Motorprozess-Simulation in Echtzeit – Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten

Sowohl die Motorprozess-Simulation als auch die Prozessanalyse haben sich in der Entwicklung schnell laufender Otto- und Dieselmotoren für den PKW- und Nutzfahrzeugeinsatz fest etabliert, um Unterstützung bei verschiedenen Fragestellungen zu leisten, beginnend mit grundsätzlichen Untersuchungen in der Konzeptphase, über die Bauteilauslegung, bis hin zur Applikationsunterstützung.

Für spezielle Anwendungsgebiete der Simulation spielt die Rechengeschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Hohe Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit stellen Simulationsanwendungen im Rahmen der modellbasierten Entwicklung und Validierung von Steuergerätefunktionen in einer „Software in the Loop“ (SiL)- oder „Hardware in the Loop“ (HiL)-Umgebung. Speziell beim letzten Punkt ist die Echtzeitfähigkeit der Streckenmodelle auf der spezifisch verwendeten Hardware-Plattform obligatorisch. Im Gegensatz zu den typischerweise bisher auf diesem Gebiet verwendeten Kennfeldmodellen zur Abbildung des Verbrennungsmotors werden in dieser Dissertation die thermodynamischen und physikalischen Grundlagen einer echtzeitfähigen Motorprozess-Simulation als auch einer echtzeitfähigen Druckverlaufsanalyse erarbeitet und deren Anwendungsgebiete aufgezeigt. Der große Vorteil physikalischer Modelle liegt in der Möglichkeit, eine große Anzahl von Variablen zu berücksichtigen und Parametervariationen durchzuführen. Weiterhin wird hier das korrekte Zeitverhalten des Systems mit Hilfe von Differentialgleichungen abgebildet. Im Gegensatz dazu wird bei Kennfeldmodellen der transiente Betrieb über die Interpolation zwischen abgelegten stationären Zuständen ermittelt.

Konkret wird in der Arbeit der Einsatz des auf Matlab ® /Simulink basierenden modularen Simulationswerkzeugs THEMOS ® bei der Entwicklung eines Aufladekonzeptes für einen Dieselmotor demonstriert. Anschließend wird dargelegt, wie mit Hilfe des schon erstellten Streckenmodells die zur Aufladegruppe gehörige Regelstrategie konzipiert, entworfen und auf einem HiL Prüfstand in Echtzeit getestet wird. In der Wahl dieses Beispieles soll die Bedeutung der Durchgängigkeit eines Simulationsansatzes für den kompletten Entwicklungsprozess, wobei hier dann auch die prinzipielle Echtzeitfähigkeit obligatorisch ist, dargestellt werden.