Grundlagen des Ottomotors / Aufgaben der Motorsteuerung

Bild 3.1_1
Mechatronische Systemtechnik im KFZ
Kapitel 3: Motorsteuerung
Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild 3.1_2
Grundaufgabe der Motorsteuerung:
Bedarfsgerechtes Einstellen von Luft, Kraftstoff und Zündung
zur Optimierung der Eigenschaften
Leistung/Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionen.
Füllung
Einspritzung
Zündung
Grundlagen des Ottomotors / Aufgaben der Motorsteuerung
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Kapitel 3: Motorsteuerung
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Bild 3.1_3
Verkabelung /
Kontaktierung
Sensorik
Motorsteuergerät
Aktorik
Motorsteuerungssysteme/Gesamtsystemaufbau
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Bild 3.1_4
Luftmassen- / Luftmengen Messer
Saugrohrdrucksensor
Drosselklappensteller
Lufttemperatursensor
DME
Umgebungsdrucksensor
NockenwellenPhasensteller
Nockenwellenpositionssensoren
SauganlagenUmschalter
Positionssensor
Sauganlagenumschaltung
ValvetronicStelleinheit
Drosselklappenwinkelsensor
Valvetronicwinkelsensor
Sensorik
Motorsteuergerät
Aktorik
Systemkomponenten zur Füllungssteuerung
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Kapitel 3: Motorsteuerung
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Bild 3.1_5
DME
Kraftstoffdrucksensor
Einspritzventile
Lambdasonden
Druckregler
Kraftstoffrail
Sensorik
Motorsteuergerät
Aktorik
Systemkomponenten zur Einspritzsteuerung
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Bild 3.1_6
DME
Zündspule
Klopfsensor
Sensorik
Motorsteuergerät
Aktorik
Systemkomponenten zur Zündungssteuerung
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Bild 3.1_7
Systemüberblick
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Bild 3.1_8
Sensorik
Aktorik
Eingänge
Fahrpedal
Drosselklappenwinkel
Kurbelwellenposition
Signalverarbeitung
Signalaufbereitung
Ausgänge
Zündspulen
Endstufen
Drosselklappe
Microcontroller
Nockenwellenposition
Nockenwellensteuerung
Luftmasse
Abgasrückführung
Ansaugtemperatur
Ladedruck
Speicher
Diagnose
Diagnose
Ladelufttemperatur
Lambda
Saugrohr-Umschaltung
Lüfter
Kraftstoffpumpe
Überwachung
Umgebungsdruck
Kühlmitteltemperatur
Einspritzventile
Spannungsversorgung
Sekundärluft
Kommunnikationsschnittstellen
Abgastemperatur
Abgasklappe
Wastegate
Tankentlüftung
Kupplungsposition
Kraftstoffdruck
Aufbau Motorsteuergerät
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Bild 3.1_9
Signaltypen:
Eigenschaft
Beispiel
Schalter,
Drehzahlsignale
von Hall-Sensoren
Digitale
Eingangssignale
Zwei Zustände
„High“ / „Low“
Analoge
Eingangssignale
Beliebige
Spannungswerte in
einem bestimmten
Bereich
Pulsförmige
Eingangssignale
Variable
Signalamplitude
Aufbereitung
Direkte Verwendung
durch Micro-Controller
Umwandlung in digitale
Luftmassensignal, Spannung,
Signale in ADC (AnalogTemperatursignale
Digital-Converter)
Induktiver Drehzahlgeber
Umwandlung in digitale
Rechteckform und
Störsignalunterdrückung
Weiterverarbeitung:
• Spannungsbegrenzung
• Filterung
• Verstärkung
Signalaufbereitung
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Bild 3.1_10
Bauteile / Komponenten zur Signalverarbeitung in der Motorsteuerung:
Programmspeicher
(Ablage für Funktionen
und nicht
veränderliche Daten)
Arbeitsspeicher
(Ablage für
veränderliche Daten)
Typ
Eigenschaft
Ausführung
Integriert in
Microcontroller oder als
separates Bauteil
ROM
(Read Only Memory)
Speicher wird bei der
Herstellung beschrieben
EPROM
(Erasable
Programmable
ROM)
Lösch- und
programmierbar (Löschen
durch UV-Licht)
Separates Bauteil
Flash-EPROM
Elektrisch löschbar
Zum Teil zusammen
mit Controller auf
einem Chip integriert
RAM
(Random Access
Memory)
Inhalt geht bei Trennung
von der
Versorgungsspannung
verloren (flüchtiger
Speicher)
Integriert in
Microcontroller und
als separates Bauteil
EEPROM / E²PROM
Dauerspeicher zur Ablage
von Adaptionswerten
Separates Bauteil
Signalverarbeitung
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Bild 3.1_11
Verbrennung
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur Software
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Bild 3.1_12
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
Kraftstoff
Zündung
Die Momentenstruktur – das Rückgrat heutiger Motorsteuerungen
Fahrerwunsch entspricht Drehmomentenanforderung
• Entkopplung des Fahrpedalwertes von Füllung, Einspritzung und Zündung
• Einrechnung von externen Anforderungen (Getriebe, Regelsysteme)
• Umsetzung verschiedener Betriebsarten zur Realisierung des Drehmomentes
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_13
Drehmomentklassen im Antrieb
Inneres
Moment
Ladungswechsel
Reibung
Getriebeausgangsmoment
Radmoment
Hinterachsübersetzung
Kupplungsmoment
Getriebeübersetzung
Kupplungs-/
Wandlerübersetzung
Kurbelwellenmoment
Nebenaggregate
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_14
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
Kraftstoff
Zündung
1. Funktionsblock: Koordination und Priorisierung der Momentenanforderungen
Fahrerwunsch
Katheizfunktion
Leerlaufregelung
Koordination und
Priorisierung
Getriebeeingriffe
Abgestimmte
Momentenanforderung
Fahrdyn.-Regelsysteme
Fahrgeschwindigkeitsregler
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_15
Luft
Betriebs- arten
&
Momentenkoordination
Motor
AntriebsKoordination
Kraftstoff
Zündung
2. Funktionsblock: Filterung und Korrektur der Momentenanforderung
Abgestimmte
Momentenanforderung
Filterung
und
Korrektur
Lastschlagdämpfung
(pos./neg.)
Korrigierte
Momentenanforderung
Antiruckel - Funktion
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_16
Ziel:
Dynamische und komfortable Umsetzung des Fahrerwunsches
Korrigierte
Momentenanforderung
Fahrerwunsch
Lastschlagdämpfung
Gemessene
Drehzahl
Antriebsstrangmodell
Antiruckel - Funktion
Fahrerwunsch
Gefiltertes
Sollmoment
„Vorsteuerung“
„Regelung“
Lastschlagdämpfung / Anti-Ruckelfunktion
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Bild 3.1_17
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
Kraftstoff
Zündung
3. Funktionsblock: Aufteilung auf schnelle und langsame Umsetzungspfade
Momentenanforderung
langsamer Pfad
Korrigierte Momentenanforderung
Aufteilung auf
Umsetzungspfade
Momentenanforderung
schneller Pfad
Zielmomentenreserve
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_18
Korrigierte
Momentenanforderung
Luft
langsamer Pfad
Aufteilung auf
Umsetzungspfade
Zielmomentenreserve
Kraftstoff
schneller Pfad
Zündung
Momentenreserve = Überhöhung des Momentes über den Luftpfad
Bsp.:
Anforderung:
Korrigierte Momentenanforderung
Zielmomentenreserve
= 100 Nm
= 10 Nm
Aufteilung auf Pfade:
Soll-Moment Luftpfad
Soll-Moment Zündung/Kraftstoff
= 110 Nm
= 100 Nm
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
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Bild 3.1_19
Aktorik
Drosselklappe
Nockenwellensteller
Valvetronic
Zeitkonstante
Luft
> 100 ms
Kraftstoff
Einspritzventile
Zündspule/ -kerze
5-30ms
Zündung
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
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Bild 3.1_20
Beispiele für die Nutzung des schnellen und langsamen Pfades:
• Leerlaufregelung:
• Nutzung der schnellen Zündwinkelverstellung zum Ausgleich von Drehzahlabweichungen
• Aufheizen des Katalysators:
• Einstellen eines späten Zündzeitpunkts zur Erhöhung der Abgastemperatur ohne Einfluß
auf das abgegebene Gesamtmoment.
• Fahrverhaltensfunktionen:
• Schnelle Reaktion auf Antriebsstrangschwingungen durch Zündungseingriffe
• Fahrdynamikregelsysteme:
• Flexible Momentenreduzierung bei Eingriffen der Regelsysteme zum schnellen
Wiederaufregeln des Motormomentes.
• Nebenaggregate:
• Vorbereitung des Motors auf Einschaltvorgänge von Nebenaggregaten (z.B.
Klimakompressor)
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
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Bild 3.1_21
Luft
AntriebsKoordination
Betriebs- arten
&
Momentenkoordination
Motor
Kraftstoff
Zündung
4. Funktionsblock: Modellierung des Motormomentes
Füllung
Theoretisches optimales
Moment
Zündzeitpunkt
Modellierung
Motormoment
Lambda
Drehzahl
Tatsächliches
Moment
Anzahl befeuerter Zylinder
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_22
Verbrennung
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_23
Füllungssteuerung
Soll-Moment
Luftpfad
Erzeugen
der Sollwerte
für die
Füllungsaktorik
Füllungserfassung
Drosselklappensollwinkel
Drosselklappenistwinkel
Nockenwellenphasensollwert
Nockenwellenphasenistwert
Variable Sauganlagensollposition
Variable
SauganlagenIstposition
Valvetronicsollposition
Valvetronicistposition
Berechnung
der aktuellen
Luftmasse
Aktuelle
Füllung
Der Luftpfad
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Bild 3.1_24
Vorteile der modellbasierten Füllungserfassung:
•
Weitgehende Entkopplung der Füllungsbestimmung von dynamischen Eigenschaften der
Luftmassenmessungssensorik
•
Bestimmung der Modellparameter an stationären Meßpunkten
•
Berücksichtigung dynamischer Effekte durch Saugrohrvolumen
•
Anpassung an verschiedene Motoren einfacher durch Verwendung physikalischer Modelle
Bedeutung der Füllungserfassung:
•
Qualität des Füllungswertes ist entscheidend für wesentliche Funktionen der Motorsteuerung.
•
Füllungswert ist zentrale Lastinformation der Motorsteuerung.
•
Eine Vielzahl von Kenngrößen in der Motorsteuerung wird mit dem Füllungswert adressiert.
•
Ungenauigkeiten führen direkt zu Abweichungen der Kraftstoffmasse, des Zündzeitpunktes und
des modellierten Drehmomentes.
Füllungserfassung
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Kapitel 3: Motorsteuerung
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Bild 3.1_25
Verbrennung
Luft
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AntriebsKoordination
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Kapitel 3: Motorsteuerung
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Bild 3.1_26
Ansteuerung eines Taktventils zur
Regeneration des Aktivkohlefilters
Tankentlüftung
Soll-Lambda
Soll-Füllung
Berechnung
der SollKraftstoffmasse
Basis Kraftstoffsollmasse
Einrechnung der
Korrekturgrößen
Korrigierte
Kraftstoffsollmasse und
Einspritzzeitpunkte
Regelung des Luft-/Kraftstoff - Gemischs
Lambdaregelung
Wandfilmkompensation
Kraftstoffversorgung
Niederdruck
Berechnung von Instationärkompensationen
Kraftstoffversorgung
Hochdruck (DI)
Der Kraftstoffpfad
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Bild 3.1_27
Quelle: Bosch
Lambdasonde
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Bild 3.1_28
Verbrennung
Luft
Antriebs-Koordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_29
Betriebsarten
Drehzahl
Grundkennfelder
Last
Primäre Einflußgrößen auf den Zündzeitpunkt:
• Drehzahl
• Da das Durchbrennen des Gemischs nahezu unabhängig von der Drehzahl ist, muß tendenziell bei
höheren Drehzahlen zu einem früheren Zeitpunkt die Zündung ausgelöst werden.
• Last
• Bei steigender Last (=Zylinderfüllung) erfolgt die Verbrennung schneller, es kann später gezündet
werden.
• Einfluß der Betriebsarten:
• Saugrohreinspritzung:
• Unterschiedliche Betriebsarten etwa bei vollvariablen Ventiltrieben erfordern durch den
Strömungseinfluß deutlich unterschiedliche Zündzeitpunkte.
• Direkteinspritzung:
• Je nach Betriebsart der direkteinspritzenden Systeme (homogen / geschichtet) und Art des
Brennverfahrens (wandgeführt/luftgeführt/strahlgeführt) werden unterschiedliche Zündzeitpunkte
benötigt, um das magere Gemisch zu entflammen.
Der Zündungspfad
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Bild 3.1_30
Betriebsarten
Drehzahl
Grundkennfelder
Last
Temperatur
Korrekturen
Lambda
Nockenwellenpos.
Korrekturgrößen
• Temperatur
• Bei kaltem Motor ist für eine sichere Entflammung ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich, hohe
Temperaturen erlauben hingegen keine sehr frühen Zündzeitpunkte (Klopfgefahr).
• Lambda
• Ein mageres Gemisch erfordert einen früheren Zündzeitpunkt.
• Nockenwellenposition
• Wird durch die Nockenwellenposition der Restgasanteil erhöht, ist ein früherer Zündzeitpunkt
erforderlich.
Der Zündungspfad
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Bild 3.1_31
Betriebsarten
Drehzahl
Grundkennfelder
SollZündzeitpunkt
Last
Koordination und
Begrenzung
Steuerung
Zündspulen
(Einschalten
Zündendstufen)
Temperatur
Korrekturen
Lambda
Nockenwellenpos.
Eingriffe Momentenstruktur und Klopfregelung
• Momentenreduzierende und
-erhöhende Eingriffe bei Leerlaufregelung,
Getriebeeingriffen,etc.
• Zylinderselektive Eingriffe der Klopfregelung
Zündwinkeleingriff
Momentenstruktur
Koordination und Begrenzung
• Priorisierung und Koordination der
Zündzeitpunkt – Korrekturen
• Begrenzung auf minimalen und
maximalen Zündzeitpunkt
• Aufteilen auf Einzelzylinder
Zündwinkeleingriff
Klopfregelung
Der Zündungspfad
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Bild 3.1_32
Verbrennung
Luft
AntriebsKoordination
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_33
Verbrennungsdruckverlauf
1.
Idealer Verlauf bei korrektem
Zündzeitpunkt
2.
Klopfende Verbrennung bei zu
früher Zündung
3.
Verschleppte Verbrennung bei
zu spätem Zündzeitpunkt
Verbrennungsfunktionen
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Bild 3.1_34
„Klopfen“:
•
Unkontrollierte, nicht gezielt ausgelöste Verbrennung mit hohen Druckamplituden und frequenzen
Folgen:
•
Niedriger Drehzahlbereich:
•
•
Unerwünschte Akustik („Klingeln“)
Hoher Drehzahlbereich:
•
Motorschäden durch hohen Energieeintrag im Brennraum
Ursache für klopfende Verbrennung:
•
Selbstentflammung des noch nicht durch die Flammenfront erfaßten Gemischs nach der
Zündung
Einflußgrößen:
•
Klopffestigkeit des Kraftstoffs
•
Lambda
•
Temperatur
•
Brennraumgeometrie
•
Verdichtungsverhältnis
•
Zündzeitpunkt
Klopfregelung
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Bild 3.1_35
Moment, Wirkungsgrad
Optimaler
Zündzeitpunkt
Klopfgrenze
Zündzeitpunkt
Zielbereich für Zündzeitpunkt
bei verschiedenen
Kraftstoffen
und Temperaturen
Regelung des
Zündzeitpunktes in
Abhängigkeit des
aktuellen Verbrennungszustandes
Klopfregelung
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Bild 3.1_36
Prinzip der Aussetzerkennung (Beispiel Sechszylindermotor)
Messung der SegmentZeiten
ZOT (n)
Berechnung der
Laufunruhe
Bewertung der
Laufunruhe
2000
Laufunruhe
120°
Segment
1000
0
Schwellwert für
Verbrennungsaussetzer
-1000
-2000
ZOT (n+1)
0
1
2
3
4
5
Zylinder
Kurbelwellen - Geberrad
Aussetzererkennung
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Bild 3.1_37
Hintergrund:
• Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern ist ein Teil der gesetzlich geforderten Funktionen,
die emissionserhöhende Fehlfunktionen anzeigen sollen.
Durch einen Verbrennungsaussetzer erhöht sich die Emission erheblich, da das unverbrannte
Gemisch ausgestoßen wird.
Als Folge kann eine Nachverbrennung des Gemisches im heißen Katalysator das
Trägermaterial im Katalysator zerstören.
Funktionsansatz:
• Da kein direkter Ansatz zur Messung der Verbrennung im Fahrzeug vorliegt, erfolgt die
Erkennung indirekt über die Drehungleichförmigkeit des Motors. Ein Verbrennungsaussetzer
macht sich durch das ausbleibende Moment in dem betroffenen Arbeitsspiel in einer reduzierten
Winkelgeschwindigkeit bemerkbar.
Diese Verzögerung wird gemessen und bewertet.
Fehlerreaktion:
• Es erfolgt zum einen ein Eintrag im Fehlerspeicher, zum andern wird bei unzulässig hohen
Raten der Verbrennungsaussetzer die Einspritzung auf dem betroffenen Zylinder deaktiviert, um
die Zerstörung des Katalysators zu verhindern.
Aussetzererkennung
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Bild 3.1_38
Beschleunigung
Beschleunigt der Motor, so reduzieren sich die Segmentzeiten, ohne daß
eine Laufunruhe vorliegt.
Um eine Fehldiagnose zu vermeiden, wird diese Abweichung korrigiert.
Prinzip:
Segmentzeiten
Mittlere Beschleunigung während
der letzten Motorumdrehung
(Trend)
Überlagerung aus
Beschleunigung und
Laufunruhe
„echte“
Laufunruhe
Aussetzererkennung
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Bild 3.1_39
Verbrennung
Luft
Betriebsarten
&
Momentenkoordination
Motor
AntriebsKoordination
AuslassSystem
Kraftstoff
Zündung
Kühlung &
Schmierung
Kommunikation
Überwachungskonzept
Fehlerspeicher
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_40
Kernfunktionen:
•
Wärmemanagement
• Heutige Motoren verfügen über eine weitreichende Aktorik für ein variables
Wärmemanagement. Dadurch können einige Zielkonflikte aufgelöst werden:
• Aufheizung des Motors
• Erwärmung des Innenraums
• Leistungsaufnahme der Wasserpumpe
• emissions- / verbrauchsoptimaler Betrieb
• Klopfschutz
• Akustik (Lüftergeräusch)
Sollwerte
Anforderungen
Motor / Fahrzeug
Wärmemanagement
Elektrische
Wasserpumpe
Thermostat
Lüfter
Kühlung / Schmierung
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Bild 3.1_41
Quelle: Bosch
Aktivkohlebehälter
Tankentlüftungsventil
Rück- Hoch- Turboschlag- druck- unterdruck- Nockenwellenversteller*
pumpe speicher
ventil
Magnetventil
Luftmassenmesser
mit Temperaturfühler
Umluftventil
Einspritzventil
Zündspule/
Zündkerze
Ladeluftkühler
Ladedruck/
Temperatur-sensor
Phasengeber
Waste
Gate Steller
Magnetventil
Kraftstoffverteiler
Abgasturbolader
Umgebungsdrucksensor
Elektronisches
Steuergerät
LBK1
Drosselvorrichtung
(EGAS)
Drucksensor
Temp.sensor
Klopfsensor
Abgastemp.sensor*
Waste
Gate
Drehzahlgeber
Fahrpedal
modul
CAN
Diagnose
lampe
Diagnose
Schnittstelle
Wegfahrsperre
Lambda-Sonde
Vorkat.
Tankeinbaueinheit
EGAS = Elektronische Motorfüllungssteuerung
Nockenwellenversteller:
Einlass- und/oder Auslass-Verstellung
BDE-spezifische
Bosch-Komponenten
1
* optional
Quelle: GS/MKT 6789d
Lambda-Sonde
Hauptkat.
Ladungsbewegungsklappe (2 Punkt/kontinuierlich)
Systemstruktur MED- Motronic
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Bild 3.1_42
Quelle: VW
Das FSI- Einspritzsystem
Last
Homogen-Betrieb
Schicht-Betrieb
Drehzahl
Schicht-Betrieb wird nur oberhalb 50°C Kühlmitteltemperatur und zwischen 250 und 520°C
Abgastemperatur zugelassen.
Der NOx- Speicher kann nach dem heutigen Stand nur in diesem Bereich NOx speichern.
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Bild 3.1_43
Quelle: VW
Schichtbetrieb
Homogenbetrieb
Es wird erst ca. 70° vOT Eingespritzt.
Drosselklappenwinkel
Lambdawert
3
1,6
1
Drehmoment
Umschaltvorgang Schichtbetrieb/ Homogenbetrieb
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Bild 3.1_44
Quelle: VW
Kraftstoffmulde
Luftmulde
Kolbenform eines direkteinspritzenden Motors
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Bild 3.1_45
Quelle: VW
Es wird in den
Ansaugtakt
eingespritzt
Homogen Betrieb
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Bild 3.1_46
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Quelle: VW
TumbleKlappe
Schicht- Betrieb
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Bild 3.1_47
Quelle: Bosch
MED- Motronic (5 min)
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