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Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 3: Motorsteuerung Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Bild 3.1_1


Bild 3.1_2

Grundlagen des Ottomotors / Aufgaben der Motorsteuerung

Grundaufgabe der Motorsteuerung:

Bedarfsgerechtes Einstellen von Luft, Kraftstoff und Zündung

zur Optimierung der Eigenschaften

Leistung/Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionen.

Füllung Einspritzung Zündung


Bild 3.1_3

Motorsteuerungssysteme/Gesamtsystemaufbau

Sensorik Motorsteuergerät Aktorik

Verkabelung / Kontaktierung


Bild 3.1_4

Systemkomponenten zur Füllungssteuerung

Sensorik AktorikMotorsteuergerät

DME

Luftmassen- / Luftmengen -Messer

Saugrohrdruck-sensor

Umgebungsdrucksensor

Nockenwellen-positionssensoren

Positionssensor Sauganlagenumschaltung

Drosselklappen-winkelsensor

Valvetronicwinkelsensor

Lufttemperatur-sensor

Drosselklappen-steller

Nockenwellen-Phasensteller

Sauganlagen-Umschalter

Valvetronic-Stelleinheit


Bild 3.1_5

Systemkomponenten zur Einspritzsteuerung


DME

Kraftstoffdrucksensor

Lambdasonden

Einspritzventile

DruckreglerKraftstoffrail


Bild 3.1_6

Systemkomponenten zur Zündungssteuerung


DME

Klopfsensor Zündspule


Bild 3.1_7

Systemüberblick


Bild 3.1_8

Aufbau Motorsteuergerät

Micro-controller

Speicher

Überwachung

Signalauf-bereitung

Diagnose

Endstufen

Diagnose

Kommunnika-tionsschnitt-

stellen

Eingänge Signalver-arbeitung

AusgängeAktorik

Zündspulen

Einspritzventile

Drosselklappe

Nockenwellensteuerung

Abgasrückführung

Saugrohr-Umschaltung

Lüfter

Kraftstoffpumpe

Sekundärluft

Abgasklappe

Wastegate

Tankentlüftung

Spannungs-versorgung

Sensorik

Fahrpedal

Drosselklappenwinkel

Kurbelwellenposition

Nockenwellenposition

Luftmasse

Ansaugtemperatur

Ladedruck

Ladelufttemperatur

Umgebungsdruck

Kühlmitteltemperatur

Lambda

Abgastemperatur

Kupplungsposition

Kraftstoffdruck


Bild 3.1_9

Signalaufbereitung

Signaltypen:

Umwandlung in digitale Rechteckform und

StörsignalunterdrückungInduktiver Drehzahlgeber

Variable Signalamplitude

Pulsförmige Eingangssignale

Umwandlung in digitale Signale in ADC (Analog-

Digital-Converter)

Luftmassensignal, Spannung, Temperatursignale

Beliebige Spannungswerte in einem bestimmten

Bereich

Analoge Eingangssignale

Direkte Verwendung durch Micro-Controller

Schalter,

Drehzahlsignale von Hall-Sensoren

Zwei Zustände „High“ / „Low“

Digitale Eingangssignale

AufbereitungBeispielEigenschaft

Weiterverarbeitung:

• Spannungsbegrenzung

• Filterung

• Verstärkung


Bild 3.1_10

Signalverarbeitung

Bauteile / Komponenten zur Signalverarbeitung in der Motorsteuerung:

Separates BauteilDauerspeicher zur Ablage

von AdaptionswertenEEPROM / E²PROM

Integriert in Microcontroller undals separates Bauteil

Inhalt geht bei Trennung von der

Versorgungsspannung verloren (flüchtiger

Speicher)

RAM

(Random Access Memory)

Arbeitsspeicher

(Ablage für veränderliche Daten)

Programmspeicher

(Ablage für Funktionenund nicht

veränderliche Daten)

Zum Teil zusammen mit Controller auf

einem Chip integriertElektrisch löschbarFlash-EPROM

Separates BauteilLösch- und

programmierbar (Löschen durch UV-Licht)

EPROM

(Erasable Programmable

ROM)

Integriert in Microcontroller oder als

separates Bauteil

Speicher wird bei der Herstellung beschrieben

ROM (Read Only Memory)

AusführungEigenschaftTyp


Bild 3.1_11

Funktionsarchitektur Software

Luft

Kraftstoff

Zündung

Auslass-System

Verbrennung

Antriebs-Koordination

Betriebsarten &

Momenten-koordination

Motor

Kühlung & Schmierung

Fehler-speicher

Überwachungs-konzept

Kommuni-kation

ECU Zustand


Bild 3.1_12

Drehmomentbasierte Grundstruktur

Luft

Kraftstoff

Zündung


Betriebsarten&


Motor

Fahrerwunsch entspricht Drehmomentenanforderung

• Entkopplung des Fahrpedalwertes von Füllung, Einspritzung und Zündung

• Einrechnung von externen Anforderungen (Getriebe, Regelsysteme)

• Umsetzung verschiedener Betriebsarten zur Realisierung des Drehmomentes

Die Momentenstruktur – das Rückgrat heutiger Motorsteuerungen


Bild 3.1_13


Drehmomentklassen im Antrieb

RadmomentGetriebe-ausgangs-moment

Hinterachs-übersetzung

Kupplungs-moment

Getriebe-übersetzungKupplungs-/

Wandler-übersetzung

Kurbelwellen-moment

Neben-aggregate

InneresMoment

LadungswechselReibung


Bild 3.1_14

Luft

KraftstoffAntriebs-

Koordination

Betriebsarten&


Motor

Fahrerwunsch

Leerlaufregelung

Getriebeeingriffe

Fahrdyn.-Regelsysteme

Fahrgeschwindigkeitsregler

Katheizfunktion

1. Funktionsblock: Koordination und Priorisierung der Momentenanforderungen

Koordination und Priorisierung

Zündung

Abgestimmte Momentenanforderung



Bild 3.1_15

Luft

KraftstoffAntriebs-

Koordination

Betriebs- arten &


Motor

Abgestimmte Momentenanforderung

2. Funktionsblock: Filterung und Korrektur der Momentenanforderung

Filterungund

Korrektur

Zündung

Korrigierte Momentenanforderung

Lastschlagdämpfung (pos./neg.)

Antiruckel - Funktion



Bild 3.1_16

Lastschlagdämpfung / Anti-Ruckelfunktion

Ziel:Dynamische und komfortable Umsetzung des Fahrerwunsches

Fahrerwunsch

Antriebsstrang-modell


Antiruckel - FunktionLastschlagdämpfung

Fahrerwunsch

Gefiltertes Sollmoment

Gemessene Drehzahl

„Vorsteuerung“ „Regelung“


Bild 3.1_17

Luft

KraftstoffAntriebs-

Koordination

Betriebsarten&


Motor


3. Funktionsblock: Aufteilung auf schnelle und langsame Umsetzungspfade

Aufteilung auf Umsetzungspfade

Zündung

Momentenanforderunglangsamer Pfad

ZielmomentenreserveMomentenanforderungschneller Pfad



Bild 3.1_18

Nutzung des schnellen und langsamen Pfades

Luft

Kraftstoff


Momentenreserve = Überhöhung des Momentes über den Luftpfad

Aufteilung auf Umsetzungspfade

Zündung

langsamer Pfad

Zielmomentenreserve schneller Pfad

Bsp.:

Anforderung:Korrigierte Momentenanforderung = 100 NmZielmomentenreserve = 10 Nm

Aufteilung auf Pfade:Soll-Moment Luftpfad = 110 NmSoll-Moment Zündung/Kraftstoff = 100 Nm


Bild 3.1_19

Luft

Kraftstoff

Zündung

5-30msEinspritzventile

Zündspule/ -kerze

> 100 msDrosselklappe

Nockenwellensteller Valvetronic

ZeitkonstanteAktorik



Bild 3.1_20

Beispiele für die Nutzung des schnellen und langsamen Pfades:

• Leerlaufregelung:

• Nutzung der schnellen Zündwinkelverstellung zum Ausgleich von Drehzahlabweichungen

• Aufheizen des Katalysators:

• Einstellen eines späten Zündzeitpunkts zur Erhöhung der Abgastemperatur ohne Einflußauf das abgegebene Gesamtmoment.

• Fahrverhaltensfunktionen:

• Schnelle Reaktion auf Antriebsstrangschwingungen durch Zündungseingriffe

• Fahrdynamikregelsysteme:

• Flexible Momentenreduzierung bei Eingriffen der Regelsysteme zum schnellen Wiederaufregeln des Motormomentes.

• Nebenaggregate:

• Vorbereitung des Motors auf Einschaltvorgänge von Nebenaggregaten (z.B. Klimakompressor)



Bild 3.1_21

Luft

KraftstoffAntriebs-

Koordination

Betriebs- arten &


Motor

Füllung

4. Funktionsblock: Modellierung des Motormomentes

Modellierung Motormoment

Zündung

Theoretisches optimalesMoment

TatsächlichesMoment

Zündzeitpunkt

Lambda

Drehzahl

Anzahl befeuerter Zylinder



Bild 3.1_22

Funktionsarchitektur

Luft

Kraftstoff

Zündung

Auslass-System

Verbrennung


Betriebsarten &


Motor


Fehler-speicher


Kommuni-kation

ECU Zustand


Bild 3.1_23

Erzeugen der Sollwerte

für die Füllungs-

aktorik

Drosselklappensollwinkel

Nockenwellen-phasensollwert

Variable Sauganlagen-sollposition

Valvetronicsollposition

Soll-MomentLuftpfad

Drosselklappenistwinkel

Nockenwellen-phasenistwert

Variable Sauganlagen-Istposition

Valvetronicistposition

Berechnungder aktuellen Luftmasse Aktuelle

Füllung

Füllungssteuerung Füllungserfassung

Der Luftpfad


Bild 3.1_24

Vorteile der modellbasierten Füllungserfassung:

• Weitgehende Entkopplung der Füllungsbestimmung von dynamischen Eigenschaften der Luftmassenmessungssensorik

• Bestimmung der Modellparameter an stationären Meßpunkten

• Berücksichtigung dynamischer Effekte durch Saugrohrvolumen

• Anpassung an verschiedene Motoren einfacher durch Verwendung physikalischer Modelle

Bedeutung der Füllungserfassung:

• Qualität des Füllungswertes ist entscheidend für wesentliche Funktionen der Motorsteuerung.

• Füllungswert ist zentrale Lastinformation der Motorsteuerung.

• Eine Vielzahl von Kenngrößen in der Motorsteuerung wird mit dem Füllungswert adressiert.

• Ungenauigkeiten führen direkt zu Abweichungen der Kraftstoffmasse, des Zündzeitpunktes und des modellierten Drehmomentes.

Füllungserfassung


Bild 3.1_25

Luft

Kraftstoff

Zündung

Auslass-System

Verbrennung


Betriebsarten &


Motor


Fehler-speicher


Kommuni-kation

ECU Zustand



Bild 3.1_26

Der Kraftstoffpfad

Berechnung der Soll-

Kraftstoff-masse

Soll-Lambda

Soll-Füllung

Einrechnung der Korrekturgrößen Korrigierte

Kraftstoffsollmasse und Einspritzzeitpunkte

Tankentlüftung

Wandfilm-kompensation

Lambdaregelung

Basis Kraftstoff-sollmasse

KraftstoffversorgungNiederdruck

KraftstoffversorgungHochdruck (DI)

Ansteuerung eines Taktventils zur Regeneration des Aktivkohlefilters

Regelung des Luft-/Kraftstoff - Gemischs

Berechnung von Instationärkompensationen


Bild 3.1_27

Lambdasonde

Quelle: Bosch


Bild 3.1_28

Luft

Kraftstoff

Zündung

Auslass-System

Verbrennung


Betriebsarten &


Motor


Fehler-speicher


Kommuni-kation

ECU Zustand



Bild 3.1_29

Der Zündungspfad

Grundkennfelder Drehzahl

Last

Betriebsarten

Primäre Einflußgrößen auf den Zündzeitpunkt:

• Drehzahl

• Da das Durchbrennen des Gemischs nahezu unabhängig von der Drehzahl ist, muß tendenziell bei höheren Drehzahlen zu einem früheren Zeitpunkt die Zündung ausgelöst werden.

• Last

• Bei steigender Last (=Zylinderfüllung) erfolgt die Verbrennung schneller, es kann später gezündet werden.

• Einfluß der Betriebsarten:

• Saugrohreinspritzung:

• Unterschiedliche Betriebsarten etwa bei vollvariablen Ventiltrieben erfordern durch den Strömungseinfluß deutlich unterschiedliche Zündzeitpunkte.

• Direkteinspritzung:

• Je nach Betriebsart der direkteinspritzenden Systeme (homogen / geschichtet) und Art des Brennverfahrens (wandgeführt/luftgeführt/strahlgeführt) werden unterschiedliche Zündzeitpunkte benötigt, um das magere Gemisch zu entflammen.


Bild 3.1_30

Korrekturen Temperatur


Last

Lambda

Nockenwellenpos.

Betriebsarten

Korrekturgrößen

• Temperatur

• Bei kaltem Motor ist für eine sichere Entflammung ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich, hohe Temperaturen erlauben hingegen keine sehr frühen Zündzeitpunkte (Klopfgefahr).

• Lambda

• Ein mageres Gemisch erfordert einen früheren Zündzeitpunkt.

• Nockenwellenposition

• Wird durch die Nockenwellenposition der Restgasanteil erhöht, ist ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich.

Der Zündungspfad


Bild 3.1_31

Korrekturen Temperatur


Last

Lambda

Nockenwellenpos.

Koordination und Begrenzung

Zündwinkeleingriff Klopfregelung

Soll-Zündzeitpunkt Steuerung

Zündspulen (Einschalten

Zündendstufen)

Betriebsarten

Zündwinkeleingriff Momentenstruktur

Eingriffe Momentenstruktur und Klopfregelung

• Momentenreduzierende und -erhöhende Eingriffe bei Leerlaufregelung, Getriebeeingriffen,etc.

• Zylinderselektive Eingriffe der Klopfregelung

Koordination und Begrenzung

• Priorisierung und Koordination der Zündzeitpunkt – Korrekturen

• Begrenzung auf minimalen und maximalen Zündzeitpunkt

• Aufteilen auf Einzelzylinder

Der Zündungspfad


Bild 3.1_32

Luft

Kraftstoff

Zündung

Auslass-System

Verbrennung


Betriebsarten &


Motor


Fehler-speicher


Kommuni-kation

ECU Zustand



Bild 3.1_33

Verbrennungsfunktionen

Verbrennungsdruckverlauf

1. Idealer Verlauf bei korrektem Zündzeitpunkt

2. Klopfende Verbrennung bei zu früher Zündung

3. Verschleppte Verbrennung bei zu spätem Zündzeitpunkt


Bild 3.1_34

Klopfregelung

„Klopfen“:

• Unkontrollierte, nicht gezielt ausgelöste Verbrennung mit hohen Druckamplituden und -frequenzen

Folgen:

• Niedriger Drehzahlbereich:

• Unerwünschte Akustik („Klingeln“)

• Hoher Drehzahlbereich:

• Motorschäden durch hohen Energieeintrag im Brennraum

Ursache für klopfende Verbrennung:

• Selbstentflammung des noch nicht durch die Flammenfront erfaßten Gemischs nach der Zündung

Einflußgrößen:

• Klopffestigkeit des Kraftstoffs

• Lambda

• Temperatur

• Brennraumgeometrie

• Verdichtungsverhältnis

• Zündzeitpunkt


Bild 3.1_35

Zündzeitpunkt

Optimaler Zündzeitpunkt

Moment, Wirkungsgrad

Klopfgrenze

Zielbereich für Zündzeitpunktbei verschiedenen

Kraftstoffenund Temperaturen

Regelung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit des

aktuellen Verbrennungszustandes

Klopfregelung


Bild 3.1_36

Prinzip der Aussetzerkennung (Beispiel Sechszylindermotor)

Kurbelwellen - Geberrad

120°Segment

ZOT (n)

ZOT (n+1)

Berechnung der Laufunruhe

Messung der Segment-Zeiten

Bewertung der Laufunruhe

Laufunruhe

0

-1000

2000

Zylinder1 2 3 4 5

0

1000

-2000

Schwellwert für Verbrennungsaussetzer

Aussetzererkennung


Bild 3.1_37

Aussetzererkennung

Hintergrund:• Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern ist ein Teil der gesetzlich geforderten Funktionen,

die emissionserhöhende Fehlfunktionen anzeigen sollen.Durch einen Verbrennungsaussetzer erhöht sich die Emission erheblich, da das unverbrannte Gemisch ausgestoßen wird.Als Folge kann eine Nachverbrennung des Gemisches im heißen Katalysator das Trägermaterial im Katalysator zerstören.

Funktionsansatz:• Da kein direkter Ansatz zur Messung der Verbrennung im Fahrzeug vorliegt, erfolgt die

Erkennung indirekt über die Drehungleichförmigkeit des Motors. Ein Verbrennungsaussetzer macht sich durch das ausbleibende Moment in dem betroffenen Arbeitsspiel in einer reduzierten Winkelgeschwindigkeit bemerkbar.Diese Verzögerung wird gemessen und bewertet.

Fehlerreaktion:• Es erfolgt zum einen ein Eintrag im Fehlerspeicher, zum andern wird bei unzulässig hohen

Raten der Verbrennungsaussetzer die Einspritzung auf dem betroffenen Zylinder deaktiviert, um die Zerstörung des Katalysators zu verhindern.


Bild 3.1_38

Beschleunigung

Beschleunigt der Motor, so reduzieren sich die Segmentzeiten, ohne daßeine Laufunruhe vorliegt.

Um eine Fehldiagnose zu vermeiden, wird diese Abweichung korrigiert.

Prinzip:

Segmentzeiten

Überlagerung aus Beschleunigung und Laufunruhe

Mittlere Beschleunigung während der letzten Motorumdrehung (Trend)

„echte“Laufunruhe

Aussetzererkennung


Bild 3.1_39

Luft

Kraftstoff

Zündung

Verbrennung


Betriebsarten &


Motor


Fehler-speicher


Kommuni-kation

ECU Zustand

Auslass-System



Bild 3.1_40

Kühlung / Schmierung

Kernfunktionen:

• Wärmemanagement

• Heutige Motoren verfügen über eine weitreichende Aktorik für ein variables

Wärmemanagement. Dadurch können einige Zielkonflikte aufgelöst werden:

• Aufheizung des Motors

• Erwärmung des Innenraums

• Leistungsaufnahme der Wasserpumpe

• emissions- / verbrauchsoptimaler Betrieb

• Klopfschutz

• Akustik (Lüftergeräusch)

Wärme-management

Anforderungen Motor / Fahrzeug

Sollwerte Elektrische Wasserpumpe

Thermostat

Lüfter


Bild 3.1_41

Systemstruktur MED- Motronic

Quelle: Bosch

Abgas-temp.-sensor*

AktivkohlebehälterLuftmassenmessermit Temperaturfühler

Nockenwellen-versteller*

Zündspule/Zündkerze

Ladedruck/Temperatur-sensor

Fahrpedalmodul

Temp.-sensor

Tank-einbau-einheit

Lambda-Sonde

Drossel-vorrichtung(EGAS)

EGAS = Elektronische Motorfüllungssteuerung

Nockenwellenversteller:Einlass- und/oder Auslass-Verstellung

Qu

elle

: G

S/M

KT

67

89

d

Umgebungs-drucksensor

Tankentlüftungs-ventil

Rück-schlag-ventil

Turbo-unterdruck-speicher

Drehzahl-geber

Einspritz-ventil

Abgasturbo-lader

Magnet-ventil

Phasen-geber

WasteGate

WasteGate Steller

Lambda-SondeVorkat.

Hauptkat.

Druck-sensor

Klopf-sensor

Kraftstoff-verteiler

Hoch-druck-pumpe Magnetventil

Umluft-ventil

* optionalBDE-spezifischeBosch-Komponenten

ElektronischesSteuergerät

Diagnoselampe

DiagnoseSchnittstelle

Wegfahrsperre

CAN

LBK1

1 Ladungsbewegungsklappe (2 Punkt/kontinuierlich)

Ladeluftkühler


Bild 3.1_42

Schicht-Betrieb

Homogen-Betrieb

Last

DrehzahlSchicht-Betrieb wird nur oberhalb 50°C Kühlmitteltemperatur und zwischen 250 und 520°C Abgastemperatur zugelassen. Der NOx- Speicher kann nach dem heutigen Stand nur in diesem Bereich NOx speichern.

Das FSI- Einspritzsystem

Quelle: VW


Bild 3.1_43

Schichtbetrieb Homogenbetrieb

Drosselklappenwinkel

Lambdawert 3

1,61

Drehmoment

Es wird erst ca. 70° vOT Eingespritzt.

Umschaltvorgang Schichtbetrieb/ Homogenbetrieb

Quelle: VW


Bild 3.1_44

LuftmuldeKraftstoffmulde

Quelle: VW

Kolbenform eines direkteinspritzenden Motors


Bild 3.1_45

Es wird in den Ansaugtakt eingespritzt

Quelle: VW

Homogen Betrieb


Bild 3.1_46

Schicht- Betrieb

Tumble-Klappe

Quelle: VW


Bild 3.1_47

MED- Motronic (5 min)

Quelle: Bosch

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