advanced simulation technologies
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Durch die Kraftstoffverbrennung in Verbrennungsmotoren
werden Schadstoffe freigesetzt, die sich auf die menschliche
Gesundheit und die Umwelt nachteilig auswirken.
Die öffentliche Diskussion über Luftverschmutzung dreht
sich heute vor allem um die Stickoxide.
In Ballungsgebieten
werden die jeweiligen Abgasgrenzwerte kontinuierlich
überschritten und die Legislative fordert strenge
Maßnahmen, um die Luftqualität zu verbessern. Mithilfe
der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) lassen sich
die im Abgas von industriellen Verbrennungsanlagen
und Kraftfahrzeugen
enthaltenen Stickoxide reduzieren.
SCR-Systeme zählen zwar zu
den effizientesten Technologien
zur Senkung von NOx-Emissionen,
doch die Entwicklung und
Fahrzeugintegration
solcher Systeme
ist sehr aufwändig. Maik
Suffa, Produktmanager von AVL
für den Bereich Fluiddynamik und
Thermodynamik, führt einige der
Herausforderungen an: „Nachbehandlungssysteme
werden in enger
Zusammenarbeit zwischen dem
OEM und einem oder mehreren Zulieferern
entwickelt. Die Entwickler
arbeiten in unterschiedlichen Umgebungen
– Büro, Prüfstand und
Straße. Für die Fahrzeugintegration
eines Nachbehandlungssystems sind
auch Einschränkungen hinsichtlich
Einbauraum und Gewicht zu berücksichtigen.
Zu bedenken ist auch,
dass Fahrzeuge normalerweise nicht
nur für einen einzigen Markt bestimmt
sind. Daher muss das System
flexibel genug sein, um die
unterschiedlichen
Gesetzesvorgaben,
Prüf- und Zulassungsstandards
zu erfüllen, ohne dass die Hardware
geändert werden muss. Zu beachten
ist auch die große Vielfalt von Konstruktions
und Kalibrierparametern,
die auf die Entwicklung von
SCR-Systemen Einfluss nehmen.
DIE AVL-LÖSUNG
Bei AVL begegnet man diesen Herausforderungen
mit Virtual Prototyping.
Entscheidungen werden auf
Basis von Simulationsergebnissen
getroffen bzw. von diesen unterstützt.
Da Konzepte und Designs
virtuell getestet werden, kann auf
Prototypen mitunter komplett verzichtet
werden, wodurch sich Entwicklungsressourcen
und -kosten
einsparen lassen. Ziel ist es, dass bereits
die erste Hardware voll funktionsfähig
ist und alle Leistungsziele
erfüllt.
Für eine simulationsbasierte Entwicklung
muss die bereitgestellte
Software durchgängig, skalierbar
und offen sein. Durchgängigkeit ist
von zentraler Bedeutung, um während
des gesamten Entwicklungsprozesses
und zwischen allen beteiligten
Umgebungen einen nahtlosen Informationsaustausch
zu gewährleisten.
Diese durchgängige Skalierbarkeit ermöglicht
es dem Anwender, die Geschwindigkeit
und Genauigkeit der
Simulation auf seine Anwendung abzustimmen.
Ein offenes System erlaubt
es wiederum, Software-Tools
untereinander
und auch mit Prüfsystemen
zu verbinden.
In der Konzeptphase werden 1DSimulationsmodelle
verwendet, um
aus einem Pool von Möglichkeiten
die aussichtsreichste auszuwählen.
Rechenmodelle lassen sich binnen
weniger Minuten erstellen. In der
Detaildesignphase kann der Entwickler
das komplette Setup eines
1D-Modells mit wenigen Mausklicks
in das 3D-CFD Tool AVL FIRE™
importieren – dabei gehen keine Informationen
verloren und eine Neubedatung
oder gar Neukalibrierung
des Modells ist nicht erforderlich.
DURCH SIMULATION
ABLAGERUNGSBILDUNG
VERHINDERN
Eine große Herausforderung beim
Betrieb von SCR-Systemen ist die
Bildung von Harnstoffablagerungen.
Für eine experimentelle Auswertung
der Ablagerungsbildung
wird eine geeignete Testumgebung
und das als Hardware vorhandene
Nachbehandlungssystem benötigt.
Bei Verwendung von AVL FIRE™
kann der Entwickler volltransiente,
detaillierte 3D-Berechnungen
durchführen, um Auftreten,
Zusammensetzung und Abbau von
Harnstoffablagerungen bereits in
einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses
auf Basis von CADDaten
vorauszusagen, zu wesentlich
geringeren Kosten. Maik Suffa
weist darauf hin, dass „die Simulation
von mehreren Minuten Echtzeit
nun mit moderatem Aufwand
an Ressourcen möglich ist, und das
bis zu 20 Mal schneller als mit konventionellen
transienten Simulationsmethoden“.
VIRTUELLE
FAHRZEUGTESTS
In einer späteren Phase des Entwicklungsprozesses
lassen sich die AVL
1D-Nachbehandlungsmodelle auf
einfache Weise in AVL CRUISE™
M Modelle importieren, die ein Gesamtfahrzeug
abbilden. Der Entwickler
hat so die Möglichkeit, die
Leistungsparameter des entwickelten
Nachbehandlungssystems in
einer virtuellen Umgebung zu testen,
die ein Gesamtfahrzeug mit
Motor, Antriebsstrang, Rädern und
Fahrer nachbildet. Er kann dabei
einen gesetzlichen Prüfzyklus oder
einen beliebigen anderen Testzyklus
durchführen.
Durch Variation der Fahrzeugkonfiguration
– indem Masse, Getriebe,
Fahrerprofil oder andere Parameter
geändert werden – liefert die Simulation
genau die Abgasemissionen,
die diese Variationen exakt widerspiegeln.
„Mit Virtual Protoyping
kann der Entwicklungsingenieur
beurteilen, ob ein bestimmtes Nachbehandlungssystem
in der gesamten
Zielfahrzeuggruppe eingesetzt werden
kann, und das lange bevor ein
physisches Modell gebaut wird“, erklärt
Suffa und meint abschließend:
„Die AVL-Simulationslösung liefert
damit Antworten auf alle Fragen, die
sich im Zuge der Entwicklung von
Nachbehandlungssystemen ergeben,
von der Konzept- und Detaildesignphase
bis hin zur Testphase.
Sie unterstützt den OEM in seinen
Bestrebungen, die Emissionswerte
bis unter die strengen gesetzlichen
Grenzwerte zu reduzieren.“