme, abhängig vom Betriebszustand, angetriggert und damit ausgeführt wird, wird in dem speziellen Funktionsblock APP_CDN 1 getroffen. Nach jedem Taktzyklus werden alle berechneten Anforderungen verglichen. Es handelt sich hierbei um PWM-Signale. Das PWM-Signal mit dem größten Tastverhältnis wird selektiert und in weiteren Teilfunktionen hinsichtlich Fahrzeuggeschwindigkeit und Umgebungsdruck an den aktuellen Betriebszustand des Automobils angepasst. Der kalkulierte Wert entspricht dem Tastverhältnis des Steuersignals für den Lüfter (Minimum: 0%, Maximum: 100%). Im Folgenden wird die Funktionalität der verschiedenen Teilsysteme des Moduls näher beschrieben sowie durch Simulationsergebnisse bestätigt. Bildung des Request-Signals Request Management Powerlatch Regler Kühlmitteltemperatur AC-Request Management Anpassung an äußere Einflüsse und Signalunterbrechungen während der Startphase Eingänge Getriebe-Request Management Auswahl des max. Requests Anpassung an Fahrzeuggeschwindigkeit Anpassung an Umgebungsdruck PWM Steuermodul Lüfternachlauf Regler Lufttemperatur Motorraum Abbildung 4: Aufbau des Moduls ENTE_MANAG 1 Application Conditions

7 2.4 Das Modul ENTE_CFANS Das PWM-Signal, das im Modul ENTE_MANAG berechnet wurde, wird hier an die technischen Gegebenheiten angepasst und für die tatsächliche Lüfteransteuerung aufbereitet. Dafür wird das ursprüngliche Signal in vier Teilfunktionen bearbeitet (Abbildung 5) Die Abarbeitung des Systems erfolgt synchron zum oben genannten Modul alle 100 ms. Auch hier legt die Application Condition den jeweiligen Betriebszustand der und damit die Ausführung der einzelnen Teilfunktionen fest. ENTE_CFANS Eingänge PWM Korrektur auf Grund von Batterieschwankungen Ausblenden definierter PWM- Bereiche Gradienten- Limitierung des PWM- Signals Begrenzen des PWM Signals auf definierten Wertebereich Lüfter Abbildung 5: Aufbau des Moduls ENTE_CFANS 2.5 Einfache Simulation des Kühlkreislaufs Um die Funktionalität der einzelnen Module zu simulieren bzw. zu testen, ist ein wirklichkeitsnahes, aber einfaches Modell des Kühlkreislaufs im Automobil nötig. Es wurde ein Modell auf Basis einfacher Wärmestrombilanzen entwickelt. Eine Simulation der erstellten Funktionen ist mit diesem Modell vollständig möglich. Im Mittelpunkt des Modells stehen die Temperaturen von Kühlmittel und Luft im Motorraum. Der Aufbau in Abbildung 6 zeigt die Abhängigkeiten dieser Größen von den physikalischen Gegebenheiten. Umgebungstemperatur und einströmende Luftmenge nehmen Einfluss auf die Temperatur des Kühlers. Zusätzliche Frischluft zur Kühlung dieser Komponente wird durch den Lüfter angesaugt. Das vom Motorblock erhitzte Kühlmittel durchströmt den Kühler und wird so wieder auf eine niedrigere Temperatur gebracht. Die Wärme der Luft im Motorraum hängt sowohl von Temperatur und Menge der Frischluft als auch von der Motortemperatur ab.

8 Motorraum Umgebungs -temperatur Kühler text Lüfter Motortemperatur Lufttemperatur Motor Luftstrom, Menge Kühlmittel Abbildung 6: Prinzipdarstellung des Modells des Kühlkreislaufs Die nachfolgende Abbildung 7 zeigt die Umsetzung des Modells des Kühlkreislaufs in Simulink. Im Block Calculate Engine Temperature wird die Motortemperatur berechnet. Die Erwärmungs- bzw. Abkühlungszeitkonstante des Motorblocks beträgt 500 s. Dieser Wert wurde beispielhaft gewählt. Wird das Automobil gestartet (engine state = 0), hat der Motorblock zunächst seine Starttemperatur. Diese entspricht üblicherweise der Umgebungstemperatur. Die Temperatur steigt nun im laufenden Betrieb an, bis der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Wird der Motor abgestellt, sinkt die Motortemperatur wieder ab, bis die Umgebungstemperatur (ambient air temp) erreicht ist. Die Motortemperatur ist ein Eingang des nächsten Blocks Engine Compartment. Hier wird die Temperatur der Luft im Motorraum (air temp under the hood) berechnet. Sie ist neben der Motorabwärme auch von der Temperatur (ambient air temp) und der Menge der einströmenden Frischluft (intake airflow) abhängig. Die Menge der Frischluft wird einerseits durch die Drehzahl des Lüfters und andererseits durch die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt. Diese Abhängigkeiten sind in den Funktionsblöcken Fan und Intake Airflow implementiert. Die zusammengesetzte Größe airflow ist auch Eingang des Funktionsblocks Cooler. Hier wird die Abkühlung des Kühlmittels (coolant temp) simuliert. Nach der Abkühlung "durchfließt" das Kühlmittel (coolant cool) den Engine Block. Dort wird es erwärmt (coolant hot) und wieder zum Kühler zurückgeführt. Die Größen air temp under the hood und coolant temp sind Ausgänge des Modells. Sie dienen als Prozessgrößen für verschiedene Module der Kühlerfunktion.

9 3 5 4 ambient air temp engine state engine start temp engine temp Calculate Engine Temperature 6 ambient air temp engine temp airflow air temp. under hood Engine Compartment 2 air temp under the hood 1 PWM- Request airflow engine temp Fan airflow coolant hot coolant temp coolant cool 2 Vehicle - Speed airflow Intake Airflow coolant hot Cooler Engine Block 2 coolant temp Abbildung 7: Simulink-ähnliches Blockbild des Kühlkreislaufs

10 3 Zusammenfassung In diesem Beitrag wird der Entwurf einer Kühlersteuerungsfunktion vorgestellt. Die Umsetzung erfolgte anhand der Simulink/SDA-Entwicklungsumgebung. Mit Hilfe des Tools wurde ein graphisches Modell der Kühlersteuerung sowie ein Modell des physikalischen Kühlkreislaufs (die sog. Strecke) erstellt. Mit Hilfe des Tools SDA kann darüberhinaus eine Software Requirement Specification erzeugt werden. Die fehlerfreie Funktion der einzelnen Funktionsblöcke wurde mittels Simulation am Rechner nachgewiesen. Weiterhin erfolgten umfassende Tests hinsichtlich des Zusammenspiels der einzelnen Teilfunktionen. Die Einsatzfähigkeit des Systems wurde schließlich durch Simulation unter realistischen Bedingungen nachgewiesen. Dabei wurde die Reaktion von Umwelteinflüssen in verschiedenen Betriebssituationen des Fahrzeugs überprüft. Beim Aufbau des Modells mit den Mitteln von SDA wurde Wert auf die Erweiterbarkeit um neue Teilfunktionen gelegt. So ist es jederzeit möglich weitere Module einzubinden. Beispiele hierfür wären eine Berücksichtigung der Abgastemperatur oder die Einbindung eines zweiten Lüfters in den Kühlkreislauf. Beim Aufbau der Strecke stand nicht eine exakte Modellierung der physikalischen Zusammenhänge im Vordergrund. Ziel war es vielmehr, ein einfaches Modell des Kühlkreislaufs nachzubilden, um eine Simulation der Kühlerfunktion zu ermöglichen. Dahingehend kann das System für zukünftige realistischere Simulationen noch optimiert werden. Die entwickelte Kühlerfunktion kann als erste Komponente eines komplexeren Thermomanagements angesehen werden. Durch die Entwicklung weiterer Komponenten (z.b. Thermostatsteuerung, Regelung einer elektrischen Kühlmittelpumpe) kann die Funktion des Thermomanagements im Automobil Schritt für Schritt komplettiert werden. Hierfür ist die Erweiterung der Strecke um die jeweiligen Komponenten des Kühlkreislaufs nötig. Mit der Entwicklung dieser Kühlerfunktion wird der Grundstein für die funktionale Umsetzung eines komplexen Thermomanagements für einen Dieselmotor gelegt. Literaturverzeichnis [EG05] Eglseder W.: Entwicklung einer generischen Kühlerfunktion für Dieselmotoren. Diplomarbeit am Fachbereich Elektrotechnik und Medientechnik der FH Deggendorf, [MO02] Mollenhauer K.: Handbuch Dieselmotoren, 2. Aufl., Berlin 2002 [LW00] Lutz H., Wendt W.: Taschenbuch der Regelungstechnik, 3. Aufl., Frankfurt 2000 [AN04] Angermann A., Beuschel M., Rau M., Wohlfahrt U.: Matlab Simulink Stateflow, 3. Aufl., München 2004