Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial. / In the last few decades, the world automotive industry has invested in the technological development of the engines, aiming to get better energetic efficiency and comply with legislations that limit the amount of toxic exhaustion gases. This resulted in electronic management systems for engines, which allowed flexibility to control several engine-related variables, considerably increasing the engine efficiency. This work aims to explore the Otto cycle combustion engine dynamics, its electronic signals, and the elements of its electronic management. Based on that information, this work presents the analysis process of the electronic signals, and the control strategies used in a real management system. Then, the hardware and firmware of a microcontroller unity are developed for the electronic management of the engine. The hardware was elaborated with a centralized concept, i.e., only one 32-bit microcontroller was used to control all functions. The control firmware was developed in a modular scheme, based on the closed loop models. The engine mathematical model was identified using control techniques in a real engine. The results were obtained by tests in an inertial dynamometer.

The author sketches the development and legal status of the European Currency Unit (ECU), the predecessor of today's European single currency Euro, and asks whether from the perspective of (former) German monetary law, this currency unit had to be looked at not as a domestic currency ("Deutsche Mark"), but rather as a foreign one.

Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial. / In the last few decades, the world automotive industry has invested in the technological development of the engines, aiming to get better energetic efficiency and comply with legislations that limit the amount of toxic exhaustion gases. This resulted in electronic management systems for engines, which allowed flexibility to control several engine-related variables, considerably increasing the engine efficiency. This work aims to explore the Otto cycle combustion engine dynamics, its electronic signals, and the elements of its electronic management. Based on that information, this work presents the analysis process of the electronic signals, and the control strategies used in a real management system. Then, the hardware and firmware of a microcontroller unity are developed for the electronic management of the engine. The hardware was elaborated with a centralized concept, i.e., only one 32-bit microcontroller was used to control all functions. The control firmware was developed in a modular scheme, based on the closed loop models. The engine mathematical model was identified using control techniques in a real engine. The results were obtained by tests in an inertial dynamometer.

Several decades ago, computer control systems known as Electric Control Units (ECUs) were introduced to the automotive industry. Mechanical hardware units have since then increasingly been replaced by computer controlled systems to manage complex tasks such as airbag, ABS, cruise control and so forth. This has lead to a massive increase of software functions and data which all needs to be managed. There are several tools and techniques for this, however, current tools and techniques for developing real-time embedded system are mostly focusing on software functions, not data. Those tools do not fully support developers to manage run-time data at design time. Furthermore, current tools do not focus on visualization of relationship among data items in the system. This thesis is a part of previous work named the Data Entity approach which prioritizes data management at the top level of development life cycle. Our main contribution is a tool that introduces a new way to intuitively explore run-time data items, which are produced and consumed by software components, utilized in the entire system. As a consequence, developers will achieve a better understanding of utilization of data items in the software system. This approach enables developers and system architects to avoid redundant data as well as finding and removing stale data from the system. The tool also allows us to analyze conflicts regarding run-time data items that might occur between software components at design time. / A Data-Entity Approach for Component-Based Real-Time Embedded Systems Development

Der stetig steigende Funktionsumfang im Automobil und die zunehmende Vernetzung von Steuergeräten erfordern neue Methoden zur Beherrschung der Komplexität in der Validierung und Verifikation. Die virtuelle Absicherung ermöglicht die Integration der Software in einem PC-System, unabhängig von der Ziel-Hardware, zur frühzeitigen Gewährleistung der Softwarequalität im Entwicklungsprozess. Ebenso kann die Wiederverwendbarkeit vorhandener Komponenten in zukünftigen Mikrocontrollern sichergestellt werden. Die Grundlage dafür liefert der AUTOSAR-Standard durch einheitliche Schnittstellenbeschreibungen, welche die Abstraktion von Hardware und Software ermöglichen. Allerdings enthält der Standard hardwareabhängige Software-Komponenten, die als Complex-Device-Drivers (CDDs) bezeichnet werden. Aufgrund ihrer Hardwareabhängigkeit sind CDDs nicht direkt in eine virtuelle Absicherungsplattform integrierbar, da die spezifischen Hardware-Module nicht verfügbar sind. Die Treiber sind dennoch Teil der Steuergeräte-Software und somit bei einem ganzheitlichen Absicherungsansatz mit zu betrachten. Diese Dissertation beschreibt sieben unterschiedliche Konzepte zur Berücksichtigung von CDDs in der virtuellen Absicherung. Aus der Evaluierung der Praxistauglichkeit aller Ansätze wird eine Auswahlmethodik für die optimale Lösung bei sämtlichen Anwendungsfällen von CDDs in der Steuergeräte-Software entwickelt. Daraus abgeleitet, eignen sich zwei der Konzepte für die häufigsten Anwendungsfälle, die im Weiteren detailliert beschrieben und realisiert werden. Das erste Konzept erlaubt die vollständige Simulation eines CDD. Dies ist notwendig, um die Integration der Funktions-Software selbst ohne den Treiber zu ermöglichen und alle Schnittstellen abzusichern, auch wenn der CDD noch nicht verfügbar ist. Durch eine vollständige Automatisierung ist die Erstellung der Simulation nur mit geringem Arbeitsaufwand verbunden. Das zweite Konzept ermöglicht die vollständige Integration eines CDD, wobei die Hardware-Schnittstellen über einen zusätzlichen Hardware-Abstraction-Layer an die verfügbare Hardware des Systems zur virtuellen Absicherung angebunden werden. So ist der Treiber in der Lage, reale Hardware-Komponenten anzusteuern und kann funktional abgesichert werden. Eine flexible Konfiguration der Abstraktionsschicht erlaubt den Einsatz für eine große Bandbreite von CDDs. Im Rahmen der Arbeit werden beide Konzepte anhand von industrierelevanten Projekten aus der Serienentwicklung erprobt und detailliert evaluiert. / The constantly increasing amount of functions in modern automobiles and the growing degree of cross-linking between electronic control units (ECU) require new methods to master the complexity in the validation and verification process. The virtual validation and verification enables the integration of the software on a PC system, which is independent from the target hardware, to guarantee the required software quality in the early development stages. Furthermore, the software reuse in future microcontrollers can be verified. All this is enabled by the AUTOSAR standard which provides consistent interface descriptions to allow the abstraction of hardware and software. However, the standard contains hardware-dependent components, called complex device drivers (CDD). Those CDDs cannot be directly integrated into a platform for virtual verification, because they require a specific hardware which is not generally available on such a platform. Regardless, CDDs are an essential part of the ECU software and therefore need to be considered in an holistic approach for validation and verification. This thesis describes seven different concepts to include CDDs in the virtual verification process. A method to always choose the optimal solution for all use cases of CDDs in ECU software is developed using an evaluation of the suitably for daily use of all concepts. As a result from this method, the two concepts suited for the most frequent use cases are detailed and developed as prototypes in this thesis. The first concept enables the full simulation of a CDD. This is necessary to allow the integration of the functional software itself without the driver. This way all interfaces can be tested even if the CDD is not available. The complete automation of the generation of the simulation makes the process very efficient. With the second concept a CDD can be entirely integrated into a platform for virtual verification, using an hardware abstraction layer to connect the hardware interfaces to the available hardware of the platform. This way, the driver is able to control real hardware components and can be tested completely. A flexible configuration of the abstraction layer allows the application of the concept for a wide variety of CDDs. In this thesis both concepts are tested and evaluated using genuine projects from series development.

Der stetig steigende Funktionsumfang im Automobil und die zunehmende Vernetzung von Steuergeräten erfordern neue Methoden zur Beherrschung der Komplexität in der Validierung und Verifikation. Die virtuelle Absicherung ermöglicht die Integration der Software in einem PC-System, unabhängig von der Ziel-Hardware, zur frühzeitigen Gewährleistung der Softwarequalität im Entwicklungsprozess. Ebenso kann die Wiederverwendbarkeit vorhandener Komponenten in zukünftigen Mikrocontrollern sichergestellt werden. Die Grundlage dafür liefert der AUTOSAR-Standard durch einheitliche Schnittstellenbeschreibungen, welche die Abstraktion von Hardware und Software ermöglichen. Allerdings enthält der Standard hardwareabhängige Software-Komponenten, die als Complex-Device-Drivers (CDDs) bezeichnet werden. Aufgrund ihrer Hardwareabhängigkeit sind CDDs nicht direkt in eine virtuelle Absicherungsplattform integrierbar, da die spezifischen Hardware-Module nicht verfügbar sind. Die Treiber sind dennoch Teil der Steuergeräte-Software und somit bei einem ganzheitlichen Absicherungsansatz mit zu betrachten. Diese Dissertation beschreibt sieben unterschiedliche Konzepte zur Berücksichtigung von CDDs in der virtuellen Absicherung. Aus der Evaluierung der Praxistauglichkeit aller Ansätze wird eine Auswahlmethodik für die optimale Lösung bei sämtlichen Anwendungsfällen von CDDs in der Steuergeräte-Software entwickelt. Daraus abgeleitet, eignen sich zwei der Konzepte für die häufigsten Anwendungsfälle, die im Weiteren detailliert beschrieben und realisiert werden. Das erste Konzept erlaubt die vollständige Simulation eines CDD. Dies ist notwendig, um die Integration der Funktions-Software selbst ohne den Treiber zu ermöglichen und alle Schnittstellen abzusichern, auch wenn der CDD noch nicht verfügbar ist. Durch eine vollständige Automatisierung ist die Erstellung der Simulation nur mit geringem Arbeitsaufwand verbunden. Das zweite Konzept ermöglicht die vollständige Integration eines CDD, wobei die Hardware-Schnittstellen über einen zusätzlichen Hardware-Abstraction-Layer an die verfügbare Hardware des Systems zur virtuellen Absicherung angebunden werden. So ist der Treiber in der Lage, reale Hardware-Komponenten anzusteuern und kann funktional abgesichert werden. Eine flexible Konfiguration der Abstraktionsschicht erlaubt den Einsatz für eine große Bandbreite von CDDs. Im Rahmen der Arbeit werden beide Konzepte anhand von industrierelevanten Projekten aus der Serienentwicklung erprobt und detailliert evaluiert. / The constantly increasing amount of functions in modern automobiles and the growing degree of cross-linking between electronic control units (ECU) require new methods to master the complexity in the validation and verification process. The virtual validation and verification enables the integration of the software on a PC system, which is independent from the target hardware, to guarantee the required software quality in the early development stages. Furthermore, the software reuse in future microcontrollers can be verified. All this is enabled by the AUTOSAR standard which provides consistent interface descriptions to allow the abstraction of hardware and software. However, the standard contains hardware-dependent components, called complex device drivers (CDD). Those CDDs cannot be directly integrated into a platform for virtual verification, because they require a specific hardware which is not generally available on such a platform. Regardless, CDDs are an essential part of the ECU software and therefore need to be considered in an holistic approach for validation and verification. This thesis describes seven different concepts to include CDDs in the virtual verification process. A method to always choose the optimal solution for all use cases of CDDs in ECU software is developed using an evaluation of the suitably for daily use of all concepts. As a result from this method, the two concepts suited for the most frequent use cases are detailed and developed as prototypes in this thesis. The first concept enables the full simulation of a CDD. This is necessary to allow the integration of the functional software itself without the driver. This way all interfaces can be tested even if the CDD is not available. The complete automation of the generation of the simulation makes the process very efficient. With the second concept a CDD can be entirely integrated into a platform for virtual verification, using an hardware abstraction layer to connect the hardware interfaces to the available hardware of the platform. This way, the driver is able to control real hardware components and can be tested completely. A flexible configuration of the abstraction layer allows the application of the concept for a wide variety of CDDs. In this thesis both concepts are tested and evaluated using genuine projects from series development.

Durch die Einführung der Systemarchitektur AUTOSAR im automobilen Umfeld, können Applikationen unabhängig von der verwendeten Hardware oder der genutzten Kommunikationssysteme entwickelt werden. Dadurch können Funktionen wieder verwendet werden, was Zeit und Ressourcen einsparen kann. So können Funktionen, die sich etabliert haben, in späteren Entwicklungen durch Anpassung in der Konfiguration genutzt werden ohne dabei den Quellcode zu ändern. Jedoch stellt die große Zahl an Parametern in der AUTOSAR Architektur große Herausforderungen an die Absicherung eines Steuergerätes. Dieser Aspekt wird durch eine meist heterogene Toollandschaft verstärkt. Umso wichtiger ist es, dass während der Entwicklung von AUTOSAR Steuergeräten statische Analysen die Software und die Konfiguration überprüfen, um so die Softwarequalität sicherstellen zu können. In der Masterarbeit werden eine Menge von AUTOSAR spezifischen statischen Analysen für die einzelnen Schichten eines AUTOSAR Steuergerätes entwickelt. Für die Analyse werden Einstellungsdateien (nach Standard und Firmenspezifische) und der Quellcode an sich genutzt. Die Analysen geben optional Korrekturvorschläge an den Entwickler. Die Umsetzung erfolgt in einem C# Prototyp und wird an der Lichtsteuerung des Automotive Demonstrator YellowCar angewendet werden.

Pour franchir les prochaines étapes réglementaires, une des solutions adoptées par les constructeurs automobiles est la dépollution à la source par des nouveaux concepts de combustion. Une piste d’étude est le moteur à charge homogène allumé par compression, le moteur HCCI. Le défi majeur est de contrôler le phasage de la combustion lors des transitions. Or, l’ozone est un additif prometteur de la combustion. La première partie de ce travail est consacrée au développement d’un modèle 0D physique de la combustion dans le moteur HCCI à l’aide d’une approche statistique basée sur une fonction de densité de probabilité (PDF) de la température. Pour cela, un modèle de variance d’enthalpie est développé. Après la validation expérimentale du modèle, il est utilisé pour développer des cartographies du moteur HCCI avec et sans ajout de l’ozone afin d’évaluer le gain apporté par cet actuateur chimique en terme de charge et régime. La deuxième partie porte sur le contrôle du phasage de combustion par ajout d’ozone. Une étude de simulation est effectuée où des lois de commandes sont appliquées sur un modèle orienté contrôle. Les résultats montrent que l’ajout d’ozone permet de contrôler cycle-à-cycle le phasage de la combustion. En parallèle, une étude expérimentale sur un banc moteur est facilitée grâce à un système d’acquisition des paramètres de combustion (Pmax, CA50) en temps réel, développé au cours de cette étude. En intégrant les lois de commande par ajout d’ozone dans le calculateur du moteur (ECU), les résultats expérimentaux montrent la possibilité de contrôler non seulement cycle-à-cycle le phasage de la combustion par ajout d’ozone lors des transitions mais aussi de stabiliser le phasage de la combustion d’un point instable. / To pass the next legislator steps, one of the alternative solutions proposed for the depollution at the source by new concepts of combustion. One of proposed solution is the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine. The major challenge is to control combustion phasing during transitions. Ozone is promising additive to combustion. During this work, a 0D physical model is developed based on temperature fluctuations inside the combustion chamber by using Probability Density Function (PDF) approach. For this, an enthalpy variance model is developed to be used in Probability Density Function (PDF) of temperature. This model presents a good agreement with the experiments. It is used to develop HCCI engine map with and without ozone addition in order to evaluate the benefit of using ozone in extending the map in term of charge-speed. The second part deals with control the combustion phasing by ozone addition. A Control Oriented Model (COM) coupled with control laws demonstrates the possibility to control combustion phasing cycle-to-cycle. Thereafter, an experimental test bench is developed to prove this possibility. A real time data acquisition system is developed to capture combustion parameters (Pmax, CA50). By integrating control laws into Engine Control Unit (ECU), results demonstrate not only the controllability of combustion phasing cycle-to-cycle during transitions but also to stabilize it for an instable operating point.

Die Zulieferindustrie im Automobilbereich sieht sich heutzutage hochkomplexen Systemen bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren gegenüber. Applikationssteuergeräte mit passendem Datenstand werden selten von Fahrzeugherstellern an Dritte für die Entwicklung am Verbrennungsmotor bereitgestellt. Eine Alternative bieten Prototypensteuergeräte mit individuellen Softwarepaketen, die in ihrer Funktionalität auf die Bedürfnisse der Entwicklungsingenieure zugeschnitten sind. Die FlexECU von ETAS ist ein gutes Beispiel für solch ein offenes, kostengünstiges und seriennahes Prototypensteuergerät. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration eines Momentemodells in eine vorhandene Motorsteuerungssoftware sowie die Applikation dieses Modells am Motorprüfstand. Die Motivation für die Erweiterung der jetzigen Motorsteuerungssoftware um das Momentemodell ist, den Entwicklungsingenieuren ein möglichst seriennahes Steuergeräteumfeld bei der Erarbeitung innovativer verbrauchs- und schadstoffoptimierter Konzepte für den Verbrennungsmotor bereitzustellen. Bei der Evaluation wird gezeigt, dass die Integration und die Funktion des Momentenmodells grundsätzlich gelungen ist. Diese Arbeit bildet den Grundstein für eine umfangreiche Entwicklung, die noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, bis eine voll umfängliche abgesicherte Software geschaffen ist. / Nowadays, the automotive supplier industry is confronted with highly complex systems for the development of internal combustion engines. Vehicle manufacturers very rarely provide third party developers with their engine control units with calibration access and matching description and data files for internal combustion engines. An alternative are prototype control units with individual software packages, which in their functionality are adapted to the needs of development engineers. One example for such an open, cost-effective and field-proven control system development platform is FlexECU from ETAS. The essential part of this thesis is the development and integration of a torque-based system structure for an existing engine management system and the calibration of this model on an engine test bench. The motivation for this improvement is to provide development engineers with a control unit environment as close to serial as possible for the development of consumption- and emission-optimized concepts for internal combustion engines. The evaluation shows that integration as well as functionality of the torque-based system structure has generally been achieved. This thesis lays the foundations for an extensive development of this system – although the creation of a fully verified and validated software will still take some time.

The author sketches the development and legal status of the European Currency Unit (ECU), the predecessor of today's European single currency Euro, and asks whether from the perspective of (former) German monetary law, this currency unit had to be looked at not as a domestic currency ("Deutsche Mark"), but rather as a foreign one.