VPC – Simulation und Test 2015

Die Variantenanzahl im Automobilbau steigt weiter, unterschiedliche Technologien existieren parallel zueinander und die anstehenden Verbrauchs- und Emissionsgesetzgebungen bedingen immer aufwendigere und längere Applikations- und Zulassungsprozesse. Dies führt zu einem stark ansteigenden Testumfang in der Entwicklung. Demgegenüber wird immer mehr Produktreife durch virtuelle Ergebniserzeugung eingebracht und es stellt sich die Frage, ob auch langfristig Bedarf an Prüf- und Testequipment besteht, bzw. in welche Art von Einrichtungen investiert werden soll.

As the loading capabilities of modern IC engines are increasing, more heat is being produced per engine volume unit. Consequentially the thermal and mechanical load of the material also increases rapidly. From the heat transfer perspective, it is of interest to reduce the heat losses in the engine in an attempt to achieve higher mechanical efficiency. One of the most important fields related to this objective is reliable, comprehensive and complete engine thermal analysis.

CFD simulation is already an established approach in engine development, especially in the component design phase. Combustion modeling has an important role in predicting the conversion from chemical to mechanical and thermal energy. On the thermal analysis side, finite element methods are conventionally used for the thermal analysis of the solid structure and stress analysis. On the CFD side also a coolant flow analysis has to be considered to contribute to the structure thermal conditions. Each of the analysis is conventionally done by separate software packages. By online coupling of both, the best engine structure temperature prediction can be expected. The present study uses a novel approach of using multi-material heat transfer analysis for the prediction of temperature distribution in the solid structure of a passenger car four cylinder GDI engine. This is an alternative method to the conventional fluidsolid (CFD-FEA) coupling method. This approach represents the simulation of the heat transfer within the GDI engine structure and its parts by considering the solid and fluid parts of the engine as a multi-domain. Heat exchange is determined by considering the complete engine cycle on the gas side. This includes induction, compression and expansion stroke. With this method the three domains approach is reduced to only two CFD domains where the finite element (FEA) tool is no longer required. The CFD tool AVL FIRE is used instead and the simulation workflow is significantly simplified. Better temperature prediction is achieved due to heat data exchange in every iteration step of the simulation instead of only between CFD-FEA coupling loops. A nucleate boiling effect on the water side as well as the contact resistance effect in the solid part are considered. At the end the simulation results are successfully validated against measured thermos-couples temperatures.

Wastegate-Systeme in Abgasturboladern stellen die turbinenseitige Regelbarkeit des Ladedruckes sicher und sind aufgrund ihrer Positionierung im Abgassystem äußerst anspruchsvollen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Darunter fällt auch die transiente Belastung der Wastegate-Klappe, hervorgerufen durch den pulsierenden Abgasmassenstrom. Die Steuerung des Öffnungswinkels erfolgt über pneumatische und elektrische Aktuatoren.

Um zuverlässige Lebensdaueraussagen komplex gefertigter Motorkomponenten treffen zu können, sind neben den Betriebsbelastungen vor allem die Werkstoff- bzw. Materialeigenschaften entscheidend. Der Fertigungsprozess beeinflusst die Materialdaten in signifikantem Ausmaß, sodass es im modernen virtuellen Entwicklungsprozess notwendig ist, diesen Einfluss zu berücksichtigen. In diesem Beitrag werden zwei Fertigungsprozesse betrachtet und in der Betriebsfestigkeitsberechnung implementiert.

Parallel zum wachsenden Marktanteil von Hybridfahrzeugen steigen die Kundenanforderungen hinsichtlich des Fahrkomforts. Eine Studie des ADAC hat ergeben, dass dieser Fahrkomfort mittlerweile markenübergreifend das drittwichtigste Kaufkriterium neben Qualität und Zuverlässigkeit ist. Gleichermaßen steigt die Komplexität von Hybridtopologien durch das Wechselspiel zwischen den einzelnen Antriebsstrangkomponenten (Verbrennungsmotor, Kupplung, Elektromotor, Getriebe, …) mit dazugehörigen, softwarebasierten Betriebsstrategien.

Hardware-in-the-Loop (HiL) tools are established in automotive development to implement and integrate software on Electronic Control Units (ECU). With the increasing number of electrical components, the HiL environment has been extended to cover complete vehicle infrastructures and to perform integration tests, acceptance tests and network tests linking multiple ECUs.

AVL has taken this approach a step further not just linking ECUs, but linking different powertrain development tasks and, therefore, opening the HiL environment to more users while controlling the quality and project deliverable more closely.

The closed-loop combination of real ECU hardware together with the model moves testing and calibration activities from cost-intensive environments (engine testbed, chassis dyno, road testing) to more cost-effective HiL system and to an earlier phase in powertrain development.

This paper presents the steps necessary to align the activities in a HiL environment to confirm functionality, safety, performance and legal targets. Activities include the definition of the powertrain using vehicle simulation and model-based engineering through to integration and calibration of control systems. Examples are given from hybrid powertrain development projects and engine calibration projects to show that multi-XiL is more than a network of ECUs on HiL, but a new approach to link multiple development areas with the aim to increase quality as well as to reduce development cost and time.

Ein Zahlenspiel: 10 Milliarden Menschen gibt es bald auf dieser Welt. Aufgerundet existieren rund 10 hoch 100 Atome im Universum. In der Fahrzeugwelt lässt sich diese Zehnerpotenz einfach noch einmal verzehnfachen, wenn wir die möglichen Konfigurationsvarianten eines heutigen Steuergerätes betrachten. Für den vollständigen Softwaretest eines solchen Steuergeräts sind etwa 10 hoch 1000 Zustände zu berücksichtigen. Und wer ist für die Absicherung zuständig? Gerade einmal 10 Ingenieure! Das Problem liegt also auf der Hand: Es gibt eine deutliche Diskrepanz zwischen Test- & Validierungsaufwand und verfügbaren Ressourcen. Während sich die Zahl notwendiger Varianten und Anpassungen infolge von Tests bzw. Feinabstimmung eher nicht vermindern lässt, kann der Aufwand für reale Tests durch eine zunehmende Virtualisierung sehr wohl deutlich verringert werden.

Die Auslegung von Antriebsstrang und Kühlsystem ist eine wichtige und zugleich zunehmend komplexe Aufgabe im Zuge der Entwicklung von Fahrzeugen, weil mit zunehmenden Thermomanagementfunktionen und der Elektrifizierung des Antriebsstranges vielfältige Interaktionen der verschiedenen Subsysteme zu beachten sind und eine umfassende Optimierung nur mit einer ganzheitlichen Betrachtung des Gesamtsystems „Fahrzeug“ gelingt. Eine solche Vorgehensweise stellt den Entwickler jedoch bei der Betrachtung von realistischen Betriebssituationen und insbesondere bei sogenannten kritischen Realfahrszenarien vor die Herausforderung, dass in frühen Entwicklungsphasen nur begrenzt Fahrzeugdaten zur Verfügung stehen und realistische Lastkollektive zur Auslegung von Antriebsstrang und Kühlsystem unter transienten Betriebsbedingungen in der Regel nur abgeschätzt werden können.

Wie allgemein bekannt, hat der Gesetzgeber die Verbrauchs- bzw. CO2-Emissionszielwerte stark reduziert. Dem entsprechend werden große Anstrengungen unternommen, den Kraftstoffverbrauch hinsichtlich des relevanten Fahrzyklus, aktuell der NEFZ für PKW, zu optimieren.

Versuche und Testprozeduren, von der Gesamtfahrzeugerprobung über Analysen auf Antriebstrang-, Motor- und Komponentenprüfständen bis hin zu Experimenten auf physikalischer Ebene, bilden seit jeher die Basis erfolgreicher Triebstrangentwicklung. Parallel haben sich rechnergestützte Simulationsmethoden als zeit- und kosteneffiziente Werkzeuge etabliert. In der APL Group werden beide Verfahren nicht nur eigenständig eingesetzt, sondern zusätzlich Prozessketten entwickelt, die hochmoderne Messtechnik und Simulationstools verknüpfen, um bisher verborgene Potentiale zu erschließen.

Effizienzsteigerung und Emissionsreduzierung gehören zu den Hauptentwicklungszielen moderner Verbrennungsmotoren. Die Reduktion der mechanischen Verluste liefert dazu einen signifikanten Beitrag. Betriebspunktabhängig werden 30 bis 50 % der Gesamtmotorreibung vom Tribosystem Kolben – Kolbenring – Zylinder verursacht. Ölverbrauch und HC-Emissionen werden maßgeblich von der Dichtwirkung des Kolbenringpaketes beeinflusst, welche für unterschiedlichste Betriebsbedingungen sichergestellt werden muss. Reibungsreduktion und hohe Dichtwirkung stellen dabei mitunter einen Zielkonflikt dar. Daher kommt besonders vor dem Hintergrund zukünftiger Emissionsziele der Optimierung dieses Tribosystems eine große Bedeutung zu. Um den Entwicklungsprozess zeit- und kosteneffizient gestalten zu können, kommen komplexe Simulationsmodelle zum Einsatz. Zeitlich hochaufgelöste Messdaten bilden dabei eine unverzichtbare Grundlage zur Validierung dieser Modelle und ermöglichen eine hohe Simulationsgüte und verlässliche Vorhersagegenauigkeit. Zur Analyse und zum tieferen Verständnis der dynamischen Effekte im Kolbenringpaket von Verbrennungsmotoren wurde am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA der RWTH Aachen University in Kooperation mit der FEV GmbH eine Spezialmesstechnik entwickelt. Diese ermöglicht die Erfassung des axialen und radialen Bewegungsverhaltens der Kolbenringe sowie der dynamischen Druckausbreitung im gesamten Kolbenringpaket. Darüber hinaus kann das dynamische Deformationsverhalten der Kolbenringe untersucht werden. Eine beanspruchungsgerechte Auslegung der Messtechnik sowie der Signalübertragung ermöglicht dabei die Untersuchung im gesamten Betriebskennfeld typischer Verbrennungsmotoren für PKW Anwendungen. Die ermittelten Messdaten zeigen verschiedenste Einflüsse auf das dynamische 3D-Bewegungsverhalten und die damit verbundene Druckkaskade entlang des Kolbenringpaketes sehr detailliert auf. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel der Kolbenringdynamik das Potential von Spezialmesstechniken sowohl hinsichtlich Troubleshooting Anwendungen im konkreten Problemfall als auch hinsichtlich des Aufbaus von notwendigen Detailkenntnissen zur Validierung von Berechnungsergebnissen und zur Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge im modernen Entwicklungsprozess von Verbrennungsmotoren auf.

Analyzing hydrodynamic bearing systems, in many applications thermal effects as the temperature distribution of the fluid and the thermal distortion plays an important role. Especially for high speed bearings and for high loaded bearings these effects cannot be neglected. For a standard EHD bearing simulation these effects are considered by the definition of boundary conditions like a constant fluid viscosity based on measured bearing temperatures and thermal distortions of the running surfaces coming from previous simulations.

Mit Aufkommen der RDE-Gesetzgebung, also der Begrenzung der Real Driving Emissions, muss die Bedatung im gesamten Kennfeldbereich eines Verbrennungsmotors bei einer Vielzahl von Fahrmanövern Bestand haben – und das bei den verschiedensten Umgebungsbedingungen. Es ist mit dieser hohen Zahl von Testfällen nicht mehr möglich, alle Varianten am realen Motor zu testen. AVL zeigt, wie daher der modellbasierte Entwicklungsansatz auf Basis des Design of Experiments (DoE) weiterentwickelt werden kann und wie gesetzliche Vorgaben die Methodik verändern.

Die Technologie der Direkteinspritzung moderner, turboaufgeladener Ottomotoren ermöglicht die Nutzung einer Reihe von effizienzsteigernden Effekten. Diese sind etwa die Erhöhung des Kompressionsenddruckes durch Ladungskühlung oder das Überspülen ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch. Durch das direkte Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum kann es jedoch auch zu steigenden Emissionen von Rußpartikeln kommen, die zuvor in erster Linie von Dieselmotoren bekannt waren.

Die Motorenentwicklung wird seit Jahrzehnten von zwei Zielen dominiert: der Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches und der Verringerung der Abgasemissionen. Zur Erfüllung dieser Zielstellungen muss das Einsparpotenzial aller Motorkomponenten ermittelt und möglichst weit ausgeschöpft werden. Aus vielen Untersuchungen ist bekannt, dass ein Großteil der erzeugten Leistung eines Verbrennungsmotors in Form von Reibung verloren geht, bei Volllast etwa ein Drittel. Etwa 20 bis 40 % der mechanischen Verluste entfallen dabei auf die Lager des Kurbeltriebes. Neben dem unmittelbaren Anteil der Lagerreibung beeinflussen die Lager über ihren Öldurchsatz auch den Leistungsbedarf der Ölpumpe und des gesamten Schmierölkreislaufes.

Immer kürzere Entwicklungszyklen, ständig steigende Literleistungen durch Downsizing und steigende Anforderungen an Leichtbau erfordern eine immer stärkere Einbindung und Vorhersagekraft der Simulationstechnik in der modernen Motorenentwicklung. Neue Lagerungskonzepte und Gewichtseinsparungen müssen exakt bewertet werden, um die Dauerhaltbarkeit der Bauteile nicht zu gefährden.

Sinkende Grenzwerte für CO₂-Emissionen und die steigende Anzahl an Fahrzeugvarianten erhöhen den Aufwand, den Flottenverbrauch zu optimieren. Maßnahmen zur Kraftstoffverbrauchsreduktion müssen für jede Fahrzeugkonfiguration separat betrachtet werden. In Zusammenarbeit zwischen der TU Graz und Magna Steyr wurde eine flexible, effiziente und aussagekräftige Simulationsumgebung hierfür entwickelt. Unter zusätzlicher Berücksichtigung von Kosten und Wechselwirkungen der einzelnen Maßnahmen kann das Kostenoptimum zur Zielerreichung der CO₂-Emissionen eines Fahrzeugs oder einer kompletten Fahrzeugflotte bestimmt werden.

Das größte Optimierungspotential von Verbrennungsmotoren ist zu Beginn der Entwicklungsphase vorhanden. Zu diesem Zeitpunkt erfolgen die grundlegenden Konzeptentscheidungen zum zukünftigen Serienmotor.

Emissions legislation, the increasing complexity of vehicle powertrain systems and pressures on cost reduction are governing the growing demands on future Electronic Control Units (ECUs). The currently widely-used ECU mean value modelling approach is becoming insufficient for providing the information required. The purpose of this work is to demonstrate the successful implementation of a state of the art rapid prototyping ECU system using a real time 1-D gas dynamics model in closed loop control on a real engine. The model is capable of calculating all crank resolved engine parameters such as in-cylinder pressure, intake & exhaust manifold pressures and temperatures, specific cylinder trapped AFRs, mass flow and EGR prediction, etc.

This contribution shows the latest achievements in using a real-time 1-D gas dynamics model in an engine control strategy. This approach is first demonstrated on a real-time engine model running in an ECU used for closed-loop control to reduce emissions, and secondly, on an application illustrating the real-time 1-D gas dynamics model’s capabilities in sensorless control where selected major sensors are replaced by virtual sensors without any negative effects on engine performance, responses and emissions.

Ricardo has used its advanced rapid prototyping ECU, rCube2, equipped with an additional CPU where WAVE-RT (Ricardo’s real-time 1-D gas dynamics model) is running faster than real time and providing all requested parameters with a slight time advance. The rCube2 embedded processing unit is a modular prototyping system intended for control strategy development in an automotive environment. Applications are developed in MATLAB®/Simulink® and integrated into the AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) compliant base software. WAVE-RT is Ricardo’s real-time, crankangle resolved and physically-based engine modelling simulation software designed for SiL, HiL testing of engine management systems and future ECUs. The WAVE-RT model is created from a pre-existing, validated WAVE (standard 1-D gas dynamics software) model which covers, in detail, modelling of individual cylinders, real engine geometry, boosting system, etc.

Virtuelle Steuergeräte ermöglichen es, Funktionssoftware und Applikationsdaten in der Schleife mit Simulationsmodellen des Antriebstrangs auf Windows PC auszuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit, bestimmte Entwicklungsschritte von Straße, Prüfstand und HiL in eine preiswerte und hoch verfügbare PC Umgebung zu verlagern, wo sie schneller, preiswerter oder besser ausgeführt werden können. Dieser Artikel beschreibt heute eingesetzte Ansätze zur Virtualisierung von Steuergeräten, den dazu nötigen Aufwand sowie den erwartbaren Nutzen. Wir nennen Punkte, die unserer Erfahrung nach bei der Einführung von virtuellen Steuergeräten bedacht werden sollten und berichten von aktuellen Anwendungen virtueller Steuergeräte bei OEMs und ihren Zulieferern.