FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Dresdner Tagung Dresdner Tagung
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Softwaretools und Anwendungen in Lehre, Forschung und PraxisSoftwaretools und Anwendungen in Lehre, Forschung und Praxis
24. /25. Februar 200024. /25. Februar 2000
VortragVortrag
Simulationsmodell eines elektronischSimulationsmodell eines elektronisch
geregelten 6-Zyl.-Dieselmotorsgeregelten 6-Zyl.-Dieselmotors
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
PedalwertPedalwert
SteuergerätSteuergerät
DieselmotorDieselmotorMotordrehzahl
0...100%
Kraftstoffmenge Spritzbeginn
Lastmoment
Strukturbild der elektronischen DieselregelungStrukturbild der elektronischen Dieselregelung
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Verbrennungs-moment
Verbrennungs-moment
MassenmomentMassenmoment
Kompressions-/Expansionsmoment
Kompressions-/Expansionsmoment MotordynamikMotordynamik
ReibmomentReibmoment
Motordrehzahl
SpritzbeginnKraftstoffmenge
Drehwinkel
Lastmoment
-
+M_ke+
-
M_r
+
M_m
+
M_v
M_a
Strukturbild DieselmotorStrukturbild Dieselmotor
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Druckverlauf muß bekannt sein
Gasdruckmomente darstellbar
instationäre Vorgänge nur schwer erfaßbar
große Datenmenge
nur das mittlere Drehmoment des Motors darstellbar
periodische Gasdruckmomente nicht darstellbar
Momentenverläufe müssen am Motor aufgenommen werden
keine innermotorische Betrachtung
Fourier-ReihenFourier-Reihen KennfelderKennfelder
Abbildungsverfahren der VerbrennungAbbildungsverfahren der Verbrennung
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genaue Abbildung der Verbrennung mittels Vibe-Brennfunktion
Darstellung der periodischen Gasdruckmomente mittels Einzonenmodell
instationäre Vorgänge darstellbar handhabbare Datenmenge
ProzessrechnungProzessrechnung
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Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
d
dmTR
d
dRTm
d
dTRm
d
dpV
d
dVp d
dmTR
d
dRTm
d
dTRm
d
dpV
d
dVp
• Zustandsgleichung
d
dm
d
dm
d
dB
d
dm
d
dm LeckAE d
dm
d
dm
d
dB
d
dm
d
dm LeckAE
• Massenbilanz
d
dmh
d
dmh
d
dQ
d
Q
d
dVp
d
umd
d
dU AA
EE
wB
)()(
d
dmh
d
dmh
d
dQ
d
Q
d
dVp
d
umd
d
dU AA
EE
wB
)()(
• Energiebilanz
EinzonenmodellEinzonenmodell
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• Drucksteigerung
d
dVp
R
c
d
dQ
Vc
R
d
dp vB
v
1
d
dVp
R
c
d
dQ
Vc
R
d
dp vB
v
1
• Temperatursteigerung
d
dVp
HTc
d
dQ
cmd
dT
uv
B
v
11
1
d
dVp
HTc
d
dQ
cmd
dT
uv
B
v
11
1
Endgleichungen des EinzonenmodellsEndgleichungen des Einzonenmodells
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1
1
vm
BD
a
BgesB eQQ
1
1
vm
BD
a
BgesB eQQ
1
1
vm
BD
v am
BDv
BD
BgesB emaQ
d
dQ
1
1
vm
BD
v am
BDv
BD
BgesB emaQ
d
dQ
Vibe-ErsatzbrennverlaufVibe-Ersatzbrennverlauf
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
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d
dQB
Änderung Wärmemenge dQB/dphi - Vibe- Brenngeschwindigkeit dQB/dphi / Kurbelwinkel - DrehwinkelÄnderung Wärmemenge dQB/dphi - Vibe- Brenngeschwindigkeit dQB/dphi / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignalausgang - Kraftstoffmasse mk1 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignalausgang - Kraftstoffmasse mk1 / Kurbelwinkel - Drehwinkel
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
50
100
150
200
250
300
350
400
--
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002kgkg
350 355 360 365 370 375 380 385 390
°
350 355 360 365 370 375 380 385 390
°
mk kgVBEB
EB VB
mk
EB
EB
VB m_k(soll)
VB
dQB/d
[J/°] [kg]
Beispiel eines Brennverlaufes (Vibe)Beispiel eines Brennverlaufes (Vibe)
m_k(soll)
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Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ) - Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ)2 / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungsdruck pv (VB-AÖ) - Verbrennungsdruck pv (VB-AÖ)2 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - Drehwinkel
0
10
20
30
40
50
60
0
10
20
30
40
50
60
barbar
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002kgkg
350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550
°
350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550
°
pv VB m_k(soll)
[kg]EB VB
EB
[bar]
m_k(soll)
pv
Beispiel eines DruckverlaufesBeispiel eines Druckverlaufes
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100bar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100bar
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
p
p_ke
OT UT OT OTUT
pges
vp
Darstellung des ZylinderdruckesDarstellung des Zylinderdruckes
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
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Vz - 4 / Kurbelwinkel - 3
0
500
1000
1500
2000
0
500
1000
1500
2000cm³cm³
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°Vc
UT OT OTOT UT
Vz
Zylinder- Arbeitsvolumen
V_z
p_ke(phi)
Arbeitsspiel 720°KW
Druck Kompression-Expansion p_ke(180°KW-540°KW)
Eingangsgröße Drehwinkel
p_L
p_ke (720°)
p_ke(phi)
V_z
ckz V)sincos(Ar)(V
1
11
1 22ckz V)sincos(Ar)(V
11
11 22
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
40
50barbar
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
OT UT OT OTUT
pke()Druck Kompression-Expansion pke - Druck Kompression-Expansion pke(180°KW-540°KW) / Kurbelwinkel - Drehwinkel
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
40
50barbar
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
pke()
OT UT OT OTUT
Berechnung des Kompressions- / Expansionsdruckes Berechnung des Kompressions- / Expansionsdruckes
)()(
z
HLke V
Vpp
)()(
z
HLke V
Vpp
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Signal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Verbrennungsbeginn VB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelSignal Einspritzbeginn EB - 10 / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelKraf tstof f menge mk - Eingangsgröße Kraf tstof f menge mk / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungstemperatur Tv - 6 / Kurbelwinkel - DrehwinkelVerbrennungstemperatur Tv - 6 / Kurbelwinkel - Drehwinkel
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
0.5
1
0
0.5
1
--
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002
0
5e-005
0.0001
0.00015
0.0002
kgkg
0
250
500
750
1000
1250
0
250
500
750
1000
1250KK
350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550
°
350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550
°
EB VB m_k(soll) Tv
[kg] [K]
EBVB
m_k(soll)
Tv
Beispiel eines TemperaturverlaufesBeispiel eines Temperaturverlaufes
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
0
500
1000
1500
2000K
0
500
1000
1500
2000K
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
T
Tke
OT UT OT OTUT
Tges
vT
Darstellung der BrennraumtemperaturDarstellung der Brennraumtemperatur
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500Nm
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500Nm
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°
M
OT UT OT OTUT
Reibmoment
Antriebsmoment
Massenmoment
Verbrennungsmoment
Kompressions-Expansionsmoment
Darstellung des AntriebsmomentesDarstellung des Antriebsmomentes
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Leerlauf-Regler
Leerlauf-Regler
Vollast-Begrenzung
Vollast-Begrenzung
Enddrehzahl-Regler
Enddrehzahl-Regler
Fahrverhalten-Kennfeld
Fahrverhalten-Kennfeld
Minimal - Auswahl Minimal - Auswahl
Spritzbeginn-Kennfeld
Spritzbeginn-Kennfeld
Motordrehzahl Pedalwert
Spritzbeginn Kraftstoffmenge
+
m_Fahr
+m_LLm_End
m_Begrenz
Strukturbild SteuergerätStrukturbild Steuergerät
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
n(End)
-
-
P-Regler
I-Reglern(soll)=35001/min
Summe( P+ I )+
+
KRück
VerstärkungI-Anteil
m_End
n(ist) Zuweisungm_End
pos. Begrenzer
+
Makro Enddrehzahlregler: Rückgekoppelter PI-Regler
Regelung der EnddrehzahlRegelung der Enddrehzahl
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Simulationsmodell 6-Zyl.-DieselmotorSimulationsmodell 6-Zyl.-Dieselmotor
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Antriebsmoment an Zylinder 1 bzw. Antriebsmoment an Zylinder 1 bzw. Gesamtantriebsmoment an der KurbelwelleGesamtantriebsmoment an der Kurbelwelle
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Verhalten von Einspritzmengenstreuungen auf den DrehzahlverlaufVerhalten von Einspritzmengenstreuungen auf den Drehzahlverlauf• Zyl. 1 mit m_k(stör) : + 2mg Kraftstoff • Zyl. 3 mit m_k(stör) : - 1mg Kraftstoff• Zyl. 5 mit m_k(stör) : + 5mg Kraftstoff
FH-Lippe, FB 6FH-Lippe, FB 6 Prof. Dr.-Ing. Schmitt Prof. Dr.-Ing. Schmitt
Simulation im MaschinenbauSimulation im Maschinenbau
Verwendungszweck des SimulationsmodellsVerwendungszweck des Simulationsmodells• Simulation in der Ingenieurausbildung
- Verständnis der komplexen Teilprozesse- mechatronische Gesamtbetrachtung des Systems
• Untersuchung der dynamischen Beanspruchung verschiedener Motorkomponenten
• Systementwicklung in der Kraftfahrzeugtechnik- Laufruheregelung- Fahrgeschwindigkeitsregelung, -begrenzung- Ruckeldämpfer- Zylinderabschaltung etc.
• Dynamikuntersuchungen an Fahrzeugsträngen unter Verwendung einer realitätsnahen Antriebsquelle
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