Modellbildung und Simulation eines Dieselmotors unter Dymola und ...

Üblicherweise ist Modellbildung nicht nur eine Suche nach Gleichungen, die das jeweilige
System beschreiben; die Erfahrung hat gezeigt, dass ein großer Teil der Arbeit mit programmspezifischen
Implementierungen zu tun hat. So muss eine Gleichung für eine signalorientierte
Darstellung jeweils passend zur gewünschten Ausgangsgröße umgeformt werden.
Für eine objekt-orientierte Darstellung ist dies nicht nötig, dafür kann es unter Umständen
schwierig sein, eine allgemeine Formulierung zu finden, so dass eine Gleichung für alle
denkbaren Ein-/Ausgangsgrößen-Kombinationen verwendet werden kann.
Um die unterschiedlichen Ansätze der beiden Programme miteinander vergleichen zu können,
wurde ein bestehendes Modell eines Motors unter Dymola umgesetzt. Es zeigte sich,
dass Dymola im Bereich der reinen Modellbildung und Systemsimulation Vorteile aufweist,
und so gerade im Verbund mit den Analysefunktionen von Matlab seine Stärken ausspielen
kann. Im diesem Beitrag werden einige ausgewählte Modellierungsansätze für einzelne
Funktionen des Motors gezeigt sowie deren spezifische Umsetzung erläutert.
3 Zielsetzung der Modellierung
Ziel des Projektes, aus dem diese Arbeiten hervorgegangen sind, war die Entwicklung einer
kombinierten Regelung für Ladedruck und Abgasrückführrate an einem Schwerlast-
Dieselmotor mit AGR und Turbolader mit variabler Turbinengeometrie [4], [5].
Die hierfür erstellten Simulationsmodelle dienen als Ersatz für die Regelstrecke „Motor“, an
der grundlegende Untersuchungen zum Systemverhalten durchgeführt und neue Regelungskonzepte
erprobt werden können. Hierfür ist weniger eine detailgetreue Abbildung der
Realität im Rahmen des technisch Möglichen notwendig. Vielmehr ist eine gute Wiedergabe
des charakteristischen Verhaltens bei möglichst geringem Rechenzeitbedarf erwünscht, um
auf einem modernen PC echtzeitfähig zu sein. Neben der Möglichkeit, das Modell auch für
Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen einsetzen zu können, dient dies vor allem dem
Komfort bei der täglichen Arbeit, um schnell neue Ansätze testen zu können. Weiterhin wurde
Wert auf eine hohe Übertragbarkeit der Modellierungsansätze auf andere Motoren gelegt.
Bestehende Ansätze sollten möglichst nur durch Übernahme von Motorkenngrößen wie Hubraum
etc. sowie Anpassung möglichst weniger „Freier Optimierungsparameter“ auf andere
Motoren adaptiert werden.
Entwickelt wurden die Ansätze am Beispiel eines 12-Liter-Volvo-Motors, zur Verfikation
stand ein 5,7-Liter-Deutz-Motor zur Verfügung.
Es wurde durchgängig eine sogenannte „Grey-Box-Modellierung“ verwendet, d.h. soweit wie
möglich wurden bekannte physikalische Zusammenhänge verwendet. Wo dies aufgrund zu
hoher mathematischer Komplexität nicht möglich war, wurden halbempirische Ansätze ver-