MAN Nutzfahrzeuge AG / Große Brummis simuliert auf schnellen Prozessoren
Thermodynamische Simulation von Verbrennungsmotoren in Echtzeit mit der NovaSim-HiL-Plattform der MicroNova AG
© MAN Nutzfahrzeuge AG (Quelle: www.man-mn.com, Press & Media)
Vierkirchen, März 2009: Stehen auch Sie vor der Herausforderung, dass Ihre Anforderungen an Testsysteme kontinuierlich steigen? Sind Sie zunehmend mit wachsenden Ansprüchen an die Echtzeit konfrontiert? Bei der Simulation von Verbrennungsmotoren werden Modellgenauigkeit und Echtzeitfähigkeit immer wichtiger. Dabei unterliegt die Echtzeitsimulation den zeitlich engen Vorgaben der Zylindertaktung. Durch eine Verteilung der Simulationsarbeit auf mehrere Prozessoren mit NovaSim von MicroNova wird Freiraum – auch für zukünftige Anforderungen – geschaffen.
Im Folgenden wird der Einsatz der NovaSim-HiL-Plattform für die MAN Nutzfahrzeuge AG zur Simulation von Dieselmotoren bis hin zum 12-Zylinder-Motor beschrieben. In diesem Anwendungsfall wurde ein Multiprozessorsystem mit vier Prozessoren in Verbindung mit einem thermodynamischen Simulationsmodell verwendet.
Die Plattform NovaSim
NovaSim ist die skalierbare Echtzeitplattform der MicroNova AG und deckt den Bereich vom einfachen Stimulanten bis hin zu verteilten Mehrprozessorsystemen mit verteilter I/O ab. Die so erzielbaren Eigenschaften sind:
- I/O-Pin-Anzahl bis hin zu mehreren tausend I/O’s,
- Rechenleistung vom Power-PC bis hin zu gekoppelten, verteilten Echtzeitsystemen mit jeweils bis zu 16 Prozessoren,
- Einsatzbereich von der Stimulation bis hin zum Betrieb von verteilten, hochleistungsfähigen HiL-Modellen,
- System ohne Lasten bis hin zu hochgenauer Simulation von realen Lasten wie z.B. Hochdruck-Magnet-Injektoren.
Einen Überblick über die Skalierungsmöglichkeiten der NovaSim-Plattform finden Sie in Abbildung 1.
(Abbildung 1: Die NovaSim-Plattform)
MAN Nutzfahrzeuge AG
Die MAN Nutzfahrzeuge AG genießt als Hersteller von Dieselmotoren einen hervorragenden Ruf. Die Angebotspalette erstreckt sich von 6-Zylinder-LKW-Motoren bis hin zu Raum füllenden 12-Zylinder-Schiffsmotoren. Für die Steuergeräteentwicklung ist eine realistische Simulation des Motorverhaltens erforderlich. Bisher übliche Kennfeld basierte Mittelwertmodelle können ohne übermäßig hohen Parametrieraufwand nicht alle benötigten Effekte abbilden. Die Verwendung eines echtzeitfähigen thermodynamischen Motormodells ermöglichte die erforderlichen hohen Genauigkeiten. Die NovaSim-Multiprozessor-Plattform stellt eine leistungsfähige Ablaufumgebung für diese Anforderungen zur Verfügung. Unten ist ein typischer zu simulierender Motor dargestellt.
Für höhere Zylinderzahlen kommen zwei baugleiche Steuergeräte zum Einsatz. Das eingesetzte HiL-System ist in der Lage, die große Anzahl von I/O’s (mehrere 100) in Echtzeit zu behandeln.
6-Zylinder-Dieselmotor der MAN Nutzfahrzeuge AG
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enDYNA Themos
Die TESIS DYNAware GmbH, mit der die MicroNova AG kooperiert, ist ein Anbieter von echtzeitfähigen Simulationsmodellen, welche auf der NovaSim-HiL-Plattform ablaufen können.
Bei enDYNA Themos handelt es sich um ein professionelles Software-Paket zur Simulation von Verbrennungsmotoren. Der thermodynamische Modellansatz ermöglicht die detaillierte Abbildung physikalischer Abhängigkeiten im Motor.
enDYNA Themos stellt eine hochwertige Basis für die Entwicklung und den Test von Diesel- und Ottomotor-Steuergeräten dar. Aufgrund der Performance dieser Modelle sind sie für den Echtzeitbetrieb auf der NovaSim-Plattform hervorragend geeignet. Die hohe Genauigkeit des enDYNA Themos Motormodells erlaubt es ECU-Entwicklern, genaue und zuverlässige Aussagen für das Verhalten von Motoren und der zugehörigen Steuergeräte zu machen. Damit ist sogar eine weitgehende Vorkalibrierung der ECU’s am HiL möglich. Die Simulationsmodelle werden unter anderem eingesetzt für:
- Hardware-in-the-Loop Tests von Steuergeräten mit Überwachung des Zylinderdruckverlaufs
- Konzept- und Reglerentwurf für z.B. zweistufige Turboaufladung, vollvariable Ventilsteuerung und Abgasrückführung
- Test und Entwicklung von Funktionen zur Abgasnachbehandlung und Onboard Diagnose.
enDYNA Themos berechnet den zeitlich aufgelösten Druckverlauf im Zylinder, basierend auf einem nulldimensionalen Verbrennungsmodell, Wandwärmeverlust über die Zylinder und der Kolben-Kinematik.
Durch den physikalischen Modellansatz sind gekoppelte Effekte wie die Auswirkung der Ladungsverdünnung durch Abgasrückführung auf Drehmomententwicklung und Abgas naturgemäß abgebildet. Der hohe Detailgrad der Modelle bei gleichzeitiger Echtzeitanforderung erfordert eine leistungsstarke Hardware und eine HiL-Software, die eine Parallelisierung des Berechnungsvorgangs ermöglicht. Diese Komponenten stehen für NovaSim in Form einer Quadcore-CPU und leistungsstarken Simulink-Blocksets zur Verfügung.
Exkurs: Thermodynamisches Motormodell Der Kern eines thermodynamischen Motormodells ist die Motorprozess-Simulation. Dabei werden der Verbrennungsvorgang und die dabei auftretenden Energieströme mit einem physikalisch-basierten Ansatz zeitaufgelöst berechnet. Der entscheidende Vorteil im Vergleich zu bisher üblichen Mittelwertmodellen, in denen das stationäre Motorverhalten meist in Kennfeldern hinterlegt ist, ist die Abbildung komplexer Zusammenhänge gemäß physikalischer Wirkprinzipien und die gleichzeitig erreichte höhere Genauigkeit. Somit lassen sich z.B. die direkten Auswirkungen von reduziertem Luftdurchsatz auf Abgastemperatur und Ladedruck sehr genau darstellen. Durch die zeitaufgelöste Berechnung des Verbrennungsvorgangs zeigt sich auch der Einfluss von Einspritzwinkel und Mehrfacheinspritzungen auf den Verlauf des Zylinderinnendrucks über den gesamten Arbeitsbereich des Motors. In Abbildung 2 sind simulierte Zylinderdruckverläufe bei verschiedenen Lastpunkten und Einspritzmustern dargestellt. Ein thermodynamisches Motormodell ist daher für Tests und Entwicklung zunehmend komplexer Regler für z.B. Abgastemperatur-Management, zweistufige Turboaufladung, vollvariablen Ventiltrieb, AGR und für die Überprüfung der On-Board-Diagnosefunktionalität von großer Bedeutung. |
Die eingesetzte NovaSim-Hardware
In einem 12-Zylinder-Diesel-HiL sind von oben nach unten die folgenden Komponenten untergebracht:
- Fehleraufschaltung für 160 Pins. Die Injektoren besitzen eine separate Fehleraufschaltung.
- Break-Out-Boxes für 360 I/O-Pins
- Simulierte Lasten für 16 Hochdruck-Magnet-Injektoren mit Strommessung. Für die Injektoren sind LED‘s zur Anzeige der Ansteuerung der Injektoren vorhanden.
- ECU-Anschaltung mit weiteren simulierten Lasten
- 4-Prozessor-QuadCore-CPU mit 2,4GHz-Taktfrequenz
- PXI-Rack mit I/O-Karten und Signalkonditionierung
- Not-Aus-Einheit
- Netzteil
Für den Aufbau des HiL-Simulators wurde auf den bewährten NovaSim-HiL-Baukasten zurückgegriffen. Komponenten, wie z.B. die Simulation von Lambda-Sonden, sind darin bereits enthalten. Die Dimensionierung der Simulation der verwendeten Hochdruck-Magnet-Injektoren wurde an die physikalischen Gegebenheiten im LKW-Bereich angepasst.
(Simulation von Hochdruck-Magnet-Ventilen)
Die eingesetzte NovaSim-Software
Die einfache Anbindung der motorspezifischen Inputs und Outputs ist die Basis für den erfolgreichen Einsatz von Modellen zur Simulation von Verbrennungsmotoren. In NovaSim sind hierfür eine Reihe von einfach zu konfigurierenden Simulink-Blocksets vorhanden. Diese umfassen:
- Analoge Ein- und Ausgabe,
- Digitale Ein- und Ausgabe,
- PWM Ein- und Ausgabe,
- Tabellengesteuerte Erzeugung von Kurbel- und Nockenwellensignalen,
- Einspritz- und Zünderfassung (auch Mehrfach-Einspritz- und Zünderfassung),
- Simulink-Blocksets für CAN,
- Simulink-Blocksets für LIN.
Diese Blocksets wurden bereits auf zahlreichen NovaSim-HiL-Simulatoren eingesetzt. Auch sogenannte Multirate-Modelle, d.h. Modelle, die Teile mit unterschiedlichen Zykluszeiten beinhalten, werden von NovaSim unterstützt und nutzen die hohe Rechenleistung von Mehrprozessor-Plattformen.
In der beschriebenen Anwendung rechnen Teile des Modells parallel auf mehreren Prozessoren, so dass die zeitlichen Anforderungen der Simulation erfüllt wurden. In NovaSim stehen Simulink-Blöcke zur Verfügung, die es ermöglichen, einzelne Berechnungen graphisch verschiedenen Prozessoren zuzuweisen. Die auf den einzelnen Prozessoren ablaufenden Modellteile müssen vom Anwender lediglich in entsprechenden Subsystemen untergebracht werden. Die NovaSim-Plattform sorgt für eine effiziente Zuweisung von Berechnungen an Einzelprozessoren und für die Synchronisation der einzelnen parallelen Berechnungen. Die Nutzung mehrerer Prozessoren wird damit für den Anwender zum Kinderspiel.
Abbildung 3 zeigt einen Modellschritt mit einer Zykluszeit von einer Millisekunde. Die Hauptschleife ist in hellrosa dargestellt, die Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern in rot. Die Berechnung für jeweils vier Zylinder ist in einem Thread zusammengefasst. Die Rechenzeiten für die einzelnen Zylinder sind unterschiedlich lang, weil ein Verbrennungsvorgang z.B. mehr Rechenzeit erfordert als das Ausstoßen der Abgase. Bei den blau dargestellten Threads handelt es sich um die sogenannten Idle-Threads. Diese stellen die Reserve der Rechenzeit am HiL-Simulator dar. Wie man sieht ist noch ausreichend Spielraum für zukünftige Erweiterungen vorhanden.
Der HiL-Simulator kann auf zwei Arten bedient werden:
- Zum einen steht eine komfortable, in LabVIEW realisierte Oberfläche zur Verfügung.
- Zum anderen ist ein vollautomatischer Betrieb des Simulators über eine auf Python basierende Testautomation möglich.
Die Bedienoberfläche für den HiL-Simulator ist in Abbildung 4 gezeigt. Zur einfachen Bedienung des HiL-Simulators sind alle Ein- und Ausgänge sowie wichtige Modellvariablen und -parameter an der Bedienoberfläche vorhanden.
Der MAN Nutzfahrzeuge AG wurde das HiL-System mit einem komplett parametrierten Modell geliefert.
Fazit
Durch den Einsatz von bewährten Komponenten aus dem NovaSim-HiL-Baukasten realisierte MicroNova in kurzer Zeit ein für den Kunden maßgeschneidertes HiL-System basierend auf Standards. Die Simulation des realen Motors konnte so wirklichkeitsnah realisiert werden, dass keine Einträge in den Fehlerspeichern der Steuergeräte mehr auftraten. Für das Steuergerät ist es nicht erkennbar, dass kein realer Motor bedient wird.
Das Erreichen einer derartigen Simulationsqualität war möglich, weil:
- 1. MAN Motordaten in sehr hoher Qualität zur Verfügung stellte.
- 2. Das enDYNA Motormodell eine Simulation in der benötigten Detaillierung ermöglicht. Nur ein thermodynamischer Modellansatz bildet das Motorverhalten in der geforderten Genauigkeit ab.
- 3. NovaSim die erforderliche leistungsfähige Hardware- und Softwareumgebung bietet.
Für den Kunden ergibt sich ein großer Kostenvorteil, weil jetzt Tests auf dem HiL-Simulator durchgeführt werden können, die früher an teuren Motorprüfständen mit höherem Zeitaufwand und unter weniger reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden mussten. Die Tests können sogar schon gestartet werden, wenn noch kein echter Motor zur Verfügung steht.
Die NovaSim-HiL-Plattform ist auch für andere komplexe Anwendungsgebiete, wie z.B. Fahrdynamikmodelle in Verbindung mit Fahrerassistenz-Systemen, hervorragend geeignet. Durch die Unterstützung einer fast beliebigen Anzahl von Prozessoren in Multiprozessor-Systemen kommen damit HiL-Anwendungen in Reichweite, die bis vor kurzem noch undenkbar gewesen wären.
