Der Diesel und die gute Luft

Exklusiv in KEM Der Beitrag stammt von der LMS Deutschland GmbH, München

Fahrzeug- und Motorenhersteller sowie Unternehmen der Zulieferindustrie müssen das Tempo erhöhen, um mit dem rasant wachsenden Markt für Dieselfahrzeuge Schritt zu halten. Rund die Hälfte aller europaweit verkauften Fahrzeuge sind mit Dieselmotoren ausgestattet. Experten gehen davon aus, dass die weltweite Nachfrage in den nächsten zehn Jahren um über 80 % steigen dürfte – von 16 Millionen Fahrzeugen auf 29 Millionen. Die Kraftstoffeffizienz liegt bei Dieselmotoren im Vergleich zu Benzinern um bis zu 40 % höher. Die Motoren von heute sind dabei sechzigmal sauberer als noch vor zwanzig Jahren. Vor diesem Hintergrund erleben Dieselfahrzeuge einen beispiellosen Nachfrageboom. Zu den größten Herausforderungen gehört hier die effiziente Entwicklung von Hardware-in-the-Loop-Systemen (HiL-Systemen), die das Fahrzeug- und Motorverhalten simulieren. Mit exakten HiL-Systemen lassen sich zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt, nämlich noch vor dem Prototypenbau, Motorsteuerungen kalibrieren und testen. Außerdem können umfangreichere Tests durchgeführt werden. Das bedeutet: Es sind weniger Prototypen erforderlich.

Normalerweise wären Softwareprogrammierer monatelang damit beschäftigt, den gesamten Code bei jedem neuen Motor und jedem Prototypen zu aktualisieren. Der frühere Prozess stellte das Entwicklerteam vor etliche Herausforderungen. Er kostete unendlich viel Zeit und die Fertigstellung der Modelle hing von einer detaillierten Endkonstruktion und von verfügbaren CAD-Modellen ab. Außerdem mussten die Programmierer des HiL-Systems bei jeder Änderung der Motorsteuerung, des Motors oder des Fahrzeugs wieder von vorn anfangen. Aber selbst dann war man nicht vor Problemen gefeit. Viele herkömmliche Modelle von Steuerungssystemen bieten keine Simulationsantwort in Echtzeit.

Wie ließen sich also Engpässe vermeiden und der Prozess verkürzen? Die Delphi Corporation gehört zu den weltweit größten Anbietern von Fahrzeugbauteilen und führt eines der breitesten Sortimente auf dem Markt. Das in Dieseleinspritzanlagen und Motormanagement-Systemen global anerkannte Unternehmen entschied sich für die Software „LMS Imagine.Lab AME Sim“ zur Systemmodellierung. Die Technologie eignet sich für den multidisziplinären Einsatz und ermöglicht damit die mechatronische Simulation von Systemen mit elektronischen und mechanischen Komponenten auf den Gebieten Hydraulik, Pneumatik, Verbrennung und thermische Physik. Delphi hatte mit der Software bereits erfolgreich Einspritzsysteme modelliert.

Neben den leistungsstarken Funktionen für die Modellerstellung besteht einer der größten Vorteile von LMS Imagine.Lab AME Sim darin, dass für die Modellerstellung und die Simulationen keine umfangreichen Programmierkenntnisse erforderlich sind. Die Entwickler erstellen die Modelle für die Systemsimulation selbst, indem sie aus den verschiedenen Bibliotheken vordefinierte Bauteile grafisch auswählen und verknüpfen. Auf der Grundlage dieser Auswahl erstellt Imagine.Lab AME Sim automatisch ein realistisches Systemmodell. Weil somit zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt ein exaktes HiL-Modell so schnell und vollständig vorliegt, bleibt ausreichend Zeit, um Probleme zu lösen und die Konstruktion frühzeitig zu optimieren.

Delphi setzte auf die in erster Linie für die Modellierung von Motoren- und Fahrzeugsystemen entwickelte Lösung Imagine.Lab AME Sim Engine Control. Um den Impuls für die Implementierung zu geben, entwickelte Delphi ein eigenes Modell für HiL-Anwendungen. Das fertige Modell umfasst Darstellungen des Dieselmotors, der Einspritzanlage, thermischer Elemente und des Antriebsstranges. Sämtliche Parameter werden in einem einzigen Modell für die Funktionstests der Motorsteuerung und die Kalibrierung der Steuercodes dargestellt.

Das mit der Bibliothek IFP-Engine von Imagine.Lab AME Sim erstellte Motormodell besteht aus einem Mittelwertmodell des Motors (Mean Value Engine Model, MVEM), das mit einem kompletten Luftsystem verknüpft ist. Hierzu gehören der Ansaugtrakt mit den Turboladern, der Abgastrakt und das EGR-System. Die Ingenieure von Delphi konnten das gesamte Motorverhalten nach Zyklen simulieren. Mit einem überschaubaren Berechnungsaufwand erzielten sie im Handumdrehen exakte Ergebnisse für die Motorleistung. Den Ingenieuren standen außerdem detailliertere hochfrequente Motormodelle zur Verfügung, um das Verhalten des Verbrennungsraums (darunter Wärmeaustausch und Ventilfunktionen, Pleuel) in kleinen Schritten über den gesamten Zyklus des Motors hinweg abzubilden. Das Modell für die Einspritzanlage stellt die Hochdruckpumpe, das Railvolumen und ein Hochdruckventil dar. Thermische Faktoren des Motors werden mit der Bibliothek Thermal modelliert. Das Modell des Antriebsstrangs wird mit Bauteilen aus der Bibliothek IFP-Drive erstellt. Dazu gehören das Schwungrad, das Reibungsdrehmoment des Motors, die Kupplung, das Getriebe, die Bremse und die Hauptnebenaggregate.

Im Rahmen der engen Zusammenarbeit zwischen LMS und Delphi wurde ein vollständiger Prozess für Motorsteuerungen und HiL eingeführt. Die erste Fahrzeugsimulation wurde für eine OPAL-Plattform entwickelt. Die Modelle von Imagine.Lab AME Sim erfüllten die Anforderungen des Unternehmens im Hinblick auf Leistung, Flexibilität und Echtzeitkompatibilität hundertprozentig.

Durch detailliertere Darstellungen der HiL-Simulatoren konnten die Entwickler von Delphi bei der Modellierung und den Simulationen erheblich Zeit sparen. Außerdem konnten im Vergleich zu früheren Verfahren viel exaktere Simulationen durchgeführt und die Anzahl der Simulationen zur Analyse des Systemverhaltens bedeutend gesteigert werden. Darüber hinaus standen den Entwicklern Modelle der Motorbauteile und Steuerstrategien zur Verfügung, die weitaus besser und zuverlässiger waren. Insgesamt verfügt Delphi durch das Imagine.Lab AME Sim-Modell und die zugehörigen Simulationsprozesse nun über ein aktuelles Verfahren für künftige Projekte im Bereich Motorsteuerung und HiL.

Langfristig gesehen können die Entwickler von Delphi durch den modularen Ansatz zur Erstellung von Modellen der Motor- und Fahrzeugsysteme auch dann problemlos Motorsteuerungen entwickeln, wenn sie neue Technologien einführen. Außerdem lassen sich Projektkosten senken und Verzögerungen beim Abgleichen und Aktualisieren der Motor- und Fahrzeugmodelle vermeiden, da die Neuerungen gleich in die Konstruktion integriert werden

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