Entwicklung im Virtuellen

Die „virtuelle Motorprüfbank“ erleichtert die Funktionsentwicklung

Die Entwicklung leistungsfähiger, umweltfreundlicher Dieselmotoren mit niedrigen Emissionen und geringem Verbrauch erfordert eine komplexere Logikfunktionalität und komplexere Controller in der Motorsteuereinheit. Immer mehr kostspielige und zeitaufwendige Tests an Motorprototypen müssen durchgeführt werden, wobei die notwendigen Prüfeinrichtungen nur eingeschränkt zur Verfügung stehen. Das verhindert kürzere Entwicklungszyklen. Damit die Entwicklung von Regelungskonzepten und die Dimensionierung der Regelparameter parallel mit der Motorentwicklung erfolgen kann, haben die Experten am Steinbeis-Transferzentrum Systemtechnik/Automotive in Esslingen untersucht, inwieweit Funktions- und Reglerentwicklung simuliert werden können.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Glasgow Caledonian University wurde eine sogenannte „virtuelle Prüfbank” entwickelt, eine Entwicklungsumgebung für die Softwarefunktionen moderner Dieselmotorsteuereinheiten. Ziel der Entwicklung war ein Dieselmodell mit im Vergleich zu den phänomenologischen Modellen (0D) höherer Genauigkeit und Vielseitigkeit, das dennoch auf neue Projekte schneller flexibel reagieren kann. Außerdem sollten die Simulationszeiten minimiert und die Benutzerfreundlichkeit durch effektive Kopplung mit bekannten und üblichen Entwicklungstools verbessert werden.

Zur Verkürzung der Entwicklungszeit und zur Verminderung zukünftiger Entwicklungsrisiken integrierte das Forscherteam kommerzielle Simulationsprodukte. Die entwickelte Umgebung basiert auf dem Motorzyklussimulationscode BOOST (AVL List GmbH) zur kontinuierlichen Fluiddynamik (CFD) für den Dieselmotor sowie auf dem Paket MATLAB/SIMULINK (The MathWorks GmbH) für die Reglerfunktion und die ausgewählte Prototypensprache.

Versuchsweise wurde auf der „virtuellen Prüfbank“ ein 3-Liter-V6-Zylinder-Dieselmotor mit Common Rail-Direkteinspritzung mit zwei Turboladern simuliert. Die beiden parallel geschalteten Turbolader gewährleisten ausgezeichnete Dynamik und hohe Leistung.

Allerdings hat dieses Konzept den Nachteil, dass die Kennlinie des weniger effektiven Turboladers in Richtung der Pumpgrenze verschoben wird, wie es beispielsweise bei Alterung der Anlage der Fall sein kann. Um diesen Effekt zu beseitigen, wurden verschiedene Reglerkonzepte für den Ausgleich der Ansaugluftmenge der beiden Turbolader untersucht, beispielsweise industrielle und adaptive PID-Regler, aber auch FUZZYRegler sowie ein Smith-Prädiktor mit künstlichem neuronalen Netzwerkmodell (ANN als Blackbox-Observer. Die Co-Simulation der „virtuellen Prüfbank“ ergab für eine Vielzahl von Anwendungen eine starke physikalische Übereinstimmung mit einem echten Motor. Dies insbesondere im Kurbelwinkel aufgelösten, pulsierenden Luftsystem gegenüber der phänomenologischen Modelle nach dem Stand der Technik.

Eine Rapid-Prototype-Entwicklung der Luftregler im Vergleich mit einem echten Motor und einem echten Fahrzeug bestätigte, dass in der Entwurfsphase, wenn noch keine Prototypen für Tests zur Verfügung stehen, der Zeitraum für die gleichzeitige Funktionsentwicklung elektronisch gesteuerter Dieselmotoren wie erhofft erweitert werden kann.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Hermann Kull
Dr. Micha Münzenmay

Steinbeis-Transferzentrum Systemtechnik/Automotive (Esslingen)
stz259@stw.de

Prof. Dr. Malcolm Allan
Glasgow Caledonian University (Glasgow)

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