FEV BRINGT DIE STRAßE INS LABOR

Bereits heute ist zusätzlicher Entwicklungsbedarf abzusehen, um den zukünftigen Euro 6d-TEMP-Grenzwerten für Partikelanzahl (PN) und Stickoxiden (NO_X) von DI-Ottomotoren in Verbindung mit Real Driving Emissions (RDE) gerecht zu werden. Derzeit nutzen Fahrzeughersteller und -entwickler primär sogenannte RDE-Zyklen zur Quantifizierung der Emissionen unter realen Fahrbedingungen. Diese Zyklen orientieren sich an realen Fahrsituationen und dürfen häufig als repräsentativ eingestuft werden. Sie bieten allerdings nicht die Sicherheit, für jede Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombination den im realen Fahrbetrieb auftretenden „Maximal“-Emissionsfall abzubilden. Ihre Nutzung ist daher sinnvoll, aber nicht ausreichend im Sinne einer zielstrebigen und effizienten Emissionsentwicklung. FEV hat eine Methodik entwickelt, mittels derer Entwicklungsentscheidungen frühzeitig mit Blick auf die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte abgesichert werden können. Mit dieser Methodik können selbst die herausforderndsten PN- oder NO_X-Emissionsszenarien für eine beliebige Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombination – die sogenannten RDE-Leitszenarien – abgeleitet werden. 

Der Ansatz stellt vor dem Hintergrund der zukünftig weiter verschärften Emissions- und CO₂-Gesetzgebung bei gleichzeitig verkürzten Entwicklungszeiten sowie hoher Derivatvarianz einen wichtigen Baustein für eine zielgerichtete, effiziente Entwicklung dar. Sie gibt dem Ingenieur bereits zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt ein gut handhabbares, effizientes Verfahren an die Hand, welches eine Optimierung des Technologiepaketes ermöglicht und die Einhaltung der Abgas- und CO₂-Emissionen sicherstellt.

Modellierung zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt

Die FEV RDE-Simulation greift bereits zu Beginn der Antriebsstrangauslegung. Sie gliedert sich in vier zentrale Segmente:
(1.) die Definition der Antriebsstrang-Hardware inklusive XCU-Strategien, (2.) die Emissionsmodellierung, (3.) Parametrische Beschreibung von Fahrerverhalten, Fahrstrecke und sonstiger Randbedingungen sowie (4.) die Identifikation des spezifischen RDE-Leitszenarios für die Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombination.
Die entwicklungsbegleitende Quantifizierung von Fahrzeugemissionen unter realen Fahrbedingungen bietet eine neue Entscheidungssicherheit. Dabei basiert die Emissionsmodellierung auf entsprechenden Kennfeldern für Schadstoffemissionen. Diesen kennfeldbasierten Ansatz hat FEV nach dem Vorbild der CO₂-Emissionsmodellierung abgeleitet, wo er bereits heute Stand der Technik ist. Zur Übertragung des Ansatzes auf die hochkomplexe Schadstoffemissionsmodellierung wurden neue Modelle für Rohemissionen und Abgasnachbehandlung entwickelt und implementiert.

Unbegrenzte Parametrierung

Real auftretende Fahrzustände haben im Vergleich zu festen Fahrzyklen wie NEDC oder WLTC eine sehr hohe Varianz aufgrund von veränderlichem Fahrerverhalten, Fahrstrecken und Umgebungsrandbedingungen wie Verkehr und Wetter. Um diese hohe Varianz zeit- und kosteneffizient zu beherrschen, hat FEV eine Abstraktion von real auftretenden Fahrzuständen realisiert. Ergebnis dieser Arbeit ist eine Rückführung auf eine übersichtliche Anzahl von Parametern. Diese Parametrierung ist in ihrem Abbildungsvermögen grundsätzlich unbeschränkt. So kann sie optional auf eine Abbildung der RDE-Gesetzgebung beschränkt werden, oder völlig freie Fahrsituationen wiedergeben.
Bei der Identifikation spezifischer RDE-Leitszenarios ermöglicht die parametrische Beschreibung realer Fahrsituationen die Ableitung eines mehrdimensionalen Simulationsraums. Im Rahmen des DoE werden rund 1.000 parametrische Kombinationen von Umweltrandbedingungen sowie rund 1.000 Fahrstrecken und möglichen Fahrerverhalten berücksichtigt, welche alle emissionsrelevanten Fahrsituationen abdecken, die im Realbetrieb auftreten können.

Hergeleitete Parameterrückführungen

• Geschwindigkeitslimitierung
• Streckenprofil
• Haltezeiten und -intervalle
• Individuelles Fahrerverhalten
• Toleranz des Fahrers bzgl. Über- und Unterschreitung des Tempolimits
• Fahrerverhalten bei Konstantfahrten (sogenanntes „Geschwindigkeitswobbeln“)
• Verkehr
• Wind und Umgebungstemperatur
• Höhenprofile

FEV RDE-Simulation in der Praxis

FEV hat die beschriebene und validierte Entwicklungsmethodik bereits erfolgreich bei der Entwicklung eines modernen, turboaufgeladenen Ottomotors mit Direkteinspritzung angewendet. Der Serien-Motor kommt in einem aktuellen C-Segment Fahrzeug zum Einsatz.
Ein praktisches Beispiel zeigt die Komplexität und Varianz in einem RDE-Zyklus und macht die Notwendigkeit möglichst realitätsnaher Parameter deutlich: „Allein die vier DoE-Parameter ‚Durchschnittsgeschwindigkeit‘, ‚individuelles Fahrerverhalten‘, ‚Umgebungstemperatur‘ sowie die ‚durchschnittliche Distanz zwischen zwei Haltepunkten‘ beeinflussen die PN-Emission in einem RDE-Szenario erheblich – und dies sind nur vier von mehr als zehn Parametern“, erklärt Dr. Henning Baumgarten, Vice President Ottomotoren bei FEV. „In ungünstigen Kombinationen erhöhen sich die PN-Emissionen auf das Fünf- bis Zehnfache gegenüber bekannten Testzyklen wie NEDC oder WLTC.“

Gezielte Optimierung

Durch geeignete Maßnahmen an Einspritzsystem und Motorsteuerung lässt sich im hier dargestellten Beispiel die PN-Emission im herausforderndsten Szenario streckenspezifisch um bis zu 91 Prozent reduzieren.

„Ausgangslage bei der Einspritzung war eine Basiskonfiguration, die eine verhältnismäßig inhomogene Gemischzusammensetzung zur Folge hatte“, so Dr. Matthias Thewes, Abteilungsleiter Thermodynamik Ottomotoren bei FEV. „Ein spät gesetztes Ende der letzten Teileinspritzung führte zu einem spontanen Hochlauf des Motors bei Motorstart. Andererseits entstanden hohe Partikelemissionen hervorgerufen durch Bauteilbenetzung und schlechte Gemischhomogenisierung mit lokalen, fetten Zonen im Brennraum.“

Durch eine neue Aufteilung der Einspritzmengen und Optimierung der einzelnen Einspritzzeiten konnten das Gemisch deutlich homogener aufbereitet und die PN-Emissionen deutlich reduziert werden. Anhand der Emissionsergebnisse ist allerdings auch ersichtlich, dass diese applikative Maßnahme alleine zur Erreichung des Not-To-Exceed-Grenzwertes (Annahme: Euro 6d-TEMP mit CF = 2,1) nicht ausreichend ist. Daher wurde als weitere Maßnahme eine Änderung des Einspritzsystems untersucht. Die Kombination aus optimierter Einspritzstrategie und verbessertem Einspritzsystem verbessert die Gemischaufbereitung, während der Bauteilauftrag von Kraftstoff sinkt.

Großes Potenzial

Das Ergebnis: Auch ohne Partikelfilter wurde der Euro 6d-TEMP Partikelgrenzwert unterschritten. Dies ist durch Heranziehen der Parameterkombination mit maximaler PN-Emission abgesichert. Da die PN-Emission im ermittelten „RDE-Leitszenario“ jedoch im Bereich des Grenzwertes liegt, ist dennoch ein Entwicklungsvorhalt für einen GPF zu empfehlen. Die Spiegelung von ECU-Datenstandanpassungen, Komponentenauswahl und Entscheidungen bzgl. Abgasnachbehandlungstechnologien mittels des „Maximal“-Emissionsfalls bietet demnach die Kombination aus Sicherheit in einer frühen Entwicklungsphase und starker Eingrenzung des Variationsraums.