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2. Regelungstechnisches Kolloquium in Dortmund
DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Der Beitrag elektronischer Regelungen zur Emissionsreduzierung von Dieselmotoren
Dr.-Ing. Andreas Michalske
Robert Bosch GmbH, Diesel Systems, Stuttgart
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
AgendaEinleitung
Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen
Beispiele für Regelungen am Dieselmotor
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zusammenfassung
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Einleitung
DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Entwicklung der Emissionsgrenzwerte
19901985 1995 2000 2005Werte = Grenzwerte in g/km
0
50
21,2ECE R15/04
2,72 1,0 0,64 0,50CO
100
5,8ECE R15/04
1,36 0,97 0,900,56 0,30HC+NOX
0
100
50
100
50
0
%
EU1
EU3
0,2788/436/EEC
0,1960,14
0,100,05 0,025
EU4PartikelEU2
Stand der Technik2001
97% 98%
81% 91%
90% 95%
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Einleitung
DS/BGE2 1914 287 de | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Entwicklungspotenzial für den Dieselmotor
Aufladetechnologie
Leichtbau
Downsizing
Reibleistungsminimierung
Weiterentw. CR-System
Variable Einspritzdüse
Kraftstoffqualität
Weiterentw. Abgasrückführung
Neue Regelstrategien
Wärmemanagement
Dieselpartikelfilter
NOX-Speicher-Katalysator
Onboard-Diagnose
Neue BrennverfahrenNeue Brennverfahren
Variable Einspritzdüse
Weiterentw. Einspr.-System
Aufladetechnologie
Weiterentw. Abgasrückführung
Neue RegelstrategienWärmemanagement
Dieselpartikelfilter
NOX-Speicher-Katalysator
Onboard-Diagnose
Leichtbau
Downsizing
Reibleistungsminimierung
Kraftstoffqualität
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
AgendaEinleitung
Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen
Beispiele für Regelungen am Dieselmotor
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zusammenfassung
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Überblick Einspritzsysteme
DS/BGE2 2078_4 384 de | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Common-Rail-System Unit-Injector-System
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Überblick Steuergeräte und Funktionen
DS/LE 1936 288e | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Entwicklung der Komplexität
50
100
150
200
250
300
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
2001 heute1989 1993 1997
1
2
3
4
5
6
7
8
1) “low-end”
Applikations-Parameter
Speicher
Perfor-mance A
pplik
atio
ns-P
aram
eter
[k]
Perf
orm
ance
[MIP
S]
Spei
cher
[MB
yte]
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Überblick Steuergeräte und Funktionen
DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Elektronik des Common Rail Systems PKW
Drehzahl(Kurbelwelle)Phasenlage(Nockenwelle)Fahrpedalgeber
Raildruck
Ladeluftdruck
Lufttemp.
Luftmasse
Wassertemp.
Klemme 15KupplungTempomat
Autom. GetriebeABS/ASR
Geschwindigkeit
Klimaanlage Optionen Druckregelventil
Weitere Endstufen
MIL (Diagnoselampe)
Elektrokraftstoffpumpe
Glühkerzen
Ladedrucksteller
Abgasrückführventil
Drosselklappe
InjektorenSteuergerät EDC 16 C
SignaleingangSensorplausibilisierungStromversorgungAtmosphärendruck
Signalverarbeitung– Einspritzmenge– Einspritzzeit– Piloteinspritzung– Raildruckregelung– Ladedruckregelung– Abgasrückführung– DPF-Regeneration– Ext. Momenteneingriff– Wegfahrsperre– Systemdiagnose– Ersatzfunktionen
Signalausgang
CAN ISO-K
EPC
EPC
GCU
Relais
DRV
Servicetester
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Überblick Steuergeräte und Funktionen
DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Sensoren für Dieselapplikationen
Heißfilmluftmassenmesser
Temperaturfühler
Drehzahlgeber
Phasengeber
Niederdrucksensoren
Fahrpedalmodule
Hochdrucksensoren
Lambdasonde
Differenzdrucksensor
Klopfsensor
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
AgendaEinleitung
Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen
Beispiele für Regelungen am Dieselmotor
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zusammenfassung
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Regelungen am Dieselmotor
DS/ESK2 03ao271 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Anforderungen und AufgabenHohe Anforderungen der Gemischbildung und Verbrennung an die Genauigkeitvon Einspritzung, Luft und AGR-Rate stoßen an hydraulische und mechanische Toleranzgrenzen.
⇒ Reduzierung der Systemtoleranzen (neu und über Lebensdauer)durch Regelfunktionen
Hohe Dynamikanforderungen sind bei Einhaltung der Emissionsgrenzen wegen der Verzögerungen im Luftsystem nur mit regelungstechnischen Ansätzen zu erfüllen.
Entkopplung von Regelkreisen (Abgasrückführung und Laderegelung)
Steuerung und Regelung unterschiedlicher Betriebsarten und der Übergänge
Berechnung „virtueller Signale“ für OBD (Redundanz), Genauigkeitssteigerung und Kostenreduzierung
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Überblick Luft- und Abgassystem
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
InjektorStellgröße Volllast
AGR-Ventil
Lambda-sonde
Lambda-regler
Steuergerät
Stellgröße Teillast
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Lambda-Funktion zur Toleranzreduzierung
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Mengenmittelwertadaption (MMA)
Lambda-Funktionalitätkonventionelle Struktur
AGR-Regelung
+Rest-O2
Motor
λ-Sonde
MMAHFM
Ist-Einspritz-menge
Soll-Einspritzmenge
korrigierteEinspritzmenge
Luftmasse
Ladedruck-regelung
Korrektur-menge
Emissionsstreuung aufgrund vonEinspritzmengen- und HFM-Toleranzen:
NOx
Partikel
Emissionsstreuungmit MMA
Emissions-grenzwerte
Struktur Nutzen
Emissionsstreuungohne MMA
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Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Messwerte
ModellbeschreibungKomponenten
n
m1
mF
T21p21
Heißfilmluftmassen - HFMmesser
m1
Verdichter ATLBehälter: LLKLadeluftkühlerund Verrohrung
BehältermodellT21p21
m21
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Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Luftmassenstrom: HFM vs. dynamisch korrigiert
m2 = gespeicherte Masse im Einlassvolumen
Motorprüfstandsversuch:
Randbedingungen
Volllastsprung
Drehzahl:1500– 4000 min–1 in 2 s
PWG-Sprung:0–100%
Speichereffekt imEinlassvolumen
Ergebnisse
Abweichungen m 21 zum 1 dynamisch bis 20%
Luftm
asse
nstro
m
100
200
250
kPa
150
–100
0
100
200
300
400La
dedr
uck
p2
kg/h
3 4 5 6 7 sZeit
Luftmassenstrom
p2
m2
m21 dyn. korrigiertm1 HFM
0
40
60
g
20
80
Ges
peic
herte
Luf
tmas
se
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Modellbasierte Rauchbegrenzung
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Vergleich: Luftverhältnis und Schwärzungszahl
Motorprüfstandsversuch:
Randbedingungen
Volllastsprung
Drehzahl:1700 min–1 (konst.)
PWG-Rampe:0–100% in 2 s
Überschwingen von 1 /λum 16% reduziert
Ergebnisse
Rußspitze um 50%reduziert
Lambda - Sollwert:1,3 (konst.)
mit Luftmasse vom HFM mit dyn. korr. Luftmasse
0
1,0
0,8
0,6
0,4
– 16% PWG 0% ... 100%
0
Zeit
100
4 8 12 16 s
λsoll=1,3
– 50%
rezi
prok
esLu
ftver
hältn
is 1
/λ
Schw
ärzu
ngsz
ahl
0,2
%
50
0
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Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Messwerte
ModellbeschreibungKomponenten
n
m1
mF
T21p21
Heißfilmluftmassen - HFMmesser
m1
Verdichter ATL
Motor LuftaufwandsmodellundVerbrennungsmodell
n
T22p22λ22
Mischstelle Modell Mischstelle:Massen- und Enthalpiebilanzm22
AGR
Drosselklappenmodell:Durchflussgleichung
Drosselklappe RKLm21
Behälter: LLKLadeluftkühlerund Verrohrung
BehältermodellT21p21
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Beobachter mit Lambdasonde
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Blockschaltbild
Steuergerät Motor
Luftmassenregelkreis
Motor -drehzahl
EDCEinspritz -menge Einspritzmengen-
KorrekturwertO2,Abgas
Soll -Luftmasse
Ist -Luftmasse
Luftmassen-regler
AGR-Sollkennfeld
Einspritz -menge
StandardSensor-signale Modell
LuftsystemLambda-sonde
ModellLambda-sonde
Luft -massen-sensor
Beobachter
Motor
AGR-Hub
λ
∆λ
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Beobachter mit Lambdasonde
DS/ESK3 03EL192d | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
Emissionsergebnisse
+/–2 mg/Hub +/–2 mg/Hubund +/– 5% HFM
+/–5% HFM lokaleMengenfehler
Emissionsstreuung |∆NOx |+ | ∆PM|2
030
20
15
10
5
25
% ohne Beobachtermit Beobachter
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
AgendaEinleitung
Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen
Beispiele für Regelungen am Dieselmotor
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zusammenfassung
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Trends in der Diesel-Elektronik
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Diesel Systems
Ausblick auf zukünftige EntwicklungenNeue Abgasnachbehandlungsverfahren und Brennverfahren
neue Anforderungen an die elektronische DieselregelungBetriebsartenkoordination und -umschaltung
Weitere Toleranzreduzierung für die Einhaltung künftiger Emissionsgrenzen
Einzelzylinderregelungen – auch mit neuen Sensoren(z.B. Zylinderdruck- und Körperschallsensoren)
Gesamtsystemoptimierung und Komplexitätsbeherrschungstärkerer Einsatz von Modellen inkl. virtueller Sensorik
Automatische Applikation
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EEC4 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
AgendaEinleitung
Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen
Beispiele für Regelungen am Dieselmotor
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zusammenfassung
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Regelungstechnisches Kolloquium – Diesel-Elektronik
DS/EL2 140 392 | 12.05.2006 | DS/EEC4 06lc088d | © Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
Diesel Systems
ZusammenfassungIn den letzten 20 Jahren hat sich der Dieselmotor grundlegend gewandelt:
Erhöhung von Drehmoment, Fahrkomfort und Fahrspaß bei gleichzeitiger Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen
Fokus heutiger Entwicklungstätigkeiten auf Systemoptimierung, Toleranzreduzierung und Beherrschung der Komplexität
Erschließung weiterer Entwicklungspotenziale durch innovative Einspritzsysteme und -strategien sowie modellbasierte Regelungen