Steuerung und Regelung von KFZ-Antriebssträngen · Excellence in Automotive R&D Steuerung und...

Excellence in Automotive R&D

Steuerung und Regelung von KFZ-Antriebssträngen9. Vorlesung: Motorprüfstände und Prüfstandsautomatisierung

Konzepte, Anforderungen und Messsysteme

Dr.-Ing. Carsten Haukap

Vortragender: Dipl.-Ing. Steffen Schaum

Berlin, 23.06.2008

© IAV GmbH · 07/2006 · CaH · MD-G1 · 09 Motorpruefstand und Automatisierung.ppt 2

Inhalte

DoE - Design of Experiments & Modellbildung im Applikationsprozess

• Motorprüfstand und Prüfstandsautomatisierung

• Mathematische und statistische Grundlagen der Modellbildung

• Praktische Anwendung der Versuchsplanung und Modellbildung


Einfache datengetriebeneModelle

Komplexität

Physikalische Relevanz

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2

21

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2

21

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2

21

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2

22

1

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Datengetriebene

Modelle mit Expertenwissen

Einfachephysikalische Modelle

Physikalische Modelle

DoE for im Applikationsprozess

Kompromiss

� Vereinfachte physikalische Ansätze (empirische Faktoren)

� Datengetriebene Modelle (DoE) mit Expertenwissen

Empirische Modelle vs. Physikalische Modelle


DoE Prozess

Messungen

2

(IAV)

Optimierung Integration in ECU

VersuchsplanungProzessdefinition

Model-Analyzer (IAV)

Modellbildung

Verzahnung der Modellbildung und der Prüfstandautomatisierung


MotorenprüfstandeBeispielhafter Aufbau und Komponenten

Hauptkomponenten

• Motor(Schnellbefestigungssysteme – "Paletten")

• Bremse (Leistungsaufnahme/Vernichtung)- Retarder (Energievernichtung)- Leistungsklassen- Trägheit – "Dynamik"

Prüfstandszelle• Konditionierte Zellentemperatur

- i.d.R.: 22 ...25°C- Klimakammer : -40° ... 40°

• Konditionierter Zellendruck- i.d.R.: Umgebung oder 1020hPa

- Höhenprüfstand :900hPa ... 1030hPa° • Luftfeuchte

(i.d.R. ϕ = 50% rel. Feuchte)

• Automatische Feuer- und Gefahrstoffwarnalagen und Löscheinrichtung (CO2)

Ver- und Endsorgung• Ölversorgung

(Temperaturkonditioniert 40...120°C )• Kühlwasser

(Temperaturkompensiert 20 ... 80°C)• Ansaugluft

(Temperatur, Druck und Feuchte)• Kühlluft

(Temperatur geregelt über Thermostat)• Externe Aufladung und/oder Intercooler

(z.B. Tierftemperatur AGR - Abgasrückführung)• Kraftstoffe: Diesel, Benzin, CNG, LPG,

Sonderkraftstoffe (H2)


PrüfstandstechnikMesstechnik

Basismesstechnik

• Kraftstoffwaagen: Gravimetrie / Coriolis

• Zündwinkel, Einspritzzeitpunkt

• Luftmengen

• BlowBy

• Ölverbrauch

• Indizierung

• Sensorik: Temperatur, Druck, Feuchte

Partikelmesstechnik

• Teilstrom-verdünnungssysteme

• Vollstromtunnel

• Dynamische Partikel-messung

• Rauchwertmessung


Leistungsspektrum PrüfstandstechnikMesstechnik

Abgasmesstechnik

• Horiba Mexa 7100 FX / FXEGR

• Horiba Mexa 7100 D / DEGR

• Horiba Mexa 5120, FR THC

• Testa Fast-FID

• 2-Linien Betrieb

• 16-Kanal-Selektion Einzelentnahmen

• AGR-Messtechnik

• Massenspektrometer


PrüfstandstechnikTemperaturmesstechnik - Thermosensor

TE_Bez. BaseDiameter Length mm

01_01_00 0.1 - 3.005_05_00 0.5 - -05_15_05 0.5 5.0 1.505_15_10 0.5 10.0 1.505_15_20 0.5 20.0 1.510_30_12 1.0 12.0 3.010_30_15 1.0 15.0 3.015_15_00 1.5 - -15_30_03 1.5 3.0 3.030_30_00 3.0 - -

Top of the sensor [mm]

Abg

ast

em

pe

ratu

ren

[°C

]

200

300

400

500

600

700

800

900

Abgastemperaturen [°C]: 01_01_00 05_05_00 05_15_20 05_15_10 05_15_05 10_30_15 10_30_12 15_15_00 15_30_03 30_30_00

nmot_w [1/min]:

mabg [kg/h]:

nmot

_w [1

/min

]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

time [s]

46 50 54 58 62 66

mab

g [k

g/h]

0

100

200

300

400

500


PrüfstandstechnikSondermesstechnik

Akustikprüfstand

DGV (Doppler-Global-Velocimetry)

-> 3D-Strömungsfeld

ILM (Integrale Lichtleitmesstechnik)


Anforderungen an PST-SystemeSystematisierung der Automatisierungssysteme

ECU Engine Dyno

ProcedureCtrl

APS(z.B. INCA)

Data/CtrlIntegration

GeneralMeas & Ctrl Dyno Ctrl

TestData

???

MBCToolModels

StrategyBypass

Operator

Engineer

Simulation

A: ASAP3/MCDA: ASAP3/MCDA: ASAP3/MCDA: ASAP3/MCD----3MC over Ethernet3MC over Ethernet3MC over Ethernet3MC over Ethernet

B: B: B: B: XCPXCPXCPXCP (over Ethernet/USB/CAN)(over Ethernet/USB/CAN)(over Ethernet/USB/CAN)(over Ethernet/USB/CAN)

C: High Bandwidth, BUSC: High Bandwidth, BUSC: High Bandwidth, BUSC: High Bandwidth, BUS

???: ???: ???: ???: XCPXCPXCPXCP Gateway / IAV Gateway / IAV Gateway / IAV Gateway / IAV EtherCalEtherCalEtherCalEtherCal / / / / dSPACEdSPACEdSPACEdSPACE Generic Serial Interface / Generic Serial Interface / Generic Serial Interface / Generic Serial Interface / etc.etc.etc.etc.


Anforderungen an PST-SystemeSystematisierung der Automatisierungssysteme

Data/CtrlIntegration

ProcedureCtrl

Data Acquisition and Control DAC (Prüfstandssystem)z.B. PumaOpen (AVL), Stars (Schenck), Test Automation (A&D)

Procedure Control (Automatisierung)z.B. Cameo (AVL), Vega (Schenck), MPI² (IAV)

• Aufgabe des DAC ist die Datenerfassung, Regelung des Betriebspunktes sowiedie Kommunikation zum Motorsteuergerät

• Aufgabe der Procedure Control ist das "intelligente" Abarbeiten eines Versuchs-planes (u.a. Verstellstrategie, Reaktion auf Grenzwertverletzung, u.a.)


++ sicher+- verschiedene

Wege möglich-- langsam

++ sicher+- verschiedene

Wege möglich-- langsam

++ sicher++ definierter direkter

Weg-- langsam

Schrittweite

StartwertSollwertMesswert

Einparameterverstellung Wechselschrittverstellung

schrittw. Vektorverstellung

++ schnell++ definierter direkter

Weg-- bei zu großen Verstellschritten

extreme Grenzverletzung möglich

gleichz. VektorverstellungDefault:

x

y

z

x

y

z

Verstellstrategien

Prüfstandsautomatisierung - Verstellstrategien


Prüfstandsautomatisierung - VerstellstrategienVektorverstellstrategie mit Grenzwertüberwachung

Start of Post Injection / °KWnOT

Du

rati

on

of

Po

st

Inje

cti

on

/ °

KW

Exhaust Temperature

-35 -32.5 -30 -27.5 -25

10

14

18

22

24

28

5

15

15

800

600

600

850

800

800

850

2. Example: Post-Injection adjustment strategies for filter regeneration

temperature & quantity-dependent adjustmentBase Setting

Demand Value

ConstraintMAF

MAP

SOI

Measurement Value

1. Example: Three dimensional adjustment of SOI, MAF & MAP

with respect to combustion Lambda

Multidimensionale Verstellung

Anpassung der Schrittweiten


Dynamischer Parameterverstellung mit Grenzüberwachung:Kleine Verstellschritte + kurze Stabilisierungszeit

Bei Grenzverletzung wird der letzte Verstellschritt zurückgenommen, anschließend erneute Verstellung mit reduzierter Schrittweite (1/3)

Bei Nichterreichen des Sollwertes wird alternativer Ersatzpunkt gemessen

MessParam.Max

Vers

tellp

ara

mete

rM

essp

ara

mete

r

Zeit

Param.TSynch + MessParam.Tsynch = Gesamtstabilisierungszeit

Param.DeltaHigh

Sollwert aus Versuchsplan Alternativer Messpunkt

(Param.DeltaHigh) / 3

- Param.DeltaHigh

Automatisierte Parameterverstellung

Prüfstandsautomatisierung - Verstellstrategien


Prüfstandsautomatisierung - Verstellstrategien Automatisierte Indirekte Parameterverstellung

MessParam.MaxWarning

Sollwert

Vers

tellp

ara

mete

r (D

irekt)

Param.DeltaHigh

Param.DeltaHighMax

Param.DeltaHigh

Messp

ara

mete

r (Lim

it)

MessParam.Max

Zeit

Vers

tellp

ara

mete

r (Ind

irekt)

Alternativer Messpunkt

Param.Soll

Param.Tsynch + MessParam.Tsynch

zul. Toleranz

Gesamtwartezeit

Param.DeltaHighAdd


2

SOI / deg.CA

Air mass / mg/str.

Boo

st p

ress

ure

/ hP

a

Air Fuel Ratio

CO

HC

Exh.Temp.

Cyl. Pressure

Boost press.

Air mass

SOI

Matlab Based Test Bench Automation

ControlledLimits

3 AdjustedParameters

Test space

and adjustment

steps:

* Target

o

Single steps

Starting point(ECU)

Resulting Measuring point

IAV – MPI² - Example für DoE Measurements for a constant Operating Point Measurements on test bench

2

(IAV)


Automatisierte Versuchsraumvermessung

Parameter x

Para

mete

r y

Not valid (e.g. knocking area)

Starting point

Set point

Limit Value

Vector setting 1. iteration


Parameter x

Para

mete

r y


Starting point

Set point

Limit Value



Parameter x

Para

mete

r y


Starting point

Set point

Limit Value




Starting point

Set point

Limit Value




Limit (temp,knocking,COV,...)

Par

amet

er X

Setting point (schedule)

Driveablecombination

Starting point(map or optimized)

Legend

Starting point(map)

900

450

Automatisierte Versuchsraumvermessung

Parameter Y

22.50


ATLAS / MPI²

ATLAS (A&D)

„BoundaryFinder“

MPI² (IAV)

„CapiParaScreen“

2

SOI / deg.CA

Air mass / mg/str.

Boo

st p

ress

ure

/hP

a

Air Fuel Ratio

CO

HC

Exh.Temp.

Cyl. Pressure

Boost press.

Air mass

SOI

2

SOI / deg.CA

Air mass / mg/str.

Boo

st p

ress

ure

/hP

a

Air Fuel Ratio

CO

HC

Exh.Temp.

Cyl. Pressure

Boost press.

Air mass

SOI

Air Fuel Ratio

CO

HC

Exh.Temp.

Cyl. Pressure

Boost press.

Air mass

SOI

Atlas: - Multitasking

- Real-time Skript Programmierung

MPI²: - Einfache Programmierung in Matlab

- Viele vorhandene Funktionen u. Programme

ATLAS (Prüfstandsmesssystem) und MPI² (Automatisierungssystem)


HiL simulation at the engine test cellSimulation setup

Test Cell System

Ethernet (TCP/IP)

Ethernet (UDP/IP)

FahrzeugFahrzeug

Opal-RT®

PC

Realtime

QNX (PC)

Setpoints

Measuring

Model User Interfacein Simulink

Compiled Realtime Models

Opal-RT® Control Desktop

EngineEngineEngineEngine DynamometerDynamometerDynamometerDynamometer

Security checking

Prerequisites

• Sophisticated vehicle model

• Realtime system at the test cell

• Fast control system at test cell

Excellence in Automotive R&D

Vielen DankDr.-Ing. Carsten Haukap

IAV GmbHIngenieurgesellschaft Auto und Verkehr

Carnotstraße 1, 10587 BerlinTelefon: +49 30 39978-9402

[email protected]

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