magazine - Das Virtuelle Fahrzeug

Beherrschbare
Mehrgrößenregelung
Regelalgorithmen in Steuergeräten prägen entscheidend Ansprechverhalten, Vebrauch und Emissionen
von modernen Verbrennungsmotoren. Eingrößen-PID-Regelungen bilden seit Verwendung elektronischer
Motorsteuerungen den Kern der Luftpfadregelung von Dieselmotoren. Trotz bekannter Nachteile und vielfältiger
neuer Vorschläge wurden diese einfachen Konzepte in der Praxis letztendlich bis heute nicht von neuen
Regelstrategien verdrängt. Am Virtual Vehicle wird erforscht, wie man leistungsfähige Mehrgrößenregelungen
gestalten kann, die sich in der Einfachheit ihrer Handhabung nicht wesentlich von den etablierten Regelungen
unterscheiden, zugleich aber die Potentiale der Mehrgrößenregelung voll ausschöpfen.
Luftpfadregelung beim Dieselmotor
Die Luftpfadregelung in Dieselmotorsteuergeräten
dient hauptsächlich der Senkung von NOX
und Partikelemissionen, beeinflusst aber auch
maßgeblich den Verlauf des Momentenaufbaus
im transienten Betrieb. Neue Anforderungen
in Form von strengeren Emissionslimits und
gleichzeitig dynamischeren Tests zur Zertifizierung
machen die Weiterentwicklung konventioneller
Luftpfadregelungen nötig.
Für stationäre Abgastests entwickelte Regelkonzepte,
die meist nur als Störregelungen
ausgeführt sind, können diese gesteigerten
Anforderungen nach einer dynamischeren Regelung
nur mehr schwer erfüllen, ohne schwerwiegende
Nachteile in der Robustheit und/oder
der Regelgeschwindigkeit in Kauf zu nehmen.
Auch die Bedeutung der Verkoppelungen unter
den zu regelnden Größen nimmt stetig zu, da
es zum Erreichen der Emissionsziele notwen-
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dig wird, in größeren Betriebsbereichen des
Motors mehrere Sollgrößen zugleich dynamisch
zu regeln.
Konventionelle Lösungen
Die Luftpfadregelung basiert im Wesentlichen
auf der Regelung der Luftladungsmenge und
ihres Zustands. Die gewünschte Ladungsmenge
und ihr Zustand wird in turboaufgeladenen
Dieselmotoren über 2 Sollgrößen (z.B. Frischluftmasse
und Ladedruck) festgelegt und über
zumindest 2 Stellgrößen (meist Abgasrückführventil
und Turboladersteller)
eingestellt.
Konventionell wird diese Aufgabe
durch zwei dezentrale
Regler realisiert. Die Reglerstruktur
der beiden Regelkerne
ist üblicherweise eine
PID-Struktur (Standardregler in Motorsteuergeräten)
mit Parametern, welche meist von Drehzahl,
Einspritzmenge und manchmal auch von
der Regelabweichung selbst abhängig sind. Die
Abhängigkeiten werden der flexiblen Parametrierung
wegen in sogenannten Kennfeldern abgelegt.
Um Probleme durch Querkoppelungen
zu vermeiden, sind bei solchen Umsetzungen
mit zwei Eingrößen-PID-Reglern jedoch meist
nur in Ausnahmefällen beide Regler zugleich
aktiv.
Entwicklungstrends
Motorsteuerungen werden zunehmend leistungsfähiger
und der Aufwand einer Motorabstimmung
ist in der Vergangenheit stark
angestiegen. Rund 15.000 bis 20.000 Einstellparameter
in einer Motorsteuerung stellen heutzutage
keine Seltenheit dar.
Demgegenüber steht die Forderung nach einer
gleichbleibenden oder wenn möglich sogar kürzeren
Applikationszeit.
Durch modellgestützte Ansätze kann einerseits
erreicht werden, dass Teile der Motorapplikation
durch Simulation vorab ohne Hardware
durchgeführt werden können. Andererseits sind
Datenstände aus bestehenden Motorapplikationen
leichter übertragbar, weil die verwendeten
Parameter in den Regel- und Steueralgorithmen
eine physikalische Bedeutung bekommen.
Bei den wichtigsten Herstellern für Motorsteuergeräte
ist ein Schwerpunkt der Entwicklung
der Luftpfadregelung die Bereitstellung von
emissionsrelevanten Sollwerten und entsprechenden
(virtuellen) Sensorwerten. Beide werden
durch (nichtlineare) Modelle zur Laufzeit in
der Motorsteuerung aus den verfügbaren Sensorwerten
berechnet.