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Die Herausforderung: Neue Bewertungsverfahren für die Schadstoffemission

Seit September 2017 gelten für die Typgenehmigung von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen in der Europäischen Union neue verbindliche Emissionsprüfverfahren. Sie schreiben eine Bewertung des Schadstoffausstoßes unter tatsächlichen Fahrbedingungen vor. Daher ergänzen die sogenannten Real-Driving-Emissions (RDE)-Tests herkömmliche unter Laborbedingungen stattfindende Tests auf Rollenprüfständen.

Die Aufgabe: Effiziente Vorverlagerung von RDE-Tests

Faktoren, die das Fahren und die Schadstoffemissionen beeinflussen.

RDE-Abnahmefahrten werden unter nicht vorhersehbaren Bedingungen durchgeführt (Strecke, Fahrverhalten, Verkehr, Umgebungsbedingungen etc.). Aufgrund dieser vielfältigen Möglichkeiten zusammen mit einer großen Anzahl an Fahrzeugvarianten entsteht für eine allumfassende Vorbereitung der RDE-Abnahme durch reale Testfahrten ein unwirtschaftlich hoher Aufwand. Darüber hinaus greift eine reine Evaluierung mit Prototypfahrzeugen auf der Strecke zu kurz, da Änderungen an Systemkomponenten, zum Beispiel am Abgasnachbehandlungssystem, zu diesem Zeitpunkt nur noch unter hohen Kosten möglich sind. Für bestmögliche Effizienz in der Entwicklung empfiehlt es sich daher, bestimmte Tests im Hinblick auf die spätere RDE-Abnahme in geeignete Phasen des Entwicklungsprozesses vorzuverlagern. So können die Motorsteuerung und die Abgasregelung bereits zu einem frühen Zeitpunkt auf ein niedrigeres Emissionsverhalten hin optimiert werden. Durch die Simulation bekommen die Entwickler schon frühzeitig entscheidende Hinweise, ob die zu entwickelnden Systemkomponenten den aktuellen Richtlinien der Abgasverordnung entsprechen werden. 

Die Lösung: Simulationsbasierte Abgasuntersuchung

Integration von simulationsbasierten RDE-Tests in den Entwicklungsprozess. 

Die durchgängige Werkzeugkette von dSPACE eröffnet weitreichende Möglichkeiten für realistische Fahrmanöver schon in frühen Entwicklungsphasen mit virtuellen oder realen Verbrennungsmotoren sowie Abgassystemen. Als Grundlage dient dabei die Simulation Tool Suite ASM (Automotive Simulation Models), die ausgereifte Werkzeuge zur Definition und Simulation von Verbrennungsmotoren, Fahrzeugen, Straßen und Manövern bereitstellt. Auf dieser Basis lassen sich RDE-Tests mit unterschiedlichen Fahrszenarien auf Landstraßen, Autobahnen und in der Stadt selbst zusammen mit komplexem Umgebungsverkehr virtuell nachstellen. Die kombinierte ASM-Simulation von Verbrennungsmotor, Fahrdynamik und Umgebung ermöglicht Aussagen über das zu erwartende Emissionsverhalten in den virtuellen Fahrsituationen. In dieser Form definierte RDE-Tests sind exakt reproduzierbar und können für Studien von unterschiedlichen Fahrzeug-, Strecken- und Manövervarianten durch Parameteranpassung flexibel verwendet werden. Zusätzlich lassen sich kundenspezifische Modelle oder solche von Drittanbietern über den FMI-Standard in die Simulation einbinden.

Aufgrund der durchgängigen Werkzeugkette können die vorbereitenden RDE-Tests nun in verschiedenen Entwicklungsphasen mit den etablierten Entwicklungsmethoden Model-, Software-, Hardware- und Engine-in-the-Loop (MIL, SIL, HIL, EIL) vorverlagert und optimiert werden.

Eine durchgängige Werkzeugkette für die RDE-Simulation

RDE-Tests können durchgängig in den etablierten Entwicklungsmethoden Model-, Software-, Hardware- und Engine-in-the-Loop (MIL, SIL, HIL, EIL) durchgeführt werden.

Eine simulationsbasierte Vorgehensweise liefert bereits während der Fahrzeugentwicklung erste Aussagen zum Emissionsverhalten in den getesteten Fahrszenarien. Abweichungen von den Emissionsgrenzwerten können somit frühzeitig erkannt und kosteneffizienter korrigiert werden.

In frühen Phasen der Steuergeräte-Entwicklung bietet die Offline-Simulationsplattform dSPACE VEOS® effiziente Möglichkeiten, um RDE-Tests in Form virtueller Testfahrten einfach aufzubauen und zu überprüfen. Dazu werden auf der Plattform Streckenmodelle für Verbrennungsmotor, Abgassystem, Fahrdynamik und Umgebung zusammen mit dem Reglermodell bzw. der Applikationssoftware des Motorsteuergeräts im geschlossenen Regelkreis betrieben. Geeignete Modelle sind in der Simulation Tool Suite ASM enthalten. Je nach Anwendung lassen sich auch kundenspezifische Modelle oder solche von Drittanbietern in die Simulation einbinden. Das Zusammenspiel aller Komponenten sowie möglicher Varianten in einer Simulation ermöglicht frühzeitige Aussagen über das Abgasverhalten.

Die Echtzeitsimulationsplattform dSPACE SCALEXIO® bietet umfassende Möglichkeiten, um die RDE-Tests mit einem realen Motorsteuergerät unter Echtzeitbedingungen auszuführen und zu optimieren. Dafür können die Modelle, Manöver und Fahrstreckendefinitionen direkt aus der MIL/SIL-Phase wiederverwendet werden. Auch hier lassen sich verschiedene Steuergeräte-Software- und Motorvarianten berücksichtigen, ohne den realen Verbrennungsmotor austauschen zu müssen. Dadurch wird ein hoher Reifegrad des realen Motorreglers und der Testumgebung für den anschließenden Betrieb am Motorprüfstand sichergestellt, was letztlich wertvolle Prüfstandszeit und damit Kosten spart.

Um die tatsächlichen Abgase des realen Verbrennungsmotors während eines Fahrmanövers zu messen, wird ein Verbrennungsmotor auf einem Prüfstand zusammen mit dem Echtzeitsimulator im geschlossenen Regelkreis betrieben. Auf dem Echtzeitsimulator werden das Fahrdynamikmodell inklusive Getriebe sowie ein RDE-konformes Fahrmanöver simuliert. Diese Simulation liefert Drehmomentanforderungen für den Verbrennungsmotor und Drehzahlvorgaben für die Lastmaschine. Im Betrieb wechselwirken der Verbrennungsmotor, die Lastmaschine und die Fahrzeugsimulation über gemessene Momente am Motorabtrieb. Aufgrund der durchgängigen Werkzeugkette von dSPACE können die vorbereiteten und in den vorangegangenen Entwicklungsschritten erprobten Simulationsmodelle und RDE-Tests unmittelbar am Motorprüfstand weiterverwendet werden.

Prüfstandskopplung

Durch eine hochperformante, synchronisierte Echtzeitkopplung von Fahrdynamiksimulator und Motorprüfstand wird sichergestellt, dass Signale zwischen beiden Systemen synchron und mit geringer Latenz ausgetauscht werden. Eine standardisierte Schnittstelle, die im internationalen Forschungsprojekt ACOSAR (Advanced Co-simulation Open System ARchitecture) entwickelt wird, soll in Zukunft dabei helfen, den Integrationsaufwand für die Kopplung zu reduzieren.

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