Virtuelle Prüfstände, reale Ergebnisse

D2T, Mitglied der FEV Group, hat eine einzigartige simulationsbasierte Lösung entwickelt, mit der bis zu 30 Prozent der Kalibrierarbeiten von Steuergeräten (Engine Control Unit, ECU) ohne Motorenprüfstand auf virtuellen und Hardware-in-the-Loop-Prüfständen (HiL) durchgeführt werden können. Im anspruchsvollen Kontext der neuen instationären Zyklen (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures, WLTP) sowie Fahrzyklen, die auch Umweltbedingungen berücksichtigen (Real Driving Emissions, RDE) verbunden mit neuen Klima- und Höhenbedingungen), ist diese Lösung eine wichtige Neuerung. Die Kalibrierung der ECU durch Simulation eines Motors und seiner Umgebung scheiterte bisher an erheblichen technischen Schwierigkeiten. Zwar ist es im Rahmen einer physischen oder digitalen 0D/1D-Simulation unter Verwendung unterschiedlicher, marktüblicher Software möglich, die Auswirkungen des Motorendesigns auf Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch zu simulieren und so das geeignetste Konzept festzulegen. Allerdings ist der Präzisionsgrad gering und für die Kalibrierung nicht ausreichend.

Abhilfe verspricht das Design of Experiments (DoE): Dieses erlaubt es, zuverlässige statistische Modelle mit einer begrenzten und angemessenen Anzahl von experimentellen Daten zu schaffen. Daraus resultierend ermöglichen globale DOEs die Modellierung und Vorhersage von Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch im gesamten Motorkennfeld unter Berücksichtigung spezifischer stabilisierter Betriebspunkte sowie Luftpfad- und Einspritzparameter. Die Präzision für stabilisierte Punkte (fünf bis 10 Prozent bei Stickoxiden) entspricht dem erforderlichen Niveau für Kalibrierungsaufgaben. Allerdings zeigt die Entwicklung dynamischerer Zyklen mit Euro 6/7, wie WLTP und RDE, die Grenzen dieser Methode auf: Da nun – verglichen mit dem vorherigen NEFZ – mehr Beschleunigungsphasen vorhanden sind, wirken sich Steuerungsprobleme im Luftkreislauf stärker aus. Dies beeinträchtigt die Genauigkeit der Schadstoffvorhersage: Die Fehlerrate bei NOX-Emissionen im Zyklus liegt bei rund 25 Prozent.

Eine starke Kombination von Technologien

Um diese Herausforderung zu meistern, bietet die FEV Group eine innovative und einfache Lösung, die auf Produkten von FEV in Kombination mit Drittanbieter-Produkten basiert: Diese besteht aus dem ICE2*-DoE-Tool für Verbrennungs- und Schadstoffemissionen Drittanbietersoftware für physische Modellierung des Luftpfades. Diese Tools werden miteinander verbunden in der xMOD/MORPHEE-Integrations- und Automatisierungsplattform, die es ermöglicht, die CPU-Leistung zu optimieren, automatische Prozesse einfach einzurichten und sogar ein physisches Steuergerät zu integrieren (HiL). Diese innovative Lösung erzielt dank des guten Verhaltens des Luftpfades einen hohen Genauigkeitsgrad (etwa 10 Prozent für NOx-Emissionen in einem WLTC-Zyklus) und stellt somit eine effiziente und zuverlässige virtuelle Kalibrierungs-Plattform dar.

Verlässliche Vorhersagen für unterschiedliche Zyklen

Mit diesen Prüfständen lassen sich Motoreneinstellungen in der Simulation testen und schnelle Ergebnisse zu Emissionen und Kraftstoffverbrauch in RDE- und WLTC-Zyklen für ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten erzielen. Mit Blick auf On-Board-Diagnose (OBD)-Aktivitäten ist es zudem möglich, verschiedene Arten von Motorenfehlern, Sensoren, Aktuatoren oder Serienstreuung der Injektoren zu testen und ihre Auswirkungen auf den Motor direkt zu beurteilen. Die Prüfstände ermöglichen außerdem Tests unter den abweichenden Bedingungen – darunter Höhenunterschiede und schwankende Umgebungstemperaturen, wie sie in RDE-Zyklen auftreten können.

So kann ein großer Teil der Tests von Motoren- oder Rollenprüfständen auf virtuelle beziehungsweise HiL-Prüfstände verlagert werden, während die physischen Prüfstände primär für validierungsaufgaben genutzt werden. Da alle Mitglieder des Kalibrierungsteam sowohl am virtuellen beziehungsweise HiL-Prüfstand, als auch bei physischen Prüfungen in demselben, MORPHEE-basierten, graphischen Benutzerumfeld arbeiten, verbessert sich die Teamleistung. Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung sinken, während die Ergebnisqualität steigt.