Einsatz der Engine-in-the-Loop Simulation zur Validierung des Verbrauchs- und Emissionsverhaltens von parallelen Diesel-Hybrid Antriebssträngen

Abstract

Hybridantriebe sind hochkomplexe mechatronische Systeme und stellen daher eine besondere Herausforderung für den Entwicklungsprozess dar. Dabei spielt die Gesamtfahrzeugsimulation eine bedeutende Rolle.<br />Allerdings sind der Verbrennungs- und der Emissionsentstehungsprozess komplizierte Phänomene, welche noch immer nicht exakt in der Simulation darstellbar sind. Aus diesem Grund ist es naheliegend, das Simulationsmodell des Verbrennungsmotors durch reale Hardware zu ersetzen und mit dem restlichen virtuellen Antriebsstrang zu verbinden.<br />So entsteht ein geschlossener Regelkreis, in dem reale Hardware mit virtuellen Systemkomponenten interagiert - also Engine-in-the-Loop.<br />Diese Entwicklungsmethodik liefert die Ausgangsbasis für diese Arbeit, welche sich in zwei Hauptschwerpunkte gliedert.<br />Zum einen erfolgt eine detaillierte Analyse der Engine-in-the-Loop Simulation. Dabei werden die besonderen Anforderungen an Simulation und Motorprüfstand diskutiert. Die Simulationsmodelle müssen vor allem echtzeitfähig sein und eine hohe Flexibilität hinsichtlich beliebiger Antriebsstrangkonfigurationen bieten. In Bezug auf den Motorprüfstand werden hingegen hohe Anforderungen an die Dynamik gestellt. In diesem Zusammenhang wird die Impedanzregelung beschrieben, welche eine realitätsnähere Abbildung hochdynamischer Vorgänge am Prüfstand, wie Start- oder Schaltvorgänge, ermöglicht. Schließlich erfolgt die Analyse der Signalkommunikation zwischen den beiden Kernelementen dieser Untersuchungsmethodik, nämlich der Simulation und des Motorprüfstandes.<br />Zum anderen erfolgt die Anwendung der Engine-in-the-Loop Simulation zur Untersuchung unterschiedlicher paralleler Diesel-Hybrid Antriebsstränge im Neuen Europäischen Fahrzyklus. Dabei werden verbrauchs- und emissionsreduzierende Betriebsstrategien untersucht. Außerdem wird ein eigens applizierter emissionsoptimierter Startvorgang eingesetzt.<br />Schwerpunkt ist die Analyse des Verbrauchs- und Emissionsverhaltens der verschiedenen hybriden Antriebsstränge sowie das Temperatur- und Konversionsverhalten des Oxidationskatalysators. Letztlich erfolgt ein Vergleich der Engine-in-the-Loop Prüfstandergebnisse mit den Ergebnissen der konventionellen Gesamtfahrzeugsimulation.

Hybrid powertrains are highly complex mechatronic systems and pose, therefore, a particular challenge for the development process.<br />Thereby, the simulation of the entire vehicle plays an important role.<br />However, the combustion and the emission development processes are very complex phenomena. These processes still cannot be reproduced accurately in the simulation. For this reason, an obvious solution is to replace the simulation model of the combustion engine by real hardware and to connect it with the remaining virtual powertrain. Thus, a closed loop control is created, called Engine-in-the-Loop, where real hardware interacts with virtual system components. The described development methodology delivers the starting basis for this work, which is organized into two main parts.<br />On the one hand, a detailed analysis of the Engine-in-the-Loop Simulation is performed. In doing so, the specific requirements of the simulation and the engine test bench will be discussed. The simulation models have to be, above all, real-time capable and need to offer a high flexibility concerning various powertrain configurations. With regard to the engine test bench, high demands on the dynamic behaviour are required. In this context, the impedance-based control, which allows a closer to reality description of high-dynamic procedures on the test bench, like engine start or shifting, is described. Finally, an analysis of the signal communication between the two main elements of this investigation methodology, namely, the simulation and the engine test bench, is undertaken.<br />On the other hand, the appliance of the Engine-in-the-Loop Simulation for the analysis of different parallel diesel-hybrid powertrains in the new European Driving Cycle is performed. Thus, consumption and emission reducing strategies are investigated. Furthermore, a specially developed emission-optimated start procedure is applied. The main point is the analysis of the consumption and emission behaviour of the different hybrid powertrains as well as the temperature and conversion behaviour of the oxidation catalyst. Finally, a comparison of the results of the Engine-in-the-Loop test bench with the results of the conventional full-vehicle simulation is undertaken.