Objektivierte Beur­tei­lung am Engine-in-the-Loop-Prüfstand

Die steigende Zahl an Pkw-Varianten sowie -Derivaten in den globalen Fahrzeugmärkten erfordern einen Ansatz zur objektivierten Beurteilung und Klassifizierung der longitudinalen Fahrbarkeitseigenschaften moderner Pkw. Grund hierfür sind regional unterschiedliche gesetzliche Anforderungen (z.B. RDE-Fahrtests in Europa), divergierende marktspezifische Fahrerverhalten und Kundenerwartungen als auch die Bestrebungen der Fahrzeughersteller, markenspezifische Fahrbarkeitseigenschaften als Alleinstellungsmerkmale zu erzielen.

Der Einsatz von Systemen, die es dem Kunden ermöglichen die produktspezifischen Fahrbarkeitseigenschaften in mehreren Schritten mithilfe verschiedener Fahrmodi anzupassen, stellt in diesem Zusammenhang einen maßgeblich treibenden Faktor dar. Um den Fahrzeugentwicklungsprozess zu rationalisieren und den erforderlichen Einsatz an Personal und Prototypen-Hardware-Ressourcen zu reduzieren, wurde an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen University) in Kooperation mit FEV ein Ansatz zur objektivierten Beurteilung und Klassifizierung der longitudinalen Fahrbarkeit von Pkw, der auf physikalischen Kriterien basiert, entwickelt.
Zur Darlegung der Zuverlässigkeit und Reife dieses Ansatzes werden Ergebnisse von Sensitivitätstests diskutiert, die auf der Veränderung von fahrbarkeitsrelevanten Kalibrierumfängen des Motorsteuergeräts beruhen und mit einem realen Fahrzeug auf einem Versuchsgelände durchgeführt wurden. Durch die Wiederholung dieses automatisierten Fahrbarkeitsmessprogramms mit demselben Verbrennungsmotor auf einem modernen und hochdynamischen Engine-in-the-Loop(EiL)-Prüfstand, wird die Übertragbarkeit der vorgestellten Methode nachgewiesen. Im Folgenden werden zur Einleitung des Themas die zur Objektivierung des longitudinalen Fahrbarkeitsverhaltens im Rahmen von positiven Lastwechselfahrmanövern („Tip-In-Manöver“) erarbeiteten physi kalischen Attribute vorgestellt.

Um die Fahrbarkeitsauswirkungen positiver Lastwechselmanöver zu beschreiben, werden sieben verschiedene Attribute vorgestellt, welche die subjektiv empfundene Qualität des Tip-in Fahrmanövers wiedergeben. Diese Attribute sind in Abbildung 1 und 2 dargestellt. Diese sieben Fahrbarkeitsattribute, welche die unterschiedlichen physikalischen Einflüsse auf den menschlichen Körper während eines Tip-In Fahrmanövers beschreiben, wurden in verschiedenen Expertenseminaren mit erfahrenen Ingenieuren aus dem Bereich der Fahrbarkeit, sowohl für Benzin- und Diesel-, als auch für Hybridfahrzeuge, definiert und spezifiziert. Weiterhin sind Ergebnisse und Berichte aus Fachliteratur zu dem Thema der longitudinalen Fahrbarkeit bei der Präzisierung und Definition der Attribute berücksichtigt worden.

Ergebnisse der Fahrbarkeitsanalyse auf der Straße und am Engine-in-the-Loop-Prüfstand

Um die Übertragbarkeit motorischer Entwicklungs- und Abprüfungsumfänge aus dem Bereich der longitudinalen Fahrbarkeit vom realen Fahrzeug auf den EiL-Prüfstand zu untersuchen, wurden ein Prototypenfahrzeug und der dazugehörige EiL-Prüfstand mit dem gleichen Verbrennungsmotor und dem gleichen Motorsteuergerät (engl.: Electronic Control Unit – ECU) ausgerüstet (einschl. der gleichen marktspezifischen Datensatzversionen). An dem EiL-Prüfstand wurde das gesamte Fahrzeug, mit Ausnahme des realen Verbrennungsmotors (inkl. der ECU), mit Hilfe einer echtzeitfähigen Co-Simulationsplattform simuliert.

Zunächst wurden drei verschiedene ECU-Datensätze zur Variation der longitudinalen Fahrbarkeit im realen Prototypenfahrzeug auf einer Teststrecke abgestimmt. Ein Kalibrierdatensatz ist sportlich und ein Zweiter komfortabel abgestimmt. Der dritte Datensatz (Medium) hat eine Kalibrierung, welche zwischen den beiden ersten Datensätzen (Sport und Komfort) liegt. Diese drei Kalibrierungen wurden sowohl im Fahrzeug, als auch auf dem EiL-Prüfstandanalysiert. Unter Verwendung des „TOPEXPERT Vehicle Test Automator (VTA)“ von FEV, wurden teilautomatisierte Lastwechselmanöver im realen Fahrzeug und am EiL-Prüfstand jeweils für alle drei Abstimmungen des Motorsteuergeräts durchgeführt.

Zur Untersuchung der Vergleichbarkeit zwischen den zwei Versuchsszenarien sind zunächst die Verläufe des Saugrohrdruckaufbaus (SRD) für die sechs verschiedenen Testszenarien in Abbildung 3 dargestellt. Alle Saugrohrdruckverläufe der EiL Tests und der Tests mit dem realen Fahrzeug zeigen bei den gleichen Kalibrierungen einen sehr ähnlichen Verlauf. Die verschiedenen ECU-Kalibrierungen können bei beiden Versuchsszenarien gut differenziert werden. Allerdings ist zu sehen, dass der Ladedruckaufbau am EiL-Prüfstand gegenüber dem Fahrzeug etwas langsamer verläuft.

Der Ladedruckaufbau am EiL-Prüfstand ist langsamer, da dem korrespondierenden Motorsteuergerät einige Informationen fehlen. Zuerst läuft die Lichtmaschine auf dem Prüfstand unbelastet und liefert keinen elektrischen Strom. Daher wird am Prüfstand durch die ECU vom Verbrennungsmotor kein zusätzliches Drehmoment angefordert. Im realen Fahrzeug benötigt die Lichtmaschine, trotz dessen sämtliche elektrischen Lasten abgeschaltet sind, etwa 3 Nm Drehmoment vom Verbrennungsmotor, um das Bordnetz des Fahrzeugs mit Strom zu versorgen. Zudem werden Drehmomentverluste im Getriebe und in den anderen Komponenten des übrigen Triebstrangs zwar bei den echtzeitfähigen Modellen am EiL-Prüfstand simuliert, die Daten aber nicht an die ECU weitergeleitet, da diese Verluste bei der Durchführung von Emissionszyklen im Allgemeinen vom Fahrermodell kompensiert werden. Der ECU im realen Fahrzeug stehen diese Informationen allerdings zur Verfügung und sie kompensiert diese erhöhte Drehmomentanforderung durch einen höheren Ladedruck, um schlussendlich das gleiche Antriebsdrehmoment bereitzustellen, wie es ohne die Verluste der Fall wäre. Des Weiteren muss aus Sicherheitsgründen der Umgebungsdruck innerhalb der Prüfzelle des Motorprüfstands leicht unter dem Druckniveau der Umgebung (ca. minus 40 mbar) liegen. Dennoch zeigen die dargestellten Kurven für die drei ECU-Datensätze die gleichen Tendenzen bei beiden Versuchsszenarien und weisen einen deutlich vergleichbaren Verlauf auf. Zur weiteren Analyse der Reaktion des Verbrennungsmotors auf dem EiL-Prüfstand im Vergleich zu dem Aggregat im Testfahrzeug, werden in Abbildung 4 die Verläufe der Drosselklappenposition (DKP) für die sportliche und die komfortable ECU-Fahrbarkeitskalibrierung veranschaulicht.

Für beide ECU-Kalibrierungen (Sport und Komfort) stimmt die Reaktion des Motors auf dem Prüfstand mit der Reaktion des Motors im Testfahrzeug überein. Sogar der kleine Einbruch im Verlauf der Drosselklappenposition bei der komfortablen Kalibrierung ist bei beiden Versuchsszenarien zu beobachten. Es ist zu sehen, dass sich die Verläufe der Drosselklappenpositionen zwischen den beiden ECU-Kalibrierungen erheblich unterscheiden. Bei der sportlichen Abstimmung öffnet die Drosselklappe nahezu verzugslos (200 ms nach dem Start des „Tip-In-Manövers“), während bei der komfortablen Abstimmung die Drosselklappe dazu verwendet wird, den Aufbau des Antriebsdrehmoments zu formen bzw. zu verlangsamen, um damit ebenfalls den Aufbau der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs zu reduzieren. Des Weiteren sind Unterschiede zwischen den beiden ECU-Kalibrierungen in den Signalen der longitudinalen Beschleunigung für beideTestszenarien deutlich sichtbar. Der Aufbau der longitudinalen Beschleunigung bei der sportlichen Abstimmung der ECU-Fahrbarkeitsumfänge ist deutlich schneller als bei der komfortablen Abstimmung, während durch die komfortablere ECU-Kalibrierung kleinere Lastwechselschwingungen erzeugt werden (weniger Rückschlag und Lastwechselruckeln).

In Abbildung 5 wird die gemessene longitudinale Beschleunigung aus dem realen Fahrzeug der simulierten longitudinalen Beschleunigung des virtuellen Fahrzeuges vom EiL-Prüfstand für die sportliche und die komfortable ECU-Kalibrierung gegenübergestellt. Bei beiden Versuchsszenarien sind die Unterschiede zwischen den beiden ECU-Kalibrierungen deutlich sichtbar, es gibt allerdings ein paar Unterschiede zwischen den simulierten und den gemessenen Beschleunigungswerten. Als anfängliche Lastwechselreaktion ist die Beschleunigung des virtuellen Fahrzeugs am EiL-Prüfstand etwas schneller, da in den echtzeitfähigen Modellen der Antriebsstrangkomponenten kein mechanisches Spiel simuliert wird. Im weiteren Verlauf des Fahrmanövers steigt die simulierte longitudinale Beschleunigung des virtuellen Fahrzeugs langsamer an als die entsprechende Beschleunigung des realen Fahrzeugs. Der Grund dafür ist der bereits erwähnte langsamere Ladedruckaufbau am EiL-Prüfstand. Aufgrund der Simulation der Elastizitäten der virtuellen Antriebsstrangkomponenten am EiL-Prüstand sind in den Verläufen der longitudinalen Beschleunigung bei beiden Versuchsszenarien jeweils ähnliche Schwingungen für die gleichen ECU-Kalibrierungen zubeobachten. Wird zusätzlich die klare Differenzierbarkeit der longitudinalen Beschleunigungssignale zwischen den zwei verschiedenen ECU-Kalibrierungen betrachtet, ist zu erwarten, dass die vorgestellten, physikalisch basierten Attribute geeignete Größen darstellen, um die longitudinale Fahrbarkeit nicht nur im realen Fahrzeug, sondern auch am EiL-Prüfstand objektiv zu untersuchen. Zur Untersuchung und Beurteilung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, wurden 50 gleiche positive motorische Lastwechselmanöver (2. Gang, 2.500 U/min, 0 % bis 50 % Pedal) für jede der ECU-Kalibrierungen in beiden Testszenarien durchgeführt. Sämtliche am Prüfstand und im realen Fahrzeug eingefahrenen Messungen sind anschließend hinsichtlich der vorgestellten Fahrbarkeitsattribute ausgewertet worden. In den Abbildungen 6 und 7 sind die Ergebnisse dieser Auswertungen dargestellt. Das Attribut „Ruck“ (engl.: „Jolt“) wird dabei mit der „Reaktionszeit“ verglichen und das Attribut „Rückschlag“ (engl.: „Backlash“) wird der „Dauer des Beschleunigungsaufbaus“ gegenübergestellt. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der positiven motorischen Lastwechselmanöver am EiL-Prüfstand. Die Ergebnisse mit dem realen Fahrzeug sind zum Vergleich in Abbildung 7 dargestellt.

Wie zu erwarten wird für beide Versuchsszenarien deutlich, dass der sportliche ECU-Datensatz mit zu einer Erhöhung des Attributs „Ruck“ führt. Außerdem ist die „Dauer des Beschleunigungsaufbaus“ für die sportliche Abstimmung kürzer, als bei der Komfortableren. Die „Reaktionszeit“ wird durch die erstellten unterschiedlichen ECU-Fahrbarkeitskalibrierungen nicht beeinflusst, da für die komfortablernen Kalibrierungen das anfängliche Ansprechen des Verbrennungsmotors auf Änderungen der Gaspedalstellung nicht verzögert wird (lediglich der Drehmomentaufbau wird geformt). Das Attribut „Rückschlag“ sollte bei einer komfortableren Abstimmung der longitudinalen Fahrbarkeit eines Fahrzeuges erwartungsgemäß geringer ausfallen, als bei einer sportlicheren Kalibrierung. Die Fahrbarkeitsfunktionalitäten des Motorsteuergeräts des gewählten Fahrzeugs waren in dem gezeigten Beispiel allerdings nicht dazu geeignet diese Korrelation für den „Rückschlag“ zu erzeugen. Allerdings ist deutlich zu erkennen, dass dieses Verhalten in beiden Versuchsszenarien zu beobachten ist. Die Sensitivität des Verbrennungsmotors bezüglich Änderungen der ECU-Fahrbarkeitskalibrierungen am EiL-Prüfstand ist nahezu identisch mit der Sensitivität des Verbrennungsmotors im realen Fahrzeug. Das Attribut „Reaktionszeit“ ist aufgrund der fehlenden Simulation des Spiels in den virtuellen Antriebsstrangkomponenten am EiL-Prüfstand kleiner als beim realen Fahrzeug. Insgesamt sind die Einflüsse der unterschiedlichen ECU-Datensätze zur Abstimmung der longitudinalen Fahrbarkeit auf die longitudinalen Fahrbarkeitsattribute beim EiL-Prüfstand und beim realen Fahrzeug auf die gleiche Weise deutlich sichtbar und liegen ebenfalls auf sehr ähnlichem Niveau.

Als zusätzlicher Vorteil der EiL-Prüfstandanwendung kann festgehalten werden, dass die Reproduzierbarkeit der einzelnen Lastwechsel-Fahrmanöver deutlich verbessert ist im Vergleich zu den Tests mit dem realen Fahrzeug, bei dem eine größere Streuung der Fahrbarkeitsattribute vorliegt (Abbildung 5 und 6). Der Grund dafür liegt in verschiedene Umwelteinflüssen, wie Wind, Straßenbedingungen und Temperaturänderungen, denen das reale Fahrzeug ausgesetzt ist. Diesen Einflüssen ist das virtuelle Fahrzeug am EiL-Prüfstand nicht ausgesetzt, falls sie nicht ausdrücklich verlangt und dementsprechend simuliert werden.

Fazit

Die grundlegende Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit bezüglich motorischer Fahrbarkeitsentwicklungsumfänge zwischen dem Betrieb eines realen Fahrzeugs und dem Betrieb am EiL-Prüfstand konnte anhand einer Untersuchung der relevanten Motorbetriebsdaten (Drosselklappenposition, Saugrohrdruck, Motordrehzahl usw.) für die gleichen Lastwechselmanöver nachgewiesen werden. Ebenso konnte die vergleichbare Sensitivität der beiden Systeme für unterschiedliche Fahrbarkeitskalibrierungen des Motorsteuergeräts gezeigt werden. Darüber hinaus konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die vorgestellten Fahrbarkeitsattribute zur Analyse der longitudinalen Fahrbarkeit bei positiven Lastwechselmanövern eine große Sensitivität auf die Änderung der Fahrbarkeitsabstimmung des Verbrennungsmotors, nicht nur im realen Fahrzeug, sondern auch am EiL-Prüstand zeigen. Als wichtiger Vorteil der EiL-Prüfstandanwendung kann festgehalten werden, dass die Reproduzierbarkeit der einzelnen Lastwechselmanöver, im Vergleich zum realen Fahrzeug, erhöht ist, da durch veränderliche Umweltbedingungen eine größere Streuung der Fahrbarkeitseigenschaften zu beobachten ist. Damit wird die Zuverlässigkeit, Reife, Validität und Übertragbarkeit der gesamten Entwicklungsmethode auf unterschiedliche vollständig, teilweise oder nicht virtuelle Prüfszenarien nachgewiesen.

Johannes Scharf