Simulationsbasierte Entwicklungsmethode für zukünftige Abgasemissionsgesetzgebung

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Adrian Bösch
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1 Simulationsbasierte Entwicklungsmethode für zukünftige Abgasemissionsgesetzgebung Miles Skeletti Wintersemester 2016/17 Energieeffiziente Antriebssysteme Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu

FEV GmbH (Forschungsgesellschaft für Energietechnik und

Mitarbeiter: > 4.000 weltweit Umsatz: rd. 350 Mio.

Simulation Verbrennungsmotoren Alternative Antriebe

2 FEV GmbH (Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren) Hauptsitz: Aachen Standorte: > 35 weltweit Mitarbeiter: > weltweit Umsatz: rd. 350 Mio. (2014) Dienstleistungsunternehmen Entwicklung, Konstruktion und Simulation Verbrennungsmotoren Alternative Antriebe Energietechnische Anlagen Abb. 14: Luftaufnahme des Firmengeländes der FEV GmbH in Aachen Abb. 15: Firmenlogo der FEV GmbH 2

3 Gliederung 1. Einführung 2. FEV-RDE-Simulation 3. Validierung anhand realer Messungen 4. Anwendung in aktuellen Entwicklungsprojekten 5. Zusammenfassung 3

4 Einführung Warum werden Emissionssimulationen benötigt? Abb. 16: Smog in Beijing, Quelle: cnbc.com 4

5 Einführung Warum werden Emissionssimulationen benötigt? 1. Zielgerichtete und effiziente Entwicklung Aussage in früher Entwicklungsphase Beliebige Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombinationen Unterschiedliche Betriebssituationen 2. Worst-Case-Szenario kann abgebildet werden 3. Einhaltung geforderter Emissionsgrenzwerte 5

6 Emissionsgesetzgebung Tab. 1: Abkürzungsverzeichnis PN Particulate Number WLTP/C Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure/Cycle GHG Greenhouse Gas RDE Real Driving Emissions PEMS Portable Emissions Measurement System NEDC New European Drive Cycle Abb. 1: Übersicht zur erwarteten Verschärfung der europäischen Emissionsgesetzgebung mit Fokus auf Personenkraftwagen 6

7 Emissionsgesetzgebung Herabsenkung der Emissionsgrenzwerte ab Sep (Euro 6d-TEMP) Angleichung lokaler Zertifizierungsverfahren Einführung von... WLTP Nachweispflicht zur Emissionsgrenzwerteinhaltung im realen Fahrbetrieb (RDE-Fahrzyklen) 7

Motorkennfeld mit unterschiedlicher Betriebsmodi Spülen des Brennraums dient der Steigerung des Eckdrehmoments (Ansprechverhalten) Durch Gemischanreicherung werden Bauteile vor Temperaturüberlastung

8 Motorkennfeld mit unterschiedlicher Betriebsmodi Spülen des Brennraums dient der Steigerung des Eckdrehmoments (Ansprechverhalten) Durch Gemischanreicherung werden Bauteile vor Temperaturüberlastung geschützt Abb. 2: Schematische Lage ottomotorischer Betriebsmodi wie Spülen und Bauteilschutz im Motorkennfeld relativ zu Fahrzuständen in NEDC und WLTC sowie unter RDE- Bedingungen Entwicklung von sauberen Motoren in allen Fahrsituationen 8

9 Gliederung 1. Einführung 2. FEV-RDE-Simulation 3. Validierung anhand realer Messungen 4. Anwendung in aktuellen Entwicklungsprojekten 5. Zusammenfassung 9

10 FEV-RDE-Simulation 1. Definition des Antriebsstrangs Abb. 4: Übersicht der vier zentralen Komponenten der FEV-RDE-Simulation 10

11 1. Definition des Antriebsstrangs Bestehende RDE-Zyklen Zuordnung/Verwendung von Basisemissionskennfeldern... Datenbanken von Vorgängerversionen des Antriebsstrangs Erste stationäre Prüfstandmessungen Bilden nicht Worst-Case-Szenario ab Abb. 3: Übersicht repräsentativer, aktuell in der Emissionsentwicklung eingesetzter RDE-Zyklen 11

12 FEV-RDE-Simulation 1. Definition des Antriebsstrangs 2. Emissionsmodellierung Abb. 4: Übersicht der vier zentralen Komponenten der FEV-RDE-Simulation 12

13 2. Emissionsmodellierung Schadstoffemissionskennfelder als Basis für CO 2 -Emissionen Neuentwicklung und Implementierung von Rohemissionsmodellen und Abgasnachbehandlungsmodellen zur Emissionsmodellierung Abb. 5: Segment 2: Emissionsmodellierung: Schadstoffemissionskennfelder ( Base Maps Warm ), Rohemissionsmodelle und Abgasnachbehandlungsmodelle 13

14 FEV-RDE-Simulation 1. Definition des Antriebsstrangs 2. Emissionsmodellierung 3. Parametrische Beschreibung realer Fahrsituationen Abb. 4: Übersicht der vier zentralen Komponenten der FEV-RDE-Simulation 14

15 3. Parametrische Beschreibung realer Fahrsituationen Abb. 6: Segment 3: Übersicht dominanter Einflüsse auf die parametrische Beschreibung realer Fahrsituationen Fahrverhalten/Fahreraggressivität Beschleunigungs- und Bremsverhalten Fahrstrecke Höhenprofil Geschwindigkeitslimitierungen Verkehrssituation Wetterrandbedingungen Wind, Regen, usw. 15

16 FEV-RDE-Simulation Abb. 4: Übersicht der vier zentralen Komponenten der FEV-RDE-Simulation 1. Definition des Antriebsstrangs 2. Emissionsmodellierung 3. Parametrische Beschreibung realer Fahrsituationen 4. Herleitung eines RDELeitszenarios 16

17 4. RDE-Leitszenario Design of Experiments (DoE) Dreidimensionaler Raum mit n beliebigen Umweltrandbedingungen und Fahrstrecken Worst-Case-Szenario abbildbar Ausgangspunkt für Simulation Abb. 7: Segment 4: Herleitung eines RDE-Leitszenarios, basierend auf DoE 17

18 4. RDE-Leitszenario Einfluss der Randbedingungen... Streckenspezifische PN- Emissionsmessung um Faktor 11 höher als RDE-Szenario minimaler PN-Emissionen (NEDC/WLTC) Große Streuung Abb. 9: Kumulierte PN-Emissionen des RDE Leitszenarios im Vergleich zu einem Szenario mit niedrigen PN-Emissionen für eine Fahrzeug-Antriebsstrangkonfiguration 18

19 Gliederung 1. Einführung 2. FEV-RDE-Simulation 3. Validierung anhand realer Messungen 4. Anwendung in aktuellen Entwicklungsprojekten 5. Zusammenfassung 19

20 Validierung (C-Segment; NEDC) Abb. 8-1: Vergleich von Simulations- und Messergebnissen für repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombinationen in unterschiedlichen Fahrzyklen zur Validierung der Emissionssimulationsmethodik 20

21 Validierung (C-Segment; WLTC) Abb. 8-2: Vergleich von Simulations- und Messergebnissen für repräsentative Fahrzeug- Antriebsstrang-Kombinationen in unterschiedlichen Fahrzyklen zur Validierung der Emissionssimulationsmethodik 21

22 Validierung (J-Segment; WLTC) Abb. 8-3: Vergleich von Simulations- und Messergebnissen für repräsentative Fahrzeug- Antriebsstrang-Kombinationen in unterschiedlichen Fahrzyklen zur Validierung der Emissionssimulationsmethodik 22

Emissionssimulation (Parametrierung) anhand fester Fahrzyklen (NEDC/WLTC) PN-Emissionen kumuliert Hohe Streuung, daher Mittelwertbildung mehrerer Fahrversuche C-Segment: J-Segment: TCDI:

23 Emissionssimulation (Parametrierung) anhand fester Fahrzyklen (NEDC/WLTC) PN-Emissionen kumuliert Hohe Streuung, daher Mittelwertbildung mehrerer Fahrversuche C-Segment: J-Segment: TCDI: Mittelklasse, kleines Familienauto Geländewagen, SUV Turbo Charged Direct Injection Starke Anstiege zum Start (Katalysatorheizen) Starke Anstiege in aggressiven Beschleunigungsphasen Geringe PN-Emissionen während Konstantfahrten Vorteile für reale Entwicklungsbeispiele Abb. 8: Vergleich von Simulations- und Messergebnissen für repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombinationen in unterschiedlichen Fahrzyklen zur Validierung der Emissionssimulationsmethodik 23

24 Gliederung 1. Einführung 2. FEV-RDE-Simulation 3. Validierung anhand realer Messungen 4. Anwendung in aktuellen Entwicklungsprojekten 5. Zusammenfassung 24

25 PN- und CO2-Emissionen Typ: Motorisierung: Schwungmassenklasse: Nennleistung: C-Segment 2.0l TCDI Ottomotor 1590 kg 180 kw Abb. 10: PN- und CO2-Emissionsergebnisse eines C-Segment Fahrzeugs in den betrachteten RDE-Szenarien sowie den Fahrzyklen NEDC und WLTC 25

26 Einflussfaktoren auf PN-Emissionen Abb. 11: Korrelation zwischen ausgewählten Szenario Eigenschaften (DoE-Parametern) und PN-Emission: Durchschnittsgeschwindigkeit, Fahreraggressivität, Umgebungstemperatur und durchschnittliche Distanz zwischen zwei Haltepunkten 26

27 Einfluss der Einspritzstrategie Problem: Spät gesetztes Ende der letzten Teileinspritzung Bauteilbenetzung Niedrige Gemischhomogenisierung Maßnahmen: Neue Aufteilung der Einspritzmengen Optimierung der einzelnen Einspritzzeiten Abb. 12: Quantifizierung des Einflusses einer optimierten Einspritzstrategie auf die PN- Emission Grenzwert weiterhin überschritten 27

28 Einfluss des Einspritzsystems Optimierungen an Einspritzsystem Gemischaufbereitung verbessert Bauteilauftrag vermindert Einhaltung des geforderter Grenzwerts (Euro 6d-TEMP) GPF (Otto-Partikel-Filter) empfohlen Abb. 13: Einfluss eines neuen Einspritzsystems mit optimierter Einspritzstrategie auf die PN-Emission 28

29 Gliederung 1. Einführung 2. FEV-RDE-Simulation 3. Validierung anhand realer Messungen 4. Anwendung in aktuellen Entwicklungsprojekten 5. Zusammenfassung 29

30 Zusammenfassung Jede beliebige Fahrzeug-Antriebsstrang-Kombination modellierbar Aussage über Emissionsverhalten in früher Entwicklungsphase Einhaltung enger Zeit- und Kostenvorgaben Worst-Case-Szenarien abbildbar Derivatspezifische Entscheidungen bzgl. emissionsrelevanter Technologien können getroffen werden Einhaltung geforderter Emissionsgrenzwerte 30

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 31

32 Literaturverzeichnis 1 Auszug aus 37. Internationales Wiener Motorensymposium 2016, Seiten Simulationsbasierte Entwicklungsmethode fu r zuku nftige Abgasemissionsgesetzgebung; Dr.-Ing. Henning Baumgarten, Dr.-Ing. Johannes Scharf, Dr.-Ing. Matthias Thewes, Dr.-Ing. Tolga Uhlmann, Dipl.-Ing. Andreas Balazs, M.Sc. Marius Boḧmer; FEV GmbH (Aachen), Lehrstuhl fu r Verbrennungskraftmaschinen (RWTH Aachen University) 3 Homepage der FEV GmbH: Zugriff: European Commission: NEDC/WLTP correlation process, Meeting of TCMV on 17. November 2015, November European Commission: COMMISSION REGULATION (EU) amending Regulation (EC) No 692/2008 as regards emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 6), November

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