Echtzeitfähige Dieselverbrennungsmodelle mit einem neuen Kombinationsansatz aus Physik und Empirie

Abstract

Neue Abgasgesetzgebungen und die steigende Anzahl an Motor- und Fahrzeugvarianten erhöhen den Entwicklungsaufwand. Aus diesem Grund wird versucht Teile der Entwicklung von der realen auf die virtuelle Ebene zu verlagern. Dafuer sind Antriebsstrangmodelle noetig, die einfach zu parametrieren sind und in weiten Betriebsbereichen eine hohe Genauigkeit sowie eine hohe Rechengeschwindigkeit aufweisen. Im Zuge dieser Arbeit ist ein Verbrennungsmodell fuer Dieselmotoren entwickelt worden, das diesen Anforderungen gerecht wird. Grundlage fuer die Entwicklung eines Verbrennungsmodells ist die genaue Analyse des Verbrennungsprozesses und die Auswahl der fuer die gestellte Aufgabe zielfuehrenden Modellansaetze. Um die Vorteile empirischer Ansaetze hinsichtlich Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit mit den Vorteilen physikalischer Modelle hinsichtlich Extrapolierbarkeit zu vereinen, wurde in dieser Arbeit ein nulldimensionaler, nicht-kurbelwinkel-aufgeloester Kombinationsansatz aus physikalischen/theoretischen Modellen und auf Messdaten basierenden empirischen Modellen gewaehlt. Dabei werden die Eingaenge in die empirischen Modelle sowohl physikalisch als auch empirisch berechnet. Um eine grosse Abdeckung des freien Parameterraums der empirischen Teilmodelle zu gewaehrleisten, wurden ca. 7000 Messpunkte von neun unterschiedlichen Dieselmotoren verwendet und spezielle Messungen zur Erweiterung der Modellgrenzen durchgefuehrt. Die fuer die Erstellung des Verbrennungsmodells noetigen Zwischengroessen wurden aus den Messdaten ermittelt. In einem ersten Schritt wurde versucht, diese nur aus den Zustaenden vor dem Zylinder und den Einspritzparametern, physikalisch zu berechnen. War eine physikalische Berechnung der Kenngroessen nicht sinnvoll, wurden diese in einem zweiten Schritt empirisch ermittelt. So entstand ein Verbrennungsmodell mit acht empirischen Teilmodellen, das dem Verlauf der Verbrennung kausal folgt. Die Praxistauglichkeit des Verbrennungsmodells wurde durch Vorgabe der Zustaende vor und nach dem Zylinder eines nicht fuer die Modellerstellung verwendeten Dieselmotors ueberprueft. In weiterer Folge wurde das Modell mit einem nulldimensionalen Ladungswechselmodell und einem Software-Motorsteuergeraet gekoppelt und transient betrieben. Die hohe Berechnungsgenauigkeit des NOx und CO2 Ausstosses sowie der Abgastemperaturen zeigt, dass das Verbrennungsmodell eine gute Grundlage bildet um Teile der Entwicklung vom realen auf den virtuellen Pruefstand zu verlagern. Dies wurde inzwischen in mehreren Entwicklungsprojekten bestaetigt.

New emissions legislation and the increasing number of engine and vehicle variants increase the development effort . For this reason, parts of the development should be shifted from the real to the virtual test environment. Therefore an easy to parameterize powertrain model with high accuracy and a high computational speed is required . In the course of this work a model for diesel combustion engines has been developed to meet these requirements . Basis for the development of the combustion model is the detailed analysis of the combustion process and the selection of the right modeling approach . To combine the advantages of empirical approaches to computing speed and accuracy with the benefits of physical models regarding extrapolation , a zero-dimensional , non-crank angle resolved combination approach of physical / theoretical models and empirical models based on measured data was chosen in this work. The inputs to the empirical models are based physically and empirically. In order to allow a wide coverage of the free parameter space of the empirical sub-models , about 7000 data points from nine different diesel engines were used and specific measurements have been performed to extend the model boundaries . In a first step the input parameters in the empirical models should be physically calculate only from the conditions upstream the cylinder and the injection parameters . If a physical calculation of the parameters does not make sense , they were empirically determined in a second step . Thus, a combustion model was developed with eight empirical sub-models that causally follows the combustion . The practicality of the combustion model was checked by specifying the conditions before and after the cylinder of a diesel engine not used for model building and the comparison of the simulation results with measurements . Subsequently, the model was coupled with a zero-dimensional gas exchange model and a software engine control unit to simulate the transient behavior. The high accuracy of the calculation of NOx and CO2 emissions and exhaust temperatures shows that the combustion model is a good basis to move to parts of the development from the real to the virtual test bed. This has since been confirmed in several development projects.