Experten-Forum Powertrain: Simulation und Test 2019

Die Digitalisierung ist das dominante Thema unserer Zeit. Welche Auswirkungen die aktuellen Entwicklungen im Detail für verschiedene Bereiche, wie beispielsweise der Antriebsentwicklung und der klassischen Berechnung bedeutet, ist jetzt noch nicht umfassend absehbar. Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob die digitale Antriebsentwicklung – so wie sie jetzt ist – in dieser dynamischen Welt weiter Bestand hat.

In der Entwicklung und Optimierung von Hochvoltbatteriesystemen für elektrische Fahrzeuge sind Simulationen ein beliebtes Tool, das vielfältig eingesetzt werden kann. Um präzise Vorhersagen treffen zu können, ist die Wahl eines geeigneten Modells in Abstimmung mit der Messmethodik für Parametrierung und Validierung essenziell. Durch die bei APL entwickelte Methodenkette bestehend aus Messung, Modellbildung und Validierung können Batteriesysteme von Zellniveau bis zur Fahrzeugintegration erfasst und simuliert werden. Dabei ist das komplexe nicht-lineare Batterieverhalten stets zu berücksichtigen. Auf Basis umfassenden Knowhows und skalenübergreifender Mess- und Simulationsmethoden kann für die jeweilige Entwicklungsaufgabe das optimale Ergebnis erzielt werden.

In Folge der zunehmenden Anzahl von Leichtbaukonzepten im Motorenbau treten in der Praxis immer häufiger Rauigkeits-Phänomene durch unerwünschte Kombinationen von Motorordnungen auf. Diese sind u. a. auf Effekte der drehenden Kurbelwelle (Order-Shift) zurückzuführen. Da eine gekoppelte MKS-FEM-Rechnung (Methode A), die diese Effekte berücksichtigen kann, sehr rechenzeitintensiv ist, wurde bei IAV eine Methode (B+) entwickelt, die ohne MKS-Rechnung auskommt und damit deutlich schneller ist. Dabei wird die MKS-Rechnung der Methode A durch eine FEM-Rechnung im drehenden System der Kurbelwelle (KW) ersetzt, und zwar für den gesamten Drehzahl-Hochlauf.

Die neu entwickelte Methode B+ zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Sämtliche erforderlichen Funktionalitäten (drehende Massen- und Dämpfer-Elemente, Aufprägung von bekannten Verschiebungen) sind in der verwendeten IAV-Software Sbnoise integriert.

Durch neue technologische Entwicklungen im Bereich der Prüftechnik ergeben sich Potenziale den modellbasierten Entwicklungsprozess sowie Validierungs- und Freigabetests deutlich zu beschleunigen. Hierdurch können Kosten verringert, die Zusammenarbeit interdisziplinärer Teams gefördert und die Zeit bis zum Markteintritt reduziert werden. Die Arbeit stellt einen neuen Ansatz zur Symbiose virtueller und experimenteller Methoden vor, der es erlaubt die wesentlichen Vorteile beider Vorgehensweisen zu vereinen. Grundlage für diesen neuen Ansatz sind neuartige, bisher prototypisch umgesetzte, Entwicklungswerkzeuge: Einstellbare Lagerungen, einstellbare und adaptive Schwingungstilger und ein energieeffizientes mechanisches Hardware-in-the-loop System. Als Anwendungsbeispiele werden das Konzept eines neuartigen Antriebsstrangprüfstandes für die NVH-Entwicklung, sowie erste Ergebnisse aus einem Versuchsaufbau zur Untersuchung und Charakterisierung von hydraulischen Stoßdämpfern präsentiert.

Die europäische Abgasgesetzgebung wurde hinsichtlich des Homologationsprozesses um Realfahrtests auf öffentlichen Straßen mit mobilen Emissionsmesssystemen erweitert. Der Wechsel von der synthetischen Testumgebung eines Prüfstands in Richtung der Straße, als komplexes, unvorhersehbares Testgelände, stellt eine große Herausforderung dar und erhöht den Kalibrieraufwand für die Fahrzeughersteller erheblich. Methodische Anpassungen an bestehenden Entwicklungsverfahren sind unumgänglich, um eine frühzeitige Konformität bzgl. der Real Driving Emissions (RDE) zu ermöglichen.

In diesem Beitrag stellen ISUZU MOTORS Germany und das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe (VKM) der TU Darmstadt Fortschritte in einem methodischen Entwicklungsansatz vor, der eine robuste Einhaltung der Vorgaben der RDE-Gesetzgebung und eine durchgängige Integration in OEM-Entwicklungsprozesse gewährleistet.

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines Fahrzeugantriebsstranges unter RDE-Randbedingungen ist eine umfassende Analyse und Charakterisierung des Antriebsstrangverhaltens hinsichtlich spezifischer emissionskritischer Aspekte. RDE-konforme Tests werden dazu statistisch ausgewertet, um Verteilungen von Betriebspunkten und Sequenzen zu finden, die dann auf einem Engine-in-the-Loop-Motorenprüfstand für RDE-Untersuchungen analysiert werden. Darüber hinaus wird eine detaillierte Emissionsanalyse von Realfahr- und Prüfstandmessdaten durchgeführt, um emissionsrelevante Fahrereignisse zu ermitteln. Die mit diesen Mitteln identifizierten Fahrszenarien bilden eine RDE-Szenariodatenbank, aus welcher antriebsstrang- und emissionsspezifische, relevante Testszenarien (Most-Relevant-Tests) für den Einsatz in Kalibrier- und Validierungsprozessen generiert werden. Mit diesen Testszenarien ist eine frühzeitige Identifizierung und Optimierung der kritischen Anwendungsbereiche im Entwicklungsprozess möglich. Eine kontinuierliche Erweiterung der Szenariodatenbank mit den generierten Ergebnissen sowie eine durchgängige Anwendung der Methodik ermöglichen eine robuste Konformität hinsichtlich der RDE-Gesetzgebung.

Der automobile Entwicklungszyklus steht in Zeiten sich verschärfender Emissionsanforderungen, zunehmender Diversifizierung und Elektrifizierung von Antriebskonzepten und neu entstehenden Fachdisziplinen wie autonomes Fahren, connected Car etc. vor großen Umwälzungen. Die in diesem Zusammenhang stark ansteigende Menge und Heterogenität von benötigten Dokumenten und Daten ist ein zentraler Punkt. Das Beherrschen dieser Vielfalt sowie die Möglichkeit performanter und skalierbarer Analysen spielen eine entscheidende Rolle, welche für Erfolg oder Misserfolg beim Erreichen der technischen Entwicklungsziele und den Markterfolg des entwickelten Fahrzeugs ausschlaggebend sein kann. Dies gilt allgemein für Daten/Dokumente aller Art und im Speziellen für Sensor-Informationen unterschiedlichster Quellen wie Zeitreihen aus Motor/Triebstrang, Bus-Traces, Kamera- und Lidar-Daten, GPS/Geolokationen, Emissions-/PEMS-Sensorik und Daten aus weiterer Spezialmesstechnik (NVH, usw.), um einige der gebräuchlichsten zu nennen.

Herausforderungen dabei bestehen beispielsweise in der Verwaltung des Gesamtdatensatzes bei niedrigen Such- und Zugriffszeiten, effizienter Informations-Verlinkung/Fusion, einem möglichst hohen Automatisierungsgrad bei Daten-Eintritt in und ggf. auch Löschung vom System, einer einfachen und gleichzeitig mächtigen Analytics-Umsetzung und Entwicklungsumgebung sowie einer Architektur, welche Analytics-UseCases vom frühem Entwicklungsstadium bis hin zu einer breiten produktiven Nutzung unterstützt. All dies gilt es unter der Prämisse von Enterprise-Tauglichkeit und Verwendbarkeit/Wartbarkeit durch IT und Endnutzern in einem global tätigen Konzern umzusetzen.

Wir geben einen Überblick, wie die Vorteile von Technologien wie Hadoop, Spark, Elastic etc. in einem ganzheitlichen Ansatz – umgesetzt als BigData Analytics Plattform – Entwicklern helfen, die anstehenden Herausforderungen der Handhabung, Verwaltung und Analyse von Daten erfolgreich zu meistern.

Gegossene Motorenbauteile erfahren immer engere Toleranzanforderungen bei gleichzeitig komplexerer Gusskonstruktion. Die teilweise unzugänglichen Geometrien werden zur Qualitätssicherung u. a. anhand relevanter Bauteilmerkmale geprüft. Die Lageprüfung misst die Ist-Position eines Merkmals in einer räumlichen Dimension. Informationen über die Ausrichtung und Geometrie des Brennraums können durch die eingesetzten Messverfahren nicht abgeleitet werden. Ein Einsatz dreidimensionaler Messverfahren, z. B. eine Bildgebung durch Computertomographie, können zusätzlich die räumliche Bauteilposition sowie die Bauteilgeometrie erfassen. Daraus sind weitere Messdaten ableitbar, die der Erhöhung der Prozesssicherheit und der Bauteilqualität dienen und die Bauteilqualität innerhalb einer gesamten Bauteilcharge erhöhen.

Das thermodynamische System „PKW-Ottomotor“ ist derart komplex, dass der Einfluss einzelner Bauteile ohne eine systematische Betrachtung nicht abschätzbar ist. Der Zylinderkopf begrenzt einerseits den Arbeitsraum durch das Brennraumdach, andererseits hat der Zylinderkopf durch die Geometrie der Einlasskanäle einen signifikanten Einfluss auf die Ladungsbewegung, insbesondere zu Beginn der Einlassströmung. Aufgrund der hohen Anforderungen moderner Ottomotoren mit Tumble-Brennverfahren gepaart mit einem Miller-Betrieb in der Teillast, variabler Steuerzeiten etc., ist die Gemischbildung für einen effizienten Betrieb von Bedeutung. Die Gemischbildung bei luft- und wandgeführten Brennverfahren hängt von den Komponenten Luftführung und Einspritzung ab. Aus der Sicht der Zylinderkopffertigung ist die Gemischbildungskomponente Luftführung ein elementarer Entwicklungsansatz, um eine effiziente und nachhaltige Bauteilfertigung umzusetzen und gleichzeitig die Bauteileigenschaften sicherzustellen. Daraus kann die Fragestellung abgeleitet werden, welchen Einfluss z. B. unterschiedlich große Maßtoleranzen in der Brennraumgröße auf den Motorbetrieb haben.

Achieving the future stringent CO₂ targets, especially in real driving conditions, requires new technologies to further optimize the internal-combustion-engine (ICE). Besides hybridization of the powertrain, the ICE itself needs to bring an improved brake-thermal-efficiency (BTE). Along with friction reduction measures, light weight design, thermal-management strategies a variable compression ration system can build a significant lever to reduce fuel consumption.

This paper depicts a comprehensive simulation methodology coupling the component dynamics with the hydraulic system to maintain proper switching during operation from long to short mode and vice versa. During development these models are regularly updated with measurement data gained from functional and single cylinder tests. The growing maturity of the simulation methods allow for a broad simulation-based frontloading to maintain the function of the system. In addition to that the structure is evaluated in terms of high-cycle-fatigue and damage according to the loads applied to the system from gas and mass forces. For multi-cylinder application the impacts on the oil system will be discussed to provide the proper boundary conditions for the 2-step switching, not compromising fuel consumption benefits.

Structural dynamic simulation is used for virtual testing of engines and powertrains following different approaches, based on target application, development process phase or during troubleshooting. Basically, we can distinguish the pure torsional and transient multi-body approaches (MBD), rigid or flexible structures and the level of detailing.

Another important aspect is the type of operating conditions. Typically, different operating conditions under constant speed and load are analyzed in frequency domain or during a quasi-stationary transient. The current trend of electrification leads to a reduction in base engine development, but with the necessity for more detailed improvements of existing engines and going closer to the limits of materials. Furthermore, we face a growing development of hybrid drives. Both demand an increase in accurate prediction of dynamics in crank train and entire driveline under more complex operating conditions close to reality, where the engine is often the subject of highly fluctuating loading conditions and anomalous phenomena by controls, irregular firing, or auxiliary units. In particular, the transition between operating conditions like the run-up, or ICE start-stop and effects from highly transient operating conditions should be investigated to ensure a robust operation and to avoid failures, due to their change of torque flow and activation/deactivation of components. A clear benefit of virtual testing of such transient loading conditions is the easy adaptability of the simulation even at difficult-to-test loading conditions, at very little cost.

Another important cornerstone is the correct consideration of complex driveline (isolation) elements, such as a dual mass flywheel (DMF), clutch, torque converter or pendulum absorber damper. Those have due to their highly non-linear characteristic a strong influence on the entire dynamics, especially under non-stationary conditions. Therefore, detailed (in best case physical) models need to be implemented in the entire model.

This generates the need to combine detailed flexible MBD models, considering coupled bending and torsional vibrations, with detailed driveline elements like a DMF and to operate under non-stationary operating conditions in a controlled way. In this document, the authors describe how to build such models, in order to achieve a true transient MBD analysis with any user specified speed/load profile to investigate in vibrations, durability and comfort related issues in the power unit.

This requires a few essential functionalities like a cylinder pressure generator, for each cylinder with the cylinder forces and resistive torque, engine automation system to control speed/load, given as an input to the multibody model, and interfacing of the flexible MBD model with a detailed physical model of DMF.

As a demonstration, a multibody model of a V6 engine is described, installed on a testbed with its driveline and dyno, including a model of the DMF and coupled to an automation model for controlling the firing pressure. With such a setup, it can be demonstrated how the engine responds to a transient speed-load change, in a form of misfire or start-stop.

Die Steuergerätesoftware moderner Verbrennungsmotoren wird zunehmend komplexer. Es müssen bereits heute über 50.000 Parameter bei Motoren der DEUTZ AG bedatet werden [1]. Zusätzlich steigt der Bedatungsaufwand je Parameter durch die wachsenden Anforderungen von Gesetzgebern und Kunden. Ein vielversprechendes Werkzeug dieser Herausforderung zu begegnen, ist der virtuelle Prüfstand. Hierbei werden Motor und Steuergerät simuliert und der reelle Motorprüfstand damit nachgebildet.

Die Anforderungen an die Simulationsmodelle sind hoch und teils sehr gegensätzlich. Einerseits muss das Motormodell möglichst genau und vorhersagefähig sein, andererseits muss eine hohe Simulationsgeschwindigkeit sichergestellt werden. Das virtuelle Steuergerät soll das reelle exakt abbilden, muss jedoch zur Vereinfachung der Nutzung in Teilfunktionen unterteilbar sein. Darüber hinaus sollte die gesamte Anwendung von einem üblichen Arbeitslaptop ausführbar sein, um die Nutzung allen Mitarbeitern unabhängig der vorhandenen Hardware zu ermöglichen.

Die Einführung der RDE-Gesetzgebung für die Typzulassung von Personenkraftwagen in der Europäischen Union stellt einen Paradigmenwechsel dar, der neue Herausforderungen für die Emissionierung der Antriebe mit sich bringt. So sind die nun abzusichernden Betriebszustände des Antriebs zahlreich und müssen teils erst neu identifiziert werden. Bei weiterhin zunehmender Variantenvielfalt und immer kürzeren Entwicklungszeiten stellt die Verbesserung von Entwicklungsmethoden ein wichtiges Werkzeug zur Bewältigung dieser Herausforderungen dar. Prüfstände schaffen eine kontrollierte und reproduzierbare Umgebung, in der sich die untersuchten Komponenten idealerweise wie im Fahrzeug auf der Straße verhalten. Dazu werden Simulationsanteile benötigt, die zum Beispiel die Umwelt oder das Fahrzeugverhalten abbilden. Antriebsprüfstände sind aufgrund ihrer Nähe zum Fahrzeug bei gleichzeitig hoher Reproduktionsgüte besonders interessant für Emissionierungsaufgaben. Daher wurden Untersuchungen zur Abbildungsgüte von Realfahrten an einem Antriebsprüfstand der BMW Group vorgenommen. Der Fokus lag dabei auf der korrekten Abbildung der Straßenlast und der Überprüfung der Reproduktionsgüte unter Nutzung verschiedener Simulationsansätze. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Nachbildung realistischer Lastprofile auch Neigungs- und Kurveneinflüsse berücksichtigt werden müssen. Bei Verwendung einer Umweltsimulation kann eine hohe Reproduktionsgüte erreicht werden, was das Potenzial des Antriebsprüfstands als Plattform für die RDE-Emissionierung unterstreicht.

Mit der Einführung des Testverfahrens Real Driving Emissions (RDE) wird der Fokus auf die Absicherung von emissionsbeeinflussenden Steuergeräte- und Antriebsstrangfunktionalitäten verstärkt. Hierdurch und durch die deutlich gestiegene Komplexität und Variantenvielfalt im Antriebsstrang, hat sich der Prüf- und Absicherungsaufwand deutlich erhöht. Der Engine-in-the-Loop (EIL) Ansatz ist eine geeignete Methode, dem gestiegenen Prüf- und Absicherungsaufwand durch Vorverlagerung von Entwicklungsaktivitäten zu begegnen und Entwicklungskosten zu senken. Der für den EIL-Betrieb erforderliche parallele und synchrone Betrieb von Echtzeitsimulationssystemen und realen Komponentenprüfständen erfordert im Kern einen geregelten Austausch von Drehzahl- und Drehmomentinformationen. Die Güte dieses Informationsaustauschs in Wechselwirkung mit der Regelungsarchitektur des gesamten EIL-Prüfstands hat einen Einfluss auf die Qualität und Belastbarkeit der Testergebnisse. Für den realitätsnahen und reproduzierbaren Betrieb am EIL-Prüfstand ist es demnach zwingend erforderlich, dass die verschiedenen Komponenten mit geringen Totzeiten, zeitlich deterministisch miteinander interagieren. Im vorliegenden Beitrag werden die Einflüsse der Güte des Informationsaustauschs sowie der Regelungsarchitektur von EIL-Prüfständen analysiert und diskutiert.

Der landwirtschaftliche Sektor eignet sich besonders für die Nutzung von naturbelassenem Rapsöl als Kraftstoff. Durch dezentrale Ölmühlen bleiben die Transportwege kurz und der Landwirt kann seinen eigenen Kraftstoff herstellen [1]. Diese Selbstversorgung mit erneuerbaren Energien eröffnet den Betrieben zusätzliches Wertschöpfungspotenzial [2]. Die Marktdurchdringung von Rapsölkraftstoff ist jedoch seit Jahrzenten gering. Einer der Gründe hierfür ist die Preisvolatilität von biogenen Kraftstoffen.

Um diese wirtschaftlichen Probleme zu überwinden hat John Deere das MuSt5 Forschungsprojekt gestartet (Projekt: „Entwicklung und Feldtest eines Abgasstufe 5 Multi-Fuel-Traktors mit der Möglichkeit des flexiblen Einsatzes von Diesel- und Pflanzenölkraftstoffen (MuSt5, development and field test of a multifuel tractor complying with EU Stage V emission regulations running on diesel and plant oil based fuels), gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Projekt Nr.: 22408217, Partner; TU Kaiserslautern, TFZ Straubing, TU Darmstadt, UFOP e. V.). Hierbei wird ein Traktor angestrebt, welcher mit Diesel- und Rapsölkraftstoff betrieben werden kann. Der Traktor soll den Kraftstoff bzw. das Kraftstoffgemisch im Tank erkennen und den Motor optimal hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emissionen auf den Kraftstoff einstellen.

Rapsöl und Dieselkraftstoff haben einen unterschiedlichen Sauerstoffbedarf. Das im folgenden vorgestellte Verbrennungsmodell berechnet für jedes Mischungsverhältnis (0–100 % Diesel) zwischen Diesel und Rapsöl die eingespritzte Kraftstoffmasse und im Anschluss in Kombination mit dem Luftmassenstrom den theoretischen O₂-Anteil im Abgas. Dieser wird mit dem gemessenen O₂-Wert verglichen, sodass auf das verwendete Mischungsverhältnis geschlossen werden kann.

Die Ergebnisse zeigen eine korrekte Kraftstofferkennung für Diesel, Rapsöl und verschiedene Mischungsverhältnisse beider Kraftstoffe mit einer Genauigkeit von ca. ±5 %. Die Qualität der Kraftstofferkennung hängt stark von den Lastpunkten ab, in denen der Motor betrieben wurde. Zusätzlich wird eine Verbrennungsluftregelung vorgestellt, welche ohne zusätzliche Einspritzkennfelder die Leistung regelt. Dies hat den Vorteil, dass eine Leistungsregelung unabhängig vom Kraftstoff möglich ist, solange der Kraftstoff ein ähnliches H-C-Verhältnis wie Diesel hat.

Nowadays 0D/1D simulations are being widely used in the engine development process. Thanks to the high prediction quality of the models and the low computational times, they are powerful tools to investigate engine and powertrain concepts for the years 2030+.

Nearly all SI-powertrains will have at least a 48 V hybridization in 2030+. As the electric drivetrain will be active above all in the low-load range, typical part-load efficiency measures will become less relevant, whereas efficiency improvements in the area of 40–80% load will become crucial. Hence, new concepts are needed to guarantee the efficient SI-engine operation in a very wide range of engine operating conditions. In this context, technologies such as lean engine operation, high load EGR or long stroke engines emerge as new, challenging tasks in the 0D/1D simulation.

In order to achieve high model prediction accuracy, 0D/1D models used for the simulation of future SI engine concepts do not only have to consider thermodynamic effects, but also need to account for the in-cylinder chemical processes in detail. Kinetic reaction mechanisms for different fuel types that have been intensively developed in the recent years can be used to perform simulations at in-cylinder conditions that provide better understanding of the chemical processes during the combustion. More importantly, they enable the development and validation of simplified approaches for the 0D/1D simulation that reproduce the real chemistry behavior very accurately.

In this way, correlations yielding exact values for the laminar flame speed of different fuels have been developed at FKFS, making the reliable predictive simulation of lean combustion possible. A CCV model can then be used to estimate the possible engine operation region and the changes in fuel consumption resulting from the cycle-to-cycle variations. Furthermore, the reaction kinetics simulations at in-cylinder conditions proved that, at specific boundary conditions, the auto-ignition of the unburnt mixture resulting in knock happens in two stages. This phenomenon significantly influences the ignition delay of the mixture and characterizes gasoline fuels. Based on these findings, a new knock modeling approach was developed.

For SI-engine concepts based on mixture dilution in the years 2030+, one of the most important challenges will be the management of the exhaust gas temperature during RDE to avoid light-out of exhaust aftertreatment components. The expected increase in the engine’s thermal efficiency will lower the exhaust gas temperatures, making the aftertreatment components even more prone to light-out. It is thus crucial for future engine concepts to simulate this behavior in RDE situations correctly, which is a challenging task for a 1D simulation. The combination of a 1D flow path model and a quasi-dimensional burn rate model leads either to inacceptable simulation times or to very inaccurate results. A new approach introduced by FKFS and Bosch in June 2018 with a combination of a physics-based modelling of the gas exchange and a data-based model of the high-pressure part, aiming to resolve this dilemma, will be discussed in this context.

Dieses Kapitel enthält zusätzliche Folien, die auf der Konferenz präsentiert wurden. Sie sind als elektronisches Zusatzmaterial auf SpringerLink frei verfügbar.