Experten-Forum Powertrain: Simulation und Test 2020

The future powertrain mix will be derived above all from a CO₂- and emissionoptimized vehicle fleet. The results of a powertrain variation study show that a scenario with high HEV share in the fleet is robust in regard to the external boundary conditions, particularly the electricity mix and the share of renewables. The high share of combustion engines also makes it easy to reduce CO₂ emissions using synthetic fuels. A low share of PHEV, BEV and FCV also results in reduced manufacturing costs on the powertrain level. Furthermore, the analysis which powertrain mix would be expedient for WtW-CO₂-legislation. Finally, modular powertrain systems were allocated to various vehicle segments to allow for a combination of combustion engines with dedicated hybrid transmissions with one or two electric motors and various electric axle configurations from single-speed to seamless-shifting multi-speed transmissions.

Es gibt zahlreiche Ideen, Konzepte und Technologien, die für die Verbesserung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen werden. Das Verbesserungspotential verschiedener Maßnahmen wird intensiv untersucht. Viele dieser Untersuchungen konzentrieren sich jedoch größtenteils nur auf einzelne Technologien oder auf die Kombination verschiedener Technologien in einem begrenzten Betriebsfenster. Das bedeutet, entweder können die Wechselwirkungen zwischen Technologien nicht festgestellt werden oder es werden die Auswirkungen der Technologiekombinationen auf andere Betriebsbereiche vernachlässigt. Trotz vielversprechenden Ergebnissen bleibt es daher unklar, ob oder inwieweit die vorgeschlagenen Technologien für reale Anwendungen geeignet sind.

Um Systeme für ihren späteren Einsatzzweck optimal zu entwickeln, gilt es, in sämtlichen Prozessphasen die späteren Einsatzbedingungen mit der nötigen Genauigkeit darzustellen. Insbesondere für komplexe Systeme, wie beispielswiese hybride Fahrzeugantriebe, und deren Interaktion stellt dies einerseits eine Notwendigkeit, andererseits aber auch eine hohe Herausforderung dar. Getrieben wird dieser Trend zusätzlich durch die Umsetzung neuer Emissionsgesetzgebung, welche sicherstellen soll, dass Fahrzeuge im normalen Kundenbetrieb nicht mehr Schadstoffe und CO₂ emittieren, als dies im Rahmen der Zertifizierung festgestellt wurde. In Summe besteht ein hoher Bedarf, reale Betriebsbedingungen innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses darzustellen und in unterschiedlichen Phasen reale und virtuelle Komponenten mit geringem Aufwand auszutauschen, um effizientes Arbeiten zu ermöglichen. Die in diesem Artikel vorgestellte Werkzeugkette aus dem VKM-Methodikbaukasten bietet mit der Co-Simulation eine modulare Plattform für genau diesen Zweck.

Innerhalb der Werkzeugkette wird eine Betriebsstrategie für einen P2- Hybrid integriert, die auf dem Ansatz der ECMS basiert. Der Strategieansatz erlaubt dabei die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs, der zusätzlich um die Berücksichtigung von weiteren Zielparametern erweitert wird. Zugrunde liegt klassischerweise eine Kostenfunktion, die zum einen den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und zum anderen den äquivalenten Verbrauch des elektrischen Systems beschreibt. Ziel ist es, in jedem Berechnungsschritt die Kostenfunktion zu minimieren und damit den Verbrennungsmotor als auch die elektrischen Komponenten möglichst effizient zu betreiben. Die Optimierung einer solchen Betriebsstrategie ist dabei ein essentieller Schritt, da in Bezug auf die Kosten des elektrischen Systems eine hohe Abhängigkeit von Randbedingungen besteht. Daher werden die Vorgehensweise und die Berücksichtigung verschiedener Faktoren eingehend beschrieben. In einem letzten Schritt der Untersuchungen sollen die erzielten Ergebnisse der Offline-Optimierung hinsichtlich Verbrauch sowie Verbrauch und Emissionen am Prüfstand validiert werden, indem auf Basis der modularen Plattform der simulierte Verbrennungsmotor durch einen realen am Prüfstand ersetzt wird.

Zur Sicherstellung eines hohen Getriebewirkungsgrades ist ein verlustarmer Getrieberadsatz in Verbindung mit einer sorgfältigen Auslegung des Beölungssystems erforderlich. Im Zuge der Elektrifizierung wird für verschiedene Topologien hybridisierter und rein elektrischer Antriebsstränge eine Vielzahl unterschiedlicher Getriebekonzepte entwickelt. Dabei können eine oder mehrere Elektromaschinen in das Antriebssystem integriert sein. Der daraus resultierende Wärmeeintrag und Kühlbedarf nimmt Einfluss auf das thermische Verhalten, die Beölung und die Verluste des Gesamtsystems.

Zur Berücksichtigung dieser Aspekte wurde eine Methodik entwickelt, mit der sich der Wärmehaushalt von Fahrzeuggetrieben ganzheitlich simulieren lässt. Dabei wird ein formelbasiertes Simulationsmodell für die entstehenden Verluste in Simulink mit einer 1D-Thermosimulation in GT-SUITE gekoppelt. Diese Methodik erlaubt es, das Beölungssystem auszulegen und die Effizienz des Gesamtsystems inklusive integrierter Elektromaschinen zu optimieren.

Im Beitrag wird einleitend ein Überblick über die verwendeten Berechnungsmethoden zur Ermittlung der Verluste gegeben und auf das Prinzip der Co-Simulation eingegangen. Danach wird die Methodik am Beispiel eines einstufigen Eingang- Getriebes demonstriert und erläutert. Die mittels der Co-Simulation ermittelten Temperaturen und Verluste für verschiedene Betriebspunkte werden mit am Prüfstand ermittelten Ergebnissen verglichen. Dabei wird auch auf den Einfluss unterschiedlicher Beölungsstrategien auf die Gesamtverluste eingegangen. Im zweiten Teil des Beitrags wird die Anwendung der numerischen Strömungsmechanik (3D-CFD) thematisiert. Es wird gezeigt, dass sie für das Getriebe unter anderem zur Bestimmung der hydraulischen Radsatzverluste und zur Beurteilung der Schmierung herangezogen werden kann. Hierzu werden Ergebnisse von 3DCFD- Simulationen vorgestellt und mit den Versuchsergebnissen validiert. Weiterhin werden die mittels 3D-CFD ermittelten hydraulischen Verluste mit den aus der formelbasierten Berechnung erhaltenen Werten verglichen. Abschließend werden die wesentlichen Ergebnisse zusammengefasst und es wird eine Empfehlung gegeben, in welchen Fällen es sinnvoll ist, 3D-CFD-Simulationen als Ergänzung zum formelbasierten Simulationsansatz heranzuziehen.

Ein interessantes Anwendungsgebiet für neuronale Netze ist die Abbildung von Systemkomponenten in 100 bis 1000-facher Echtzeit bei gleichzeitig hoher Qualität. Aufgrund der eingeschränkten Extrapolationsfähigkeit von neuronalen Netzen müssen in der Trainingsphase jedoch Daten für alle möglicherweise auftretenden Betriebszustände vorliegen. Da die dafür notwendigen Datenmengen nicht mittels Prüfstandsversuchen erzeugt werden können, müssen schnelle, vorhersagefähige und einfach parallelisierbare Simulationsmodelle dafür genutzt werden. Beispielsweise kann die Arbeitsprozessrechnung in Kombination mit phänomenologischen Modellen die grundlegenden Vorgänge im Brennraum ausreichend gut abbilden.

In diesem Beitrag wird beschrieben, wie zunächst mittels vorhandener Softwaretools über drei Millionen Betriebspunkte eines Ottomotors simuliert werden. Mit einem Teil dieser Daten wird im weiteren Verlauf ein neuronales Netz trainiert, damit dieses die wichtigen Verbrennungskenngrößen Schwerpunktlage, Spitzendruck und indizierter Mitteldruck vorhersagen kann. Im Anschluss erfolgt eine Bewertung des trainierten Netzes mittels der restlichen Testdaten. Neben den gängigen statistischen Auswertungen wird dabei auch anhand zweier exemplarischer Last- und Lambda-Variationen die Wiedergabequalität des neuronalen Netzes im Kennfeld aufgezeigt.

Die Arbeit stellt den Auftakt zum Aufbau einer Methodik dar, welche die allgemeinen Fortschritte der künstlichen Intelligenz in den Entwicklungsprozess von Verbrennungsmotoren einbinden soll.

In der konventionellen Herangehensweise der Steuergeräteapplikation wird eine Vielzahl von Hardwareversuchen an Motorprüfständen und Versuchsfahrzeugen benötigt. Ziel ist es ein umfassendes Systemverständnis zu erlangen und einen optimalen Datensatz zu generieren. Besonders mit der Hybridisierung eines Verbrennungsmotors entstehen mehr Freiheitsgrade, welche die Systemkomplexität steigern und den Applikationsaufwand erhöhen. Damit die Applikation neuer Antriebsstrangkonzepte beherrschbar bleibt, bedarf es neuer Ansätze, welche die Arbeit der Ingenieure erleichtern. Ein möglicher Ansatz ist die virtuell gestützte Applikation.

Dieser Beitrag stellt eine Methodik vor, die eine virtuelle Applikation im Serienentwicklungsprozess einsetzbar macht und den Einsatz von Hardwareversuchen reduziert. Basierend auf einem engen Austausch zwischen Fachapplikateur und Modellentwickler wird hierzu eine strukturierte Analyse eines Applikationspaketes durchgeführt. Kernaspekt ist eine umfassende Systemanalyse, mit der die notwendigen Steuergerätefunktionen und –label, die beeinflussenden physikalischen Bausteine sowie die Testfälle eindeutig identifiziert werden. Anschließend wird eine Simulationsumgebung bestehend aus virtuellem Motorsteuergerät, Streckenmodellen und Restbussimulation erarbeitet. Die Art und Güte der Modelle wird dabei auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.

Das Ergebnis ist eine auf das Applikationspaket angepasste Software-in-the-Loop-Umgebung, mit der verschiedene Parametrierungsvarianten oder Programmstände des Motorsteuergerätes untersucht werden können.

Die Anwendbarkeit der Methodik wird beispielhaft am Applikationspaket einer neuen Motorstartvariante eines hybridisierten Ottomotors gezeigt. Hierfür wird eine umfassende Parameterstudie der relevanten Stellgrößen durchgeführt, die dem Applikateur als Unterstützung zur Optimierung des Drehzahlverhaltens im Motorstartvorgang dient.

Hardware-in-the-Loop (HiL) Systeme werden seit langem erfolgreich zum Testen der Softwarefunktionalität von Steuergeräten eingesetzt. In letzter Zeit rückt jedoch auch die virtuelle Kalibrierung von Steuergeräten mehr und mehr in den Fokus, da sie einen klaren Vorteil bezüglich Zeit und Kosten bietet. Hier ist es aufgrund der echtzeitfähigen physikalischen Streckenmodelle in Kombination mit einem realen Motorsteuergerät möglich das Systemverhalten des realen Betriebs inkl. der Emissionsvorhersage realitätsnah abzubilden. Dies erspart aufwendige Fahrzeugtests, die insbesondere im Zuge der Herausforderungen der gegenwärtigen RDE (Real Driving Emissions) Gesetzgebung massiv gestiegen sind. In diesem Beitrag wird eine HiL-basierte Entwicklungsmethodik vorgestellt, die sowohl die Anforderungsentwicklung aus der Fahrzeugapplikation, den Aufbau, als auch die eigentliche virtuelle Kalibrierung umfasst. Besonders beleuchtet wird die systematische und zielgerichtete Entwicklungsmethode, da diese entscheidend für eine zeit- und kosteneffiziente Virtualisierung ist. Dabei spielen auch die Modell- und Systemgüte eine besondere Rolle. Diese umfassen das gesamte Umfeld für die Fahrzeugsimulation, zu der Motor-, Abgasnachbehandlungs-, Getriebe-, Chassis/Reifen- und Fahrermodell gehören. In diesem Beitrag werden repräsentative Methoden vorgestellt, welche besonders für den Einsatz zur virtuellen Kalibrierung je nach Anforderungen geeignet sind. Zunächst werden die diversen Anforderungen der Prozess- und Modellierungstechniken für die virtuelle Kalibrierung systematisch entwickelt. Im Anschluss daran liegt der weitere Fokus auf der Entwicklung technischer Lösungen und Methoden, welche die identifizierten Anforderungen erfüllen, um einen möglichst schlanken Entwicklungsprozess durch Reduzierung teurer Hardwaretests zu realisieren und die Gesamtqualität zu erhöhen. Zur Evaluierung der Entwicklungsmethodik werden die Simulationsergebnisse der Referenzantriebskonfigurationen zur virtuellen Applizierung der Motorsteuergeräte präsentiert. Anhand der gewählten Applikationsbeispiele wird diese ganzheitliche simulationsgestützte Entwicklungsmethodik erprobt.

Die CO₂-Zielwerte der kommenden Jahre verlangen neben der Entwicklung reiner batterieelektrischer Fahrzeuge die Entwicklung hybrider Antriebe in unterschiedlichen Konfigurationen. Die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem elektrischen Antrieb verfügt über hohes, leistbares CO₂-Einsparpotenzial.

Innerhalb des VKM-RDE-Methodikbaukastens wird kontinuierlich daran gearbeitet, relevante Größen für Realfahremissionen (RDE) zu identifizieren und in Prüfumgebungen darzustellen. Wird die Fahrzeuglängsdynamik in der Prüfumgebung simuliert, so hat das hinterlegte Steigungsprofil auf Basis der verwendeten Höhendaten einen signifikanten Einfluss auf die Motorlast und damit das Emissionsergebnis. Ferner werden die entstehenden Abgasemissionen durch den anliegenden Umgebungsbedruck bei gegebener, absoluter Höhe beeinflusst.

Die DEUTZ AG entwickelt, basierend auf einem bestehendem EU Stufe V Motor, einen neuen Motor für den chinesischen Markt ohne Abgasrückführung (AGR). Mit Einführung der China IV Gesetzgebung, welche aktuell als Entwurf vorliegt, wird erstmalig die sogenannte „In-Service Conformity“ Richtlinie im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen aktiv. Ähnlich zu den „Real Driving Emissions“ (RDE) bei PKW-Anwendungen, schreibt diese Richtlinie u.a. vor, die Emissionen einer Arbeitsmaschine in relevanten Arbeitszyklen zu messen. Auf den gesetzlichen Emissionsgrenzwert im Zertifizierungszyklus bezogen, darf der Wert einen vorgegebenen „Conformity Factor“ (CF) nicht überschreiten.

Die gesetzlichen Grenzwerte sind zwar vergleichsweise hoch, jedoch wird das übernommene Abgasnachbehandlungssystem durch den Entfall der AGR unter deutlich geänderten Randbedingungen betrieben: Mit erhöhtem NO_X-Niveau steigt das Kristallisationsrisiko, ein höherer Massenstrom hat direkten Einfluss auf die Raumgeschwindigkeiten und die niedrigere Temperatur erschwert eine frühzeitige Dosierfreigabe im Zyklus. Weiterhin sinkt durch die fehlende AGR die Variabilität in der Verbrennungsabstimmung und die innermotorische Kraftstoffeinsparung steht in direkter Konkurrenz mit einem niedrigem Roh-NO_XNiveau.

Um bereits während der Entwicklung das größtmögliche Betriebskostenpotential heben zu können, soll ein ganzheitlicher Kalibrieransatz mit Hilfe unterschiedlicher Simulationen verfolgt werden:

Als primäres Ziel soll die Summe der Kosten für Kraftstoff und AdBlue® in relevanten Arbeitszyklen minimiert und dabei sowohl die Emissionsgrenzwerte in den Zertifizierungszyklen wie auch bei In-Service Conformity Tests eingehalten werden. Die möglichen Dosiermengen werden aufgrund des höheren Kristallisationsrisikos in Abhängigkeit der Abgastemperatur und des -massenstroms beschränkt. Als Einflussgrößen werden Einspritzparameter, wie bspw. Einspritzzeitpunkt und -druck, sowie Sollwerte der AdBlue® Dosierregelung herangezogen. Dazu wird der Motor über Neuronale Netze dargestellt und die Emissionen, Massenströme und Temperaturen in die Simulation der Abgasnachbehandlung überführt. In jedem Optimierungsschritt werden so die Emissionen und die Kosten jeweils für die Zertifizierungs- und mehrere relevanten Arbeitszyklen berechnet.

Ladungswechselventile von Großmotoren können eine stark ausgeprägte Sekundärdynamik in Form einer Biegeschwingung des Ventilschaftes während der Öffnungsphase aufweisen. Experimentelle Befunde zeigen, dass die Biegung der Ventile aus einer erheblichen Krafteinwirkung auf diese resultiert. Aus den großen Auslenkungen des Ventils resultiert ein unsymmetrisches Aufsetzen der Ventile auf dem Ventilsitzring. Dies führt zu großen Lasten in der Ventilhohlkehle. Bisherige Mehrkörpersimulationsmodelle des Ventiltriebs zur Auslegung der Nockenkontur beinhalten lediglich eine axiale Steifigkeit des Ventils. Dem gegenüber liegt der Fokus in der vorgestellten Arbeit auf der Abbildung der Sekundärdynamik der Ventile um die vorliegenden Lasten für die nachfolgende Festigkeitsbewertung bestimmen zu können. Dazu wird ein Einzelventilmodell mit einer umfassenderen Modellierungstiefe aufgebaut.

Dieses Modell soll ermöglichen, die Ventildynamik mit allen hierfür notwendigen physikalischen Abhängigkeiten abzubilden. Das Modell umfasst die Ventilführung, den Ventilsitz, das elastische Ventil und die Ventilfedern. Es können verschiedenste Einflüsse und Anregungen auf das Ventil aufgeprägt und überprüft werden. Die Modellantwort kann dabei sowohl axial als auch quer zur Ventilachse erfolgen.

Beispiele für zu untersuchende Anregungen sind Kraftwirkung auf das Ventil durch Strömungskräfte im Zylinder, ein schiefer Ventilsitz aufgrund thermisch induzierter Verformungen im Zylinderkopf oder eine exzentrisch eingeleitete Öffnungskraft durch geometrische Abweichungen. Zur Validierung des Modells stehen Messergebnisse der Ventildehnung am Ventiltellerradius zur Verfügung. Gezeigt werden neben dem Modellierungsansatz der Einfluss unterschiedlicher Modellierungstiefen und die Qualität der Ansätze anhand von Rechnungs-Messungs- Vergleichen.

To analyze thermal effects in hydrodynamic plain bearings, beside the structural dynamics of the elastic bodies, friction-related energy inputs into the lubricating film and the running surfaces must be taken into account when calculating the hydrodynamic bearing pressure distribution.

For a thermo-elastohydrodynamic (TEHD) simulation of a connecting rod bearing, in addition to Reynolds equation, the transient energy equation in the lubricating film and the heat conduction equation of the adjoined bodies have to be solved. The particular challenge to the simulation strategy consists of the different time scales on which structural dynamics and pressure build-up take place in comparison to the temperature distribution and distortion of connecting rod and crank pin. Using the connecting rod bearing of a four stroke medium speed motor as an example, this paper shows the influence of the temperature distribution in the bearing on oil viscosity and lubrication gap and thus on the load capacity of the bearing.