Die Steuerung der neuen BMW Valvetronic-Motoren

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1 Einleitung

BMW setzt mit seiner neuen Motorenfami-lie der New Generation erneut deutlicheZeichen im Motorenbau. Der erste Motorder NG-Familie, der 1,8-l-Vierzylinder N42,wird im neuen 3er Kompakt als 316ti abJuni 2001 bei den BMW Händlern zu sehensein. Wichtigstes Ziel der neuen Motor-familie ist es, die Selbstverpflichtung zurCO2-Reduzierung zu erfüllen und dabeigleichzeitig alle Kundenerwartungen an ei-nen BMW Motor zu übertreffen.

Die kundenwirksame Verbrauchsreduzie-rung von 12 % gegenüber dem Vorgänger-modell ist überwiegend ein Ergebnis derValvetronic, einer Füllungssteuerung nachdem Prinzip des „frühen Einlassschluss“. Sieerlaubt es, die Ladungswechselarbeit, diedem Drosselmotor prinzipbedingt eigen ist,zu vermindern. So einfach die Theorie auchist, so aufwändig ist doch die Realisierungdieses von Generationen von Ingenieurenangestrebten Prinzips. Erst die heutigenFortschritte auf allen Gebieten der Mecha-tronic erlaubten es, diese Technologie zurealisieren.

2 Prinzipfunktion der Valvetronic

Das Ziel der Valvetronic ist es, die in [1] be-schriebenen thermodynamischen Poten-ziale eines Laststeuerverfahrens mit „frü-hem Einlassschluss“ vollständig zu er-schließen. Ihre Systemkomponenten sind,Bild 1:– ein mechanisches Hubverstellsystem

[2]. Dazu gehören die Standardkom-ponenten Einlass-Ventil mit Feder,Schlepphebel, HVA-Element und No-ckenwelle, ergänzt um Exzenterwelleund Zwischenhebel mit Feder

– ein elektrisch-/elektronischer Antriebder Exzenterwelle mit Ventilhub-Steu-ergerät, Stellmotor und Positionssensorfür die Exzenterwelle

– eine Spreizungsverstellung der Einlass-nockenwelle und zur Restgassteuerungauch der Auslassnockenwelle mit je-weils einer motoröldruckbeaufschlag-ten Flügelzelleneinheit mit Proportio-nalventil [2] und Positionssensoren fürdie Nockenwellen

Titelthema BMW Valvetronic

Mit der Einführung der BMW Valvetronic-Motorenfamilie, erstmalsumgesetzt beim neuen Vierzylindermotor, werden Zeichen bei derReduzierung des Kraftstoffverbrauchs gesetzt. Der vorliegende Berichterläutert die Strategie der Steuerung und Regelung, die erforderlichenneuen elektrischen/elektronischen Komponenten und Funktionensowie das Vorgehen bei der Umsetzung der Entwicklung.

Die Steuerung der neuen BMW Valvetronic-Motoren

Der übergeordnete Regelkreis – Die Freude am Fahren mit Valvetronic

Cycle of requests for road travel, brain,engine management,Valvetronic, Compact, road

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– die notwendige Steuerungs- und Rege-lungssoftware, die bis auf den Lage-regler für die Exzenterwelle und einigeDiagnosen in der neuentwickelten Mo-torsteuerung (DME) ME9.2 realisiertwurde.

Die Sensorik für die Laststeuerung und -er-fassung wurde um einen Saugrohr-Diffe-renzdrucksensor erweitert, auf dessenFunktion noch eingegangen wird.

Nach wie vor besitzt der Valvetronic-Motoreine Drosselklappe, der allerdings ihre bis-herige Funktion als Laststeuerorgan entzo-gen wurde. Sie regelt bedarfsgerecht einengeringen Unterdruck im Sammler für dieTankentlüftung und kann darüber hinausals Notfahr-Laststeuerorgan benutzt wer-den.

Der Fahrerwunsch, der zur DME durch dasFahrpedalsignal gesendet wird, wird dortals Moment interpretiert und in eine Soll-füllung umgerechnet. Diese Sollfüllungwird mit der variablen Ventilsteuerung imSinne des „frühen Einlassschluss“ in einenVentilhub und eine zugehörige Spreizung(Einlass-VANOS) umgerechnet. Die für ei-nen optimalen Hochdruckprozess nötigeRestgasmenge wird allein durch die Aus-lass-Spreizung (VANOS) eingestellt, da einrückfördernder Unterdruck im Saugrohrfehlt. Die VANOS-Proportionalventile wer-den direkt durch die DME angesteuert, dieHubvorgabe wird als Sollexzenterwinkelüber eine spezielle CAN-Schnittstelle (LO-CAN) an das Ventilhubsteuergerät gesen-det. Lageregler, für die Spreizung in der

DME und für den Exzenterwellenwinkel inder Ventilhubsteuerung, regeln diese Vor-gaben mit hoher Genauigkeit ein.

3 Elektrik/Elektronik

Das Gesamtsystem der Steuerung inklusiveder Valvetronic-Komponenten wurde in ei-ner Entwicklungspartnerschaft realisiertund über sogenannte SE-Teams (Simulta-neous Engineering) gelenkt. Deren wich-tigste sind:– das SE-Team Motorsteuerung ME9.2 zu-

sammen mit Bosch; hierbei übernahmder Systemlieferant die Hardwareent-wicklung nach Lastenheftvorgabe; dieSoftware wurde auf Basis eines für beidePartner zugänglichen Codes von BMWund Bosch gemeinsam entwickelt, fürdie Integration war der Sys-temlieferantzuständig

– das SE-Team Ventilhubsteuerung zu-sammen mit VDO-Schwalbach

– das SE-Team VANOS zusammen mitAISIN.

Weitere SE-Teams verantworteten unteranderem die Sensorik/Aktuatorik und dieKraftstoffversorgung inklusive der Ein-spritzventile.

3.1 Systemdarstellung Motorsteuerung ME9

Gemeinsam mit Bosch wurde für die neueMotorengeneration die entsprechende di-gitale Motorsteuerung (DME) konzipiertund entwickelt, Bild 2. Die Vorgaben für

das Konzept zusätzlich zu den konventio-nellen Aufgaben ergeben sich aus denfunktionalen Systemanforderungen derValvetronic und Zusatzfunktionen, die zurLösung der Aufgabenstellung emissionssei-tig und integrationsseitig notwendig wa-ren.

Als Rechnerkern der DME wurde der Gol-den Oak (Power PC) von Motorola gewählt.Er stellte bei der Konzepterstellung die Ba-sis für die geforderte Performance dar. Sostehen mit diesem 32-Bit-Mikrokontroller512-KB-Flash-Speicher 32 KB RAM für Pro-gramm und Daten auf dem Chip zur Verfü-gung. Zusätzlich wurden extern weitere32KB RAM und 1 MB Flash-ROM installiert.

Die ME9 für den N42 verarbeitet Informa-tionen von bis zu 27 Sensoren und bedientmaximal 30 Aktuatoren. Das Bus/Kommu-nikationskonzept besteht aus Powertrain-CAN, LOCAN zum Ventilhubsteuergerätund BSD (Bitserielle Daten-Schnittstelle)zur Anbindung komplexer Sensoren, aktu-ell genutzt zur Kommunikation mit dem

TitelthemaBMW Valvetronic

Dipl.-Ing. JohannesLiebl ist Hauptabteilungs-leiter Funktionen Ottomotorim Bereich Antriebsentwick-lung der BMW Group.

Dipl.-Ing. FriedrichMunk ist AbteilungsleiterMotorelektronik-System imBereich Antriebsentwicklungder BMW Group.

Dipl.-Ing. BernhardLudwig ist TeamleiterFunktionen Valvetronic imBereich Antriebsentwicklungder BMW Group.

Dipl.-Ing. Hans Hohenner ist Abteilungs-leiter Elektrik im BereichAntriebsentwicklung derBMW Group.

Die Verfasser

Bild 1: Systembild Valvetronic

Figure 1: System illustration of Valvetronic


Generator. Die Verwendung eines vonBMW gestalteten Standard Cores hilft Ent-wicklungszeiten und -qualität bei wieder-verwendbaren Schnittstellentreibern wieCAN, Flashprogrammierung, GatewayFunktionen, Betriebssystem etc. zu reduzie-ren.

3.2 Die Komponenten derVentilhubsteuerung

3.2.1 Das Ventilhubsteuergerät

Über die LOCAN-Schnittstelle ist das Motor-steuergerät um ein Ventilhubsteuergeräterweitert. Das Steuergerät ist konventionellals Ein-Leiterplattengerät für den Verbauim Motorraum konzipiert, Bild 3. Der be-reits während der frühen Designphase rea-lisierte modulare Aufbau ermöglicht dieAnwendung für nahezu beliebige Motorenmit unterschiedlichsten Zylinderzahlenohne das Gehäusekonzept verlassen zumüssen. Aufbauend auf einer Vierzylinder-anwendung können weitere Motorkonzep-te durch Bestückungsoptionen realisiertwerden.

Wesentlichste Aufgabe des Ventilhubsteu-ergeräts ist die Ansteuerung des Elektromo-tors für die Verstellung der Exzenterwelleentsprechend dem Steuerbefehl, den esüber die CAN-Schnittstelle empfängt. Zur

Erzeugung der gewünschten Dynamikbenötigt der Gleichstrommotor sehr hoheStröme. Dies erforderte eine spezielleBerücksichtigung bei der Auslegung desSteuergeräts hinsichtlich der Strombelas-tung des Bordnetzes, der Wärmeableitungund des EMV-Verhaltens. Ergebnis ist einDesign, das über den gesamten Strompfad,beginnend von der Steckverbindung überden Leiterplattenaufbau, der Auswahl derpassiven Bauelemente bis hin zur Bord-netzkonfiguration in allen Punkten eineoptimierte Lösung darstellt.

Funktional ist das Ventilhubsteuergeräteine ausgelagerte Steuereinheit der DME.Sie hat jedoch einen eigenen Speicher, eige-ne Diagnoseroutinen und einen eigenenProzessor. Eine Online-Programmierungdes Ventilhubsteuergeräts ist über die DMEund die LOCAN-Schnittstelle möglich.

3.2.2 Der Exzenterwellen-Stellmotor

Die eigentliche Schnittstelle zwischen Elek-tronik und Mechanik ist der elektrischeStellmotor. Er wurde als Gleichstrommotormit Kollektor konzipiert, Bild 4. Gründe


Bild 2: Blockschaltbild der ME9.2 für N42

Figure 2: Block diagram of ME9.2 for N42

Bild 3: Geöffnetes Ventilhubsteuergerät

Figure 3:Valve-stroke control unit, open



dafür waren die mit dieser Konstruktion er-zielbare Leistungsdichte bei vorgegebenenPackage- und Dynamikanforderungen.

Einige wichtige Konstruktionsmerkmalesind der Rückschlusskörper als Tiefziehteil,das hintere Lagerschild mit eingepresstemLager, Wärmeableitblech und integriertemStecker. Die Übertragung der Motorbewe-gung auf die Verstelleinheit erfolgt übereine eingängige Schnecke.

Die Absicherung des Verschleißverhaltensdes Kohlekollektorsystems erfolgte an spe-ziellen Laboreinrichtungen unter Berück-sichtigung realistischer Belastungszyklen,die bei verschiedenen Fahrsituationen(Landstraße, Autobahn, Handlingskurs)aufgezeichnet wurden. Aus fertigungstech-nischer Sicht ist das Einhalten enger Tole-ranzen für den Kollektorrundlauf Vorraus-setzung für ein gutes Verschleißverhalten.Durch Optimierung mit Hilfe von DOEC(Versuchsplanung) konnte trotz hoher Leis-tungsdichte ein lebensdauerfester Antriebrealisiert werden.

3.2.3 Der Exzenterwellen-Sensor

Der Exzenterwellen-Sensor erfasst denDrehwinkel der Exzenterwelle und liefertsomit die Ist-Größe für die Regelung, Bild 5.Er ist am vorderen Ende der Exzenterwelleim Inneren des Zylinderkopfs angeordnetund überstreicht einen Winkel von 180°. Alsphysikalischer Effekt wird das magnetore-sistive Prinzip ausgenutzt, das eine Wider-standsänderung in einem Leiter, erzeugtdurch den Winkel zwischen einem Magnet-feld und der Stromrichtung in einen win-kelproportionalen Spannungswert, um-wandelt. Die Vorteile dieses Prinzips sinddie Robustheit des Systems gegen Tempe-ratureinflüsse, sowie eine große Toleranzgegenüber Lagefehlern von Geber und Sen-sor. Der Geber wird hierfür als Magnetradmit großen homogenen Feldbereichen undhoher Feldstärke ausgeführt.

Die Aufbereitung des Signals des magneto-resistiven Elements erfolgt direkt im Sen-sor, so dass an der Schnittstelle zum Steuer-gerät ein vorverarbeitetes digitales Signalvorliegt. Dies spiegelt die Anforderung anRobustheit und Störungssicherheit des Sen-sorsignals wider.

Der innere Aufbau des Sensors reflektiertsowohl die thermischen Beanspruchungenals auch die schwierige geometrische Ein-baulage. SMD Bauteile werden in einem Re-flow-Prozess auf eine doppelseitig bestück-te Flexfolie gelötet. Der Lötprozess, Lot, Bau-teilposition und -spezifikation wurden spe-

ziell auf die vorliegenden Hochtempera-turanforderungen angepasst. Hier wurdenneue Wege zur Prozessoptimierung und Zu-sammenarbeit zwischen Zulieferer und Au-tomobilhersteller beschritten.

3.2.4 Der Exzenterwellen-Lageregler

Grundbaustein des Exzenterwellen-Lage-reglers bildete ein Regelalgorithmus wiefür die Drosselklappen-Lageregelung be-kannt, jedoch war eine Weiterentwicklungan die Eigenheiten der Hubverstellung mitihrem stark nichtlinearen Verhalten erfor-derlich.

Einerseits wird eine hohe Stellgenauigkeitgefordert, um die Leerlaufluftmasse ausrei-chend genau zu stellen, andererseits mussder volle Verstellweg aus Dynamikgründenin kurzer Zeit gestellt werden. ZusätzlicheSoftwarelösungen waren der Schlüssel zueiner Reduzierung des Stromniveaus imhochdynamischen Fahrbetrieb. Ebenso ge-lang es auf diese Weise den Einfluss von

Wechselmomenten, die aus dem mechani-schen Umfeld des Ventiltriebs stammen,hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Regelei-genschaften zu minimieren.

3.3 Weitere Innovationen beiSensoren und Aktuatoren

Es gab auch bei den anderen Sensor- undAktuatorbauteilen eine konsequente Wei-terentwicklung. Ziel war es, die Technikin-halte zu optimieren und auf die Gegeben-heiten der neuen Motorengeneration anzu-passen. Beispielhaft ist die Umsetzung der„True Power On“- Funktion der Nockenwel-lensensoren der Vierzylindermotoren zunennen. In Verbindung mit einer entspre-chenden Gestaltung des Sensortargets wirdeine Reduzierung der Startzeiten erreicht.

Ein anderes Beispiel ist der Ölniveausensor.Hier wurde durch Entwicklung eines eige-nen ASICs eine höhere Integrationsdichteerreicht. Eine optionale Bestückoption für

Bild 4: Exzenterwellen-Stellmotor

Figure 4: Eccentric-shaftservo motor

Bild 5: Exzenterwellensensor

Figure 5: Eccentric-shaft sensor



einen Temperatursensor ersetzt einen eige-nen Öltemperatursensor. Das Öltempera-tursignal wird dem Ölniveausignal überla-gert und in der ME9 entsprechend vonein-ander getrennt ausgewertet. Eine weitereNeuentwicklung ist der zur Steuerung derTankentlüftung bei ungedrosselten Moto-ren notwendige Differenzdrucksensor. Be-sonders interessant ist bei diesem Teil diegeometrische Gestaltung, die es erlaubtden Sensor ohne Referenzluftschlauch undaufwändige Packagelösungen zu verwen-den.

Die Umsetzung des Common Plattform-Ge-dankens bei fast allen Bauteilen erzeugteneben wirtschaftlich interessanten Stück-zahlszenarien auch zusätzliche Sicherhei-ten in der Qualität der Bauteile durch An-wendung von größtenteils vollautomati-sierten Fertigungsanlagen.

3.3.1 Neue Kompaktzündspule

Die Entwicklung der neuen Zündspule fürdie Valvetronic-Motoren war zunächst mo-tiviert durch die packageseitig anspruchs-vollen Anforderungen. Hinzu kamen Kos-ten- und Gewichtsziele, die den Einsatz derbisher verwendeten 300g-Zündspule aus-schlossen. Die nun vorliegende Kom-paktzündspule, Bild 6, die zusammen mitder Firma Bremiker entwickelt wurde, er-füllt die geforderten Funktionen und Zieleund erweist sich, weil grundsätzlich auchbei den anderen Motoren einsetzbar, als ge-eignete Komponente zur Umsetzung einereinheitlichen Zündungsplattform.

Zusammenfassend lassen sich, neben derbereits erwähnten Packagevorteile durchdie vorliegende konzentrische Bauweiseder Kompaktzündspule und der breitenEinsetzbarkeit noch weitere Vorteile nen-nen:– optimierte EMV (Elektromagnetische

Verträglichkeit)– verbesserte Kerzennebenschluss-Sicher-

heit– erhöhte Leistungsdichte– geringes Gewicht– höherer Wirkungsgrad.

Zusammen mit den auch am N42 einge-setzten und bisher bestens bewährtenGleitfunkenzündkerzen mit vier Elektrodenvon NGK und Bosch bietet das vorliegendeZündsystem ein robustes verbrennungssta-biles und zuverlässiges Zündverhalten. ImSinne des BMW OBD-Absicherungs-Kon-zepts dient es als wichtiger Bestandteil umVerbrennungsaussetzer auch unter widri-gen Bedingungen – wie zum Beispiel beimWiederholstart – zu vermeiden. Abhängig

von den Serviceanforderungen in den ver-schiedenen Ländern kommt diese Einheits-Zündkerze entweder als Longlife-Zündker-ze mit Platin-Inlay zum Schutz vor frühzei-tigem Elektrodenabbrand für eine Stand-zeit von 100.000 Meilen, oder ohne Platinals Zündkerze mit einer Standzeit bis zu60.000 km zum Einsatz.

3.3.2 Generatorregler mit digitalerSchnittstelle zur Motorsteuerung

Die zunehmende Reduzierung der motorin-ternen Reibung erfordert beim N42 gezielteMaßnahmen zur Kompensation von Stör-größen, die über den Riementrieb auf dieLeerlaufregelung einwirken. Durch dieKenntnis der jeweiligen Last an der Kurbel-welle, hervorgerufen durch den Generator,kann bereits die Stabilität der Leerlaufrege-lung erhöht werden.

Eine Voraussetzung für die Generatorlast-ermittlung in der DME ist eine Schnittstellezwischen der Motorsteuerung und dem Ge-neratorregler, der die Last entsprechend der

Anforderung aus dem elektrischen Bord-netz einstellt. Deshalb setzt mit den beimValvetronic-Motor verwendeten Generato-ren erstmalig ein neuentwickelter Genera-torregler mit BSD-Schnittstelle ein, Bild 7.Im Zusammenspiel zwischen Generatorund DME ermöglicht diese Schnittstelle so-wohl die Abfrage aktuell im Generator er-mittelter Messwerte, als auch die Vorgabeverschiedener Reglerparameter von derDME aus. Nach dem Master-/Slave-Prinzipkontrolliert die DME als Master den Kom-munikationsablauf.

Eine regelmäßige Abfrage erfolgt beispiels-weise beim DF-Signal (Dynamo-Feld, ist zu-sammenhängend mit der elektrischen Erre-gung, somit zum abgegebenen Strom). Esdient, abhängig von der jeweiligen Genera-torerregung, als Eingangssignal in ein inder DME hinterlegtes Rechenmodell und er-laubt die Ermittlung des Drehmoments, dasder Generator aktuell an der Kurbelwelleabnimmt. Der ermittelte Drehmomentver-lauf wiederum ermöglicht eine Störgrößen-

Bild 6: Kompaktzündspule

Figure 6: Compact ignition coil

Bild 7: Systembild Verbund Generator mit DME über BSD-Schnittstelle

Figure 7: Block diagram of system relationship between alternator, DME, computer model, alternator torque



kompensation innerhalb der Leerlaufrege-lung. Somit lassen sich Leerlaufschwan-kungen infolge von elektrischen Last-schwankungen im Bordnetz gezielt vermei-den. Weitere Parameter, die von der DMEabgefragt werden, sind: Generatorgröße(codiert im Reglersilizium) und Diagnosein-formationen, die als Input in die Fehlerspei-cherung der DME dienen.

Je nach funktionalen Anforderungen (zumBeispiel Leerlaufregelung, Batterieladecha-rakteristik) kann ferner über verschiedeneVerstellparameter die DME auch das Load-Responseverhalten (verzögertes Reagierenauf Lastschwankungen) im Generator ein-stellen oder auch die vom Generatorreglergeregelte Generatorspannung vorgeben.Abhängig von der zugrunde liegendenFahrzeugapplikation und von der im Auf-trag des Kunden integrierten elektrischenAusstattung des Fahrzeugs sind zwei ver-schiedene Generatorgrößen für eine ausge-glichene Batterieladebilanz erforderlich. Essind dies derzeit Generatoren von Bosch,später auch von VALEO als 90A-Variantefür die Grundausstattung und eine 120A-Variante für die gehobene Ausstattung.

3.4 Steuerung- und Regelung der Valvetronic

Die Valvetronic ließ sich nur in einemganzheitlichen Ansatz realisieren. Das Sys-tem umfasst auch die komplette Funk-tionslogik. Nachdem BMW dieses Gebiet zuseinen Kernkompetenzen zählt, wurden diewesentlichen Teile der Funktionalitäten,die zur Valvetronic gehören, im Haus ent-wickelt.

Eine strategische Entscheidung war es, dieDME nicht wie beim Vorgängermotor [3]vollständig selbst zu entwickeln (SW undHW). Es fand eine Arbeitsteilung zwischenBMW und Bosch statt: BMW übernahm dieEntwicklung der für die Valvetronic erfor-derlichen Steuerungs- und Regelungsfunk-tionen. Bosch steuerte die Plattform (ME9.2)in Hardware und die nicht wettbewerbsre-levanten Funktionen, sowie die Grundsoft-ware bei. BMW konnte – und nutzte dieseMöglichkeit auch ausführlich – eigene Pro-grammstände erzeugen. Die Integration indie offiziellen Entwicklungsstufen und inden Serienprogrammstand übernahm voll-verantwortlich die Firma Bosch. Diese Zu-sammenarbeit erforderte jeweils Zugangs-möglichkeiten zum Quellcode.

Bei der Valvetronic-Funktionsentwicklungwurden, so weit dies möglich war, dieFunktionalitäten der ME7.2, die beim BMW-

Achtzylindermotor in Serie ist [4], erweitertund an die neuen Rahmenbedingungen an-gepasst. Zusätzlich wurden vollständigneue Funktionsmodule entwickelt, um diePotenziale der Valvetronic vollständig aus-zuschöpfen. Diese Vorgehensweise führtezu einer deutlichen Minimierung des Auf-wands bei gleichzeitig hoher Funktionssi-cherheit.

Der modulare Ansatz macht die ME9 auchfür Drosselmotoren geeignet. Die Komple-xitätssteigerung des Gesamtsystems lässtsich anschaulich durch die Zunahme der zuapplizierenden Funktionen und Labels ver-anschaulichen, Bild 8. Auf einige wesentli-che Funktionalitäten wird im Folgendeneingegangen.

3.4.1 Momentenstruktur

Die Beherrschung einer Laststeuerung mitvier unabhängigen Stellgliedern gegenüberbislang zwei beim BMW-Achtzylindermo-tor, lässt sich ohne eine momentenbasierteMotorsteuerung nicht mehr denken. DieStruktur wurde im Wesentlichen vomAchtzylindermotor übernommen. Erhebli-che Weiterentwicklung musste beispiels-weise an den Funktionen für die Berech-nung des Ist-Moments geleistet werden.Auch die Annahme eines einheitlichenZündhakens ist für den Valvetronic-Motornicht mehr zulässig.

3.4.2 Füllungssteuerung

Bei der Valvetronic werden alle Stellgliedermit Soll-Werten adressiert. Der Fahrer-wunsch (Moment) wird in eine Soll-Füllung

umgerechnet, die wiederum Basisgröße fürdie Stellung der Stellglieder ist. Haupt-Last-stellglieder im drosselfreien Betrieb sindder Hub und die Einlass-Spreizung. Fül-lungsseitig wird im Wesentlichen eineSteuerung des Einlassschließens ge-wünscht, die aber eine Hubverstellung mitsymmetrischer Hubkurve allein nicht reali-sieren kann. Es ist daher ständig eine Koor-dination mit der Einlass-Spreizung erfor-derlich, um die optimale Lage von Einlass-Öffnen und -Schließen zu realisieren.

Die Auslass-Spreizung richtet sich im We-sentlichen nach dem Bedarf an Restgas. DieDrosselklappe wird so vorgesteuert, dasssich ein geringer, nicht wirkungsgradver-schlechternder Unterdruck von 50 mbar fürdie Tankentlüftung einstellt. Die Druck-steuerung wurde weiterentwickelt, umauch bei diesem niedrigen Soll-Druckver-hältnis eine schwingungsfreie Drosselklap-penregelung zu realisieren. Abweichungenvom Soll-Druck werden mit einem PI-Reg-ler ausgeregelt, wofür der Saugrohrdiffe-renzdrucksensor unter anderem dient. Zwi-schen den Stellfunktionen der einzelnenStellglieder liegen Querwirkungen vor, diephysikalische Abhängigkeiten berücksich-tigen, aus Übersichtlichkeitsgründen je-doch nicht dargestellt sind, Bild 9. Alle die-se Funktionen sind Neuentwicklungen vonBMW, die über Patente abgesichert wur-den, zum Beispiel [5].

3.4.3 Saugrohrmodell

Für die Beschreibung der meisten physika-lischen Prozesse ist in der Funktionswelt

Bild 8: Zahl der Funktionen und Labels bei M43 und N42

Figure 8: Number of functions and labels for M43 and N42



die Kenntnis der bei „Einlass-Schluss“ imZylinder befindlichen Luftmasse von aus-schlaggebender Bedeutung. Sie wird übli-cherweise in Prozent eines auf Normzu-stände bezogenen Zylinderinhalts angege-ben und in der ME9 mit rl (relative Last) be-zeichnet. Sie wird aus der am Heißfilmluft-massenmesser (HFM) gemessenen Luft-masse berechnet. Dynamisch ist beim Dros-selmotor herkömmlicher Bauart das Saug-rohr zu berücksichtigen, was durch ein ein-faches Befüll- und Entleermodell geschieht.Benötigt werden als Eingangsgrößen fürdieses Modell der Saugrohrdruck, der eben-falls modellhaft ermittelt wird, der Restgas-partialdruck und ein Skalierungsfaktor.

Der Valvetronic-Motor kann mit diesemModell nicht mehr beschrieben werden, dader Saugrohrdruck kein Maß mehr für dieim Zylinder befindliche Luftmasse darstellt.Im vollständig drosselfreien Fall ist gar keinModell mehr nötig. Das gemessene HFM-Signal muss nur in eine Füllung umgerech-net werden, was keine modelliertenGrößen bedingt. Wie bereits oben erwähnt,wird aber für die Tankentlüftung ein gerin-ger Unterdruck eingestellt, der im ganzenBetriebskennfeld mit Ausnahme der Voll-last gehalten wird. Die Beherrschung derÜbergänge erforderte ein neues Modell, dasdie Befüll- und Entleervorgänge des Saug-rohrs, die vom HFM mit erfasst werden,korrekt beschreibt. Der ohnehin vorhande-ne Differenzdrucksensor wurde für dieses

Modell genutzt. Der Überschwinger des un-korrigierten Lastsignales würde zu einemsignifikanten Fettausflug des Gemischsführen, der durch die Druckkorrektur voll-ständig vermieden wird, Bild 10. Das BMW-Saugrohrmodell wurde im Sinne eines Bau-kastens zusätzlich so erweitert, dass es denDrosselmotor mit Doppel-VANOS ebensobeschreibt.

3.4.4 Inverses Saugrohrmodell

Bei der Beschreibung der Füllungssteue-rung wurde darauf hingewiesen, dass dieAdressierung der Stellglieder mit Soll-Wer-

ten erfolgt. Es muss sichergestellt sein, dassdiejenigen Größen, die mit Hilfe des HFM-Luftmassensignales gewonnen werden,wie zum Beispiel die Zündwinkel, zu denFüllungseinstellungen korrespondieren.Dies wird durch die in Bild 11 beschriebeneStruktur erreicht.

Die Ist-Werte der Füllungsstellglieder wer-den in ein inverses Füllungsmodell rückge-lesen und aus diesem ein „Ist-Luftmas-senstrom“ gerechnet. Die Differenz von ge-messenem und gerechnetem Luftmas-senstrom trainiert ein adaptives physika-

Bild 9: Funktionsbeschreibung Inverses Saugrohrmodell

Figure 9: Functional description of inverse intake manifold model

Bild 10: Dynamisches Verhalten des Lastsignals

Figure 10: Diagram of dynamic behaviour of the load signal



lisch/neuronales Korrekturmodell (Hybrid-Modell). Es liefert Korrekturgrößen für Soll-Füllung und berechneten Luftmassen-strom. Dadurch werden zum Beispiel Ab-weichungen des ausgegebenen Zündwin-kels vom Bestwert verhindert. Die einerphysikalischen Beschreibung einfach zu-gänglichen Effekte werden in diesem Mo-dell auch physikalisch abgebildet und ap-pliziert. Die motorindividuellen Effekte,zum Beispiel aufgrund von Bauteiltoleran-zen, sowie einige nur schwer beschreibbareEffekte, insbesondere Temperatureffekte,werden durch das neuronale Netz (NN) aus-geglichen. Die Konstruktion als Hybridmo-dell erlaubte eine ausgewogene Mischungaus erfahrungsbasierter Applikation underträglichem Aufwand zur Vermeidung ei-nes möglicherweise problematischen Ex-trapolationsverhaltens des Netzes.

Die guten Erfahrungen mit dem Netz ha-ben dazu geführt, dass mittlerweile auchweitere Adaptionen darauf umgestellt wer-den, zum Beispiel die Klopfregeladaption.

4 Entwicklungsmethodik

Die Motorsteuerfunktionen mussten fürden Valvetronic-Motor weitgehend ohneRückgriff auf vorhandene Software neuentwickelt werden. Mit einem in der Ver-gangenheit noch erfolgreichen Verfahren,die Funktionen in Prosa zu formulieren, das

Ergebnis am Vollmotor zu testen und wei-terzuentwickeln, war das Projekt nicht inder vorgegebenen Zeit zu realisieren. Es gabkeinen Vollmotor, der als Testobjekt hättedienen können. Trotzdem musste ab demersten fertig gestellten Versuchsmotor einMotorbetrieb für die Entwicklung der Bau-teile realisiert werden. Dies bedingte denkonsequenten Einsatz von hoch effizientenEntwicklungstools.– MATLAB wurde als universelles Berech-

nungstool zur Modellierung und Simu-lation von Funktionen, Auswertung vonMessdaten für komplexe Zusammen-hänge, Erstellung von physikalischenModellen – wie etwa Streckenmodellefür SIL-Simulationen – verwendet.

– ASCET-SD kam für die Steuergeräte-Code nahe Spezifikation von Funktio-nen und ebenfalls für Simulations-zwecke zum Einsatz. Teilweise wurdenFunktionen auf Basis von ASCET-Model-len auch autocodiert.

– LABCAR wurde für HIL-Tests von Funk-tionen und Programmständen im Se-riensteuergerät und in geringem Um-fang auch zur Erstapplikation angewen-det.

– INCA kam als Applikationstool zum Ein-satz. BMW war dabei Pilot-Anwendervon INCA 2.x, das mittlerweile von INCA3.x abgelöst wurde.

– Die Koppelung von ASCET und MATLAB(für SIL-Simulation).

– Die Koppelung von INCA und MATLAB,

zum Beispiel für Ersttests von Funktio-nen ohne Codieraufwand. Die Funktionwird in MATLAB realisiert und über dieINCA/MATLAB-Schnittstelle oder dieINCA/Steuergeräteschnittstelle (ETK)online in den Funktionsablauf einge-bunden. Außerdem werden komplexeMessaufgaben mit dieser Koppelungrealisiert, wofür weiter unten ein Bei-spiel gegeben wird.

– Eine zukünftige Erweiterung ist dieNutzung von MATLAB-Modellen imLABCAR der neuen Generation (ASCET-SD kompatibel). Dies wird die Qualitätund Bereitstellung von Streckenmodel-len wesentlich verbessern, sowie derenErstellung vereinfachen (zum Beispielneuronale Streckenmodelle).

Nicht nur die Funktionsentwicklung, son-dern insbesondere auch die Datenapplika-tion benötigte aufgrund der hohen Dimen-sionalität der Steuer- und Regelungsein-griffe neue Methoden. Hier zog das Projekterheblichen Nutzen aus der „modellge-stützten Kennfeldoptimierung“ [6], einerBMW-Eigenentwicklung auf Basis statisti-scher Versuchsplanung und künstlichenNeuronalen Netzen.

4.1 Beispiel einer INCA/MAT-LAB-Koppelung

Die konventionelle Versuchsmethode er-mittelt den Zündhaken durch stufenweise

Bild 11: Füllungssteuerung

Figure 11: Charge control system



Verstellung der Zündung bei konstanterFüllung und Messung des Drehmomentsan der Motorbremse. Meistens wird dabeizur genauen Findung des Optimums aucheine Verbrauchsmessung eingeschlossen.Dieser Vorgang ist sehr zeitaufwändig. Umzu gewährleisten, dass der Prüfling und/oder die Messeinrichtung über den langenMesszeitraum konstant bleiben, müssenimmer wieder Referenzpunkte angefahrenwerden. Da wie erwähnt kein einheitlicherZündhaken mehr gilt, erhöht sich der Auf-wand beim Valvetronic-Motor noch erheb-lich. Mit der INCA-MATLAB-Koppelungkonnte aber eine wesentlich schnellereVersuchsdurchführung erreicht werden.Der Versuchsplan wurde durch den Appli-kateur selbst in MATLAB programmiert,ohne dafür Aufwand in der Prüfstands-Au-tomatisierung zu spendieren. Durch einequasi-stationäre Zündwinkelvariation (vor-wärts/ rückwärts) mit Messung lediglichdes Drehmoments wurde die Zündhaken-messung auf weniger als einen Arbeitstagreduziert. Der Zündhaken wird durch eineAusgleichskurve 2. Ordnung gefunden. ZurZeit steckt der Aufwand noch in der Excel-basierten Auswertung, Bild 12, deren Um-stellung auf ein Matlab-basiertes Tool auchdies wesentlich vereinfachen wird.

4.2 Function Pool

Der Aufwand, der für neue und weiterent-wickelte Funktionen zu leisten ist, nimmteinen sehr großen Teil der Kapazität in An-spruch. Zusätzlich erschwert wird der Pro-zess dadurch, dass viele verschiedene Orga-nisationseinheiten an diesem beteiligt unddie verfügbaren Ressourcen begrenzt sind.Für eine geordnete Abarbeitung der Funkti-onsentwicklung wurde eine fachspezifi-sche Struktur geschaffen, die auf eine Aus-tauschbarkeit und Mehrfachnutzen vonFunktionen achtet. Nur so lassen sich paral-lele Projekte steuern. Dieser Function Poolgenannte Ansatz trägt außerdem für die in-terne Information bei BMW die Verantwor-tung. Die Schnittstelle nach außen zu denEntwicklungspartnern bleibt jedoch das je-weilige SE-Team.

4.3 Automatisierte Kabelbaumfertigung

Die komplexe Technik der Valvetronic-Mo-toren erfordert, wie bereits dargestellt,neue Methoden und Hilfsmittel zur Beherr-schung dieser Komplexität. Gerade wegendes erhöhten Verkabelungsaufwands, aberauch im Sinne einer Qualitätssteigerung,wurde erstmals für den neuen Vierzylin-dermotor, zusammen mit der Firma Delphi,

ein Automatisierungskonzept zur Herstel-lung von Motor-Kabelsätzen umgesetzt.

Eine wirtschaftliche automatisierte Kabel-satzfertigung wird weitgehend durch dasAutomatenkonzept bestimmt. Auf dieserGrundlage musste im ersten Schritt die bis-herige Kabelbaumstruktur aufgebrochenund in Funktionsuntergruppen (Module)zerlegt werden, Bild 13. Außerdem warendie Steckergehäuse zu modifizieren und einautomatengerechtes Verbindersystem zuentwickeln. Die daraus entstanden Teil-module mit jeweils maximal 30 Leitungen,einer überschaubaren Anzahl von verschie-denen Steckergehäusen und Kontaktteilensowie einer standardisierten Reihe unter-schiedlicher Leitungsquerschnitte sind da-durch in großen Stückzahlen auf dem Auto-maten fertigbar. Die bisher üblichen Hand-steckvorgänge konnten so um 85 % redu-ziert werden. Somit ist es gelungen, dassbei den Funktionsmodulen alle Kontakttei-le bereits in ihren Gehäusen gesteckt und

verriegelt – also geschützt – sind. Dies führtzu einer erheblichen Verbesserung der Be-stückungsprozesse (Leitungen, Kontakttei-le, Gehäuse) gegenüber den traditionellenFertigungsabläufen und somit zu einerdeutlichen Qualitätssteigerung.

Mit vielen innovativen Detaillösungen,speziell bei den Umhüllungen, den Schäch-ten und den Dichtsystemen, konnte diesesZiel – auch unter wirtschaftlichen Gesichts-punkten – voll erreicht werden.

Neben der Qualitätssteigerung durch Ver-meidung von Handarbeitsplätzen und Ab-sicherung des Herstellungsprozesses wirddie automatisierte Kabelbaumfertigungein wichtiger Bestandteil für die Zukunftsein, um in der Elektrik eine durchgängigeCAx-Toolkette von der Verschaltungsanfor-derung (CATIA Wiring) über den geometri-schen Integrationsprozess (GRIVAD /PRIS-MA) bis hin zur automatisierten Testumge-bung zu schließen, Bild 14.

Bild 12: Zündhakenermittlung

Figure 12: Determination of ignition sweep

Bild 13: Modularer Kabelbaum

Figure 13: Drawing of modular wiring harness


5 Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem neuen Vierzylindermotor im neu-en BMW Kompakt feiert eine neue Techno-logie zur Laststeuerung des OttomotorsWeltpremiere, die BMW Valvetronic.

Die Beherrschung der zunehmenden Kom-plexität war nur möglich durch ein Zusam-menwachsen des Maschinenbau-, des Steue-rungs- und Regelungstechnik- und des Elek-trik-/Elektronik-Know Hows. Neue Entwick-lungsmethoden führten außerdem zu einerraschen und sicheren Abarbeitung. Der neueVierzylinder-Valvetronic-Motor ist dabei nurder erste Schritt. Er ist die Basis für eine neueMotorenfamilie – nicht nur bei der Hard-ware, sondern auch bei der Funktionalität.

Literaturhinweise

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Kennfeldoptimierung – Ein Ansatz zur Steige-rung der Effizienz in der Steuergeräteapplika-tion. ATZ Heft 3 (2000)

Bild 14:Toolkette Verbindungstechnik

Figure 14:Tool chain of wiring harness technology

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Die Steuerung der neuen BMW Valvetronic-Motoren

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