Entwicklung eines echtzeitfähigen Motorströmungs- und Stickoxidmodells zur Kopplung an einen HiL-Simulator

170 Pages·2017·3.141 MB·German

by  Aras Mirfendreski (auth.)

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Aras Mirfendreski
Entwicklung eines
echtzeitfähigen
Motorströmungs- und
Stickoxidmodells zur
Kopplung an einen
HiL-Simulator
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Universi-
tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit
mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-
zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahr-
zeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus-
arbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation.
Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH),
Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung
sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und
batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.
Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensent-
wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich
minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und
-strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen
Fragestellungen.
Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareent-
wicklung sowie Test und Diagnose.
Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt
durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen
Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aero akustikwindkanal.
Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert
über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-
nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraftfahrwesen,
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik,
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Aras Mirfendreski
Entwicklung eines
echtzeitfähigen
Motorströmungs- und
Stickoxidmodells zur
Kopplung an einen
HiL-Simulator
Aras Mirfendreski
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2017
D93
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-19328-7 ISBN 978-3-658-19329-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-19329-4
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer Industrie-Kooperationspro-
motion zwischen dem Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen
der Universität Stuttgart (IVK) und den Fachabteilungen V-Dieselmotoren-
BrennstoffzelleundSimulationAntriebderAudiAG.
MeinbesondererDankgiltHerrnProf.Dr.-Ing.MichaelBargende.Durchdie
wertvollen,fachlichenDiskussionen,durchseineUnterstützungunddurchsei-
nemirzugestandenenFreiheiteninderDurchführungdieserArbeitwurdemir
maßgeblichermöglicht,dieseerfolgreichumzusetzen.
HerrnProf.Dr.-Ing.RolandBaarvonderTUBerlinmöchteichfürdieÜber-
nahmedesKorreferatesherzlichdanken.
Ich danke Herrn Dr.-Ing. Michael Grill für seine immer und zu jeder Zeit be-
ständigeUnterstützunginjeglicherHinsicht.SeinefachlichexzellenteBetreu-
ung als auch seine Art und Denkweise mit denen er komplexen Themen be-
gegnethabenmichimmerinspiriertundmirdenGrundsteindafürgelegt,die
vorliegendeArbeiterfolgreichzubewältigen.
HerrDr.-IngAndreasSchmidhatseitensderAudiAGdiefachlicheBetreuung
übernommen. Für die regelmäßigen Rücksprachen und seine Unterstützung
währenddieserZeitmöchteichihmdanken.
Weiterhin danke ich dem Abteilungsleiter der Fachabteilung V-Dieselmoto-
ren/Brennstoffzelle Herrn Dipl.-Ing. Immanuel Kutschera dafür, dass er die
DurchführungdieserArbeitgenehmigtundgeförderthat.
Bei meinem Abteilungskollegen der Augi AG Dipl.-Ing. Torsten Rausch be-
danke ich mich sehr herzlich für die zu jeder Zeit bereitwillige Hilfestellung
und Unterstützung bei fachlichen Fragen. Sein engagierter und freundschaft-
licher Umgang hat maßgeblich für eine sehr angenehme Arbeitsatmosphäre
gesorgt.
Stuttgart ArasMirfendreski
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XVII
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 3D-CFD-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 1D-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 0D-Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Füll-undEntleermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Mittelwertmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 MathematischeModelle . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Rechengeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Ordnung/Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.2 ExpliziteSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.3 ImpliziteSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6 Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Fourier-SyntheseamVerbrennungsmotor . . . . . . . . . . . . . 27
2.1 GrundlagenderFourier-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 UntersuchungderDruckpulsationenamV6-TDI. . . . . . . . 29
2.3 CharakteristikvonDruckpulsationen . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 OttomotorischerProzess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.1 Ventilverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 Scavenging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
VIII Inhaltsverzeichnis
2.5 Modellarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.1 AllgemeineForm(MATLAB/Simulink) . . . . . . . . 52
2.5.2 SpezielleFormfürdieStrömungssimulations-Software
GT-Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6 Stationärverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.7 TransientverhaltenimZeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.8 ZusammenfassungFT-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Semi-physikalischesStickoxid-Modell . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1 GrundlagenderStickoxidentstehung . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.1 DieselmotorischeVerbrennung . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.2 MotorischeStickoxidentstehung . . . . . . . . . . . . 85
3.2 Datenerfassungund-auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.2 Versuchsdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3 Stickoxidmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Druckverlaufsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Parameterabstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4 Hardware-in-the-Loop(HiL)-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1 Ausführungsprozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2 GrundlagenderHiL-Funktionalität . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3 Build-Prozess(Kompilaterstellung) . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4 UntersuchungvonKopplungsstrategien . . . . . . . . . . . . 126
4.5 KopplungundErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 ZusammenfassungundAusblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Abbildungsverzeichnis
1.1 Zustandsgrößen, Stoff- und Energieströme eines Behältermo-
dells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 AusflussfunktioninAbhängigkeitvonκundDruckverhältnis . 11
1.3 AufbaueinesBlack-Box-Modells . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 MathematischesMotormodell(Black-Box-Modell) . . . . . . 14
1.5 AufbaueinesneuronalenNetzes . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 ErgebniseinesGauß-ProzessesamBeispieldesLuftpfades . . 18
1.7 Schematische Darstellung der 1D-Berechnung am Rohraus-
schnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8 GeschichtederProzessorentwicklungfürDesktopRechner
(Einzelprozessor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.9 AbsoluteRechengeschwindigkeitunterschiedlicherModell–
Detaillierungsgrade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.10 RelativeRechengeschwindigkeitunterschiedlicherModell-
Detaillierungsgrade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 IDFTamZylinderauslass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Gütekriterium vs. Anzahl an Ordnungen für vier definierte
Stützstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 UntersuchungenderModellqualität(innermotorisch) . . . . . 33
2.4 UntersuchungenderModellqualität(abgasseitig) . . . . . . . 34
2.5 ReflexionenimAuslasskrümmer(n=1125min−1,p =18.6bar,
mi
T =890K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 ReflexionimAuslasskrümmer(n=1500min−1,p =6.9bar,
mi
T =610K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 VerschiebungderDruckpulsation . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.8 AbhängigkeitderPhase:vonMotordrehzahl(links),vommitt-
lerenDruck(rechts). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.9 EinflussderAuslasssteuerzeitaufdenAuslassdruck. . . . . . 43
2.10 SpektraleVeränderungdesAuslassdrucksbeiAV-Verschiebung
vonZylinder1(AS+40°KW) . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
X Abbildungsverzeichnis
2.11 SpektraleVeränderungdesAuslassdrucksbeiAV-Verschiebung
vonZylinder1-6(AS+40°KW) . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.12 Veränderung der Phasen-Koeffizienten bei AV-Verschiebung
vonZylinder1-6(AS+40°KW) . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.13 Steuerzeitenvariation:Scavenging . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.14 Zylinder-EinlassdruckbeiScavenging . . . . . . . . . . . . . 48
2.15 ErsatzfunktionfürdenStrömungsbeiwert . . . . . . . . . . . 49
2.16 DruckkorrekturimScavengingbereich(Scavenge30°) . . . . 50
2.17 MassenstromdurchEin-undAuslassventil . . . . . . . . . . . 51
2.18 AufBehälterreduziertesMotormodell(Füll-undEntleermodell) 54
2.19 KorrekturderPhasen-Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . 56
2.20 FunktionsweiseeinesFT-Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.21 HinterlegungderFourier-KoeffizientenanvierStützstellen . . 57
2.22 ReduktiondesLuftpfadesaufeinenZylinder . . . . . . . . . 58
2.23 AufprägungderFourier-KoeffizientenanvierdefiniertenStütz-
stellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.24 PhysikalischerReglerzurEinhaltungderMassen-Kontinuität 60
2.25 VerbindungdesLuftpfadesüberphysikalischeRegler . . . . . 60
2.26 WahlvonindividuellenSolvertypenfürjedesSubsystem . . . 61
2.27 Stationärergebnisse(n=2000min−1, p =10bar) . . . . . . 63
mi
2.28 QualitäteinerInterpolationderFourier-Koeffizienten,spektra-
le Darstellung der Amplitude (oben links), der Phase (unten
links) und der sich daraus ergebenden zeitlichen Darstellung
(rechts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.29 Unstetigkeit eines Druckpulses (Auslass) bei veränderlicher
DrehzahlinnerhalbeinesArbeitsspiels . . . . . . . . . . . . . 66
2.30 Maximaler Drehzahlsprung im ASP beim Beschleunigungs-
vorgang(Beispiel:WLTC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.31 Anzahl an Taylor-Ordnungen für die Reihenentwicklung zur
BestimmungvonnASP,t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.32 DefinitionderErsatzdrehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.33 Zeitlich- und winkelspezifisch gemittelte Periodendauer und
Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.34 TransientesVerhaltenbeiLast-undDrehzahlwechsel . . . . . 73
2.35 SchematischeAnleitungzurErstellungeinesFT-Modells . . . 76
2.36 Rechengeschwindigkeit(Prozessor:i7-2.80GHz) . . . . . . . 77