Kapitel 3.1 Motorsteuerung_Benzin_2010.pdf
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Bild <strong>3.1</strong>_1<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_2<br />
Grundaufgabe der <strong>Motorsteuerung</strong>:<br />
Bedarfsgerechtes Einstellen von Luft, Kraftstoff und Zündung<br />
zur Optimierung der Eigenschaften<br />
Leistung/Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionen.<br />
Füllung Einspritzung Zündung<br />
Grundlagen des Ottomotors / Aufgaben der <strong>Motorsteuerung</strong><br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_3<br />
Verkabelung /<br />
Kontaktierung<br />
Sensorik Motorsteuergerät Aktorik<br />
<strong>Motorsteuerung</strong>ssysteme/Gesamtsystemaufbau<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_4<br />
Luftmassen- / Luftmengen -<br />
Messer<br />
Saugrohrdrucksensor<br />
Lufttemperatursensor<br />
Umgebungsdrucksensor<br />
Nockenwellenpositionssensoren<br />
Positionssensor<br />
Sauganlagenumschaltung<br />
Drosselklappenwinkelsensor<br />
Valvetronicwinkelsensor<br />
DME<br />
Sensorik Motorsteuergerät<br />
Aktorik<br />
Systemkomponenten zur Füllungssteuerung<br />
Drosselklappensteller<br />
Nockenwellen-<br />
Phasensteller<br />
Sauganlagen-<br />
Umschalter<br />
Valvetronic-<br />
Stelleinheit<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_5<br />
Kraftstoffdrucksensor<br />
Lambdasonden<br />
DME<br />
Sensorik Motorsteuergerät<br />
Aktorik<br />
Systemkomponenten zur Einspritzsteuerung<br />
Einspritzventile<br />
Druckregler<br />
Kraftstoffrail<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_6<br />
Klopfsensor<br />
DME<br />
Sensorik Motorsteuergerät<br />
Aktorik<br />
Systemkomponenten zur Zündungssteuerung<br />
Zündspule<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_7<br />
Systemüberblick<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_8<br />
Sensorik<br />
Fahrpedal<br />
Drosselklappenwinkel<br />
Kurbelwellenposition<br />
Nockenwellenposition<br />
Luftmasse<br />
Ansaugtemperatur<br />
Ladedruck<br />
Ladelufttemperatur<br />
Umgebungsdruck<br />
Kühlmitteltemperatur<br />
Lambda<br />
Abgastemperatur<br />
Kupplungsposition<br />
Kraftstoffdruck<br />
Eingänge SignalverarbeitungSignalaufbereitungMicrocontroller<br />
Diagnose<br />
Spannungsversorgung<br />
Speicher<br />
Überwachung<br />
Ausgänge<br />
Endstufen<br />
Diagnose<br />
Kommunnikationsschnittstellen<br />
Aufbau Motorsteuergerät<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Aktorik<br />
Zündspulen<br />
Einspritzventile<br />
Drosselklappe<br />
Nockenwellensteuerung<br />
Abgasrückführung<br />
Saugrohr-Umschaltung<br />
Lüfter<br />
Kraftstoffpumpe<br />
Sekundärluft<br />
Abgasklappe<br />
Wastegate<br />
Tankentlüftung
Bild <strong>3.1</strong>_9<br />
Signaltypen:<br />
Digitale<br />
Eingangssignale<br />
Analoge<br />
Eingangssignale<br />
Pulsförmige<br />
Eingangssignale<br />
Weiterverarbeitung:<br />
• Spannungsbegrenzung<br />
• Filterung<br />
• Verstärkung<br />
Eigenschaft<br />
Zwei Zustände<br />
„High“ / „Low“<br />
Beliebige<br />
Spannungswerte in<br />
einem bestimmten<br />
Bereich<br />
Variable<br />
Signalamplitude<br />
Beispiel<br />
Schalter,<br />
Drehzahlsignale<br />
von Hall-Sensoren<br />
Luftmassensignal, Spannung,<br />
Temperatursignale<br />
Induktiver Drehzahlgeber<br />
Signalaufbereitung<br />
Aufbereitung<br />
Direkte Verwendung<br />
durch Micro-Controller<br />
Umwandlung in digitale<br />
Signale in ADC (Analog-<br />
Digital-Converter)<br />
Umwandlung in digitale<br />
Rechteckform und<br />
Störsignalunterdrückung<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_10<br />
Bauteile / Komponenten zur Signalverarbeitung in der <strong>Motorsteuerung</strong>:<br />
Programmspeicher<br />
(Ablage für Funktionen<br />
und nicht<br />
veränderliche Daten)<br />
Arbeitsspeicher<br />
(Ablage für<br />
veränderliche Daten)<br />
Typ<br />
ROM<br />
(Read Only Memory)<br />
EPROM<br />
(Erasable<br />
Programmable<br />
ROM)<br />
Flash-EPROM<br />
RAM<br />
(Random Access<br />
Memory)<br />
EEPROM / E²PROM<br />
Eigenschaft<br />
Speicher wird bei der<br />
Herstellung beschrieben<br />
Lösch- und<br />
programmierbar (Löschen<br />
durch UV-Licht)<br />
Elektrisch löschbar<br />
Inhalt geht bei Trennung<br />
von der<br />
Versorgungsspannung<br />
verloren (flüchtiger<br />
Speicher)<br />
Dauerspeicher zur Ablage<br />
von Adaptionswerten<br />
Signalverarbeitung<br />
Ausführung<br />
Integriert in<br />
Microcontroller oder als<br />
separates Bauteil<br />
Separates Bauteil<br />
Zum Teil zusammen<br />
mit Controller auf<br />
einem Chip integriert<br />
Integriert in<br />
Microcontroller und<br />
als separates Bauteil<br />
Separates Bauteil<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_11<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
Funktionsarchitektur Software<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_12<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Die Momentenstruktur – das Rückgrat heutiger <strong>Motorsteuerung</strong>en<br />
Fahrerwunsch entspricht Drehmomentenanforderung<br />
• Entkopplung des Fahrpedalwertes von Füllung, Einspritzung und Zündung<br />
• Einrechnung von externen Anforderungen (Getriebe, Regelsysteme)<br />
• Umsetzung verschiedener Betriebsarten zur Realisierung des Drehmomentes
Bild <strong>3.1</strong>_13<br />
Drehmomentklassen im Antrieb<br />
Radmoment<br />
Hinterachsübersetzung<br />
Getriebeausgangsmoment<br />
Getriebeübersetzung<br />
Kupplungs-/<br />
Wandlerübersetzung<br />
Kupplungsmoment<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur<br />
Nebenaggregate<br />
Inneres<br />
Moment<br />
Kurbelwellenmoment<br />
Ladungswechsel<br />
Reibung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_14<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
1. Funktionsblock: Koordination und Priorisierung der Momentenanforderungen<br />
Fahrerwunsch<br />
Katheizfunktion<br />
Leerlaufregelung<br />
Getriebeeingriffe<br />
Fahrdyn.-Regelsysteme<br />
Fahrgeschwindigkeitsregler<br />
Koordination und<br />
Priorisierung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Abgestimmte<br />
Momentenanforderung<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur
Bild <strong>3.1</strong>_15<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_16<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Betriebs- arten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
2. Funktionsblock: Filterung und Korrektur der Momentenanforderung<br />
Abgestimmte<br />
Momentenanforderung<br />
Lastschlagdämpfung<br />
(pos./neg.)<br />
Antiruckel - Funktion<br />
Filterung<br />
und<br />
Korrektur<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Korrigierte<br />
Momentenanforderung<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur<br />
Ziel:<br />
Dynamische und komfortable Umsetzung des Fahrerwunsches<br />
Fahrerwunsch<br />
Lastschlagdämpfung<br />
Korrigierte<br />
Momentenanforderung<br />
Fahrerwunsch<br />
Gefiltertes<br />
Sollmoment<br />
Antriebsstrangmodell<br />
Antiruckel - Funktion<br />
„Vorsteuerung“ „Regelung“<br />
Lastschlagdämpfung / Anti-Ruckelfunktion<br />
Gemessene<br />
Drehzahl<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_17<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_18<br />
Korrigierte Momentenanforderung<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
3. Funktionsblock: Aufteilung auf schnelle und langsame Umsetzungspfade<br />
Zielmomentenreserve<br />
Korrigierte<br />
Momentenanforderung<br />
Aufteilung auf<br />
Umsetzungspfade<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Momentenanforderung<br />
langsamer Pfad<br />
Momentenanforderung<br />
schneller Pfad<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur<br />
Aufteilung auf<br />
Umsetzungspfade<br />
langsamer Pfad<br />
Zielmomentenreserve schneller Pfad<br />
Momentenreserve = Überhöhung des Momentes über den Luftpfad<br />
Bsp.:<br />
Anforderung:<br />
Korrigierte Momentenanforderung = 100 Nm<br />
Zielmomentenreserve = 10 Nm<br />
Aufteilung auf Pfade:<br />
Soll-Moment Luftpfad = 110 Nm<br />
Soll-Moment Zündung/Kraftstoff = 100 Nm<br />
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung
Bild <strong>3.1</strong>_19<br />
Aktorik<br />
Drosselklappe<br />
Nockenwellensteller<br />
Valvetronic<br />
Einspritzventile<br />
Zündspule/ -kerze<br />
Zeitkonstante<br />
> 100 ms<br />
5-30ms<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_20<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades<br />
Beispiele für die Nutzung des schnellen und langsamen Pfades:<br />
• Leerlaufregelung:<br />
• Nutzung der schnellen Zündwinkelverstellung zum Ausgleich von Drehzahlabweichungen<br />
• Aufheizen des Katalysators:<br />
• Einstellen eines späten Zündzeitpunkts zur Erhöhung der Abgastemperatur ohne Einfluß<br />
auf das abgegebene Gesamtmoment.<br />
• Fahrverhaltensfunktionen:<br />
• Schnelle Reaktion auf Antriebsstrangschwingungen durch Zündungseingriffe<br />
• Fahrdynamikregelsysteme:<br />
• Flexible Momentenreduzierung bei Eingriffen der Regelsysteme zum schnellen<br />
Wiederaufregeln des Motormomentes.<br />
• Nebenaggregate:<br />
• Vorbereitung des Motors auf Einschaltvorgänge von Nebenaggregaten (z.B.<br />
Klimakompressor)<br />
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_21<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_22<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
4. Funktionsblock: Modellierung des Motormomentes<br />
Füllung<br />
Zündzeitpunkt<br />
Lambda<br />
Drehzahl<br />
Anzahl befeuerter Zylinder<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Betriebs- arten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Modellierung<br />
Motormoment<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Theoretisches optimales<br />
Moment<br />
Tatsächliches<br />
Moment<br />
Drehmomentbasierte Grundstruktur<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Funktionsarchitektur<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_23<br />
Soll-Moment<br />
Luftpfad<br />
Füllungssteuerung Füllungserfassung<br />
Erzeugen<br />
der Sollwerte<br />
für die<br />
Füllungsaktorik<br />
Drosselklappensollwinkel<br />
Nockenwellenphasensollwert<br />
Variable Sauganlagensollposition<br />
Valvetronicsollposition<br />
Der Luftpfad<br />
Drosselklappenistwinkel<br />
Nockenwellenphasenistwert<br />
Variable<br />
Sauganlagen-<br />
Istposition<br />
Valvetronicistposition<br />
Berechnung<br />
der aktuellen<br />
Luftmasse<br />
Aktuelle<br />
Füllung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_24<br />
Vorteile der modellbasierten Füllungserfassung:<br />
• Weitgehende Entkopplung der Füllungsbestimmung von dynamischen Eigenschaften der<br />
Luftmassenmessungssensorik<br />
• Bestimmung der Modellparameter an stationären Meßpunkten<br />
• Berücksichtigung dynamischer Effekte durch Saugrohrvolumen<br />
• Anpassung an verschiedene Motoren einfacher durch Verwendung physikalischer Modelle<br />
Bedeutung der Füllungserfassung:<br />
• Qualität des Füllungswertes ist entscheidend für wesentliche Funktionen der <strong>Motorsteuerung</strong>.<br />
• Füllungswert ist zentrale Lastinformation der <strong>Motorsteuerung</strong>.<br />
• Eine Vielzahl von Kenngrößen in der <strong>Motorsteuerung</strong> wird mit dem Füllungswert adressiert.<br />
• Ungenauigkeiten führen direkt zu Abweichungen der Kraftstoffmasse, des Zündzeitpunktes und<br />
des modellierten Drehmomentes.<br />
Füllungserfassung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_25<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Funktionsarchitektur<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_26<br />
Soll-Lambda<br />
Soll-Füllung<br />
Berechnung<br />
der Soll-<br />
Kraftstoffmasse<br />
Basis Kraftstoffsollmasse<br />
Kraftstoffversorgung<br />
Niederdruck<br />
Tankentlüftung<br />
Einrechnung der<br />
Korrekturgrößen Korrigierte<br />
Kraftstoffsollmasse und<br />
Einspritzzeitpunkte<br />
Lambdaregelung<br />
Wandfilmkompensation<br />
Der Kraftstoffpfad<br />
Kraftstoffversorgung<br />
Hochdruck (DI)<br />
Ansteuerung eines Taktventils zur<br />
Regeneration des Aktivkohlefilters<br />
Regelung des Luft-/Kraftstoff - Gemischs<br />
Berechnung von Instationärkompensationen<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_27<br />
Lambdasonde<br />
Quelle: Bosch<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_28<br />
Antriebs-Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Funktionsarchitektur<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_29<br />
Drehzahl<br />
Last<br />
Betriebsarten<br />
Grundkennfelder<br />
Primäre Einflußgrößen auf den Zündzeitpunkt:<br />
• Drehzahl<br />
• Da das Durchbrennen des Gemischs nahezu unabhängig von der Drehzahl ist, muß tendenziell bei<br />
höheren Drehzahlen zu einem früheren Zeitpunkt die Zündung ausgelöst werden.<br />
• Last<br />
• Bei steigender Last (=Zylinderfüllung) erfolgt die Verbrennung schneller, es kann später gezündet<br />
werden.<br />
• Einfluß der Betriebsarten:<br />
• Saugrohreinspritzung:<br />
• Unterschiedliche Betriebsarten etwa bei vollvariablen Ventiltrieben erfordern durch den<br />
Strömungseinfluß deutlich unterschiedliche Zündzeitpunkte.<br />
• Direkteinspritzung:<br />
• Je nach Betriebsart der direkteinspritzenden Systeme (homogen / geschichtet) und Art des<br />
Brennverfahrens (wandgeführt/luftgeführt/strahlgeführt) werden unterschiedliche Zündzeitpunkte<br />
benötigt, um das magere Gemisch zu entflammen.<br />
Der Zündungspfad<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_30<br />
Drehzahl<br />
Last<br />
Temperatur<br />
Lambda<br />
Nockenwellenpos.<br />
Betriebsarten<br />
Grundkennfelder<br />
Korrekturen<br />
Korrekturgrößen<br />
• Temperatur<br />
• Bei kaltem Motor ist für eine sichere Entflammung ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich, hohe<br />
Temperaturen erlauben hingegen keine sehr frühen Zündzeitpunkte (Klopfgefahr).<br />
• Lambda<br />
• Ein mageres Gemisch erfordert einen früheren Zündzeitpunkt.<br />
• Nockenwellenposition<br />
• Wird durch die Nockenwellenposition der Restgasanteil erhöht, ist ein früherer Zündzeitpunkt<br />
erforderlich.<br />
Der Zündungspfad<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_31<br />
Drehzahl<br />
Last<br />
Temperatur<br />
Lambda<br />
Nockenwellenpos.<br />
Betriebsarten<br />
Grundkennfelder<br />
Korrekturen<br />
Eingriffe Momentenstruktur und Klopfregelung<br />
• Momentenreduzierende und<br />
-erhöhende Eingriffe bei Leerlaufregelung,<br />
Getriebeeingriffen,etc.<br />
• Zylinderselektive Eingriffe der Klopfregelung<br />
Zündwinkeleingriff<br />
Momentenstruktur<br />
Zündwinkeleingriff<br />
Klopfregelung<br />
Der Zündungspfad<br />
Koordination und<br />
Begrenzung<br />
Soll-<br />
Zündzeitpunkt Steuerung<br />
Zündspulen<br />
(Einschalten<br />
Zündendstufen)<br />
Koordination und Begrenzung<br />
• Priorisierung und Koordination der<br />
Zündzeitpunkt – Korrekturen<br />
• Begrenzung auf minimalen und<br />
maximalen Zündzeitpunkt<br />
• Aufteilen auf Einzelzylinder<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_32<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Funktionsarchitektur<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_33<br />
Verbrennungsfunktionen<br />
Verbrennungsdruckverlauf<br />
1. Idealer Verlauf bei korrektem<br />
Zündzeitpunkt<br />
2. Klopfende Verbrennung bei zu<br />
früher Zündung<br />
3. Verschleppte Verbrennung bei<br />
zu spätem Zündzeitpunkt<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_34<br />
„Klopfen“:<br />
• Unkontrollierte, nicht gezielt ausgelöste Verbrennung mit hohen Druckamplituden und -<br />
frequenzen<br />
Folgen:<br />
• Niedriger Drehzahlbereich:<br />
• Unerwünschte Akustik („Klingeln“)<br />
• Hoher Drehzahlbereich:<br />
• Motorschäden durch hohen Energieeintrag im Brennraum<br />
Ursache für klopfende Verbrennung:<br />
• Selbstentflammung des noch nicht durch die Flammenfront erfaßten Gemischs nach der<br />
Zündung<br />
Einflußgrößen:<br />
• Klopffestigkeit des Kraftstoffs<br />
• Lambda<br />
• Temperatur<br />
• Brennraumgeometrie<br />
• Verdichtungsverhältnis<br />
• Zündzeitpunkt<br />
Klopfregelung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild <strong>3.1</strong>_35<br />
Moment, Wirkungsgrad<br />
Klopfgrenze<br />
Optimaler<br />
Zündzeitpunkt<br />
Zielbereich für Zündzeitpunkt<br />
bei verschiedenen<br />
Kraftstoffen<br />
und Temperaturen<br />
Zündzeitpunkt<br />
Klopfregelung<br />
Regelung des<br />
Zündzeitpunktes in<br />
Abhängigkeit des<br />
aktuellen Verbrennungszustandes<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_36<br />
Prinzip der Aussetzerkennung (Beispiel Sechszylindermotor)<br />
Messung der Segment-<br />
Zeiten<br />
ZOT (n+1)<br />
120°<br />
Segment<br />
Kurbelwellen - Geberrad<br />
ZOT (n)<br />
Berechnung der<br />
Laufunruhe<br />
2000<br />
Laufunruhe<br />
1000<br />
-1000<br />
-2000<br />
Bewertung der<br />
Laufunruhe<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
0<br />
0<br />
1 2 3 4 5<br />
Zylinder<br />
Aussetzererkennung<br />
Schwellwert für<br />
Verbrennungsaussetzer
Bild <strong>3.1</strong>_37<br />
Hintergrund:<br />
• Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern ist ein Teil der gesetzlich geforderten Funktionen,<br />
die emissionserhöhende Fehlfunktionen anzeigen sollen.<br />
Durch einen Verbrennungsaussetzer erhöht sich die Emission erheblich, da das unverbrannte<br />
Gemisch ausgestoßen wird.<br />
Als Folge kann eine Nachverbrennung des Gemisches im heißen Katalysator das<br />
Trägermaterial im Katalysator zerstören.<br />
Funktionsansatz:<br />
• Da kein direkter Ansatz zur Messung der Verbrennung im Fahrzeug vorliegt, erfolgt die<br />
Erkennung indirekt über die Drehungleichförmigkeit des Motors. Ein Verbrennungsaussetzer<br />
macht sich durch das ausbleibende Moment in dem betroffenen Arbeitsspiel in einer reduzierten<br />
Winkelgeschwindigkeit bemerkbar.<br />
Diese Verzögerung wird gemessen und bewertet.<br />
Fehlerreaktion:<br />
• Es erfolgt zum einen ein Eintrag im Fehlerspeicher, zum andern wird bei unzulässig hohen<br />
Raten der Verbrennungsaussetzer die Einspritzung auf dem betroffenen Zylinder deaktiviert, um<br />
die Zerstörung des Katalysators zu verhindern.<br />
Aussetzererkennung<br />
Mechatronische Systemtechnik im KFZ <strong>Kapitel</strong> 3: <strong>Motorsteuerung</strong> Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper<br />
Bild <strong>3.1</strong>_38<br />
Beschleunigung<br />
Beschleunigt der Motor, so reduzieren sich die Segmentzeiten, ohne daß<br />
eine Laufunruhe vorliegt.<br />
Um eine Fehldiagnose zu vermeiden, wird diese Abweichung korrigiert.<br />
Prinzip:<br />
Segmentzeiten<br />
Mittlere Beschleunigung während<br />
der letzten Motorumdrehung<br />
(Trend)<br />
Aussetzererkennung<br />
„echte“<br />
Laufunruhe<br />
Überlagerung aus<br />
Beschleunigung und<br />
Laufunruhe<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_39<br />
Antriebs-<br />
Koordination<br />
Kommunikation<br />
Betriebsarten<br />
&<br />
Momentenkoordination<br />
Motor<br />
Überwachungskonzept<br />
Luft<br />
Kraftstoff<br />
Zündung<br />
Fehlerspeicher<br />
Funktionsarchitektur<br />
Verbrennung<br />
Kühlung &<br />
Schmierung<br />
ECU Zustand<br />
Auslass-<br />
System<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_40<br />
Kernfunktionen:<br />
• Wärmemanagement<br />
• Heutige Motoren verfügen über eine weitreichende Aktorik für ein variables<br />
Wärmemanagement. Dadurch können einige Zielkonflikte aufgelöst werden:<br />
• Aufheizung des Motors<br />
• Erwärmung des Innenraums<br />
• Leistungsaufnahme der Wasserpumpe<br />
• emissions- / verbrauchsoptimaler Betrieb<br />
• Klopfschutz<br />
• Akustik (Lüftergeräusch)<br />
Anforderungen<br />
Motor / Fahrzeug<br />
Wärmemanagement<br />
Sollwerte<br />
Kühlung / Schmierung<br />
Elektrische<br />
Wasserpumpe<br />
Thermostat<br />
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Lüfter
Bild <strong>3.1</strong>_41<br />
Aktivkohlebehälter<br />
Ladedruck/<br />
Temperatur-sensor<br />
Umgebungsdrucksensor<br />
Fahrpedal<br />
modul<br />
Tankeinbaueinheit<br />
Nockenwellenversteller*<br />
Zündspule/<br />
Zündkerze<br />
Systemstruktur MED- Motronic<br />
Quelle: Bosch<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_42<br />
Elektronisches<br />
Steuergerät<br />
CAN<br />
Diagnose<br />
lampe<br />
Diagnose<br />
Schnittstelle<br />
Wegfahrsperre<br />
Tankentlüftungsventil<br />
Ladeluftkühler<br />
Drosselvorrichtung<br />
(EGAS)<br />
Das FSI- Einspritzsystem<br />
Last<br />
Rückschlagventil<br />
Turbounterdruckspeicher<br />
Einspritzventil<br />
EGAS = Elektronische Motorfüllungssteuerung<br />
Nockenwellenversteller:<br />
Einlass- und/oder Auslass-Verstellung<br />
Schicht-Betrieb<br />
HochdruckpumpeM<br />
Kraftstoffverteiler<br />
LBK 1<br />
Drucksensor<br />
Klopfsensor<br />
Homogen-Betrieb<br />
Drehzahlgeber<br />
Magnetventil<br />
Temp.sensor<br />
Phasengeber<br />
Umluftventil<br />
Abgastemp.sensor*<br />
BDE-spezifische<br />
Bosch-Komponenten<br />
Waste<br />
Gate Steller<br />
Waste<br />
Gate<br />
Vorkat.<br />
* optional<br />
Luftmassenmesser<br />
mit Temperaturfühler<br />
Abgasturbolader<br />
Lambda-Sonde<br />
1 Ladungsbewegungsklappe (2 Punkt/kontinuierlich)<br />
Schicht-Betrieb wird nur oberhalb 50°C Kühlmitteltemperatur und zwischen 250 und 520°C<br />
Abgastemperatur zugelassen.<br />
Der NOx- Speicher kann nach dem heutigen Stand nur in diesem Bereich NOx speichern.<br />
Magnetventil<br />
Lambda-Sonde<br />
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Hauptkat.<br />
Quelle: GS/MKT 6789d<br />
Quelle: VW<br />
Drehzahl
Bild <strong>3.1</strong>_43<br />
Drosselklappenwinkel<br />
Lambdawert 3<br />
Schichtbetrieb Homogenbetrieb<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_44<br />
Es wird erst ca. 70° vOT Eingespritzt.<br />
Drehmoment<br />
Kraftstoffmulde<br />
Umschaltvorgang Schichtbetrieb/ Homogenbetrieb<br />
1,6<br />
Kolbenform eines direkteinspritzenden Motors<br />
1<br />
Luftmulde<br />
Quelle: VW<br />
Quelle: VW<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_45<br />
Es wird in den<br />
Ansaugtakt<br />
eingespritzt<br />
Homogen Betrieb<br />
Quelle: VW<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_46<br />
Tumble-<br />
Klappe<br />
Schicht- Betrieb<br />
Quelle: VW<br />
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Bild <strong>3.1</strong>_47<br />
MED- Motronic (5 min)<br />
Quelle: Bosch<br />
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