Co-Simulation einer Hochdruckpumpe

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1 Co-Simulation einer Hochdruckpumpe für PKW-Dieseleinspritzsysteme Mehrkörpersysteme rpersysteme Universität t Kassel

2 Gliederung Einleitung Modellbildung Mechanik Modellbildung Hydraulik Kopplung und Co-Simulation Simulationsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2 von 22

3 Einleitung Ziel der Co-Simulation - Gesamtsimulation bisher getrennt betrachteter Subsysteme - Bestimmung der notwendigen Submodelltiefen - Anwendung unterschiedlicher Kopplungsverfahren - Simulation dynamischer Koppeleffekte Förderung durch FVV Forschungsstellen - Universität Kassel - Fachgebiet Mehrkörpersysteme - Institut für Maschinenelemente/Konstruktionstechnik - RWTH Aachen - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Betrachtete Anwendung: - Hochdruckpumpe für PKW-Anwendung - 3-Kolben-Radialkolbenpumpe - Antrieb durch Steuertrieb des Motors 3 von 22

4 Gliederung Einleitung Modellbildung Mechanik Modellbildung Hydraulik Kopplung Simulationsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 4 von 22

5 Modellbildung Mechanik Übersicht Antriebswelle flexibel modelliert (modal reduziert) Weicher Antrieb der Pumpenwelle Hydrodynamische Lager Exzenter und Gleitschuh starr modelliert Kolben als 4-Massen-Schwinger Kolben Nichtlineare Steifigkeit, Reibung: Stribeckkurve Gleitschuh Exzenter Antrieb Hydrodynamische Lager (FE-Rechnung der Druckverteilung) 5 von 22

6 Gliederung Einleitung Modellbildung Mechanik Modellbildung Hydraulik Kopplung Simulationsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 6 von 22

7 Hydraulischer Schaltplan der Hochdruckpumpe Vereinfachter Schaltplan ohne Rail und Injektoren Exzenterraum Schmierung 3x Vorförderpumpe VCV Saugventil Hochdruckventil Tank 7 von 22

8 Modellbildung der Hochdruckpumpe Modell orientiert sich am physikalischem Aufbau der Hochdruckpumpe Simulation eines Pumpenprüfstands im ersten Schritt Unterschiedliche Modelltiefen Nutzung von Baugruppen (Submodelle) für Verdrängereinheiten 8 von 22

9 Modellbildung der Verdrängereinheit ND Volumen3 RohrKonzParam5 Volumen6 HD Duese1 Duese2 Zylinder mit Weg-Vorgabe Nachbildung der Leitungsvolumina innerhalb der Pumpe - Verdrängerbaugruppe - Pumpengehäuse Saugseite K RueckschlagVentilKennfeld1 Q_SRSV TotvolumenZyliner SpaltHoehe RohrKonzParam2 Signal6 VerstellSpalt1 Hochdruckseite Q_HDRSV K RueckschlagVentilKennfeld2 Volumen5 Leckage ER QL Leckage (Spalt oder Kennfeld, umschaltbar) Rückschlagventil- Modelle mit betriebspunktabhängigen Schaltzeiten K Lanege0 Konstante2 HydrKraft Geschwindigkeit v Position Zylinder F s Summe1 Laenge WinkelFuerKennfeld Phi 9 von 22

10 Einbindung der Leckagekennfelder Exakte Leckagekennfelder aus EHD-Berechnung des Kolben-Buchse-Kontaktes von IMK in Abhängigkeit von: - Antriebswinkel - Druckverlauf - Querkraftverlauf Einbettung zweier Kennfelder - Leckage in Abhängigkeit des Antriebswinkels - Referenzdruck in Abhängigkeit des Antriebswinkels - Sechs Referenzbetriebspunkte - Lineare Skalierung in Abhängigkeit der Druckabweichung tilkennfeld1 Q_SRSV TotvolumenZyliner RohrKonzParam2 PZylinder Division1 Zaehler Nenner pkf Volumen5 Hochdruckseite K DruckQuotient KennfeldP RueckschlagVentilKennfeld2 Signalbegrenzung1 KennfeldQL Q_HDRSV Skalierung Leckage HD Produkt1 1 2 * 1 2 Zylinder p Q Hydro2Signal1 WinkelFuerKennfeld Phi LeckageSkaliert QL 10 von 22

11 Modellbildung Rückschlagventile Ziel: Untersuchung der Ventildynamik Modellierung mit Mikro-Komponenten-Bibliothek (MKB) Kräftegleichgewicht mit Strömungs-, Trägheits- und Druckkräften Statische Werte aus Messung bekannt Parametrierung rechenzeiteffizientes Ersatzmodell (Betriebspunktabh. Schaltzeiten) OffsetL M1 OffsetR MCMS1 MCHF1 MCMass1 MCConeSeat1 MCHF2 MCMS2 QMCM RueckschlagVentil1 RueckschlagVentilPT2 FConeSeat Kammer1 Qvergl Rail Volumen1 TechnWiderstand1 RueckschlagVentil2 QPvergl Kammer PumpeDrehzahl2 Signal3 FunktionsGenerator1 PumpeDrehzahl1 QPMCM 11 von 22

12 Ungekoppelte Simulation des Hydraulikmodells Betriebspunkte /min Pumpendrehzahl /min Motordrehzahl - 50 cm³/s Einspritzvolumenstrom über 0,5 s - Maximaler Druck Einspritzungen/s - Entspricht ca. 75 kw bei 200 g/kwh Einspritzung erzeugt Druckschwankungen im Rail und in der HDP - Fortsetzung bis in Verdrängerraum der HDP - Anregung auf die Co-Simulations- Schnittstelle 12 von 22

13 Gliederung Einleitung Modellbildung Mechanik Modellbildung Hydraulik Kopplung Simulationsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 13 von 22

14 Schnittstellen der Co-Simulation Co-Simulation Kolbenkinematik x1, x2, x3, v, v, v Nockenwinkel und Drehzahl,n Leckage- Spaltströmung Kräfte auf Kolben F, F, F Hub und Querkraft über NW x( ), F Q ( ) Druck über NW p( ) Hydraulik-Modell: Hochdruck-Kreislauf Niederdruck-Kreislauf Leckage-Kennfeld Kennfeld EHD-Modell Kolben: Leckage-Simulationen Leckage Q( ) 14 von 22

15 Realisierte Kopplungsarten Gauss-Seidel-Typ, Master-Slave-Verfahren Adams 1. Integration Adams (Zieht vor) 1. Integration y 1,n Extrapolation y 1,n 1 Extrapolation T n T n1 Tn1 Interpolation Tn T n1 y 2,n Interpolation y 2,n 1 DSHplus 2. Integration Gauss-Seidel-Typ: Festes Kommunikationsgitter (Makroschrittweite, H=Tn+1 -Tn ) Nur serielle Integration möglich Extrapolation/Interpolation 15 von 22 DSHplus (Zieht nach) Master-Slave-Verfahren: Schrittweite des ersten Subsystemsolvers als Kommunikationsgitter Schrittweitensteuerung einfach zu implementieren

16 Realisierte Kopplungsarten Jacobi-Typ, feste Makroschrittweite Adams 1. Integration y 1,n Extrapolation y 1,n 1 T n T n1 y 2,n Extrapolation y 2,n 1 1. Integration DSHplus Jacobi-Typ: Parallele Integration möglich Extrapolation/Extrapolation keine Interpolation möglich 16 von 22

17 Gliederung Einleitung Modellbildung Mechanik Modellbildung Hydraulik Kopplung Simulationsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 17 von 22

18 Gekoppelte Simulation Schnittstellen liefern gute und weitgehend übereinstimmende Ergebnisse STC Schnittstelle (Fa. Fluidon) bedingt sehr kurze Schrittweite in ADAMS - Optimierungspotential in dieser Anwendung Zugeschnittene Schnittstellen deutlich schneller Jacobi-Typ erlaubt paralleles Rechnen Rechenzeit (mit 2 CPU-Kernen) - STC: 134 min - GST: 24 min - JT: 19 min Arbeitspunkt - 50% n max - 100% p max - 7,5% VCV Geschwindigkeit 1 Kolbenkräfte Moment Zeit Zeit Fluidon STC 1 Gauss-Seidel-Typ, Master-Slave-Verf. Jacobi-Typ, feste Makroschrittweite Zeit 18 von 22

19 Gekoppelte Simulation Antriebsmoment bei versch. Saugdrosselung Arbeitspunkt - 50% n max - 50% p max Kalibration des Simulationsmodells erforderlich - Reibwerte der Lager Grundsätzliche gute Übereinstimmung zw. Messung und Simulation 19 von 22

20 Gekoppelte Simulation Variation der Antriebssteifigkeit Arbeitspunkt - 50% n max - 50% p max - 10% VCV Antriebssteifigkeit sehr stark reduziert (theoretische Untersuchung) 20 von 22

21 Zusammenfassung und Ausblick Mechanisches und hydraulisches Simulationsmodell aufgebaut Kopplung ADAMS mit DSHplus, Austausch von Zustandsgrößen Co-Simulationsschnittstelle aufgesetzt - Ergebnisse zeigen weitgehende Übereinstimmung - Abstimmung der Schnittstelle zeigt deutliche Rechenzeitersparnis - Weitere Rechenzeitersparnis durch Parallelisierung Untersuchung an Fallstudien - Drehelastischer Antrieb der Hochdruckpumpe - Bei sehr niedriger Federsteifigkeit des Antriebs ausgeprägte Effekte - Extreme Betriebspunkte Ausblick: - Untersuchung von weiteren Effekten - Erweiterung Injektoren, Druckregelung durch VCV - Simulation von Einspritzsystemen - Optimierung der Schnittstelle 21 von 22

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen & Anregungen?

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