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.

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.:Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole . . . . . . . . . . . . . . . II Variablenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VIII 1. Einleitung 1 1.1. Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2. Stand der Technik 4 2.1. Steuerung und Regelung von Ottomotoren . . . . . . . . . . . . 4 2.2. Architektur Motorsteuerungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3. Das Momentenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3. Theoretische Grundlagen 15 3.1. Innermotorische Drehmomentenerzeugung . . . . . . . . . . .15 3.2. Eingriffsmöglichkeiten und deren Geschwindigkeit . . . . . .18 4. Modellierung des Momentenmodells 20 4.1. Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 4.2. Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 5. Versuch 34 5.1. Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.2. Versuchsträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 5.2.1. ETAS FlexECU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.2. Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2.3. Versuchsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2.4. Motorprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 5.3. Applikationssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 5.3.1. ETAS INCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 5.3.2. ETAS MDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.3.3. ETAS ASCMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 6. Vorstellung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 6.1. Ergebnisse der Applikation des Momentemodells . . . . . . 45 6.2. Evaluierung der Drehmomentumsetzung des Momentenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.3. Evaluierung der Untersysteme des Momentenmodells . . 62 7. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Literatur- und Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Eidesstattliche Erklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 Anlagenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 / 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.:Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole . . . . . . . . . . . . . . . II Variablenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VIII 1. Einleitung 1 1.1. Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2. Stand der Technik 4 2.1. Steuerung und Regelung von Ottomotoren . . . . . . . . . . . . 4 2.2. Architektur Motorsteuerungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3. Das Momentenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3. Theoretische Grundlagen 15 3.1. Innermotorische Drehmomentenerzeugung . . . . . . . . . . .15 3.2. Eingriffsmöglichkeiten und deren Geschwindigkeit . . . . . .18 4. Modellierung des Momentenmodells 20 4.1. Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 4.2. Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 5. Versuch 34 5.1. Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.2. Versuchsträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 5.2.1. ETAS FlexECU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.2. Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2.3. Versuchsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2.4. Motorprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 5.3. Applikationssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 5.3.1. ETAS INCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 5.3.2. ETAS MDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.3.3. ETAS ASCMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 6. Vorstellung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 6.1. Ergebnisse der Applikation des Momentemodells . . . . . . 45 6.2. Evaluierung der Drehmomentumsetzung des Momentenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.3. Evaluierung der Untersysteme des Momentenmodells . . 62 7. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Literatur- und Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Eidesstattliche Erklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 Anlagenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

An accurate estimate of the mass of a passenger vehicle is important for several safety systems and environmental aspects. In this thesis, an algorithm for estimating the mass of a passenger vehicle using the recursive least squares methodis presented. The algorithm is based on a physical model of the vehicle and is designed to be able to run in real-time onboard a vehicle and uses the wheel torque signal calculated in the electrical control unit in the engine. Therefore no estimation of the powertrain is needed. This is one contribution that distinguishes this thesis from previous work on the same topic, which has used the engine torque. The benefit of this is that no estimation of the dynamics in the powertrain is needed. The drawback of using this method is that the algorithm is dependenton the accuracy of the estimation done in the engine electrical control unit. Two different versions of the recursive least squares method (RLS) have been developed - one with a single forgetting factor and one with two forgetting factors. The estimation performance of the two versions are compared on several different real-world driving scenarios, which include driving on country roads, highways, and city roads, and different loads in the vehicle. The algorithm with a single forgetting factor estimates the mass with an average error for all tests of 4.42% and the algorithm with multiple forgetting factors estimates the mass with an average error of 4.15 %, which is in line with state-of-the-art algorithms that are presented in other studies. In a sensitivity analysis, it is shown that the algorithms are robust to changes in the drag coefficient. The single forgetting factor algorithm is robust to changes in the rolling resistance coefficient whereas the multiple forgetting factor algorithm needs the rolling resistance coefficient to be estimated with fairly good accuracy. Both versions of the algorithm need to know the wheel radius with an accuracy of 90 %. The results show that the algorithms estimate the mass accurately for all three different driving scenarios and estimate highway roads best with an average error of 2.83 % and 2.69 % for the single forgetting factor algorithm and the multiple forgetting factor algorithm, respectively. The results indicate it is possible to use either algorithm in a real-world scenario, where the choice of which algorithm depends on sought-after robustness.