1

2. Regelungstechnisches Kolloquium in Dortmund

DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Der Beitrag elektronischer Regelungen zur Emissionsreduzierung von Dieselmotoren

Dr.-Ing. Andreas Michalske

Robert Bosch GmbH, Diesel Systems, Stuttgart

2

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

AgendaEinleitung

Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen

Beispiele für Regelungen am Dieselmotor

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

Zusammenfassung

3

Einleitung

DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Entwicklung der Emissionsgrenzwerte

19901985 1995 2000 2005Werte = Grenzwerte in g/km

0

50

21,2ECE R15/04

2,72 1,0 0,64 0,50CO

100

5,8ECE R15/04

1,36 0,97 0,900,56 0,30HC+NOX

0

100

50

100

50

0

%

EU1

EU3

0,2788/436/EEC

0,1960,14

0,100,05 0,025

EU4PartikelEU2

Stand der Technik2001

97% 98%

81% 91%

90% 95%

4

Einleitung

DS/BGE2 1914 287 de | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Entwicklungspotenzial für den Dieselmotor

Aufladetechnologie

Leichtbau

Downsizing

Reibleistungsminimierung

Weiterentw. CR-System

Variable Einspritzdüse

Kraftstoffqualität

Weiterentw. Abgasrückführung

Neue Regelstrategien

Wärmemanagement

Dieselpartikelfilter

NOX-Speicher-Katalysator

Onboard-Diagnose

Neue BrennverfahrenNeue Brennverfahren

Variable Einspritzdüse

Weiterentw. Einspr.-System

Aufladetechnologie

Weiterentw. Abgasrückführung

Neue RegelstrategienWärmemanagement

Dieselpartikelfilter

NOX-Speicher-Katalysator

Onboard-Diagnose

Leichtbau

Downsizing

Reibleistungsminimierung

Kraftstoffqualität

5

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

AgendaEinleitung

Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen

Beispiele für Regelungen am Dieselmotor

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

Zusammenfassung

6

Überblick Einspritzsysteme

DS/BGE2 2078_4 384 de | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Common-Rail-System Unit-Injector-System

7

Überblick Steuergeräte und Funktionen

DS/LE 1936 288e | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Entwicklung der Komplexität

50

100

150

200

250

300

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

2001 heute1989 1993 1997

1

2

3

4

5

6

7

8

1) “low-end”

Applikations-Parameter

Speicher

Perfor-mance A

pplik

atio

ns-P

aram

eter

[k]

Perf

orm

ance

[MIP

S]

Spei

cher

[MB

yte]

8

Überblick Steuergeräte und Funktionen

DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Elektronik des Common Rail Systems PKW

Drehzahl(Kurbelwelle)Phasenlage(Nockenwelle)Fahrpedalgeber

Raildruck

Ladeluftdruck

Lufttemp.

Luftmasse

Wassertemp.

Klemme 15KupplungTempomat

Autom. GetriebeABS/ASR

Geschwindigkeit

Klimaanlage Optionen Druckregelventil

Weitere Endstufen

MIL (Diagnoselampe)

Elektrokraftstoffpumpe

Glühkerzen

Ladedrucksteller

Abgasrückführventil

Drosselklappe

InjektorenSteuergerät EDC 16 C

SignaleingangSensorplausibilisierungStromversorgungAtmosphärendruck

Signalverarbeitung– Einspritzmenge– Einspritzzeit– Piloteinspritzung– Raildruckregelung– Ladedruckregelung– Abgasrückführung– DPF-Regeneration– Ext. Momenteneingriff– Wegfahrsperre– Systemdiagnose– Ersatzfunktionen

Signalausgang

CAN ISO-K

EPC

EPC

GCU

Relais

DRV

Servicetester

9

Überblick Steuergeräte und Funktionen

DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Sensoren für Dieselapplikationen

Heißfilmluftmassenmesser

Temperaturfühler

Drehzahlgeber

Phasengeber

Niederdrucksensoren

Fahrpedalmodule

Hochdrucksensoren

Lambdasonde

Differenzdrucksensor

Klopfsensor

10

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

AgendaEinleitung

Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen

Beispiele für Regelungen am Dieselmotor

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

Zusammenfassung

11

Regelungen am Dieselmotor

DS/ESK2 03ao271 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Anforderungen und AufgabenHohe Anforderungen der Gemischbildung und Verbrennung an die Genauigkeitvon Einspritzung, Luft und AGR-Rate stoßen an hydraulische und mechanische Toleranzgrenzen.

⇒ Reduzierung der Systemtoleranzen (neu und über Lebensdauer)durch Regelfunktionen

Hohe Dynamikanforderungen sind bei Einhaltung der Emissionsgrenzen wegen der Verzögerungen im Luftsystem nur mit regelungstechnischen Ansätzen zu erfüllen.

Entkopplung von Regelkreisen (Abgasrückführung und Laderegelung)

Steuerung und Regelung unterschiedlicher Betriebsarten und der Übergänge

Berechnung „virtueller Signale“ für OBD (Redundanz), Genauigkeitssteigerung und Kostenreduzierung

12

Überblick Luft- und Abgassystem

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

InjektorStellgröße Volllast

AGR-Ventil

Lambda-sonde

Lambda-regler

Steuergerät

Stellgröße Teillast

13

Lambda-Funktion zur Toleranzreduzierung

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Mengenmittelwertadaption (MMA)

Lambda-Funktionalitätkonventionelle Struktur

AGR-Regelung

+Rest-O2

Motor

λ-Sonde

MMAHFM

Ist-Einspritz-menge

Soll-Einspritzmenge

korrigierteEinspritzmenge

Luftmasse

Ladedruck-regelung

Korrektur-menge

Emissionsstreuung aufgrund vonEinspritzmengen- und HFM-Toleranzen:

NOx

Partikel

Emissionsstreuungmit MMA

Emissions-grenzwerte

Struktur Nutzen

Emissionsstreuungohne MMA

14

Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Messwerte

ModellbeschreibungKomponenten

n

m1

mF

T21p21

Heißfilmluftmassen - HFMmesser

m1

Verdichter ATLBehälter: LLKLadeluftkühlerund Verrohrung

BehältermodellT21p21

m21

15

Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Luftmassenstrom: HFM vs. dynamisch korrigiert

m2 = gespeicherte Masse im Einlassvolumen

Motorprüfstandsversuch:

Randbedingungen

Volllastsprung

Drehzahl:1500– 4000 min–1 in 2 s

PWG-Sprung:0–100%

Speichereffekt imEinlassvolumen

Ergebnisse

Abweichungen m 21 zum 1 dynamisch bis 20%

Luftm

asse

nstro

m

100

200

250

kPa

150

–100

0

100

200

300

400La

dedr

uck

p2

kg/h

3 4 5 6 7 sZeit

Luftmassenstrom

p2

m2

m21 dyn. korrigiertm1 HFM

0

40

60

g

20

80

Ges

peic

herte

Luf

tmas

se

16

Modellbasierte Rauchbegrenzung

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Vergleich: Luftverhältnis und Schwärzungszahl

Motorprüfstandsversuch:

Randbedingungen

Volllastsprung

Drehzahl:1700 min–1 (konst.)

PWG-Rampe:0–100% in 2 s

Überschwingen von 1 /λum 16% reduziert

Ergebnisse

Rußspitze um 50%reduziert

Lambda - Sollwert:1,3 (konst.)

mit Luftmasse vom HFM mit dyn. korr. Luftmasse

0

1,0

0,8

0,6

0,4

– 16% PWG 0% ... 100%

0

Zeit

100

4 8 12 16 s

λsoll=1,3

– 50%

rezi

prok

esLu

ftver

hältn

is 1

/λ

Schw

ärzu

ngsz

ahl

0,2

%

50

0

17

Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Messwerte

ModellbeschreibungKomponenten

n

m1

mF

T21p21

Heißfilmluftmassen - HFMmesser

m1

Verdichter ATL

Motor LuftaufwandsmodellundVerbrennungsmodell

n

T22p22λ22

Mischstelle Modell Mischstelle:Massen- und Enthalpiebilanzm22

AGR

Drosselklappenmodell:Durchflussgleichung

Drosselklappe RKLm21

Behälter: LLKLadeluftkühlerund Verrohrung

BehältermodellT21p21

18

Beobachter mit Lambdasonde

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Blockschaltbild

Steuergerät Motor

Luftmassenregelkreis

Motor -drehzahl

EDCEinspritz -menge Einspritzmengen-

KorrekturwertO2,Abgas

Soll -Luftmasse

Ist -Luftmasse

Luftmassen-regler

AGR-Sollkennfeld

Einspritz -menge

StandardSensor-signale Modell

LuftsystemLambda-sonde

ModellLambda-sonde

Luft -massen-sensor

Beobachter

Motor

AGR-Hub

λ

∆λ

19

Beobachter mit Lambdasonde

DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Emissionsergebnisse

+/–2 mg/Hub +/–2 mg/Hubund +/– 5% HFM

+/–5% HFM lokaleMengenfehler

Emissionsstreuung |∆NOx |+ | ∆PM|2

030

20

15

10

5

25

% ohne Beobachtermit Beobachter

20

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

AgendaEinleitung

Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen

Beispiele für Regelungen am Dieselmotor

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

Zusammenfassung

21

Trends in der Diesel-Elektronik

DS/ESK2 03ao272d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

Ausblick auf zukünftige EntwicklungenNeue Abgasnachbehandlungsverfahren und Brennverfahren

neue Anforderungen an die elektronische DieselregelungBetriebsartenkoordination und -umschaltung

Weitere Toleranzreduzierung für die Einhaltung künftiger Emissionsgrenzen

Einzelzylinderregelungen – auch mit neuen Sensoren(z.B. Zylinderdruck- und Körperschallsensoren)

Gesamtsystemoptimierung und Komplexitätsbeherrschungstärkerer Einsatz von Modellen inkl. virtueller Sensorik

Automatische Applikation

22

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

AgendaEinleitung

Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen

Beispiele für Regelungen am Dieselmotor

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

Zusammenfassung

23

Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik

DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

Diesel Systems

ZusammenfassungIn den letzten 20 Jahren hat sich der Dieselmotor grundlegend gewandelt:

Erhöhung von Drehmoment, Fahrkomfort und Fahrspaß bei gleichzeitiger Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen

Fokus heutiger Entwicklungstätigkeiten auf Systemoptimierung, Toleranzreduzierung und Beherrschung der Komplexität

Erschließung weiterer Entwicklungspotenziale durch innovative Einspritzsysteme und -strategien sowie modellbasierte Regelungen