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Dieselmotoren fit für neue Technologie

J 1939 für Dieselmotoren der Stufe V

In diesem Jahr wird die neue EU-Abgasverordnung für industrielle Dieselmotoren Stufe V aktiv. Die sich aus dieser Regelung ergebenden Anforderungen an das Motormanagement können von mechanisch gesteuerten Motoren nicht mehr erfüllt werden. Moderne, elektronisch geregelte Dieselmotoren sind somit die aufkommende Technologie der Industriemaschinen ab 2019.

Solche Motoren bieten eine ganze Reihe neuer Optionen, die ein neues Maß an Komfort für den Endverbraucher bieten. Sie sind nicht mehr nur auf mechanische oder elektrische Signale angewiesen - sie können durch digitale Befehle gesteuert werden und senden auch Informationen über ihren aktuellen Zustand. Befehle und Statusinformationen werden nicht mehr über analoge Verbindungen, sondern über einen digitalen Bus - den CAN-Bus - übertragen, da die meisten Hersteller gezwungen sind, von mechanischen auf elektrische Motoren umzusteigen, kommen viele von ihnen erstmals mit dem CAN-Bus in Berührung.

Der defacto-Standard ist ein CAN-Bus mit SAE J1993-Protokoll, der sich in der Automobilindustrie bestens bewährt hat.

Die Norm definiert einen Satz von Nachrichten und die Daten, die mit jeder Nachricht übertragen werden. Es können maximal 254 Teilnehmer an einen CAN-Bus angeschlossen werden. Diese sind entweder Master oder Slave und haben in der Regel eine vordefinierte, feste und eindeutige Adresse. Sie kommunizieren mit einer festen globalen Busgeschwindigkeit von 125 kBit/s, 250 kBit/s oder 500 kBit/s und werden mit Informationen in Nachrichten verpackt.

Es wird erwartet, dass die meisten J1939-Nachrichten als „Broadcast“ gesendet werden. Das bedeutet, dass jedes am Bus angeschlossene Gerät diese Daten lesen kann. Ein Vorteil dieser Technik ist, dass weniger Anforderungsnachrichten benötigt werden, was die Bandbreite für andere Daten spart. Dennoch können Nachrichten an bestimmte Adressen gesendet werden.

CAN-Nachrichten besitzen einen 29-Bit-Identifier und einen 8-Byte-Datenrahmen.

29 bit Identifier (ID)

8 byte Data Frame

Die ID hat ein 3-Bit-Prioritätsfeld, ein 18-Bit-PGN (Parameter Group Number) und eine 8-Bit-Quelladresse.

3 bit priority

18 bit PGN

8 bit source address

Die Priorität kann von 0 bis 7 liegen, wobei 0 die höchste Priorität ist. Wenn ein Teilnehmer versucht, eine Nachricht zu senden und eine Nachricht von einem anderen Teilnehmer mit höherer Priorität liest, stoppt er seine eigene Übertragung. Das bedeutet, dass theoretisch Teilnehmer mit hoher Priorität die Buskommunikation blockieren können, wenn sie viele Nachrichten senden.

PGNs werden zudem in vier Bereiche unterteilt. 1 Bit ist reserviert, die Datenseite hat auch 1 Bit, 8 Bit PDU-Format und ist ebenso 8 Bit PDU-spezifisch.

CAN-Datentypen werden durch eindeutige so genannte SPNs (Suspect Parameter Number) identifiziert. Diese SPNs haben eine unterschiedliche Länge, je nachdem, welche Daten sie enthalten. Die Motordrehzahl (SPN 190) hat z.B. eine Länge von 2 Byte, wobei der Motorstarter-Modus (SPN 1675) nur 4 Bit benötigt. Diese sind nicht lang genug, um den gesamten 8-Byte-Datenrahmen zu füllen. Für eine effiziente Buskommunikation werden daher mehrere SPNs zu PGNs zusammengefasst. Der PGN61444 enthält den Motordrehmomentmodus (SPN899), den Fahrerbedarfsmotor % Drehmoment (SPN 512), das tatsächliche Motordrehmoment (SPN 513), die Motordrehzahl (SPN 190), die SA der Steuervorrichtung für die Motorsteuerung (SPN 1483), den Motorstartmodus (SPN 1675) und den Motorbedarf % Drehmoment (2432) in seinem Datenrahmen.

1 bit Reserved

1 bit data page

8 bit PDU Format

8 bit PDU Specific

Leider interpretieren verschiedene Motorenhersteller die Norm unterschiedlich. Das bedeutet, dass für bestimmte Funktionen jeder Motortyp eine andere Implementierung benötigt. Die TSC1-Meldung enthält z.B. Informationen über die gewünschte Drehzahl und das gewünschte Drehmoment. Es enthält auch bestimmte Steuerbits und Bitpositionen, die nicht definiert sind. Diese Bits werden unterschiedlich verwendet und Botschaften in unterschiedlichen Wiederholraten gesendet.

Das ist aber noch nicht alles. Motorenhersteller verwenden zwei Techniken oder eine Kombination aus beidem, um das Problem der Emissionen von Dieselmotoren anzugehen - Selective Catalytic Reduction (SCR) und Dieselpartikelfilter (DPF). Zur Verwaltung werden einige neue Funktionen und CAN-Nachrichten benötigt, auch hier halten sich die Motorenhersteller nicht an einen einzigen Standard. Im Nachfolgenden wird viel Wissen benötigt, um die Steuermechanismen für bestimmte Motorentypen zu realisieren.

Für SCR muss eine Steuerung, die mit der Motorsteuereinheit (ECR) kommuniziert, den Katalysatorpegel und bestimmte sich wiederholende Warnmeldungen anzeigen, die über einen abnormalen Zustand informieren.

Die DPF-Funktionen für die Steuerung sind etwas komplexer. Ein DPF kann sich mit Ruß und Asche verstopfen. Eine häufig verwendete Gegenmaßnahme ist die Regeneration durch eine hohe Abgastemperatur, die Ruß verbrennt. Im Automobilbereich geschieht dies automatisch, wenn Autos mit einer bestimmten Geschwindigkeit fahren, aber Industriemaschinen werden oft mit einer festen Motordrehzahl betrieben. Das bedeutet, dass die Regeneration in diesem Bereich viel weniger intuitiv ist. Es können verschiedene Regenerationsstufen verwendet werden, aber nicht alle werden von allen Motorenherstellern verwendet. Wenn die ECU erkennt, dass eine Regeneration benötigt wird, sendet sie eine Statusaktualisierung mit der zugehörigen Eskalationsstufe über eine DPFC1-Nachricht über den CAN-Bus. Die Steuerung muss dann verschiedene Aktionen durchführen und den Regenerationsbefehl per CM1-Nachricht senden.

Die unterste Stufe ist die passive Regeneration. Das bedeutet, dass der Motor während des Betriebs regeneriert werden kann, wenn eine bestimmte Motorlast eingestellt ist. Eine Steuerung muss den Endverbraucher informieren, die aktuelle Last zu halten oder zu erhöhen, bis die Regeneration abgeschlossen ist.

Die aktive Regeneration ist die nächst höhere Ebene, auf der die Maschine in einen definierten Regenerationszustand gebracht werden muss, der keinen normalen Betrieb mehr zulässt. Einige Motortypen erfordern, dass innerhalb der CCVS-Nachricht ein Parkbremse-Status gesendet wird. Andernfalls wird die Regeneration nicht gestartet.


Diese Regenerationsanforderungen können unterdrückt (absichtlich ignoriert) werden. Dies kann zu einem völlig verstopften Filter führen, der keine Abgasnorm erfüllt. Das Motorsteuergerät stoppt dann entweder den Motor oder begrenzt seine Drehzahl auf ein Niveau, das den Normalbetrieb nicht zulässt. Hier kommt die höchste Regeneration zum Einsatz. In der Regel ist ein Motortechniker erforderlich, der einen sehr spezifischen Regenerationsvorgang nur mit einem speziellen Servicetool starten kann.

Eine Steuerung, die für die Stufe V bereit ist, muss auch Informationen über den aktuellen Regenerationsstatus, die Rußbeladung, die Aschebeladung und Warnungen vor hohen Abgastemperaturen anzeigen, die während der Regeneration auftreten und Personen oder Geräte in der Nähe des Auspuffrohrs schädigen können.

Eine letzte Schwierigkeit bei CAN-Nachrichten besteht darin, dass sie in der Regel im HEX-Format kodiert und damit für den Menschen schwer zu interpretieren sind, weshalb Endanwender von einem HMI profitieren, das diese Nachrichten in Klartext übersetzt.

Die ehb electronics gmbh (ehb-electronics.com) bietet ein solches HMI für Motoren mit CAN-Bus an - die CANarmatur. Das Gerät ermöglicht Benutzern das Starten und Stoppen eines Motors, zeigt Motordaten in einem für den Menschen lesbaren Format an. Es ermöglicht dem Benutzer, die Motordrehzahl zu ändern und kann vom Anwender parametriert werden. Die CANarmatur ist vorbereitet für Stufe V Motoren von Herstellern wie Yanmar, Kubota, Lombardini und vielen anderen.

Neben der CANarmatur besteht ein breites Portfolio an CANbus-basierten Produkten um ganzheitlich Komplettsteuerungslösungen umzusetzen. Hierzu zählen weitere Displaylösungen, IO-Module, Controller usw. Mit ehb electronics gmbh sind ebenso effiziente Powerpack-Lösungen interessant.
So werden Programmier- und Konfektionierungszeiten deutlich reduziert und intuitiv bedienbare Plug & Play – Lösungen sind verfügbar.

 (Autor: Matthias Hanke – ehb electronics gmbh)
 

Mit freundlicher Genehmigung der CAN Newsletter Online

https://can-newsletter.org/

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