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Über dieses Buch

Dieses Buch erklärt das optimale Zusammenwirken virtueller und realer sowie modellgestützter Versuchsdurchführung. Dies ist ein entscheidender Aspekt für zukünftig erfolgreiche Entwicklungsabläufe. Ohne
Zweifel haben die jüngsten Ereignisse in der Automobilbrancheden Umbruch deutlich gemacht. Die große Bedeutung der Realfahremissionen erfordert neue Methoden der Versuchsdurchführungim Rahmen der RDE-Gesetzgebung und darüberhinaus. Die Produktabsicherung muss in einem breitenSpektrum erfolgen. Letztlich ist die gesamte Automobilbranchevon der gestiegenen Bedeutung der Emissionen betroffen,weiter verschärft noch durch die Zunahme der Varianten- undApplikationsvielfalt. Die Simulation als Partner des Versuchsgewinnt dabei erneut an Bedeutung, um die eng gestecktenEntwicklungszeiträume einhalten zu können.Die VPC hat damit spannende Fragen zu diskutieren: Welche<neuen Verfahren zur effizienten antriebsstrangspezifischenRDE-Entwicklung sind zielführend? Wie muss modellbasiertesTesten am Motorprüfstand ausgelegt werden, umHybridantriebssysteme unter Realbedingungen untersuchenzu können? Oder: Mit welchen Modellen können Messabweichungenbei der Effizienzmessung von elektrifiziertenAntrieben bestimmt werden? Über allem schwebt die Frage:Wie weit reicht Simulation?

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Neue Verfahren zur effizienten antriebsstrangspezifischen RDE-Entwicklung

Im Zuge der Euro 6d Abgasgesetzgebung wird die Zertifizierungsprozedur zur Erlangung der Typgenehmigung für Personenkraftwagen und leichte Nutzfahrzeuge grundlegend reformiert. Zwar wurden infolge der Schadstoffbelastung insbesondere in städtischen Gebieten die Standards der geltenden Euro-Abgasnorm schrittweise erhöht, jedoch konnte bisher kein ausreichend wirksamer Effekt auf die Reduktion der Schadstoffimissionen erzielt werden.
Deborah Schmidt, Hauke Maschmeyer, Christian Beidl, Florian Raß

vRDE – Virtual Real Driving Emission

Die Verbrauchs- und Emissionszertifizierung anhand des NEFZ stand bis zuletzt, nicht nur im Zusammenhang mit den sogenannten „Defeat Devices“, in scharfer Kritik – 2017 soll mit der Einführung von WLTP und RDE genau diese Problematik aufgegriffen werden. Europa übernimmt damit eine Pionierrolle auf dem Gebiet der Emissionsgesetzgebung.
Markus Wenig, Dominik Artuković, Christian Armbruster

Modellbasiertes Testen am Motorprüfstand – Teilvirtuelle Untersuchung von Hybridantriebssystemen unter Realbedingungen

Im Zuge der zunehmenden Systemkomplexität im Fahrzeug spielt das frühzeitige Testen unter Realbedingungen im Gesamtfahrzeugkontext eine immer wichtigere Rolle für einen effizienten Entwicklungsprozess. Besonders deutlich wird dies im Bereich der hybriden Fahrzeugkonzepte, da sie sich durch einen extrem hohen Grad an Vernetzung und Interaktion der Fahrzeugsubsysteme auszeichnen.
Christian Donn, Raphael Pfeffer, Martin Elbs

Analyse und Effizienzoptimierung von Ottomotoren in Hybridantrieben mithilfe der Gesamtfahrzeugsimulation

Die CO2-Flottengrenzwerte für Pkw verschärfen sich weltweit [1]. Daher müssen Automobilhersteller in noch stärkerem Maße Technologien entwickeln, die die CO2-Emissionen von Pkw effektiv reduzieren [2]. Die Entwicklung von Hybridfahrzeugen (HEV) ist eine von vielen Möglichkeiten die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren und ein möglicher Pfad zu einer nachhaltigen Mobilität [3].
Harry Hamann, Daniel Münning, Michael Zillmer, Peter Eilts

Integrated Simulation Approach for System Architecture Design for xEV

OEM’s are facing ever-increasing fuel economy and emissions requirements. There requirements are both legislative and customer driven. New technologies and vehicle architectures are being developed in an effort to meet these requirements.
Vratislav Ondrak, Tyson Stewart

Modellgestützter Messprozess zur Bestimmung von Messabweichungen und Effizienzsteigerung elektrifizierter Fahrzeugantriebe

Der Wirkungsgrad ist bei der Entwicklung innovativer E-Traktionsmaschinen eine wichtige Kenngröße und hat einen direkten Einfluss auf die Reichweite, den Verbrauch sowie die CO2-Emmission. Die Optimierung des Maschinenwirkungsgrads erfolgt heute im Wesentlichen iterativ, das bedeutet, dass im Rahmen des Produktentstehungsprozesses einzelne Verbesserungsmaßnahmen durch die simulatorische und experimentelle Bewertung umgesetzt werden. Die experimentelle Erprobung der E-Maschine ist somit für den Entwicklungsprozess bzw. in der Entwicklung weiterer Optimierungsmaßnahmen eine wichtige Entscheidungsgrundlage.
Helge Saß, G. Stöhr, L. Brabetz

FEV Hybrid System Benchmark: Zusammenspiel von Versuch, Simulation und Systemauslegung

Eine immer strengere Gesetzgebung hinsichtlich der CO2 Emissionen und den damit verbundenen Zielen spricht für eine systematische Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Dementsprechend ist eine Vielzahl von elektrifizierten Antriebskonzepten und Topologien bereits auf dem Markt verfügbar, die jeweils ihre eigenen spezifischen Vor- und Nachteile aufweisen. Die Ergebnisse aus Benchmark Untersuchungen zum aktuellen Stand der Technik bieten wesentliche Einblicke in die Produktzykluspläne verschiedener OEM und die jeweiligen entsprechenden Entwicklungsentscheidungen in Hinblick auf aktuelle und zukünftige elektrifizierte Fahrzeuge. In diesem Zusammenhang können als Ziele die beste Performanz und die am besten passende technische Lösung in Bezug auf die Antriebsstrangauslegung, die Komponentenauswahl und die Betriebsstrategien benannt werden.
Die FEV GmbH hat in diesem Zusammenhang einen innovativen Ansatz entwickelt, um elektrifizierte Systeme auf Basis synergetischer Kombinationen verschiedener Fahrzeugtests, mathematischer Simulation sowie der Beurteilung von Auslegungskonzepten bewerten zu können. Diese Methode wurde in einer modularen Weise entwickelt, so dass von der übergeordneten Fahrzeugarchitektur bis zur detaillierten Komponentenebene eine Betrachtung stattfinden kann. Diese Vorgehensweise erleichtert z. B. den Vergleich von Entwicklungszielen für ein neues Fahrzeug mit denen vom im Markt vorhandenen Wettbewerbern, die Bewertung der System- und Komponentenwirkungsgrade sowie der Betriebsstrategien, wie z. B. Schaltstrategie oder Hybrid-Betriebsweise und ebenso den Vergleich mit dem mathematischen Optimum.
Als praktisches Beispiel aus dem Bereich der Benchmark Untersuchungen wird in dieser Arbeit eine Analyse auf Systemebene eines P2 Plug-In-Hybridfahrzeugs mit einem Motor / Generator, Standard- Automatikgetriebe und zwei Kupplungen auf Basis von Straßentests und Fahrten auf der Abgasrolle aufgezeigt. Das Beispiel beinhaltet eine Systemsimulation sowie eine Beurteilung des Auslegungskonzeptes in Hinblick auf die Antriebsstrangauslegung, die Komponentenwahl und die Betriebsstrategie. Darüber hinaus werden auch Daten über die Fahrzeugleistung, Energieeinsparung und Energiefluss von Kraftstoff / Batterie auf die Straße sowie marktorientierten Streubändern mit eingeschlossen.
Edoardo Pietro Morra, Martin Lenz, Felix Glados, Markus Espig, Ali Awarke, Michael Stapelbroek

Weiterentwickelte Validierungsansätze für den Powertrain

Die Entwicklung des Fahrzeugs ist geprägt durch Entwicklung der Mobilität. Treiber sind hier nach wie vor die Globalisierung, die Urbanisierung, der Umweltschutz in Form von Gesetzgebung, und Konsumentenhaltung sowie die Digitalisierung, die auch als Schlüssel zum autonomen Fahren dient. Eng verbunden sind damit die Veränderung im Kundenverhalten (hin zum Benutzen, statt Besitzen) und die wirtschaftlichen Entwicklungen in den Weltregionen, die neue Kundengruppen hervorbringen.
Peter Urban, Xaver Tischer

Spray Modeling of Multicomponent Fuels in Industrial Time Frames Using 3D CFD

The increasing demand for improved fuel economy and a reduction in emissions are driving the development in downsized combustion engine designs. In particular, new approaches to fuel spray have been developed to allow for advanced mixture preparation concepts. To allow these engines to work effectively and to also contribute to reduced emissions, gasoline fuels are increasingly mixed with Ethanol and other Biofuel substitutes and so fuel composition research plays an increasing role in the design of the engine.
Marcel Divis, Nick K. Tiney, Gwendal Lucas

Anforderungen an die virtuelle NVH-Optimierung von Antrieben in Fahrzeugen

Beside typical attributes like performance, drivability and fuel consumption, the NVH performance is one of the major criteria to characterize a vehicle and contributes significantly to the driving experience. On the other hand the mainstream in automotive industry is driven by CO2 reduction and as a consequence downsizing, lightweight designs, friction optimization and electrification are dominating the development landscape. Many of these tasks are in contradiction to NVH and therefore challenging the NVH development work.
Traditionally the NVH behavior of a vehicle was developed at the time when first prototype vehicles were available in hardware rather late in development on road or on acoustic chassis dynos. This late development in many cases caused some last minute actions – so called trouble shooting activities. Nowadays having more vehicle derivatives, increased complexity in powertrains and reduced development time, it is mandatory to ensure an early involvement of NVH development.
Virtual methods and simulation approaches are used to predict the NVH behavior of vehicle in an early phase. Due to the complexity of the physics of noise and vibration generation and its transfer, it is necessary to split the vehicle and drivetrain into sub-systems and components to be able to use virtual tools and methods to pre-optimize the NVH behavior.
The following paper gives an overview about the state of the art NVH development considering source excitation, transfer paths and the possibilities and challenges to perform parts of the NVH development virtually by using suitable simulation tools. A special focus is put onto the virtual development of future powertrains (PHEV, BEV, etc.).
Marcus Hofmann, Torsten Philipp, Christoph Priestner, Bernhard Graf

CAE-Toolkette zur NVH-Optimierung von Antriebssträngen

Die fortschreitenden Bemühungen im Hinblick auf die anspruchsvollen zukünftigen CO2-Zielwerte führen zu neuen Herausforderungen für das Antriebstrangdesign. Booming-Geräusche und Vibrationen bei niedrigen Motordrehzahlen können nur schwer durch reine Applikationen verhindert werden, wenn aus Kraftstoffverbrauchsgründen die Wandlerüberbrückungskupplung geschlossen ist. Darüber hinaus erhöhen sich aufgrund von steigenden spezifischen Motorleistungen infolge von Hochaufladung und Reduktion der Zylinderzahlen die wirksamen Drehungleichförmigkeiten, die vom Motor in den Antriebstrang eingeleitet werden. Folglich ist es oft nicht möglich, die Kundenerwartung nach einer hochkomfortablen Fahrbarkeit mit niedrigen Vibrationen und Booming-Geräuschen durch eine Adaption von bestehenden Konzepten zu realisieren.
Die Ausarbeitung und Beurteilung von neuen Antriebstrangkonzepten bedarf sowohl in der Konzept- als auch in den darauffolgenden Phasen einer verlässlichen Simulation. In diesem Artikel wird die Verwendung von Mehrkörpersimulationsmodellen für moderne AWD Antriebstränge mit Automatikgetriebe vorgestellt. Besonders eine modulare Modellkonfiguration eröffnet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit einer effizienten Adaptierung des Modells während der verschiedenen Projektphasen mit Bezug auf Datenupdates und Modelldetaillierung. Die alleinige Kenntnis des Reduktionspotenzials in Bezug auf Drehungleichförmigkeiten oder Vibrationsanregungen des Fahrzeugaufbaus sind manchmal nicht ausreichend, um Entscheidungen zu motivieren. Die Kombination aus simulierten Kraftanregungen und gemessenen vibro-akustischen Transferfunktionsfiltern erlauben dagegen die Quantifizierung des Verbesserungspotenzials im Hinblick auf das Innenraumgeräusch eines Fahrzeugs. Der Zielkonflikt von verlässlichen, aber schnellen Simulationen kann somit mittels intelligenter Kombination von Simulation und Experiment reduziert werden.
Die im Folgenden dargestellten Untersuchungen belegen, dass Design und Feinabstimmung des Isolationselements zwischen Motor und Getriebe die Schlüsselfaktoren zur Reduzierung von Torsionsschwingungen sind. Das Isolationselement kann als Ein-Stufendämpfer mit und ohne Turbinendämpfer oder als Zwei-Stufendämpfer in verschiedenen Anordnungen ausgeführt werden. Am Ende erweist sich der Zwei-Stufendämpfer mit zusätzlichem Pendeldämpfer für die Hauptfeuerungsordnung als die beste Gegenmaßnahme, um Torsionsschwingungen im Antriebstrang zu reduzieren.
Christof Nussmann, Christoph Steffens

Vehicle Thermal Management System Control Strategies – from MiL to HiL (CiL)

With the advancing progress of vehicle development, including the evolving of the overall vehicle systems itself, automobile development tasks are getting more and more complex. Thus, a holistic simulation of all systems in the vehicle becomes increasingly important during the engineering process for handling the multifaceted interdependencies among the systems correctly and more efficiently. As a consequence more complex multidisciplinary system simulations need to be implemented.
Jianbo Tao, Andreas Ennemoser, Heinz Petutschnig, Günter Lang, Armin Traussnig

Testen am SiL: Kopplung von HiL-Testautomatisierung und SiL-Umgebung

Die Entwicklung von Steuergerätefunktionen wird aktuell vermehrt an virtuellen Prototypen vorgenommen. Dabei kommen die Konzepte Model-in-the-Loop (MiL) und bei Seriensoftware vor allem Software-in-the-Loop (SiL) zum Einsatz. Beide ergänzen die klassische Entwicklung am Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulator und im Fahrzeug.
Thomas Liebezeit, Jörg Bender, Roland Serway, Lukasz Stasiak

Simulationsgestützter Funktionsentwicklungsprozess zur Regelung der teilhomogenen Dieselverbrennung

Die Einigung der Fahrzeughersteller über einen europaweiten Grenzwert des Flottenverbrauchs und die stetige Reduktion der gesetzlich limitierten Abgaskomponenten treiben die Entwicklungsarbeiten optimierter Brennverfahren in den letzten Jahren voran. Die Weiterentwicklung der Dieselmotorentechnik für mobile Anwendungen steht daher vor dem Spannungsfeld der gleichzeitigen Wirkungsgradoptimierung und der Emissionsreduktion.
Philipp Skarke, C. Auerbach, M. Bargende, H.-J. Berner, D. Rether

Methode zur Optimierung von HiL-Modellen mittels einer Offline-Umgebung

Für die Analyse von Steuergeräten vor dem Serieneinsatz werden Hardware in the Loop (HiL)- Simulatoren eingesetzt, die eine Vielzahl von Funktionen modellbasiert überprüfen und mögliche Applikationsfehler frühzeitig detektieren können.
Bei der AUDI AG wurde für eine thermodynamische, strömungsmechanische und verbrennungstechnische Vorgabe von Größen an das Steuergerät ein Ansatz gewählt, das auf einer standardisierten Anbindung von 1D-Motormodellen am HiL-Simulator in der Simulationsumgebung GT-POWER basiert.
In der frühen Modellbildungsphase für einen HiL-Einsatz, muss ein Modell auf Grund der hohen Geschwindigkeitsprämisse vereinfacht und neu abgestimmt werden. Dieser Prozess wird unter Umständen in einer Schleife so oft wiederholt, bis dass das Modell den Anforderungen bzgl. einer ausreichend hohen Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit genügt. Weiterhin weist das Modell zahlreiche Stellgrößen auf, deren Kennlinien gleichsam bei jeder Modelländerung neu abgestimmt werden müssen. Durch die immer wiederkehrende Modellanpasungen, stellt sich eine online-Modellanbindung am Steuergerät über den HiL-Simulator als sehr zeitintensiv und vor allem fehleranfällig heraus.
In der vorliegenden Arbeit wird die Methode des virtuellen HiL-Prüfstandes als offline- Umgebung vorgestellt, welche vergleichbar ist mit einer Software in the Loop (Sil)-Vorgehensweise. Dabei wird modellseitig das System in seiner originalen Konstellation der Kopplung herausgeschnitten. Das Steuergerät wird ersetzt durch ein Stationärkennfeld für eine stationäre Modellabstimmung oder durch dynamische Messungen für eine transiente Modellabstimmung. Stellersignale, sowie Antwortsignale werden dabei dem Modell von aussen aufgeprägt. Auf dieser Basis können am Motormodell zu jedem beliebigen Betriebspunkt Ausgangsgrößen auf Ist- und Soll-Werte einander direkt gegenübergestellt und überprüft werden. Damit können Modelle modifiziert und immer wieder abgestimmt und damit HiL-tauglich gemacht werden, bevor diese produktiv am HiL zum Einsatz kommen. Die offline-Anbindung erlaubt dadurch auch nichtechtzeitfähigen Modellen den Einsatz, ohne dass es zu Fehlern oder einem Absturz führt, sowie es bei einer online-Anbindung der Fall wäre. Dadurch können Modelle schon während ihrer Aufbauphase gezielt in Richtung einer HiL-Einsetzbarkeit gelenkt werden.
Aras Mirfendreski, Andreas Schmid, Michael Grill, Michael Bargende, Sebastian Grams

Methode zur modellbasierten Lasterfassungsapplikation von BMW Ottomotoren mit DoE-Einsatz

Immer höherer Anforderungen an Verbrennungsmotoren bedeuten eine steigende Anzahl an Entwicklungs- und Applikationsthemen und die Notwendigkeit immer detaillierterer Systemkenntnis. Aufgrund gleichbleibender Prüfstandskapazität kann der Messaufwand nicht weiter erhöht werden. Um heutigen und zukünftigen Herausforderungen zu begegnen, werden im Prüffeld bei BMW neue, effiziente Versuchsmethoden und Design of Experiments (DoE) eingesetzt [1].
Benedikt Raidt

Elektrifiziert, automatisiert, vernetzt - Herausforderungen und Chancen für die Antriebsentwicklung von morgen

In den kommenden Jahren steht die etablierte Automobilindustrie vor den voraussichtlich größten Herausforderungen ihrer Geschichte. Stetige Veränderungen der marktrelevanten Rahmenbedingungen wie die Verschärfung gesetzlicher Emissionsgrenzwerte, die ökologische Sensibilisierung der Gesellschaft und die abnehmende Identifikation neuer Kundengenerationen mit dem Automobil als Statussymbol haben bereits in den letzten Jahren zu einem herausfordernden Marktumfeld geführt. Einen maßgeblichen Wandel der Wertschöpfungsketten werden in den nächsten Jahren jedoch die drei disruptiven Technologietrends Elektrifizierung, automatisiertes Fahren und Connectivity einläuten.
Das herausfordernde Marktumfeld kann vor diesem Hintergrund auch als wichtige Eintrittsbarriere gegen neue disruptive Marktteilnehmer verstanden werden. Um den Wandel schaffen und langfristig bestehen zu können, müssen die etablierten Unternehmen jedoch ihre Geschäftsmodelle, Strukturen und Prozesse stark anpassen. Für die Powertrain-Entwicklung verbleiben im Allgemeinen drei grundlegende Zielsetzungen:
1.
Steigerung der Kosteneffizienz und Reduzierung der Time-to-Market
 
2.
Unterstützung/Nutzung funktionaler Updates im gesamten Produktlebenszyklus
 
3.
Schaffung endkundenrelevanter Mehrwertfunktionen
 
Connectivity bietet als technischer Enabler die Chance, diese Zielsetzungen zu erreichen und damit auch den Powertrain über die Systemgrenzen des Fahrzeugs hinaus zu vernetzen: In Zukunft werden einerseits beispielsweise bereits in der Entwicklungsphase vernetzte Prototypenfahrzeuge ganz neue Möglichkeiten der virtualisierten Funktionserprobung aufzeigen. Zum anderen werden cloud-basierte Powertrain-Funktionen in Serienfahrzeugen intelligente Regelalgorithmen realisieren, die das Kundenerlebnis spürbar steigern und eine nahtlose Updatefähigkeit bereits in sich tragen. Der Produktbereich Diesel Gasoline Systems – Electronic Controls (DGS-EC), in der Robert Bosch GmbH verantwortlich für die Hardware- und Software-Komponenten der Powertrain-Steuerung, treibt beide dieser Ansätze der Powertrain-Vernetzung intensiv voran und setzt diese auf der im März 2016 vorgestellten Bosch IoT Cloud um.
Tobias Radke
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