1 Einleitung. 1 eingetragene Marke der Robert Bosch GmbH zur Steuerung und Regelung von Ottomotoren

Transkript

1 1 Einleitung Unter einer Motorsteuerung oder auch Motronic 1 für Ottomotoren versteht man die elektrische Steuerung und Regelung des Motors um verschiedene Vorgaben und Ziele zu erreichen. Ursprünglich war die wesentliche Aufgabe, die elektronische Einspritzung in den Motor mit der elektronischen Zündung in einem Steuergerät zu vereinen. Mittlerweile sind durch gestiegene Ansprüche und immer strengere Umweltgesetze weitere Anforderungen hinzugekommen. Heute ist ein Motorsteuergerät unter anderem zuständig für: Senkung des Kraftstoffverbrauchs Umsetzung des Fahrerwunschs (z.b. Beschleunigung) Einhaltung der immer strengeren Abgasgesetzgebung gleichzeitig hohen Fahrkomfort zu gewährleisten On-Board-Diagnose (OBD) Die Diagnose nimmt hierbei mittlerweile rund 50 Prozent der benötigten Rechnerleistung der Motorsteuerung in Anspruch. Während die Anforderungen an die Motorsteuerung immer weiter steigen, werden die Entwicklungszyklen durch sinkende Markteinführungszeiten immer kürzer. Dies stellt die Software-Entwicklung im Automobilbereich vor neue Herausforderungen. 1 eingetragene Marke der Robert Bosch GmbH zur Steuerung und Regelung von Ottomotoren

2 2 Aufgaben der Motorsteuerung Die erwähnten Aufgaben einer Motorsteuerung setzen sich aus vielen Einzelproblemen zusammen, welche alle von dem Motorsteuergerät gesteuert und geregelt werden müssen. Dabei sind sogar einige Probleme gegenläufig, das heißt es muss teilweise ein Kompromiss gefunden werden. Einen solchen Kompromiss sieht man zum Beispiel bei der Zündung, die auch vom Motorsteuergerät gesteuert wird. Neben der Steuerung und berwachung von Motorfunktionen ist das Steuergerät im Fahrzeug in ein Netz von Steuergeräten eingebaut und muss mit den anderen Steuergeräten Kommunizieren. Dieses Netz führt gerade in der Softwareentwicklung zu einigen Schwierigkeiten bei der Systemintegration [Siehe Abschnitt 3.3]. Abbildung 1: Aufgaben der Motorsteuerung [3, S.8]

3 2.1 Senkung des Kraftstoffverbrauchs Gemischbildung: Zum Betrieb eines Ottomotors benötigt man ein Luft-Kraftstoff-Gemisch. Idealerweise, zur vollständigen Verbrennung, liegt bei diesem Gemisch ein sogenanntes stöchiometrisches Verhältnis (14,7 kg Luft : 1 kg Kraftstoff) vor, beziehungsweise sogar ein Luft Überschuss. Um ein optimales Gemisch für den Brennraum zu bilden, steuert das Motorsteuergerät die Einspritzung in den Motor. Hierbei muss man zwischen der Saugrohreinspritzung (Gemischbildung außerhalb des Brennraums) und der Benzin-Direkteinspritzung (Gemischbildung erst im Brennraum) unterscheiden. Bei beiden Varianten hat das Motorsteuergerät die Aufgabe, sowohl die benötigte Luftmasse, den benötigten Kraftstoff, die benötigte Einspritzzeit sowie den Einspritzzeitpunkt zu berechnen. Früher wurden bei der Einspritzung oft Systeme mit Rücklauf verwendet, bei denen der Motor mit zu viel Kraftstoff versorgt wurde und über eine Rücklaufleitung der überschüssige Kraftstoff zurück in den Tank (Saugrohreinspritzung) oder den Niederdruckkreis (Benzin-Direkteinspritzung) geführt werden musste. Systeme mit Rücklauf haben jedoch die Nachteile, dass der zurückgeführte Kraftstoff erwärmt ist und somit im Tank/Niederdruckkreis vermehrt Gase entstehen. Heute werden bei modernen Motoren hauptsächlich bedarfsgeregelte Systeme eingesetzt, die neben der Einsparung des Rücklaufs auch noch den Energieverbrauch der Elektrokraftstoffpumpe senken. Beim bedarfsgeregelten System wird mit einem Drucksensor der aktuelle Kraftstoffdruck erfasst und zur Einstellung des gewünschten Drucks die benötigte Kraftstoffmenge gefördert. Bei der Saugrohreinspritzung steuert das Motorsteuergerät hierzu die Betriebsspannung der Kraftstoffpumpe, bei der Benzin-Direkteinspritzung wird vom Motorsteuergerät ein Mengensteuerventil, das in die Hochdruckpumpe integriert ist, angesteuert. Zur Einspritzung in den Brennraum steht hierbei bei der Benzin-Direkteinspritzung deutlich weniger Zeit zur Verfügung, da die Einspritzung nur im Ansaugtakt erfolgen darf. Sonst wäre mit Katalysatorproblemen und hohen Abgasemmissionen zu rechnen. Die benötigte Luftmasse wird Anhand des Fahrerwunsches berechnet. Anhand einer redundanten Sensorik im Fahrpedalmodul und des aktuellen Betriebspunkt des Motors wird die benötigte Luftmasse berechnet und der Öffnungswinkel der Drosselkappe über den Drosselkappenantrieb und den Drosselkappenwinkelsensor entsprechend eingestellt. Die Redundanz im Fahrpedalmodul soll in diesem sehr kritischen Abschnitt Fehler vermeiden.

4 Zündung: Beim Ottomotor wird der Verbrennungsvorgang durch eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs mit einer Zündkerze gestartet. Die vom Motorsteuergerät gesteuerte Zündung muss hierbei unter allen Betriebsbedingungen des Motors sicherstellen, dass sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch entflammt. Hierbei muss vom Motorsteuergerät der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von Drehzahl, Füllung, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Last und Motortemperatur berechnet werden. Bei elektronischen Motorsteuerungen sind die Zündzeitpunkte in Kennfeldern 2 hinterlegt, welche vorher auf dem Motorprüfstand ermittelt wurden. Je nach (Motor-)Situation muss der Zündzeitpunkt dieser Kennlinienfelder weiter angepasst werden (siehe Klopfregelung bei Fahrkomfort). Beispiele in denen der, im Kennlinienfeld, hinterlegte Zündzeitpunkt korrigiert werden muss, sind die Klopfregelung, Warmlauf oder der Startbetrieb. Ein früherer Zündzeitpunkt sorgt hierbei für höhere Leistung und geringeren Kraftstoffverbrauch, erhöht aber auch die Emissionen, vor allem die Stickoxidemmission. Abbildung 2: Ermittlung des Zündzeitpunktes [3, S.18] 2 3-Dimensionale Darstellung von Abhängigkeiten

5 2.2 Fahrkomfort Um einen angemessenen Fahrkomfort für den Fahrer sicherzustellen, muss das Motorsteuergerät zu jeder Zeit ausreichend Motorleistung zur Verfügung stellen. Außerdem muss das Motorsteuergerät dafür sorgen dass, trotz Maßnahmen um den Kraftstoffverbrauch zu senken, wie z.b. der Magerbetrieb, bei dem mehr Luft zur Verfügung gestellt wird, als für ein stöchiometrisches Verhältnis nötig wäre (Luftverhältnis λ > 1; λ = Tatsächliche Luftmasse / Benötigte Masse in stöchiometrischem Verhältnis), keine Verbrennungsaussetzer auftreten. Ein weiteres Beispiel, das den Fahrkomfort deutlich senken kann, ist eine klopfende Verbrennung (Unkontrollierte Verbrennung oder Selbstentzündung des Kraftstoffes). Um einen geringeren Kraftstoffverbrauch, sowie hohe Leistung zu realisieren, werden die Zylinder des Motors nahe ihrer Klopfgrenze betrieben. Dies ist nur durch eine elektronische Klopfregelung möglich, die ein Klopfen des Motors mithilfe von außen am Motor angebrachten piezo-elektrischen Beschleunigungssensoren erkennt und frühzeitig Gegenmaßnahmen einleitet. Als Gegenmaßnahme wird der Zündzeitpunkt Richtung spät verstellt bis kein Klopfen mehr auftritt. Danach wird Stufenweise der Zündzeitpunkt wieder Frühverstellt. Ohne diese Gegenmaßnahmen wären Motorschäden die Folge. 2.3 Einhaltung der Abgasgesetze Um die immer strengeren Abgasgesetze einzuhalten sind motorische Maßnahmen alleine nicht ausreichend. Da die Emissionen weiter gesenkt werden müssen, werden bei Ottomotoren Katalysatoren verwendet, welche die, bei der Verbrennung entstehenden, Schadstoffe in nicht schädliche Komponenten umwandeln. Stand der aktuellen Technik ist der Dreiwegekatalysator. Für eine möglichst hohe Umwandlung der drei Schadstoffe Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxide zu erreichen, ist ein Luft-Kraftstoff- Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis erforderlich. Damit der Dreiwegekatalysator richtig arbeiten kann, muss das Motorsteuergerät dafür sorgen, dass der Katalysator eine gewisse Temperatur erreicht und das Luft-Kraftstoff-Gemisch entsprechend anpassen. Gerade beim Fahrzeugstart muss somit der Katalysator möglichst schnell aufgehitzt werden. Dies geschieht durch eine (für den Motorwirkungsgrad ungünstige) spätverstellung des Zündzeitpunkts, was die Temperatur des Abgases erhöht und somit den Katalysator rasch auf Betriebstemperatur bringt. Da zum Kraftstoffsparen der Motor eventuell zur Kraftstoffersparnis mit einem mageren Luft-Kraftstoff- Gemisch betrieben wird, muss das Motorsteuergerät feststellen, wann der Katalysator regeneriert werden muss und dann kurzzeitig auf fetten Homogenbetrieb (Luftverhältnis λ < 0,8) umstellen. Mit Steuerung der Gemischbildung alleine ist keine ausreichende Genauigkeit gegeben, deshalb werden mit einem λ-regelkreis Abweichungen von einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis erkannt und korrigiert. Als Maß für die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird der Restsauerstoffgehalt im Abgas mit λ-sonden gemessen.

6 2.4 On-Board-Diagnose (OBD) Für alle neuen Ottomotor-Fahrzeuge in Europa gilt seit dem 1. Januar 2000 die Europäische On-Board- Diagnose Richtlinie (EOBD). Die EOBD schreibt als MUSS-Vorgabe unter anderem die Überwachung der Katalysatorwirkung, Zündaussetzer innerhalb bestimmter Last-Grenzen, Überwachung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, sowie die Funktion anderer, mit dem Motorsteuergerät verbundenen Komponenten, die im Fehlerfall dazu führen könnten Abgasgrenzen zu überschreiten. Tritt ein Fehler auf und wird dieser erkannt, so wird eine Fehlermeldung mit relevanten Daten wie zum Beispiel Motorlast, Motordrehzahl und Kühlmitteltemperatur gespeichert und bei mehrfachem Auftreten der Fahrer über eine Kontrolllampe informiert, beziehungsweise bei kritischen Fehlern entsprechende Gegenmaßnahmen wie etwa eine Abschaltung eingeleitet.

7 3 Software Die Software von Steuergeräten wurde bis vor einigen Jahren nur als Bestandteil des Steuergerätes angesehen und quasi nebenbeimitentwickelt. Mittlerweile hat die Software jedoch einen weit höheren Stellenwert in der Automobilindustrie erlangt und es ist eine starke Zunahme am Anteil an den Herstellungskosten neuer Modelle in Richtung Software zu verzeichnen. Dies ist zum einen damit zu begründen, dass die Gesetzgebung zum Beispiel im Bereich Abgasemmisionen immer schärfere Grenzen vorsieht und die Sicherheits- und Komfort-Ansprüche der Nutzer immer weiter steigen, aber auch deshalb, weil die Automobilindustrie damit begonnen hat die Software als Differenzierungsmerkmal im Wettbewerb zu nutzen. Der steigende Stellenwert der Software lässt sich auch am Code selbst beobachten, dessen Menge sich etwa alle 3 Jahre verdoppelt. Durch immer weitere über Software realisierte Funktionen im Motorsteuergerät steigt der Umfang der Software exponentiell an. Dies alles geschieht, während, wegen immer kürzer werdender Produktentwicklungszyklen, immer weniger Zeit zur Software-Entwicklung zur Verfügung steht. Dabei kann man die funktionalen Anforderungen an ein Motorsteuergerät in Haupt- und unterstützende Funktionen aufteilen, beispielsweise: Hauptfunktionen Gemischbildung Zündung Umsetzung des Fahrerwunschs Unterstützende Funktionen Abgaskontrolle Motor und Getriebeschutz Eigendiagnose und Fehlerspeicherung Zu den nicht-funktionalen Anforderungen gehören je nach Funktion die Echtzeitfähigkeit, würde zum Beispiel ein Betätigen des Gaspedals durch den Fahrer erst verzögert zur Beschleunigung führen hätte dies katastrophale Folgen. Aber auch eine gewisse Hardwareunabhängigkeit um nicht von einzelnen Lieferanten abzuhängen und somit eine hohe Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten. Die Wiederverwendbarkeit der Motorsteuerungssoftware ist gerade in Anbetracht der immer kürzer werdenden Produktentwicklungszyklen immer wichtiger. So soll die Software eine möglichst hohe Skalierbarkeit besitzen um eine große Anzahl von Motoren abzudecken (zum Beispiel von 3-Zylinder bis 12-Zylinder Motor) und es muss Fremdsoftware, beispielsweise von Zulieferern oder dem Fahrzeughersteller selbst integrierbar sein. Dazu nötig ist die Verwendung von Standard-Software Komponenten, das Aufteilen der Software in einzelne Module und eine vollständige Dokumentation des Codes.

8 3.1 Hardware Motorsteuergeräte werden meist im Motorraum eingebaut. Daraus resultieren spezielle Anforderungen an die Hardware: Umgebungstemperaturen von bis zu 105 C Vibrationsfestigkeit bis zu 16g Staubdicht beziehungsweise Strahlwasserdicht Platzmangel Aufgrund dieser Anforderungen ist klar, dass der Leistungsfähigkeit und dem Speicherplatz der Steuergeräte im Fahrzeug Grenzen gesetzt sind. Deshalb muss trotz steigender Anforderungen und Zeitdrucks, der Code möglichst effizient sein.

9 3.2 Wichtige Standards OSEK/VDX 3 : Ausgeschrieben Öffene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik im Kraftfahrzeug /. Im Mai 1993 gegründet von BMW AG, Daimler-Benz AG (heute Daimler AG), Adam Opel AG, Volkswagen, Robert Bosch GmbH, Siemens AG und das Institut für industrielle Informationstechnik der Universität Karlsruhe (TH) schloss man sich mit der französischen VDX-Initiative (Vehicle Distributed Executive) bestehend aus Peugeot, Citron und Renault zusammen. Aus dieser Initiative ging der Standard OSEK- OS für Echtzeitbetriebssysteme für eingebettete Systeme hervor. Der OSEK-OS Standard teilt Tasks in zwei verschiedene Klassen ein. Einfache Tasks, welche durch Tasks mit einer höheren Priorität verdrängt werden können und komplexe Tasks, welche während ihrer Abarbeitung auf freie Ressourcen warten. AUTOSAR 4 : AUTOSAR ist eine Softwareentwicklungspartnerschaft, bestehend sowohl aus Fahrzeugherstellern, als auch ihren Zulieferern. Als Ziel von AUTOSAR gilt die Wiederverwendbarkeit von Software für verschiedene Steuergeräte. Ein wesentliches Merkmal vom AUTOSAR Standard ist die Aufteilung von Steuergerätesoftware in die steuergerätespezifische Basissoftware und die vom Steuergerät unabhängige Anwendungssoftware und deren Verbindung. Die Basissoftware enthält die steuergerätespezifische Kommunikation, Diagnose und Speichermanagement. Bei AUTOSAR sind die funktionalen Softwarekomponenten strikt voneinander und von der Basissoftware getrennt, man teilt also die Software in einzelne Module ein. Dies erleichtert die Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit von Software im Automobilbereich enorm, weshalb sich AUTOSAR bei immer mehr Fahrzeugherstellern durchsetzt. Codegeneratoren: Zur schnelleren Softwareerzeugung und mittlerweile auch um effizienteren Code hervorzubringen werden gerade wenn es um die Implementierung neuer funktionaler Software-Bestandteile automatische Codegeneratoren benutzt. Diese erzeugen anhand von vorher erstellten Modellen den benötigten Code. Codegeneratoren stellen hierbei auch bei Modelländerungen effizienten Code zur Verfügung, während der menschliche Entwickler oftmals nicht die Zeit hat um bei mehrmaligen änderungen immer wieder den Code zu optimieren. In der Regel ist der generierte Code im Automobilbereich in der Sprache C. Zur Unterstützung der menschlichen Entwickler gibt es die Standards ANSI-C und MISRA-C. Viele Codegeneratoren halten sich an diese Standards und verbessern somit die Lesbarkeit des Codes für die menschlichen Entwickler. Um Code generieren zu können muss man ein genaues Modell erstellen. Ein solcher Codegenerator ist zum Beispiel TargetLink

10 3.3 Entwicklungsprozess Das Motorsteuergerät hat eine Vielzahl von Funktionen und Aufgaben und muss auch mit vielen anderen Steuergeräten kommunizieren. In bisherigen Entwicklungsprozessen kam es oft vor dass, aufgrund der späten Systemintegration und des zu wenigen Systematischen Testens, Fehler erst sehr spät entdeckt wurden. Dadurch mussten Software-änderungen kurz vor Produktstart vorgenommen werden, was oft unsauberen und ineffizienten Code verursachte. Heute lösen immer mehr die modellbasierten Entwicklungsmethoden, mit Blockdiagrammen und Zustandsautomaten in der Softwarespezifikation, die Spezifikation in Prosaform ab. Durch diese formal definierten Modelle ist es möglich Code automatisch zu generieren und die Modelle und den Code in einer Simulation zu testen. So kann man durch die Modellierung bereits in frühen Entwicklungsphasen Fehler erkennen die vorher erst kurz vor Produktstart entdeckt wurden und spart teure Testhardware und Versuchsfahrzeuge ein. Abbildung 3: Block und Zustandsdiagramm [3, S.655]

11 3.4 Applikation Unter Applikation oder auch Kalibrierung versteht man die Anpassung der Software-Parameter an die entsprechende Fahrzeugvariante. Bei diesem Vorgang werden die entsprechenden Softwarefunktionen entweder Offline(mit unterbrechung des Fahrprogramms) oder Online(möglichst ohne Unterbrechung des Fahrprogramms) mit den fahrzeugtypischen Kennlinien, Kennwerten und Kennlinienfeldern versorgt. Während dies früher erst an extra dafür hergestellten Testfahrzeugen auf Fahrzeugprüfständen oder unter realen Umgebungsbedingungen auf Teststrecken durchgeführt wurde, wird heute immer mehr bereits in der virtuellen Umgebung appliziert. Abbildung 4: Applikation [3, S.681]

12 3.5 Testen Rapid Control Prototyping Beim Rapid Control Prototyping werden Experimentiersysteme (Oft PC mit deutlich höherer Leistung als die entsprechenden Steuergeräte) mit den Sensoren, Steuergeräten etc. des Fahrzeugs verbunden um Funktionen zu testen. Eine Art des Rapid Control Prototypings, welche oft bei Motorsteuergeräten aufgrund deren Komplexität benutzt wird ist der Bypass. Der Bypass wird verwendet um ein Steuergerät weiterzuentwickeln. Hierbei wird ein Steuergerät mit bereits vorhandener Basisfunktionalität(oft das Vorgängermodell) benutzt und mit dem Experimentiersystem verbunden(z.b. über den Fahrzeugbus CAN) um zusätzliche Softwarefunktionen oder Weiterentwicklungen zu testen. In-The-Loop-Testsysteme Bei In-The-Loop-Systemen wird ein eingebettetes System mit einer realen oder virtuellen Umgebung verbunden. Man unterscheidet hierbei: Model-in-the-Loop(MIL) Software-in-the-Loop(SIL) Function-in-the-Loop(FIL) Hardware-in-the-Loop(HIL) Das Funktionsmodell der Software wird getestet Der Code wird auf einem Entwicklungsrechner getestet Code wird auf Zielhardware getestet Das vollständige Steuergerät wird über die I/O Schnittstellen getestet Abbildung 5: HIL-Simulation [3, S.668] Links Reales Fahrzeug, rechts Simulation des Fahrzeugs

13 4 Zusammenfassung Neue Anforderungen und Technologien werden weiter dafür sorgen, dass der Softwareumfang und Funktionsumfang des Motorsteuergeräts beziehungsweise im kompletten Automobilbereich weiter steigt. Verbunden mit den immer kürzeren Entwicklungszeiten ist die wirtschaftliche Komplexitätsbeherrschung ein Schlüsselelement der Software-Entwicklung im Automobilbereich. Dies ist nur möglich wenn man die Modellbildung weiter perfektioniert und mit Code-Generatoren und wiederverwendbarem Code dafür sorgt, dass der Entwicklungsaufwand überschaubar bleibt. Es zeichnet sich ab, dass durch zunehmende Virtualisierung in der Software-Entwicklung im Automobilbereich wichtige Schritte, wie zum Beispiel Testen oder Applizieren in die frühen Entwicklungsphasen integriert werden können und so teure Fehler und Engpässe kurz vor Produktstart oft vermieden werden können.

14 Literatur [1] Robert Bosch GmbH, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 28. Auflage, [2] Robert Bosch GmbH, Autoelektrik Autoelektronik. 5. Auflage, [3] Henning Wallentowitz/ Konrad Reif, Handbuch Kraftfahrzeugelektronik. 1. Auflage, September [4] Wikipedia, Klopfen, Gemischbildung. [5] AUTOSAR, [6] OSEK/VDX,