"Von der massenstrombasierten zur thermodynamischen Simulation"

Ohne Simulation geht bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren nichts mehr. Auch deren Steuergeräte müssen auf HiL-Prüfständen ihre Tauglichkeit täglich neu beweisen. all4engineers fragte Oliver Philipp, Leiter Motordynamik bei der Tesis Dynaware GmbH in München, nach den neuen Trends und vor allem danach, welche Vorteile das neue Softwaremodul "enDyna Themos" für den Entwickler und Applikationsingenieur hat.

Herr Philipp, klassischerweise sind Motormodelle zur Unterstützung der Steuergeräteentwicklung massenstrombasierte Mittelwertmodelle mit vielen Kennfeldern. Warum bieten Sie nun in Ihrem Motorsimulations-Paket enDyna einen thermodynamischen Modellansatz an?
Auch wenn wir uns im virtuellen Raum bewegen: Für mehr Realität wechseln wir von der massenstrombasierten zur thermodynamischen Simulation. Unsere Simulationssoftware für Fahrzeugentwicklung - in diesem Fall für die Entwicklung von Motorsteuergeräten - soll den Entwicklern möglichst große Einsatzmöglichkeiten bieten. Wenn neue Technologien entwickelt werden, steigen auch die Anforderungen an die Simulation und die dabei abgebildeten Effekte. Uns war es ein Anliegen, die relevanten physikalischen Effekte konsistent darzustellen, was mit Kennfeldern oder einfachen Modellansätzen nicht mehr praktisch handhabbar ist. Daher bieten wir mit dem neuen Softwaremodul "Themos" innerhalb von enDyna physikalisch-thermodynamische Modellansätze mit einer Simulation der inneren Vorgänge im Zylinder an.
Ein Beispiel: Funktionen, die anhand von gemessenen Zylinderdruckverläufen den Dieselmotor regeln, erfordern den Zylinderinnendruck als physikalische Simulationsgröße. Dieses Signal hängt von vielen Randbedingungen ab, etwa von der Lage und Dauer der Einspritzimpulse, der Abgasrückführung oder dem Turboladerzustand. Dabei ist besonders wichtig, dass diese Einflüsse konsistent in den simulierten Zylinderdruckverlauf münden, damit beispielsweise Diagnosefunktionen die verschiedenen Sensorsignale plausibilisieren können. Das neue Softwaremodul trägt somit der Erfordernis Rechnung, Querabhängigkeiten darzustellen.

Welche Anwendungen gibt es, die mit dem klassischen Mittelwertmodell nicht erfüllt werden konnten?
Beim Dieselmotor möchte ich als Beispiele die Einführung von Zylinderdrucksensoren, den Einfluss von Mehrfacheinspritzungen, komplexe Aufladeverfahren und die Partikelfilter-Regeneration nennen. Beim Ottomotor betrifft es vor allem die Ventiltriebsvariabilitäten, daneben natürlich ebenfalls die verschiedenen Aufladeverfahren und den Abgasstrang. In der Entwicklung von Hybridantrieben sind die Auswirkungen der Betriebsstrategie auf den Motor, beispielsweise im Rahmen von Start-Stopp-Funktionen, im Blickfeld. Mit dem klassischen Modellansatz sind Funktionen für die genannten Technologien nicht modellbasiert zu entwickeln oder zu testen.
Einerseits sind mit einem massenstrombasierten Modellansatz physikalische Effekte wie der Zylinderdruckverlauf nicht abzubilden, sondern müssten mit Kennfeldern implementiert werden, was einen erheblichen Messaufwand zur Parametrisierung bedeuten würde. Andererseits - und das ist für sinnvolle Tests besonders wichtig - sind die Kopplungen verschiedener Effekte nur in einem thermodynamischen Modell darstellbar.

Welche Anwendungsfälle gibt es neben den klassischen Entwicklungs- und Testaufgaben noch?
Aufgrund der höheren Modellgenauigkeit ist der Einsatz auch in frühen Entwicklungsphasen möglich. Dabei wird die Funktion grafisch spezifiziert und das Reglerkonzept schon in der Konzeptionsphase mit dem Motormodell überprüft. Damit kommen wir dem Ziel der vollständig modellbasierten Steuergeräteentwicklung deutlich näher als bisher. Als nächster Schritt der Entwicklung sind Parameterstudien möglich bis hin zur Vorkalibrierung. Auch die Überprüfung der Steuergeräte am HIL-Prüfstand gehört zu den typischen Anwendungen.

Könnten Sie das bitte an einem Beispiel ausführen?
Bei einem Automobilhersteller wurden zylinderdruckbasierte Steuergerätefunktionen entwickelt. Ursprünglich sollten diese erst am realen Motor getestet werden. Es war jedoch frühzeitig ein HIL-Prüfstand mit enDyna Themos verfügbar, der für Integrationstests vorgesehen war. Daraufhin wurde der anfängliche Plan geändert. Bereits um das Reglerkonzept zu untersuchen, wurde unser Softwaremodul eingesetzt. Anhand der so erhaltenen Simulationsergebnisse konnte das Konzept überarbeitet und anschließend die Reglerparameter optimiert werden. Damit erreichte der Kunde schon in einem frühen Stadium Entwicklungsergebnisse, die andernfalls erst in späteren Entwicklungsschritten zu erhalten gewesen wären.

Die Kreisprozessrechnung als theoretische Grundlage für Ihr Softwaremodul ist seit geraumer Zeit bekannt. Was hat bisher den Einsatz in Simulationsmodellen für die Steuergeräteentwicklung verhindert?
Philipp Ich denke, die wesentliche Herausforderung ist die für den HIL-Einsatz benötigte Echtzeitfähigkeit der Modelle. Diese erzwingt spezielle Algorithmen, beispielsweise um die numerische Stabilität und die erforderliche Rechengenauigkeit sicherzustellen. Die Implementierung kann also nicht einfach nach dem Lehrbuch erfolgen.
Durch unsere langjährige Projekterfahrung auf dem Gebiet der echtzeitfähigen Motor- und Fahrzeugsimulation sind wir in der Lage, dieses neue Anwendungsgebiet der Motorprozessrechnung zu erschließen. Außerdem wird durch die Kooperation mit der IAV und die Zusammenarbeit mit Hochschulen weitere praktische Erfahrung und theoretisches Wissen eingebracht. Wir arbeiten also beständig an innovativen und gleichzeitig praxisnahen Weiterentwicklungen.

Wie ermöglichen Sie die Einbettung in bestehende Entwicklungsumgebungen?
Hier sprechen Sie einen wichtigen Punkt an: Keine Projektumgebung gleicht der anderen. Daher legen wir seit den Anfängen von enDyna Wert auf Erweiterbarkeit und Flexibilität. Dies wird zum Beispiel durch die offene Modellarchitektur realisiert oder die Unterstützung der gewählten HIL-Plattform. Unsere Kunden verwenden die Software als Entwicklungsplattform mit vielen vorkonfigurierten Bestandteilen, die den Start erleichtern und zu schnellen Ergebnissen führen. Wir bieten aber auch die Modularität, bei Bedarf weitere Modellkomponenten wie den Abgasstrang oder den Luftpfad zu ergänzen oder auszutauschen.
Ein wichtiger Baustein für den praktischen Einsatz ist auch der toolunterstützte Parametrisierungsprozess, der auf Standard-Messdaten basiert. Damit ermöglichen wir eine qualitativ hochwertige Parametrisierung der Modelle bei gleichzeitig einfacher Handhabung. Das ist für den Projekteinsatz von entscheidender Bedeutung, denn man erhält nur dann aussagekräftige Simulationsergebnisse, wenn ein hochwertiges Modell und eine stimmige Bedatung zusammentreffen.
Wir wollen unseren Kunden eine vollständige Unterstützung ihrer Entwicklungsprozesse bieten und ermöglichen dies zum Beispiel durch die hohe Modellgüte, wodurch die Modelle in allen Entwicklungsstufen von der Konzeptstudie bis zum HIL-Test durchgängig eingesetzt werden können.

Wie wird sich enDyna in Zukunft weiterentwickeln?
Wir orientieren die Weiterentwicklung der physikalischen Modelle jeweils an den Erfordernissen unserer Kunden und den praktischen Erfahrungen aus Projekten. Beispielsweise arbeiten wir kontinuierlich daran, die Parametrisierung und die Handhabung von Motorvarianten zu vereinfachen.
Für jede Aufgabe das passende Modell - für diese Anforderung werden wir zukünftig kombinierbare Modelle unterschiedlichen Detaillierungsgrades für die verschiedenen Fahrzeugkomponenten anbieten. Damit ist das virtuelle Fahrzeug zur Unterstützung von Steuergeräteentwicklung und -test für mannigfaltige Aufgabenstellungen Realität.

Herr Philipp, ich danke Ihnen für das Gespräch.

Autor(en): Michael Reichenbach

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