So offen wie möglich Flexible Steuergeräteumgebung für thermodynamische Untersuchungen an Prototypenmotor

Eine geeignete Steuergeräte- umgebung ist nötig, für die Untersuchungen moderner Verbrennungsmotoren.
Eine geeignete Steuergeräteumgebung ist nötig, für die Untersuchungen moderner Verbrennungsmotoren.

Für Untersuchungen an modernen Verbrennungsmotoren ist ein geeignetes Prototypensteuergerät notwendig. Problem: Die auf dem Markt verfügbaren einfachen Steuergeräte verfügen zwar über eine offene Applikationsschnittstelle, erfüllen aber nicht alle Entwicklungs­anforderungen. Wie also wird für einen Konzeptmotor eine geeignete Steuergeräteumgebung dargestellt?

Häufig stehen Kleinserienhersteller, Zulieferer oder kleinere Dienstleister vor der Aufgabe, Untersuchungen an Komponenten, Konzept- oder Prototypenmotoren durchzuführen oder auch neue Regelungskonzepte für vorhandene Motoren schnell und effizient zu entwickeln. Ein erhebliches Hindernis ist die eingeschränkte Verfügbarkeit von offenen, kostengünstigen und seriennahen Steuergeräten. Der Zugriff auf Steuergerätehersteller ist oft nicht möglich, die Entwicklung und Herstellung von individuellen Lösungen zu teuer und langwierig. Nach ersten Versuchen mit vorhandenen Applikationssteuergeräten wurde schnell klar, dass zwar ein Motorbetrieb und das Abstimmen einiger Parameter möglich waren, sich eine wirkliche Potenzialanalyse jedoch nicht durchführen ließ.

Darstellung der Steuergeräteumgebung

Die Aufgabe bestand nun darin, eine Steuergeräteumgebung darzustellen, die nicht nur einen Applikationszugang hat, sondern auch eine eigene Funktionsentwicklung zulässt.

Außerdem sollten folgende, laut Lastenheft erforderliche Bedingungen erfüllt sein:

  • Vierzylinder-Otto-DI-Betrieb mit Abgasturboaufladung
  • Breitbandlambda-Regelung
  • Nockenwellenverstellung
  • Ansteuerung einer Hochdruckpumpe über ein MSV
  • Untersuchung mit elektromagnetischen Einspritzventilen
  • Untersuchung mit Piezo-Einspritzventilen
  • Saugrohreinspritzung
  • Funkenbandzündung

Auswahl der Steuergeräte

Für die Erstinbetriebnahme wurde ein Bosch-Motorsport-Steuergerät ausgewählt. Zusammen mit der MS4.0 Sport und der separaten Endstufe HPI 5 konnte der Motor mit Benzin-Direkteinspritzung in Betrieb genommen werden.

Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme und den ersten Hardware-Änderungen kam schnell der Wunsch auf, eigene Regelungskonzepte zu integrieren. Für die nächsten Untersuchungen sollte die Entwicklungsumgebung folgende Eigenschaften erfüllen:

  • Entwurf und Implementierung eigener Regelungskonzepte, um auf die gewonnenen Erkenntnisse reagieren zu können
  • Benzindirekteinspritzung mit Mehrfacheinspritzung
  • Ansteuerung der Zündspulen mit der Möglichkeit der Funkenbandzündung
  • Ansteuerung von Piezo-Einspritzventilen
  • Variable Ansteuerung der Piezo-Einspritzventile mit Voll- und Teilhub

Für die Entwicklungsumgebung wurden folgende Steuergeräte und Werkzeugketten ausgewählt:

  • Motorsteuergerät: ETAS FlexECU auf Basis der MED17
  • Zusatzendstufe für die Ansteuerung der Piezo-Injektoren: NI-Treibersystem für Direkteinspritzer
  • Funktionsentwicklung mit Hilfe von MathWorks‘ Simulink in Verbindung mit EHooks, einem Werkzeug zum Setzen von Freischnitten.

Diese Entwicklungsumgebung erfüllte die neu gestellten Anforderungen, die Software-Limitierung aufzuheben und die Hardware-Einschränkung teilweise auch auf der Einspritzseite zu erweitern.

Für die Funktionsentwicklung wurde Simulink verwendet, weil im Bereich dieser Tool-Kette (Bild 1) viel Erfahrung im Zusammenhang mit der Entwicklung von Regelungskonzepten vorhanden ist.

Die FlexECU MED17 von ETAS eignet sich für die direkte Ansteuerung von Ottomotoren mit bis zu acht Zylindern. Die FlexECU wird mit einer entsprechenden Basis-Software ausgeliefert, die mit der entwickelten Prototypen-Software den Motorbetrieb realisierbar macht.

Die Integrationsumgebung EHooks, die auch den entsprechenden Compiler enthält, dient zur Integration der Prototypen-Software aus Simulink. Für Simulink wird ein entsprechendes Block Set mitgeliefert, mit dem die Ein- und Ausgänge des Steuergeräts konfiguriert werden können. Mit dem NI-Treibersystem für Direkteinspritzer kann der Freiheitsgrad auf der Einspritzseite erhöht werden und zum Beispiel die Realisierung der Einspritzung über Piezo-Injektoren erfolgen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, einen Parallelbetrieb von Saugrohr- und DI-Injektoren zu realisieren.

Im ersten Schritt wurde das Pin-Layout des Steuergeräts anhand der benötigten I/Os dargestellt. In Simulink wurde nun ein einfaches Modell entworfen, um die benötigten Sensoren einzulesen und die entsprechenden Aktuatoren anzusteuern. Für den ersten Labortest kam ein Trennadapter zum Einsatz, um die Anbindung des Steuergeräts an Sensoren und Aktuatoren zu realisieren (Bild 2).

Nach dem Test aller Sensoren und Aktuatoren am Simulator konnte die entsprechende Motor-Software entwickelt werden. Der Vorteil dieser offenen Plattform ist, dass die Motor-Software modular aufgebaut und nach erfolgten Untersuchungen am Prüfstand an die neuen Erfordernisse angepasst werden kann.

Von einem einfachen Regelkonzept für die Zündung und Einspritzung bis hin zur komplexen Funktions-Software wurden die einzelnen Entwicklungsschritte durchgeführt.Ziel war es, eine Motor-Software zu entwickeln, die den genannten Anforderungen entspricht. Jeder Entwicklungsschritt wurde am Simulator überprüft, bevor er am realen Motor zum Einsatz kam. Nachdem die Untersuchungen mit den elektromagnetischen Einspritzventilen abgeschlossen waren, sollte der Motor mit Piezo-Injektoren betrieben werden. Weil die FlexECU zur Zeit noch keine Piezo-Einspritzventile ansteuern kann, wurde eine externe Endstufe benötigt. Nach der Durchführung der entsprechenden Hardware-Änderungen am Motor musste die Steuergeräteumgebung um die NI-Endstufe erweitert werden (Bild 3).

Die Einbindung in das bestehende System gestaltete sich relativ einfach. Die Berechnung von Einspritzzeit, -winkel und -abfolge erfolgte weiter im Motorsteuergerät. Über das Ausgabesignal des Motorsteuergeräts (TL-Signal) wird die NI-Endstufe angesteuert. Die entsprechende Parametrierung für den Piezo-Injektor erfolgt über die Applikations-Software NI Software Calibration Management Toolkit.