Modellunterstützte Applikation erfüllt künftige RDE-Anforderungen

Ein virtuelles Fahrzeug auf einem virtuellen Prüfstand ermöglicht eine robuste Bedatung in kurzer Zeit

Wenn in weniger als zwei Jahren RDE (Real Driving Emissions) für die Zulassung von Fahrzeugen entscheidend sind, wird die Arbeit der Applikateure noch anspruchsvoller: Dann müssen sie eine robuste Bedatung sicherstellen, die bei unterschiedlichen Verkehrsverhältnissen, Fahrrouten und Fahrstilen die Grenzwerte sicher einhält. IAV hat dafür einen Prozess entwickelt, der auf einer Modellierung des gesamten Fahrzeugs basiert, präzise, reproduzierbare Ergebnisse liefert und die Entwicklung spürbar beschleunigt.

Selbst wenn immer der gleiche Fahrer am Steuer sitzt, schwanken die Ergebnisse realer Messungen im Straßenverkehr mit PEMSEquipment (Portable Emission Measurement Systems) stark. „Das macht es unmöglich, die Resultate exakt zu reproduzieren oder genau festzustellen, wie sich eine veränderte Steuergeräte-Bedatung bei den Abgaswerten auswirkt“, erklärt Dirk Neumann, Teamleiter Dieselmotorenapplikation/Verbrennung bei IAV. „In enger Zusammenarbeit von fünf Fachbereichen wurde bei IAV ein Prozess entwickelt, der die Steuergeräte-Bedatung in einer virtuellen Umgebung ermöglicht. Diesen Prozess wenden wir auch in Kundenprojekten immer häufiger an.“

Dabei kommen Modelle für das gesamte Fahrzeug zum Einsatz. Die Emissionen des Motors werden als dynamisches DoE-Modell nachgebildet. Es basiert auf Prüfstandsmessungen, bei denen das Aggregat in verschiedenen Zonen dynamisch angeregt wird – entweder sinusförmig oder durch APRBS (Amplitude Modulated Pseudo-Random Binary Signal). „Dieser Ansatz ist vollständig datengetrieben und das Training beruht auf zeitlich veränderlichen Signalen“, so Neumann. „Die Systemantwort des Modells entspricht genau der Antwort des realen Motors.“ Als Output liefert es unter anderem die Rohemissionen von NOx, CO, CO2, HC, O2 und Ruß, wobei vor allem die Werte für die Stickoxide und das Kohlendioxid sehr präzise sind und sich kaum von den gemessenen Werten unterscheiden. Die Funktionen des Steuergerätes (ECU) und der Luftpfad (aus der IAV-Modellbibliothek TRSim Air Path) werden in MATLAB/Simulink ebenfalls modelliert und bilden zusammen mit dem dynamischen DoE-Modell gesamthaft das Motormodell.

Chemisch-physikalisches Modell der Abgasnachbehandlung

Das Modell der Abgasnachbehandlungsanlage ist in axisuite erstellt und nutzt die simulierten Rohemissionen und Temperaturwerte aus dem Motormodell als Eingangsgrößen. Es bildet die chemisch-physikalischen Vorgänge in den Katalysatoren nach (einbis dreidimensional), wobei zur Bedatung der Reaktionskinetik der Komponenten ein Synthesegas-Prüfstand von IAV zum Einsatz kommt. „Das kalibrierte Modell wird anschließend auf einem Motoroder einem Rollenprüfstand validiert“, berichtet Neumann. „Es ist präzise und robust und berücksichtigt auch sekundäre Emissionen wie Ammoniak.“ Auch hier stimmen die berechneten und die gemessenen Werte sehr gut überein. Teil des Modells für die Abgasnachbehandlungsanlage ist das Dosiersteuergerät (DCU) für AdBlue, das ebenfalls in MATLAB/Simulink abgebildet wird.

Für die Simulation der Längsdynamik des Fahrzeugs kommt das IAV-Tool VeLoDyn zum Einsatz, das als Eingabeparameter unter anderem das Fahrzeuggewicht, die Getriebedaten und die Effizienz des Antriebsstrangs benötigt. Diese lassen sich auf der Straße oder auf einem Versuchsgelände ermitteln, in vielen Fällen verfügen aber auch die Hersteller über die benötigten Daten. Zum Längsdynamikmodell gehört auch eine Simulation des Fahrers, dessen Reglerparametrierung unterschiedliche Fahrstile (sportlich, normal, defensiv) nachbilden kann und dadurch die Möglichkeiten bei der Erstellung einer robusten Applikation für Motor und Abgasnachbehandlung erweitert.

Gewohnte Werkzeuge wie INCA nutzen

Für die Applikation stellen die IAV-Experten das virtuelle Fahrzeug auf einen virtuellen Prüfstand, indem sie verschiedene Fahrprofile (normierte Zyklen oder reale RDE-Fahrten) bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen simulieren. Dabei kann der Applikateur seine gewohnten Werkzeuge wie etwa INCA weiterhin verwenden. Mithilfe des IAVTools MiL-Desk (Model in the Loop on your Desktop) werden die Modelle miteinander verknüpft und in ausführbare Dateien kompiliert, die sich direkt mit INCA verbinden lassen. „Das erleichtert nicht nur die Arbeit der Applikateure, sondern führt auch zu sehr schnellen Berechnungen“, sagt Neumann. „Im Vergleich zu realen Messungen benötigen wir nur etwa ein Fünftel der Zeit.“

Der neue RDE-Applikationsprozess lässt sich während der gesamten Fahrzeugentwicklung einsetzen, von der Vorentwicklung bis zum Serienanlauf. Dabei kann der Anwender je nach Umständen (zum Beispiel der Verfügbarkeit realer Komponenten wie Motor und Fahrzeug) entscheiden, ob die Applikation eher modellbasiert oder experimentell erfolgen soll. Für einen Testlauf haben Neumann und seine Kollegen ein serienmäßiges EU6b-Dieselfahrzeug mithilfe von Prüfstandsmessungen und PEMS-Fahrten vorläufig bedatet. Danach haben sie auf Basis ihrer Modelle die Bedatung von ECU und DCU separat optimiert. Anschließend wurden der beste Kompromiss aus AdBlue-Verbrauch und CO2-Emissionen bei vorgegebenem NOx-Limit ermittelt sowie die Robustheit der Applikation überprüft. Die finale Validierung erfolgte danach wieder mithilfe von PEMS-Equipment auf der Straße und die Ergebnisse aus Simulation und realer Messung zeigen auch hier eine sehr gute Übereinstimmung.

Erfolgreicher Einsatz in Kundenprojekten

Der modellbasierte Ansatz für die RDE-Applikation hat sich inzwischen auch in ersten Kundenprojekten bewährt. „Der Prozess ist sicher und wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden“, fasst Neumann zusammen. „In Zukunft wollen wir ihn gemeinsam weiterentwickeln – etwa indem wir mit unserer neuen Höhenklimarolle in Berlin auch den Einfluss von Höhe und Kälte auf die Applikation noch stärker berücksichtigen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der automatisierten Optimierung der Tailpipe-Emissionen.“