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Arbeiten im virtuellen Raum: MTZ-Konferenz Virtual Powertrain Creation

Die steten Änderungen der Rahmenbedingungen für die Motorenentwicklung erfordern von allen Beteiligten ein hohes Maß an Flexibilität. Das Arbeiten im virtuellen Raum kann dabei helfen, Druck aus den Prozessen zu nehmen. Über die jüngsten Entwicklungen informierte kürzlich die 12. Internationale MTZ-Konferenz Virtual Powertrain Creation.

Die zunehmende Verästelung im Bereich der Triebstrangentwicklung stellt die beteiligten Ingenieure vor große Herausforderungen. Gilt es doch, immer höhere Anforderungen an Emissions- und Verbrauchsverhalten zu effizienteren und sparsameren Motoren umzusetzen und gleichzeitig die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen voranzutreiben. Diese oftmals an einen Spagat erinnernde Aufgabenvielfalt lässt sich nur noch durch den Einsatz innovativer und effizienzsteigernder Entwicklungswerkzeuge bewältigen. Entsprechend groß - und teilweise auch unübersichtlich - ist das Angebot an Hilfsmitteln für reale und virtuelle Teilaufgaben des Entwicklungsprozesses. Vor allem digitale Engineeringwerkzeuge können die Prozesse erheblich beschleunigen.

So können die Werkzeuge der digitalen Produktentwicklung zwar als Hilfsmittel die verschiedenen Welten kontinuierlich über den gesamten Produktlebenszyklus verzahnen. Doch dazu müssen neue Schwerpunkte in ihrer Anwendung gesetzt werden. Daraus resultieren Zielkonflikte, deren Auflösung viel Zeit und Energie erfordert. In diesem Rahmen gilt es unter anderem, die unterschiedlichen Sichtweisen und Einzelaktivitäten zu vereinheitlichen und durch einen ganzheitlichen Ansatz zu ersetzen.

Dazu ist es noch ein weiter Weg. Zu groß sind momentan die Unstimmigkeiten zwischen dem Anspruch und der Umsetzung der digitalen Produktentwicklung. Neben der Methodik spielt nicht zuletzt der Faktor Mensch eine bremsende Rolle, da eine bereichsübergreifende Denkweise der Mitarbeiter bislang ebenso wenig gefördert wurde wie die eigentlich notwendige enge Zusammenarbeit.

Derlei grundsätzliche Schwierigkeiten bei der Einführung digitaler Werkzeuge lassen sich auch im Bereich der virtuellen Triebstrangentwicklung beobachten. Allein die europäische Aufholjagd bei der Hybridisierung sowie die Vorbereitungen auf elektromotorische Antriebe schafften einen großen Bedarf nach einer standardisierten Auslegung der elektrischen Triebstrangkomponenten in einer frühen Entwicklungsphase. Dies umso mehr, weil mangels verfügbarer Baukästen und Bibliotheken noch viel Basisarbeit in der Entwicklung geleistet werden muss.

Um die Wirkungsgradkennfelder elektrischer Hybridkomponenten besser abschätzen zu können, wurde an der Technischen Universität (TU) München ein skalierbares Simulationsmodell für Parallel-Hybride entwickelt. Das Modell kann verschiedene Fahrzyklen nachbilden und erlaubt so die Berechnung von Verbräuchen. Die Skalierbarkeit führt zu hohen Freiheitsgraden in der Entwicklung. Neben Größe und Typ des Elektromotors lassen sich auch die Art der Energiespeicherung sowie der zu koppelnde Verbrennungsmotor variieren.

Auch Abgasbehandlungssysteme, die oftmals eine Annäherung an den verfügbaren Bauraum, Montageaspekte und Kostenlimits darstellen, lassen sich heute mit einschlägigen Methoden simulieren. Da es sich dabei nicht nur um Mechanik, sondern auch um komplexe physikalische und chemische Prozesse handelt, stellt die Simulation in der Regel einen Kompromiss aus verfügbarer Rechnerleistung und Exaktheit der einzelnen Rechenmodelle dar. Wieder andere Ansätze betreffen die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulation zur Rußprognose an aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder die Optimierung von Parametern zur Qualitätssteigerung bei dreidimensionalen (3D)-Verbrennungsrechnungen.

Vom Grundsatz gilt, dass derlei Computer-aided engineering (CAE)-Prozesse und -Methoden in der Antriebsstrangentwicklung einen festen Platz eingenommen haben. Die aktuellen technologischen und ökonomischen Herausforderungen der Branche lassen erwarten, dass die Bedeutung solcher Entwicklungswerkzeuge noch weiter zunimmt. Nicht zuletzt deshalb, weil die rasante Entwicklung auf der Hard- und Softwareseite dazu geführt hat, dass CAE sehr breit eingesetzt werden kann.

Allerdings hat sich auch herausgestellt, dass dem Management von CAE-Prozessen und -Daten in der Projektabwicklung eine zentrale Bedeutung zukommt, um Qualitäts- und Freigabeprozesse effizient unterstützen zu können und gleichzeitig einen nachhaltigen Aufbau von Wissen aus den gewonnenen Erkenntnissen sicherzustellen. Ansatzpunkte dazu sind eine Standardisierung von CAE-Methoden, die Definition von Datenmodellen zum einheitlichen Datenmanagement über alle Methoden hinweg sowie eine auf System und Komponenten ausgerichtete Erfassung von Zielgrößen und Werten.

Die Verfügbarkeit selbst komplexer Simulationsmethoden - so die einhellige Meinung anlässlich der 12. MTZ-Konferenz Virtual Powertrain Creation - ist in der Regel nicht das Problem. Dafür sorgen schon die einschlägigen Softwareanbieter, die gemeinsam mit ihren Lead-Kunden immer neue Lösungen auf den Markt bringen. Die Herausforderung in der täglichen Praxis lautet vielmehr, je nach Entwicklungsstand des Produkts und der damit verbundenen Verfügbarkeit exakter Datensätze die jeweils effektivste Simulationsmethode anzuwenden und die damit gewonnenen Erkenntnisse weiteren Arbeiten zugänglich zu machen.
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