Powertrain Instrumentation and Test Systems
2016, Powertrain
https://doi.org/10.1007/978-3-319-32135-6Abstract
The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.
References (158)
- References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2 Types of Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
- 1 Combustion Engine Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
- 1.1 Scope of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.1.2 Setup of a Test Bed for Internal Combustion Engines . . . . . .
- 2.1.3 Steady-State Engine Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.1.4 Non-Steady-State Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.1.5 Research Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.1.6 Special-Purpose Engine Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2 Component Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
- 2.1 Test Beds for Components of Internal Combustion Engines . . . .
- 2.2.2 Test Beds for Hot Gas Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.3 Test Beds for Transmission Components . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.4 Starter Motor Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.5 Electric Motor Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.6 Inverter Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.7 Battery Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.2.8 Fuel Cell Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
- 3 Control Unit Test Beds (HiL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
- 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.3.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.3.3 Control Unit Component Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.3.4 Control Unit Integration Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 ix 2.3.5 Test Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.3.6 Model-Based Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
- 4 Powertrain Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
- 4.1 Powertrain Test Beds with Internal Combustion Engine . . . .
- 2.4.2 Powertrain Test Beds with a Prime Mover as Drive Unit . . .
- 2.4.3 Hybrid Powertrain Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
- 5 Vehicle Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
- 5.1 Chassis Dynamometers for Emissions Development and Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.5.2 Chassis Dynamometers for Fuel Consumption and Performance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.5.3 Chassis Dynamometers for Endurance and Durability Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.5.4 Chassis Dynamometers for NVH Analysis . . . . . . . . . . . . . .
- 2.5.5 Chassis Dynamometers for EMC Analysis . . . . . . . . . . . . . .
- 2.5.6 Chassis Dynamometers for Advanced Applications . . . . . . .
- 2.6 Racing Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
- 6.1 Engine Test Beds for Racing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.6.2 Component Test Beds for Racing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
- 7 Emission Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
- 7.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.7.2 Exhaust Emissions Testing for Passenger Cars on the Chassis Dynamometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 2.7.3 Exhaust Emissions Testing for Commercial Vehicles . . . . . .
- 2.7.4 Exhaust Emissions Testing for Non-Road Engines . . . . . . . .
- References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
- Hardware Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
- 1 Test Bed Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
- Isolated Base Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.1.2 Mounting Systems and Pallet Systems for Units Under Test . . .
- 3.1.3 Shaft Connections and Safety Covers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.1.4 Shaft Dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
- 2 Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
- 2.1 Mechanical Load Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.2.2 Other Mechanical Load Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.2.3 Electric Load Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.2.4 Climate/Media Conditioning Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
- 3 Measuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
- Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.2 Measuring Electrical Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.3 Strain Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.4 Force and Pressure Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.5 Acceleration Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.6 Torque Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
- Speed Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.3.8 Fuel Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
- 9 Air Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
- 3.10 Oil Consumption Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
- 3.11 Ignition Timing Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
- Lambda Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
- 3.13 Exhaust Emission Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
- 3.14 Particulate Measurement and Exhaust Gas Opacity . . . . . . . . 209
- 3.15 Swirl and Tumble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
- Indicating Measurement Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
- 3.17 Fuel Cell Measurement Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
- 4 Errors and Accuracy of Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.1 Measuring Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.2 Effect of the Sensor Installation Location . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.3 Measurement Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.4 Interpolation Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.5 Calibration and Adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.4.6 Electromagnetic Compatibility (EMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
- 5 Bus Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
- 5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.5.2 CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.5.3 PROFIBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.5.4 Industrial Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.5.5 Further Vehicle Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
- 6 PC Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
- 6.1 RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.6.2 RS422 and RS485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.6.3 Ethernet, TCP/IP and UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.6.4 USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.6.5 IEEE1394 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 3.6.6 VXI, VISA, PXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4 Software Perspective: Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
- 1 Software Architecture and Interface Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
- 1.1 Software Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
- 1.2 Interface Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
- 2 Measurement Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
- 2.1 Types of Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
- 2.2 Acquisition Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
- 2.3 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.2.4 Modal Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
- 2.5 Data Preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
- 3 Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
- 3.1 Signal Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
- 3.2 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
- 3.3 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.3.4 Limit Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
- 3.5 General Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
- 3.6 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
- Data Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
- 4.1 Steady-State Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
- 4.2 Continuous Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
- 4.3 Post-mortem Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
- 5 Test Bed Control and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
- 5.1 Control Systems on the Internal Combustion Engine Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
- 5.2 Powertrain Test Bed Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
- 5.3 Control on the Chassis Dyno Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.5.4 Simple Vehicle Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.5.5 Virtual Test Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
- 5.6 Virtual Vehicle Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
- 5.7 Residual Bus Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
- 6 Test Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
- 6.1 Test Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
- 6.2 Test Bed State Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
- 6.3 Automatic Control Unit Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
- 7 Measured Data Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
- 7.1 Selection of Measurement Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
- 7.2 Measured Data Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
- 7.3 Data Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.7.4 Formulas and Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
- 7.5 Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
- 7.6 Efficiency Enhancement in Data Evaluation . . . . . . . . . . . . . 369
- 8 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
- 8.1 Risk Analysis and Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
- 8.2 Risk Analysis on Test Beds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
- 8.3 Safety-Relevant Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 4.8.4 Safety Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
- 8.5 Safety Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
- 8.6 Setup of Safety Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 xii Contents 5 Software Perspective: The Test Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
- 1 Introduction to the Test Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 5.1.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.1.2 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.1.3 Test Facility Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
- 2 Workflow Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 5.2.1 Task Scheduling in the Test Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.2.2 Utilization Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
- 3 Resource Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 5.3.1 Test Equipment Management Requirements . . . . . . . . . . . . .
- 5.3.2 Application Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 5.3.3 Test Equipment Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.3.4 Test Equipment Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.3.5 Sensor Calibration Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
- 4 Data and Information Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 5.4.1 Result Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.4.2 Calibration Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.4.3 Model Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 5.4.4 Name Management in the Test Facility . . . . . . . . . . . . . . . . 405 5.4.5 Result Data Warehouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
- 5 Data Management in Distributed Test Facilities . . . . . . . . . . . . . . . .
- References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411