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Über dieses Buch

Die inhaltlichen Schwerpunkte des Tagungsbands zur ATZlive-Veranstaltung Simulation und Test 2017 liegen unter anderem auf den Möglichkeiten der Digitalisierung für Prozesse im Bereich der Fahrzeugentwicklung. Darüber hinaus widmet sich die Tagung dem Antriebsstrang in all seinen verbrennungsmotorischen und elektrifizierten Ausprägungen. Zudem betrachtet sie die geometrische, funktionale oder elektrische Fahrzeugintegration von Komponenten. Die Tagung ist eine unverzichtbare Plattform für den Wissens- und Gedankenaustausch von Forschern und Entwicklern aller Unternehmen und Institutionen, die dieses Ziel verfolgen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Methoden- und Virtualisierungsoffensive in der Antriebsentwicklung der BMW Group

Zum Einstieg in die Thematik eine Widergabe des Inhalts des Buchs „the innovators dilemma“ des Harvard Business School Professors Clayton M. Christensen, welches die Ausgangssituation treffend beschreibt.
Daniel Stopper, Stefan Doll, Christian Guist, Heiko Konrad, Markus Nell, Joachim Rückert

Validierung und Kalibrierung von Fahrzeugbetriebsstrategien auf Basis des IPEK‑XiL-Ansatzes

Aufgrund der starken Vernetzung von Betriebsstrategiefunktionen elektrifizierter Antriebsstränge hat sich die Validierung und Kalibrierung zukünftiger Produktgenerationen zu einer komplexen Herausforderung entwickelt [1]. Damit steigen der Aufwand und die Kosten der Ausrüstung physischer Versuchsfahrzeuge für Straßenfahr- und Prüfstandsversuche. In Folge dessen hat die Virtualisierung der Validierung und Kalibrierung stark an Bedeutung gewonnen.
N. Dudin, S. Ott, A. Albers, R. Misch, T. Rochlitzer, P. Klumpp

Offline-Simulation der Regelung von Dieselmotoren mit Abgasnachbehandlung

Der Einsatz von Steuergeräten jeglicher Art ist aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Das Einsatzspektrum ist dabei sehr breit, von einfachsten integrierten Mikrocontrollern bis hin zu komplexen Steuergeräten, die, wie im Fall eines Verbrennungsmotors, unterschiedliche Konfigurationen und Komplexitäten steuern. Die in den Steuergeräten eingesetzte Hardware wird immer leistungsfähiger und kann immer größere Mengen an Code und Daten verarbeiten. Damit steigt jedoch auch der Aufwand für das Bedaten dieser Systeme. Bei Verbrennungsmotoren geschieht das zu großen Teilen an Motorenprüfständen und ist mit erheblichen Kosten verbunden. Dabei lassen sich viele Aufgaben durch den Einsatz von Tools zur Offline-Simulation gut von der Ressource Prüfstand an den Schreibtisch des Ingenieurs verlagern. So sehr es aus betriebswirtschaftlicher Sicht erwünscht ist möglichst viele Inhalte so vom Prüfstand an den Schreibtisch zu verlagern, so hängt der Erfolg von der Akzeptanz des einzelnen Ingenieurs für die eingesetzten Tools ab. Im vorliegenden Beitrag soll diese Verlagerung und die Kriterien für deren Erfolg aus der Sicht des Unternehmens beleuchtet werden.
The use of Electronic Control Units (ECU) is meanwhile an essential part of our technical world. A broad range of applications, starting with simple integrated microcontrollers up to complex ECUs can be observed, where in case of an internal combustion engine, different configurations and complexities are often handled by one hardware variant of an ECU. The microcontrollers used in new ECUs are becoming more and more powerful, capable of processing significantly larger amounts of code and data. At the same time, this fact brings constantly increasing application efforts to the companies. In case of internal combustion engines, a large part of the application work is performed at engine test beds and is causing considerable costs. By using tools for offline simulation, a major amount of application work can be transferred from test cells to the desks of the application engineers. From the point of view of a company, it is desirable to transfer as many application contents from test cell to the desk as possible. On the other hand, this shift is strongly depending on the acceptance shown by each individual engineer to use simulation tools. The criteria for a successful shift of application work from the view of a company shall be discussed in this paper.
Peter Broll, A. Qriqra, J. Weyers, J. Queren

X-in-the-Loop-basierte Kalibrierung: HiL Simulation eines virtuellen Dieselantriebsstrangs

The efforts to improve the performances and reduce pollutant emissions of passenger car diesel powertrains have led to technological evolutions on both engine and exhaust aftertreatment sides. The multitude of different technologies has increased the system complexity. Stable control and robust monitoring of the Engine Control Unit (ECU) become mandatory.
Sung-Yong Lee, Jakob Andert, Carole Quérel, Joschka Schaub, Matthias Kötter, Davy Politsch, Hassen Hadj-amor

Methodik zum Übertrag von RDE-Entwicklungsansätzen auf Antriebsstrangprüfstände unter Nutzung eines Emissions-Prädiktions-Modells

Die Schadstoffemissionen und der Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen unter realen Fahrbedingungen auf der Straße rücken immer stärker in den Fokus der öffentlichen Diskussion und der Gesetzgebung. Mit der Einführung der RDE-Randbedingungen führt dies zu einer Verschärfung des Entwicklungsprozesses unter Berücksichtigung der Einhaltung der weltweiten Emissionsgesetzgebung, kürzerer Entwicklungszyklen und Kosteneinsparungen bei gleichzeitig steigender Anzahl an Derivaten und Produktmerkmalen. Die Herausforderung liegt für die Fahrzeughersteller darin, robuste Fahrzeugantriebe zu entwickeln, welche im Realbetrieb neben der geforderten Fahrdynamik, Fahrbarkeit und Dauerhaltbarkeit auch die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte über die Fahrzeuglebensdauer hinweg gewährleisten.
Michael Friedmann, Christian Lensch-Franzen, Marcus Gohl, Morten Kronstedt

Methodik zur Erzeugung RDE-relevanter Szenarien im Prüfstandsumfeld

Mit der Einführung der Real Driving Emissions (RDE) Gesetzgebung steht Europa derzeit vor grundlegenden Veränderungen in der Abgasgesetzgebung. Trotz immer schärfer werdender Grenzwerte von Euro 1 bis 5, konnte der Schadstoffausstoß laut EU im Realfahrbetrieb nicht ausreichend verringert werden [1], [2]. Um die Diskrepanz zwischen Homologation und Realemissionen zu reduzieren, wurde zusätzlich zur neuen Prüfprozedur (WLTP) mit einem neuen Prüfzyklus (WLTC) das so genannte RDEPrüfverfahren beschlossen.
Sascha Bauer, C. Beidl, T. Düser

Prozess und Methode zur Realisierung fahrzeugnaher dynamischer Versuche am Motorprüfstand

Fahrzeugversuche sind nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil in der Entwicklung innovativer, effizienter und emotionaler Antriebe. Bereits seit einigen Jahren zeichnet sich ein starker Anstieg der Entwicklungs- und Absicherungsumfänge im Fahrzeug ab, dessen Ende noch nicht in Sicht ist. Die Ursachen hierfür sind vielfältig.
Benedikt Raidt

Durchgängig von der Straße auf den Prüfstand bis zur Simulation – eine qualitative Analyse am Beispiel RDE

Die kontinuierliche Verschärfung gesetzlicher Randbedingungen bezüglich des Emissionsverhaltens von Kraftfahrzeugen und die Berücksichtigung marktspezifisch unterschiedlicher Kundenanforderungen führen sowohl zu einer stetig anwachsenden Komplexität des Antriebsstrangs, des Gesamtfahrzeugs als auch komponentenübergreifender Funktionalitäten des Antriebsstrangs. Ergänzt um die zunehmende Anzahl der Fahrzeugderivate auf den globalen Absatzmärkten stellen diese Herausforderungen seit Jahrzehnten die bekannten Treiber für steigende Aufwände bei der Konzeptionierung und Validierung im Rahmen der Fahrzeugentwicklung dar.
Stefan Walter, Norbert Meyer, Tino Schulze, Jakob Andert, Serge Klein, Daniel Guse

Systemansatz zur Quantifizierung von lokalen Maßnahmen zur Reibungsreduktion im Antriebsstrang und deren Auswirkungen im Fahrzeug unter realen Fahrzuständen

Die Berechnung von Fahrleistung, Emissionen und Verbrauch sowie des Energiemanagements wird im Wesentlichen mittels Fahrzyklussimulation durchgeführt. Diese Systemmodelle berücksichtigen alle Komponenten des Fahrzeuges und deren Wechselwirkung, wobei hier mechanische, hydraulische und elektrische Energieflüsse abgebildet werden können. Die Lastzustände entsprechen unterschiedlichen standardisierten oder realen Fahrzyklen. Solche Ansätze eignen sich sehr gut für die Untersuchung von Systemparametern (zB Gesamtgewicht), unterschiedliche Antriebskonzepte (zB Stufen der Hybridisierung), Regel- und Steuersystemen oder auch Einflüssen von Streckenprofil und Fahrzyklen sowie dem Fahrerprofil bis hin zur Integration in die Echtzeitumgebung am Prüfstand.
Die in diesem Fall verwendeten Subsysteme und Komponenten sind in ihrer Detaillierung begrenzt und verschiedene Einflüsse können oft nur durch grob bekannte Faktoren oder einfache Formeln berücksichtigt werden. Diese Methoden erreichen ihre Grenzen, wenn es um die Quantifizierung lokaler Effekte wie z. B. Reibung geht, mit relativ kleinen Einflüssen, die aber in Summe einen wichtigen Beitrag zur Gesamtverbesserung von Verbrauch und CO2-Emissionen liefern können.
Die detaillierte Untersuchung solcher Effekte für Subsysteme und Komponenten erfolgt mittels Motorzyklussimulationen. Solche Methoden werden durch ihre hohe Modellkomplexität in Bezug auf die zu simulierende Realzeit begrenzt und sind daher nicht direkt für Aussagen wie Verbrauch oder globale Energieflüsse geeignet. Speziell bei komplexen Antriebssträngen wie etwa für HEVs, bei denen die Energiebereitstellung den aktuellen Fahrbedingungen angepasst wird, ist ihre Anwendbarkeit begrenzt.
In der vorliegenden Arbeit wird ein effizienter Ansatz vorgestellt, in dem Kennfelder für die nötigen Eingangsdaten der Fahrzyklussimulation verwendet werden, die im Voraus mittels Motorzyklussimulationen berechnet werden. Die beiden Ansätze sind somit offline gekoppelt. Dies ermöglicht eine korrekte Quantifizierung lokaler Maßnahmen unter realen Bedingungen sowie die Untersuchung von gegenläufigen Effekten wie etwa erhöhter Verschleiß.
Ein weiterer Schritt zur genauen Vorhersage des Verbrauchs unter realistischen Bedingungen wird durch eine direkte Kopplung des Fahrzyklus-Antriebsstrangmodells und eines virtuellen Fahrzeugmodells und unter Verwendung realer Fahrprofile anstelle von Standardfahrzyklen erreicht. Der Einfluss des Fahrers wird durch vordefinierte Fahrerprofile berücksichtigt. Alternativ ist es möglich, das virtuelle Modell direkt über eine Echtzeitschnittstelle auf einem Simulator oder auf einem Prüfstand zu betreiben.
Dieser Ansatz wird am Beispiel des Einflusses von Motor und Getriebeverlusten auf den Fahrzeug-Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse-Pkws und die jeweiligen Beiträge der relevanten Subsysteme wie mechanische Verluste in Lagern und Verzahnungen und Planschverluste im Getriebe durchexerziert
Thomas Resch, Wolfgang Baier, Borislav Klarin, Stanislav Marusic, Nikola Varga

Entwicklung eines Simulationsmodells zur Beschreibung des Betriebsverhaltens eines zweistufig längenvariablen Pleuels

Im Zuge der sich weltweit verschärfenden Regulierungen zum Flottenverbrauch werden zunehmend technische Maßnahmen erforderlich, die den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in einem möglichst weiten Kennfeldbereich verbessern. Ein hohes Potential zur Wirkungsgradsteigerung zeigt der Einsatz von Motoren mit reduziertem Hubraum im Rahmen des sogenannten Downsizings. Dies dient einerseits zur Reduktion von Reibleistungsverlusten.
Sebastian Mráz, Michael Bargende

(Lubrication circuit modeling for optimization of the oil pump power consumption of a modern gasoline engine) Modellierung des Schmierkreislaufes zur Optimierung des Energieverbrauchs der Ölpumpe eines modernen Benzinmotors

The lubrication system in an engine is vital to its performance and durability. Its principal function is the lubrication of the engine moving parts but it is also used to actuate some engine subsystems using fluid power.
Emerson Jacob Jeganathan, Geoffrey Pagnoux, Philip Clarenc, Romain Gonard

Optimale Antriebsstrangauslegung auf Basis einer virtuellen Entwicklungskette

Die Antriebsstrangentwicklung für den Individualverkehr der Zukunft wird maßgeblich von den regionalen, gesetzlichen Emissionsvorgaben, den Mobilitätswünschen der Kunden und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der Hersteller getrieben sein. Diesem interessanten, aber auch sehr komplexen Spannungsfeld, wird sich die Automobilindustrie stellen müssen. Die Technologien zur Erreichung der geforderten Ziele ergeben über die Fahrzeugsegmente hinweg eine Vielzahl an möglichen Antriebsstrangvarianten.
Felix Kercher, Hendrik Piechottka, Michael Bargende, Ferit Küçükay

Transiente Simulation von Großdieselmotoren und Antriebssträngen

Bei der Entwicklung von Großdieselmotoren zum Betrieb von stationären Kraftwerken und Schiffen kommen heutzutage noch immer häufig „Experten“-Tools zum Einsatz, sprich spezialisierte Softwarelösungen zur Auslegung von Teilkomponenten des Motors. Die Thermodynamik verwendet ein Programm zur Berechnung von Gasdruckverläufen, die Regelungstechnik besitzt Modelle zur Entwicklung von Regelstrategien und die Mechanik benutzt sowohl 1D, als auch 3D Software für mechanische und thermische Berechnungen an Motorbauteilen. Dabei kommt sowohl selbst entwickelte, als auch kommerzielle Software zum Einsatz.
Matthias Donderer, Matthias Taubert, Peter Böhm

Gesamtheitliche Betrachtung des Thermomanagements in Elektrofahrzeugen – Interaktion der Klima- und Kühlsystemkomponenten im Gesamtverbund

Die Reduzierung des Energiebedarfes und damit die Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen stellt in der Automobilindustrie derzeit eine wesentliche Herausforderung dar. Ein nicht unwesentlicher Anteil der zur Verfügung stehenden Energie wird bekanntermaßen für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und der Batterie sowie die Temperierung der weiteren elektrischen Komponenten aufgewendet. Aus diesem Grund steht die Entwicklung von effizienten und innovativen Thermomanagementsystemen heutzutage sehr stark im Fokus der Elektrofahrzeugentwicklung.
Daniel Moller, Jörg Aurich, Ralf Tröger, Carolus Grünig

Aeroacoustics Simulation for Pulsated Exhaust Flow

Exhaust systems need to increase their after treatment efficiency in order to meet the future emissions regulations. This involves complex systems containing multiple catalysts and a filter, which damp the engine order pulsations. Consequently, the flow-induced noise is increasing its contribution to the emitted sound. These noise sources are based on multiple physics phenomena, and therefore require new measurement methods and complex flow simulation with acoustic propagation: the CAA (Computational Aeroacoustics). Currently the Mach number or similar analogies are commonly used in industry with defined targets in order to prevent flow noise issues. Even if this easy simulation process helps to find the best geometry among others, it is not accurate enough and does not permit a good understanding of the noise sources. The DNS (Direct Numerical Simulation) is a CAA approach based on a compressible and transient calculation of Navier-Stokes equations that can directly model the pressure fluctuation and therefore predict the SPL (Sound Pressure Level) and its spectrum. It requires high computational resources, which are today available thanks to faster and cheaper processors along with optimized CFD algorithms.
The aim of this study is to predict the flow noise emitted by a perforated plate under a pulsed flow condition. The input data and boundary conditions of the system are key factors to get reliable results. As it is difficult to provide temperature fields out of measurements and in order to avoid inaccuracies, an innovative measurement method is developed to measure cold pulsating flow.
As a first step, a steady state flow case analysis is conducted on a normal flow bench to calibrate the CAA simulation. The Large Eddy simulation using the CFD software Starccm+ is correlated with the measurement data and show a good match. After that, a new test bench is developed using an IC engine w/o combustion to generate cold pulsating flow. Two sensor devices are placed before the plate. The first one, based on a Venturi system, measures the real time mass flow and the second one the static pressure. Because the measured mass flow data was not consistent, the pressure data is used as an input for the boundary condition in the CAA simulation. The pulsed calculation shows promising results as the frequencies are captured very well with acceptable SPL accuracy.
Cyril Triplet, Nicolas Driot

Merging Disciplines and Models for Large Engine Structural Analyses

Structural requirements for large engine applications cover operational safety and comfort aspects. MAN Diesel & Turbo (MDT) therefore limits the engine vibration to an acceptable level applying numerical simulation in an early design stage. Long-term validated simulation workflows are applied for the crankcase simulation, the drivetrain simulation and the mounting simulation.
Noise and vibration requirements concerning engine integration into ships (or plants) mainly focus on the frequency range below the 10th engine order. Customer focus is comfort on board or ship underwater noise radiation. Engine mounting and genset configuration are discussed in this stage. For standard, decisions are made based on experience or on predictions using measurements at some engine/ foundation positions. For projects with small ship vibration safety margins, simulated engine vibrations at all engine mounts including phase relationships are used to predict ship structure vibrations.
In a project with AVL, the above mentioned frontloading disciplines are combined in a single model, which covers all relevant vibration effects for the engine-ship-integration. Beside MDT customers, the engine development benefits from reduced modeling effort with a minimum number of breaks in the toolchain.
The workflow uses one central tool for multi-body simulation (MBS) of the engine and drivelines till vehicle integration. Even sub-systems and components like EHD contacts (slider bearings) are handled inside the same simulation environment and interact with the overall dynamic behavior of the whole system. All simulation disciplines use the same graphic user interface and pre-processing tools, shared data only need to be defined once. Different modelling levels for single components as well as for entire system help to use an optimum balance of model depth in terms of required accuracy for the application target and the modelling and simulation time.
Targets of the project were the evaluation of engine vibration and structure borne noise on the foundation. In that respect, as the main outcome of the MBS simulation, the main results quantities in form of displacements, velocities, accelerations and forces are evaluated in time and frequency domain. These results are further interpreted and presented as the main bearings excitations (forces and moments), engine velocity levels, reactions at engine mounts, accelerations at auxiliaries etc. and assessed with respect to different performance attributes.
The MBS simulation results, as transient dynamic excitation loads, are additionally used in combination with assembly loads, for subsequent FEM durability analysis and assessment of engine components, like for crankshaft and crankcase lower structure parts (i.e. main bearing wall, oil pan) as well as for auxiliary supporting brackets (i.e. turbo chargers and piping system).
J. Neher, P. Böhm, N. Naranca

Structural Noise Prediction of an Inline 4 Cylinder Balance Shaft System Using Co-simulation

Many modern powertrains present a challenge for meeting stringent NVH targets and need state of the art CAE tools and methods to help address these. One example of these challenges presents itself in the form of high frequency noise from a gear driven balance shaft.
John Foy, Pete Grimley

Tagungsbericht

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen ist in der Entwicklung von Antriebssträngen nicht mehr wegzudenken. Doch das Potenzial wird noch lange nicht ausgeschöpft. Wie das gelingen kann, darüber diskutierten Simulations- und Testexperten aus Industrie und Forschung auf der von ATZlive veranstalteten 19. MTZ-Fachtagung „Simulation und Test“ am 26. und 27. September 2017 in Hanau.
Angelina Hofacker
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