MOBlLE KALTSTART- MESSUNGEN ZUR

Mess- & Prüftechnik Ka ltstart
Mobile KaltstartMessungen zur ­Beurteilung
des Einspritztimings
Startapplikation und Anpassung von Start-Stopp-Systemen erfordern eine gesonderte
Betrachtung der einzelnen Zünd- und Einspritzvorgänge. Der Zulieferer Bosch hat
das Motor-Kaltstart-Messsystem MKAS in Kooperation mit dem Messtechnikspezialisten
imc / Additive so weiterentwickelt, dass mit der Generation II ein hocheffizientes Messgerät nebst Auswertesoftware zur Verfügung steht, um motorische Stellgrößen extern
und unabhängig von der Motorsteuerung zu erfassen und aufzubereiten.
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autoren
Dipl.-Ing. (FH) Gert Schüttler
ist Applikationsingenieur für
­F ahrzeugfunktionen und ­P rojekt­leiter
der MKAS-II-Entwicklung im
­Produktbereich DGS der
Robert Bosch GmbH in Stuttgart.
Dipl.-Ing. Hans-Jörg Dehren
ist Entwicklungsingenieur für
­Planung und Aufbau von
­Prüfstandsmesstechnik an
­Fahrzeug- und Motorprüfständen
­sowie für die Entwicklung von
­Sondermessgeräten im Produkt­
bereich DGS der Robert Bosch GmbH
in Stuttgart.
Dipl.-Ing. (FH) Detlef Böhne
ist Projektingenieur und
Gruppen­leiter im Bereich
Applikation bei der Additive GmbH
in Friedrichsdorf/Taunus.
Globale EmissionsAnforderungen
Das Bestreben nach umweltschonenden
Lösungen im Automobilbau führt zu einer
stetigen Verschärfung der Anforderungen
an das Emissionsverhalten von Verbrennungsmotoren. Neben dem abgasoptimalen
Start erfordern Start-Stopp-Systeme eine
gesonderte Betrachtung der einzelnen Zündund Einspritzvorgänge. Gleichzeitig steigen
die Anforderungen bezüglich einer möglichst breiten Abdeckung verschiedenster
Kraftstoffarten und -qualitäten. Dem Mo­­
torstart kommt daher eine zunehmende
Bedeutung zu: Er muss unter allen Rahmenbedingungen zuverlässig und möglichst emissionsarm gewährleistet sein.
Die Robert Bosch GmbH bietet als Systemlieferant innovative und für den jeweiligen Einsatz maßgeschneiderte Lösungen
an, bestehend aus aufeinander abgestimmten Einzelkomponenten, dem Motorsteuergerät Motronic und einer innovativen
Steuergeräte-Software. Darüber hinaus bietet Bosch die Parametrierung der Steuergerätefunktionen als Dienstleistung für
seine Kunden an: Erfahrene Bosch-Experten applizieren und erproben das Einspritzsystem weltweit unter Berücksich­
tigung der lokalen Marktanforderungen.
Um den gestiegenen Anforderungen
bei der Applikation des Motorstarts Rechnung zu tragen, hat der Zulieferer Bosch
das bewährte Kaltstart-Messsystem MKAS
in Kooperation mit dem Messtechnikspezialisten imc/Additive weiter entwickelt.
Mit MKAS-II, ❶, steht in zweiter Generation ein hocheffizientes Messsystem nebst
Auswertesoftware zur Verfügung, mit dem
es möglich ist, motorische Stellgrößen extern
und unabhängig von der Motorsteuerung
zu erfassen und aufzubereiten.
Richtige Darstellung
der MessgröSSen
Das Messsystem MKAS ist für die Start­
applikation unverzichtbar geworden, weil
nur ein hochaufgelöstes Drehzahlsignal in
Verbindung mit dem Einspritztiming und
den Ventilsteuerzeiten eine genaue Beurteilung des Motorstarts zulassen. Neben
der schnellen Messdatenerfassung ist die
Darstellung der aufgezeichneten Größen
für die Beurteilung des Startvorgangs be­­
sonders wichtig. Durch die Aufteilung in
zwei untereinander angeordnete Messfenster, in denen analoge und digitale Messgrößen dargestellt werden, erhält der Applikationsingenieur eine aussagekräftige Visualisierung der wichtigsten Ereignisse. Erst
damit wird es möglich, die Güte des Mo­­
torstarts zu beurteilen.
Moderne Verbrennungsmotoren erfordern
aufgrund der erhöhten Anzahl an Freiheitsgraden eine Anpassung des Messsystem-Funktionsumfangs. Außerdem machten Kompatibilitätsprobleme mit aktuellen
PCs und die Abkündigung der verwendeten elektronischen Bauteile eine Neuentwicklung des Messsystems und der zugehörigen Auswertesoftware unumgänglich.
Applikation an bis zu
acht Fahrzeugen
Die neue Messsystem-Generation MKAS-II
wird im Hause Bosch bei jeder Startap­
plikation sowohl im Prüfstandsbetrieb als
auch bei Erprobungsfahrten eingesetzt.
Dabei kommen die Stärken des mobilen
❶Hocheffizientes Messsystem MKAS-II nebst Auswertesoftware zur Messung und Analyse motorischer Stellgrößen
April 2011
Automotive Engineering Partners
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Mess- & Prüftechnik Ka ltstart
Messsystems besonders zum Vorschein.
So können mit einem Gerät Startmessungen effizient an bis zu acht Fahrzeugen
auf einer Erprobungsfahrt nacheinander
aufgezeichnet werden. Das Messsystem
muss nur einmal parametriert und mit einer
Messkonfiguration vorbereitet werden. Ist
das erste Fahrzeug gestartet, kann das Mess­
system im laufenden Betrieb vom Kabelbaum getrennt und mit dem Kabelbaum
des zweiten Fahrzeugs verbunden werden.
Während dessen führt ein Versuchsingenieur mit dem ersten Fahrzeug eine Kaltabfahrt durch.
Das Wechseln zwischen den Fahrzeugen kann besonders schnell erfolgen, da
alle Signalleitungen über einen Zentral­
stecker zusammengeführt sind, ❷. Eine
Neukonfiguration des Geräts ist nicht notwendig, die Zuordnung zwischen Messung und Fahrzeug erfolgt über einen Ko­­
dierschalter im Zentralstecker. Sind alle
Fahrzeuge ge­­startet, wird MKAS-II mit
dem Laptop verbunden und die Messungen heruntergeladen. Bei jedem Kopiervorgang wird der Fahrzeugcode abgefragt
und durch die Pa­­rametrierungssoftware
automatisch dem entsprechenden Fahrzeug zugeordnet. Damit wird ein hocheffizienter Arbeitsablauf speziell in Erprobungssituationen gewährleistet.
Die Analyse der Messdaten erfolgt offline
mit Hilfe der maßgeschneiderten Auswertesoftware. Dabei können die Messungen
schnell und einfach miteinander verglichen werden. Die zylinderindividuelle Dar­
stellung des Einspritztimings und der Ventilsteuerzeiten ermöglicht die Festlegung
der optimalen Start-Applikationsdaten. Zur
Dokumentation steht eine Funktion zur
Verfügung, die Grafik und Kommentar in
eine PDF-Datei exportiert.
Die Erweiterung des Funktionsumfangs
zielte vor allem auf Motoren mit Direkteinspritzung und Start-Stopp-Systeme. Um
das Optimum bezüglich Abgasemissionen
und gleichzeitig möglichst kurze Startzeiten zu erzielen, müssen neben den MKASII-Messgrößen auch Signale aus dem Steuergerät gemessen und mit den MKAS-IIMessgrößen synchronisiert werden. In der
kurbelwinkelbasierten Darstellung lässt sich
der Zeitpunkt der frühestmöglichen Einspritzung besonders einfach erkennen. Der
Synchronisationsstatus und die Freigabe
von Einspritzung und Zündung in der Mo­­
torsteuerung können über den Import der
Steuergerätemessung bestimmt werden.
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❷Schneller Wechsel zwischen bis zu acht Fahrzeugen, weil alle Signalleitungen über einen Zentralstecker
­zusammengeführt sind
Hardware der Messtechnik
Messungen unter zum Teil speziellen Um­­
weltbedingungen wie Hitze und Kälte verlangen entsprechend robuste Messsysteme.
Dies gilt insbesondere bei Kaltstartmessungen in Versuchsfahrzeugen. Die MKAS-IIHardware basiert auf dem kompakten, ro­­
busten und mobilen Messgerät Cronos-SL
der imc Meßsysteme GmbH [1]. Das Gerät
ist sehr robust und zugleich kompakt und
somit bestens geeignet für die mobile An­­
wendung in rauen Umgebungen. Signalkonditionierung, Analog-Digi­tal(AD)-Um­­
setzung, Online-Verrechnung und Datenspeicherung sind integrale Be­­standteile des
Messgeräts. Somit steht für das KaltstartMesssystem MKAS-II von Bosch ein hocheffizientes Messgerät zur Verfügung.
Das Messsystem MKAS-II misst im Standalone-Betrieb und ist somit autark ohne
PC einsetzbar. Ein interner Akku gleicht
den Spannungseinbruch der Fahrzeugbatterie während des Starts durch ein smartes Netzteil aus. Bleibt die Energieversorgung für längere Zeit ausgeschaltet, dann
wird das Gerät aus einem eingebauten Akku
gespeist, der Kapazität für 45 min bei 20 °C
bereitstellt. Bei Unterschreiten einer definierten Akkuspannung sichert das Messsystem automatisch alle Daten und schaltet sich aus.
Bei Zuschalten der Versorgungsspannung
startet das Messsystem selbstständig und
ist sofort wieder einsatzfähig. Insgesamt
stehen 32 isolierte analoge Eingangskanäle
zur Verfügung, womit sich Motoren bis zu
zwölf Zylindern vermessen lassen. Dabei
stehen acht Kanäle zur freien Verfügung;
hierüber kann der Anwender Messgrößen
wie Temperaturen, Druck usw. individuell
messen. Zudem steht eine CAN-Bus-Schnittstelle zum Einlesen von weiteren Kanälen
zur Verfügung. Auf dem internen FlashSpeicher lassen sich zirka 200 Kaltstartmes­
sungen speichern.
Zur Kommunikation zwischen MKAS-II
und PC wird die Ethernet-Schnittstelle mit
dem TCP/IP-Protokoll benutzt. Kaltstartmessungen können somit schnell mit dem
PC ausgelesen werden. Die MesssystemHardware kommt ohne Lüfter aus – die
Kühlung erfolgt passiv über die in die Ge­­
häuseseite integrierten Kühlrippen, die
gleichzeitig als Transportgriffe dienen.
Weiterhin vereint das Messsystem alle
weiteren benötigten Hardwarekomponenten in einem Modul. Dies wurde durch
die Umstellung von einem digitalen auf
ein analoges Messverfahren erreicht, wo­­
durch auf eine externe Signalaufbereitung
verzichtet werden kann. Dadurch konnte
der Platzbedarf im Fahrzeug zusätzlich
reduziert und die Übersichtlichkeit bei der
Einrichtung und Inbetriebnahme des Systems verbessert werden. Gegenüber dem
MKAS-II-Vorgänger ist das Gehäusevolumen um 35 % geschrumpft.
Das Messsystem wird über den Kabelbaum des Motorsteuergeräts direkt mit den
Aktuatoren verbunden, sodass die tatsächlichen Ansteuersignale aufgezeichnet
werden können. Das analoge Messverfahren liefert die Signale von Zündung und
Einspritzung ohne Informationsverlust.
Dadurch lassen sich die Einspritzdauer
und der Zündzeitpunkt exakt bestimmen.
Die Schwellen zur Auslösung lassen sich
einfach auf verschiedenste Einspritz- und
Zündanlagen anpassen. Außerdem erleichtert das Analogsignal im Fehlerfall die Suche
nach der Fehlerursache.
Auswertung der Messdaten
Die Darstellung der MKAS-II-Messdaten
erfolgt über eine Applikation des grafischen
Auswerteprogramms Famos von imc/Ad­­
ditive in einem Kurvenfenster. Dabei können sowohl Messsignale als auch berechnete Signale im gleichen Fenster dargestellt
werden. Die Auswertung erfolgt ebenfalls
über das imc/Additive-Programm, wobei
die Messsignale wie Zündung, Einspritzung oder Drehzahlgeber abhängig von
den Motorparametern aufbereitet werden.
Neue Signale, wie zum Beispiel die Öffnungszeiten der Ein- und Auslassventile,
werden mit Hilfe der Geometrie des Drehzahlgeberrades berechnet und als virtuelle
Messkanäle in die Messdaten eingefügt. Die
durch die Phasenverschiebung der Einlassnockenwelle hervorgerufene Änderung der
Ventilöffnungszeiten kann optional durch
eine Winkelkorrektur berücksichtig werden.
Um die Einspritzmenge zu beurteilen, wird
die Einspritzdauer aus dem Ansteuersignal der Einspritzventile berechnet. Bei Mo­­
toren mit Benzindirekteinspritzung besteht
die Möglichkeit, die Einspritzmenge mit
Hilfe des Raildrucks und der Ventilkonstante zu berechnen. Für die Auswertung
des Drehgeberrades werden Zähnezahlen
von 18 bis 120 Zähne pro Umdrehung,
Lücken mit ein bis drei Zähnen sowie Ge­­
berräder mit zwei Lücken (symmetrisch
oder unsymmetrisch) unterstützt. Durch
die Verwendung des Auswerteprogramms
und den modularen Aufbau der Software
können spezielle Anpassungen an allen
Rechenfunktionen vorgenommen werden.
Die Berechnungen sind in einzelne Sequenzen aufgeteilt, wodurch eine nachträgliche
Erweiterung des Funktionsumfangs ebenfalls möglich ist.
In ❸ ist eine Messdatenanalyse mit der
MKAS-II-Software dargestellt. Die einzelnen Messungen (1) werden aus einer Liste
ausgewählt. Dadurch ist ein schneller Vergleich der Kaltstarts möglich. Die Darstellung ist in mehrere Bereiche aufgeteilt: Signale pro Zylinder (5) und pro Motor sowie
ein freier Block für Mess- und Rechensignale (7). Durch einfache Auswahl der SigApril 2011
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Mess- & Prüftechnik Ka ltstart
❸Messdatenanalyse
mit der MKAS-II-Software (Erläuterungen zu
1 bis 8 siehe Text)
nale unter (2) und (4) wird die Darstellung angepasst. Spezifische Darstellungen
können für eine Messung gespeichert und
jederzeit gewechselt werden.
Messdaten aus einer parallel aufgezeichneten Steuergeräte-Messung über das Software-Werkzeug Inca von Etas werden über
die Liste (3) in ③ hinzugefügt. Die Zeitachse der Inca-Daten wird über den Spannungseinbruch der Fahrzeugbatterie während des Starts synchronisiert. Hierzu steht
ein Dialog zur Verfügung, ❹. Die Erkennung erfolgt automatisch. Ausgewählte
Signale werden im Kurvenfenster bei den
Messsignalen (7) in ③ dargestellt.
Über die intuitiven Funktionen für Verschieben und Zoomen (8) in ③ kann der
Bereich der Darstellung verändert werden.
Die Schalter (6) ändern die Darstellung
zwischen Zeitachse und Winkelachse. Messungen sind im Kurvenfenster mit zwei
Cursors gleichzeitig über alle Bereiche mög-
lich. Es werden der Zeitpunkt, die Zeitdifferenz und der Messwert an der Cursorposition in einer Liste sortiert in der Darstellungsfolge ausgeben.
Zusammenfassung
Die neue Generation des Messsystems
MKAS-II von Bosch liefert die wichtigsten
Informationen zum Kaltstart auf einen
Blick. Die Neuentwicklung des seit Jahren
bewährten Messsystems präsentiert sich
sowohl in Hardware als auch in Software
deutlich verbessert. Es basiert auf der
Messtechnik des robusten und mobilen
Messgeräts Cronos-SL der imc Meßsysteme GmbH.
Durch die Umstellung des digitalen auf
ein analoges Messverfahrens reduzieren
sich Rüstzeit als auch Platzbedarf im Fahrzeug. Die Auswertesoftware auf der Basis
von Famos (imc/Additive) bietet deutlich
mehr Möglichkeiten. Auswertungen von
Kaltstartmessungen lassen sich flexibel
gestalten, neue Funktionen sind einfach
zu integrieren.
Literaturhinweis
❹Dialog zur Synchronisierung der Zeitachse der Inca-Daten über den Spannungseinbruch der Fahrzeug­
batterie während des Kaltstarts
36
[1] imc Meßsysteme GmbH (Hrsg.): Cronos-SL –
Überall dort, wo ein PC versagt. www.imc-berlin.de,
Produkte, Cronos-SL – robust. Webaufruf vom
21. Februar 2011