Zweistufiger Abgasturbolader mit selbstregelndem Verdichter-Bypass

Mit Rapid-Prototyping-Werkzeugen validieren

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In der Motorenentwicklung der Daimler AG wurde das Verhalten von neuen Steuerungs- und Regelungsfunktionen für die Turboaufladung von Vierzylinder-Dieselmotoren der Van-Baureihen von Mercedes-Benz mithilfe von Etas-Prototypingwerkzeugen erfolgreich im Fahrzeug validiert.

Die Autoren: Thomas Groß, Klaus Pranter, Daimler AG, Stuttgart, und Harald Schlachter, IAV GmbH, München

Im Werk Stuttgart-Untertürkheim der Daimler AG werden Pkw-Dieselmotoren entwickelt und für den Einsatz in den Van-Baureihen Sprinter, Vito und Viano speziell angepasst. Schwerpunkte dabei bilden die Emissionierung, Abgasnachbehandlung sowie die Applikation der Motorsteuerung und der Fahrbarkeit für den Serieneinsatz.
Integration von Matlab/Simulink-Modell und Motorsteuerungssoftware
Die Funktion für die Steuerung und Regelung der neuen zweistufigen Turboaufladung mit Verdichter-Bypass des OM651 Vierzylinder- Dieselmotors der Van-Baureihen wurde in Matlab/Simulink modelliert. Mit Hilfe der Integrationsumgebung des Prototyping-Werkzeugs Etas Intecrio ließ sich das Matlab/Simulink-Modell einfach in die vorhandene Motor- steuerung integrieren. Zu diesem Zweck wurden die Ein- und Ausgänge der Turboladerregelung in Intecrio mit den freigeschnittenen Parametern der Steuerungs- und Regelungsalgorithmen der Motorsteuerungssoftware verknüpft. Um die neue Steuerungs- und Regelungsfunktion später am realen Motor validieren und kalibrieren zu können, wurden beispielsweise die Ausgangssignale des Matlab/Simulink- Modells in die Ansteuerung der Ladersteller eingeschleift.
Rapid Prototyping von neuen Steuerungs- und Regelungsfunktionen im Fahrzeug
Für die neue Funktion wurde mit Intecrio im nächsten Schritt Code generiert, der auf dem Etas Prototyping- und Schnittstellenmodul ES910 in Echtzeit ausgeführt werden konnte. Das ES910-Modul wurde über die universelle ETK-Steuergeräteschnittstelle von Etas mit einem Entwicklungssteuergerät verbunden und synchronisiert. Durch diesen so genannten Bypass ließ sich die Berechnung der neu entwickelten Funktion physikalisch vom Motorsteuergerät separieren. Dadurch konnte der in Matlab/Simulink entwickelte Anteil der Motorsteuerung unabhängig von der Steuergerätesoftware und vom Steuergerätelieferanten einfach mit Hilfe von Intecrio modifiziert werden.
Mit Etas Inca – dem Mess- und Kalibrierwerkzeug – konnte im Fahrzeug sowohl auf das Funktionsmodell im ES910-Modul als auch auf das Motorsteuergerät zugegriffen werden. Zu diesem Zweck wurde Inca über das Prototyping- und Schnittstellenmodul parallel zum Bypass über die ETK-Schnittstelle mit dem Steuergerät verbunden. Bei Erprobungen im Fahrzeug wurde der Prototyp der neuen Steuergerätefunktion unter Extrembedingungen geprüft und anhand der erzielten Ergebnisse ergänzt. Nach den erfolgreich absolvierten Tests wurde das validierte Funktionsmodell als Basis für die Spezifikation der Steuergerätesoftwarefunktion an den Steuergerätelieferanten übergeben.
Steuergerätefunktionen effektiver entwickeln
Softwarefunktionen für Fahrzeugsteuergeräte werden häufig noch am Schreibtisch mit Hilfe von textuellen Spezifikationen definiert und modifiziert. Durch den Einsatz von Modellen und Rapid Prototyping-Methoden können Steuergerätefunktionen effektiver, schneller und zuverlässiger entwickelt werden. Neue Konzepte lassen sich realisieren und im Fahrzeug validieren, bevor der Steuergerätelieferant die Spezifikation für die Umsetzung einer neuen Steuergerätefunktion erhält. Im Zuge der Validierung können Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden, wodurch sich zeit- und kostenaufwändige Iterationen in der Software-Entwicklung vermeiden lassen. Gleichzeitig können die Kennwerte von Funktionsmodellen bei der Erprobung im Fahrzeug bereits unter realen Bedingungen genau kalibriert werden. Bei der Integration der Funktion ins Steuergerät können die Kalibrierdaten später einfach übernommen werden.
Aufgrund der Trennung von Funktionsmodell und Steuergerät im Bypass wird das Prototyping von neuen Funktionen nicht durch die verfügbaren Steuergeräte-Ressourcen eingeschränkt. Dadurch lassen sich auch sehr aufwändige Steuerungs- und Regelungsstrukturen, die beispielsweise im Zuge der Entwicklung einer neuen Steuergerätegeneration oder der Migration auf eine alternative Steuergeräteplattform eines anderen Lieferanten erprobt werden sollen, abbilden.
Blick in die Zukunft
Aufgrund der Vielzahl der Vorteile, welche sich aus dem Prototyping von neuen Funktionen der Motorsteuerung mit Matlab/Simulink, Intecrio und dem ES910-Modul von Etas ergeben, wird Daimler diese Methode auch in künftigen Projekten nutzbringend einsetzen.
Etas, Tel.: 0711 89661-240, anja.krahl@etas.com
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