RDE-Entwicklungsumgebung am hochdynamischen Motorprüfstand

Mit der angestrebten Einführung der Real-Driving-Emissions-

Gesetzgebung im Jahr 2017 und ihrer Monitoringphase ab

dem Jahr 2016 werden die technischen Herausforderungen

zur Emissionsreduzierung sowie der Entwicklungsumfang

weiter ansteigen. Der Schadstoffausstoß im realen Fahrbetrieb

steht damit stärker als bisher im Fokus der Gesetzgebung.

Bosch Engineering hat eine neue Testmethodik entwickelt, um

frühzeitig die Real-Driving-Emissions-Konformität von Motoren

in Kombination mit ihren Chassis- und Getriebevarianten in

einer Simulationsumgebung zu untersuchen.

© Bosch

ZUSÄTZLICHE KOSTEN UND ENTWICKLUNGSZEITEN VERMEIDEN

Die Europäische Union sieht die Gesetz-gebung der Real Driving Emissions (RDE) als den Schlüssel zur verlässlichen Bewer-tung eines Fahrzeugs mit seinen entste-henden Emissionen mithilfe eines soge-nannten Portable-Emission-Measurement-Systems (PEMS) [1]. Die Diskrepanzen zwischen Zyklus emissionen und Emis-sionen bei dynamischen Realfahrten haben mit dem Ziel der Luftqualitäts-verbesserung zu dieser Entscheidung der EU geführt [2]. Auch wenn bisher noch nicht alle Details der RDE-Gesetz-gebung festgelegt sind, wird sich die Zertifizierung von Fahrzeugen in Europa entsprechend ändern. Das führt unwei-gerlich zu neuen Anforderungen an Fahrzeughersteller, Zulieferer und Ent-wicklungsdienstleister, einerseits neue Technologien zu entwickeln und ande-rerseits effiziente Entwicklungsprozesse zu etablieren.

EMISSIONEN

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Die Einführung der RDE der Euro-6c-Gesetzgebung wird die bisherige Trennung zwischen den Bereichen Emissionsreduzierung, Abgasnach-behandlung, Getriebesteuerung, Fahr-eigenschaften, Geräusch und On-Board-Diagnose (OBD) in der Entwicklung

zum Teil aufheben. Diese können abhängig von ihrem Einfluss auf die Emissionen nicht mehr getrennt vonein-ander betrachtet werden. Zudem steigt die Komplexität der Entwicklung durch RDE, weil nun unterschiedliche Umge-bungsbedingungen wie Temperatur, Straße und Fahrer berücksichtigt wer-den. Dementsprechend ist es die Auf-gabe der Entwicklung, alle Motor-, Fahrzeug- und Getriebevarianten früh-zeitig auf die RDE-Tests vorzubereiten, um nachträgliche Anpassungen zu ver-meiden, die zu zusätzlichen Kosten und Entwicklungszeiten führen.

HERAUSFORDERUNGEN UND ZIELSETZUNG

RDE-Tests unter realen Fahrbedingungen auf der Straße stellen die Entwicklung vor die Herausforderung, dass situative Umgebungsbedingungen (zum Beispiel Temperatur, Verkehr, Fahrerverhalten) keine reproduzierbare Testumgebung darstellen. Konstant abbildbare Umge-bungsbedingungen sind jedoch maßgeb-lich, um Bauteil- und Softwareeinflüsse auf das Emissionsverhalten gezielt zu untersuchen. Zudem sieht sich die Ent-wicklung mit steigenden Kosten, kürze-ren Entwicklungszeiten und einer anstei-genden Variantenanzahl bei zunehmend weniger Erprobungsfahrzeugen konfron-tiert. Aus diesen Gründen bleibt die Erprobung auf Rollen- und Motorprüf-ständen eine tragende Säule der Motor-entwicklung. Sie muss sich jedoch unter den neuen Anforderungen technologisch weiterentwickeln.

Zudem stellen sich im Rahmen der RDE-Gesetzgebung weitere Fragen:

– Wie oft ist eine Getriebe-Chassis- Variante zu überprüfen, um Auffällig-keiten in der Zertifizierung zu vermeiden?

– Wie sind Fahrer-, Strecken-, Umge-bungseinflüsse von Applikations-/ oder Bauteiländerungen bezüglich der resultierenden Emissionen zu trennen?

– Welche Entwicklungsabteilungen sind zu welchen Zeitpunkten in die RDE-Thematik zu involvieren?

Die Bosch Engineering GmbH, der Entwicklungsdienstleister der Bosch-Gruppe, hat eine Testmethodik auf Basis von Fahrzeug- und Umgebungssimula-tion sowie Engine-in-the-Loop-Verfahren entwickelt, mit der Realfahrten auf Motorprüfständen dargestellt werden können. Damit werden zahlreiche Umgebungsbedingungen wie Steigung, Verkehr und Fahrerverhalten sowie Stadt-, Überland- und Autobahnfahrt auf den Schadstoffausstoß verschiedener Fahrzeugvarianten hin untersucht, um weitere Entwicklungsschritte abzuleiten. Mit der neuen Methodik können Motor-plattform-Konzepte in Fahrzeugvarian-ten unter RDE-Bedingungen abgesichert werden, um Bauteil- oder Software-änderungen kurz vor Produktionsstart (Start of Production, SOP) zu vermeiden. Zudem wird durch den Einsatz von Motorprüfständen als effizientes Ent-wicklungswerkzeug dem wachsenden Aufwand in der Applikation Rechnung getragen, BILD 1. Die bisher zum Nach-weis der Emissionskonformität durchge-führten Messungen auf dem Abgasrol-lenprüfstand werden weiter bestehen bleiben und durch nicht reproduzierbare Realfahrten auf der Straße ergänzt. Zusätzlich zu einer hohen Reproduzier-

AUTOREN

Jan Gerstenberg ist Fachreferent für

Brennverfahrensentwicklung Diesel bei der Bosch Engineering

GmbH in Abstatt.

Helmut Hartlief ist Gruppenleiter Emissionierung

Diesel bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt.

Stephan Tafel ist Leiter des Bereichs Versuch

und Brennverfahren bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt.

BILD 1 Euro-6c-Abgaszyklen und RDE (© Bosch)

September 2015 Prüfstände und Simulation für Antriebe 37

barkeit mit bekannter und vollumfängli-cher Messtechnik besteht am Motorprüf-stand die Möglichkeit, viele Tests auto-matisiert über Nacht durchzuführen und eine Schnellkühlung zu verwenden. Mit einem frühzeitigen Prüfen der Emis-sionen des Motors bei künftigen Last-, Drehzahl und Umgebungsbedingungen auf dem Motorprüfstand wird zudem ein „Frontloading“ umgesetzt, was zu einer höheren Reife des Gesamtsystems zum Zeitpunkt der ersten PEMS-Mes-sungen mit den einzelnen Varianten führt. Außerdem minimiert Frontloa-ding das Risiko einer Rekursion kurz vor SOP, BILD 2.

UNTERSCHEIDUNG DER BETRIEBSZUSTÄNDE VON ABGASZYKLUS UND REALFAHRT

Das Abfahren einer realen Strecke führt zu Betriebszuständen, die von den bereits bekannten Abgaszyklen NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) und WLTC (Worldwide Harmonized Light Duty Test Cycle) abweichen. In diesen Zyklen ist das thermische Verhalten der Motoren reproduzierbar. Die entstehen-den Schadstoffe resultieren aus dem Brennverfahren, dem thermischen Zustand des Brennraums und der Abgasnachbehandlung. Im Realfahr-

betrieb kann jedoch keine thermisch reproduzierbare Abfolge von Betriebs-zuständen sichergestellt werden. Ein Drehzahl- beziehungsweise Lastbe-triebspunkt kann nach einer langen Schubphase oder auch während einer Hochlastphase auf der Autobahn ange-fahren werden. Die Unterschiede im Emissionsverhalten bei kaltem und bei warmem Brennraum eines Dieselmotors können sich zudem in einer Verschie-bung der Balance zwischen NOx- und Rußrohemissionen von bis zu 70 % dar-stellen [3], was es bei der Anpassung der Abgasnachbehandlung zu berück-sichtigen gilt.

BILD 2 Projektablauf Brennverfahrensentwicklung und Serienapplikation (© Bosch)

BILD 3 Visualisierung der Realfahrt am Motorprüfstand (© Bosch)

EMISSIONEN

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AUSWAHL DER STRECKE

Die Streckenauswahl ist direkt relevant für die Fahrzeugemissionen. Messungen zeigen, dass sich insbesondere Steigun-gen und Gefälle einer Strecke dominant auf das Emissionsverhalten auswirken. Die auf einer ausgewählten Strecke ermittelten Messdaten werden daher in einer Testumgebung ausgewertet, in der eine Straßenkarte, eine Filmaufnahme und die GPS-Streckeninformationen inklusive Steigungen und Gefälle mitein-ander kombiniert werden. Damit kann der Entwickler, beispielsweise bei Auf-fälligkeiten der Emissionen, auf die reale Strecke referenzieren beziehungsweise diese einem Ereignis zuordnen, BILD 3.

FAHRERANALYSE

Das Beschleunigungsverhalten eines Fahrers auf der Straße kann, wie in BILD 4 gezeigt, analysiert und auf den simulierten Fahrer übertragen werden. Im Diagramm werden der eingelegte Gang, die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Bereiche gleicher Beschleunigung in Form von Muschelkurven dargestellt. Ein „softes“ Fahrverhalten wird dabei beispielsweise mit einer maximalen Beschleunigung von 2 m/s² im Bereich von 10 bis 35 km/h charakterisiert. Bei einem „aggressiven“ Fahrverhalten wird hingegen mit 2,5 m/s² im Bereich von 30 bis 50 km/h beschleunigt, und das Diagramm zeigt ein erweitertes Feld für die Beschleunigung von 2 m/s² zwischen 10 und 85 km/h. Durch diese Charakterisierungen lassen sich ver-schiedene, jeweils präzise definierte Beschleunigungsverhalten auf den Motorprüfstand übertragen. Diese wer-den mit Konstantfahrten ergänzt, wel-chen dem realen Fahrverhalten entspre-chende Störungen aufgeprägt werden, um einen realen Fahrer abzubilden.

REALFAHRT EINES PKW AUF DEM MOTORPRÜFSTAND

TABELLE 1 zeigt die Untersuchung eines Mittelklasse-Pkw mit einem aufgelade-nen Dieselmotor, Hoch- und Nieder-druck-Abgasrückführung (AGR) sowie Dieseloxidationskatalysator (DOC), des-sen Rohemissionen je nach Variante des geplanten Abgasnachbehandlungssys-tems für den innerstädtischen Verkehr überprüft wurden. TABELLE 1 veranschau-

licht, dass die NOx-Emissionen im Stadt-verkehr bei den Fahrzuständen „aggres-siv“ und „soft“ bei wenig Verkehr zwi-

schen 220 und 260 mg/km variieren. Mit einer Abgasnachbehandlung und geeigneten Abgastemperaturen kann das Fahrzeug somit robust für eine NOx-Reduzierung ausgelegt werden. Bei einem Conformity Factor (Cf, Emissions-faktor auf den Abgastest) von 1,5 sind 120 mg NOx/km im Rahmen der RDE-Gesetzgebung Euro 6c für Pkw möglich. Damit kann bei einer NOx-Umsatzrate von 60 % ein Sicherheitsabstand von 16 mg/km zum Grenzwert auch bei einem aggressiven Fahrverhalten reali-siert werden. Bei Staufahrten im Stadt-verkehr zeigen sich jedoch deutlich höhere NOx-Rohemissionen. Der Motor emittiert bei einem „soft“ und „aggressiv“ simulierten Fahrverhalten zwischen 430 und 620 mg NOx/km. Somit ist für den aggressiveren Fahrzustand ein Gesamt-NOx-Reduktionwirkungsgrad von 83 % erforderlich, um den gleichen Sicherheitsabstand zum Emissionsziel zu erhalten wie bei wenig Verkehr.

Die durchgeführten Untersuchungen beinhalten zudem weitere Varianten, bei denen die definierte Strecke am Motor-prüfstand von einem simulierten Fahrer jeweils zwei Mal gefahren wurde; bei der

BILD 4 Fahrverhaltensanalyse von Straßenfahrten (© Bosch)

NOX [g/km] HC [g/km] CO [g/km] CO2 [g/km]

Fahrverhalten „soft“, wenig Verkehr 0,22 0,07 0,22 129

Fahrverhalten „soft“, Stau 0,43 0,06 0,19 190

Fahrverhalten „aggressiv“, wenig Verkehr 0,26 0,05 0,16 132

Fahrverhalten „aggressiv“, Stau 0,62 0,05 0,07 199

TABELLE 1 Auszug Emissionsraum im Stadtverkehr (© Bosch)

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September 2015 Prüfstände und Simulation für Antriebe 39

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zweiten Fahrt jedoch mit einem 200 kg schwereren Fahrzeug. Als Umgebungs-bedingungen wurden ein „softes“ Fahr-verhalten, Staueinflüsse und 20 °C Umge-bungstemperatur eingestellt. Die Stick-oxidemissionen der ersten Fahrt weichen um 16 mg/km von denen der zweiten Fahrt mit schwererem Fahrzeug ab. Ursächlich ist unter anderem ein Stre-ckenabschnitt mit 6 % Steigung. BILD 5 zeigt eine Fahrt mit 60 km/h auf einem Streckenbereich mit einer Änderung der Steigung von 4 auf 7 %. In der Beschleu-nigung auf diesem Streckenabschnitt werden NOx-Spitzen bis 0,015 g/s gemes-sen (Streckenpunkt 14,75 km), was einer Differenz von 50 % zwischen leichter

und schwerer Fahrzeugvariante ent-spricht. Diese Fahrmanöver müssen bei sehr schweren Fahrzeugvarianten bezüglich der Rohemissionen genau ana-lysiert und die erforderlichen Wirkungs-grade der NOx-Nachbehandlung auf ihre Erreichbarkeit hin überprüft werden. Zusätzlich stellen auch die möglichen Schubphasen und die damit einherge-hende Abkühlung des Brennraums beziehungsweise der Abgasnachbehand-lungssysteme eine Herausforderung dar. Exemplarisch wird an dieser Stelle eine Stausituation auf einer Autobahn mit Stop-and-go-Fahrbetrieb untersucht, BILD 6. Wie bereits zuvor werden ein „softes“ und ein „aggressives“ Fahr-

verhalten simuliert. Dieser Strecken-abschnitt ist abschüssig mit einem Gefälle bis zum Streckenpunkt 27,5 km. Nach dieser Stop-and-go-Phase im Gefälle wird auf 80 km/h beschleunigt. Bei Kilometerpunkt 28,3 wurde eine Spitze der Kohlenwasserstoffemissionen gemessen, die nicht durch den DOC oxidiert wurde. Im Gegensatz zu klassi-schen Abgaszyklen auf dem Rollenprüf-stand zeigen die Untersuchungen, dass ein mehrfaches Unterschreiten der Anspringtemperatur (Light-Off-Tempe-ratur) des DOC durchaus zu den zu erwartenden Szenarien zählt. Im Stop-and-go-Verkehr bei Gefälle kühlt bei dieser Variante die Abgastemperatur T4 (nach DOC) auf 75 °C ab, unabhängig vom gewählten Fahrverhalten.

BEWERTUNG DER MESSDATEN

In Abhängigkeit von dem durch die EU zu definierenden Cf-Emissionsfaktor werden Maßnahmen erforderlich sein, die jeweils an die Fahrzeugvarianten angepasst sind. Motorische Rohemis-sionen sowie die im Realfahrbetrieb darstellbaren Wirkungsgrade der Abgas-nachbehandlungssysteme bedingen entsprechende Maßnahmen zur Bauteil-optimierung, Softwareanpassung oder Bedatungsänderung, BILD 7. Bosch bietet mit dem Boost Recuperation System (BRS) unter anderem einen elektrisch unterstützenden Riemengenerator an, der hohe Drehmomentspitzen abdeckt, um damit NOx-Spitzen zu senken [4]. Eine Erhöhung des Einspritzdrucks auf bis zu 2700 bar und/oder eine digitale Einspritzverlaufsformung (Digital Rate Shaping) helfen, innermotorisch Schad-stoffe weiter zu reduzieren [5].

ZUSAMMENFASSUNG

Bosch Engineering hat mit der neuent-wickelten Versuchsumgebung die Mög-lichkeit geschaffen, die Vermessung eines Motors inklusive der Simulation aller Getriebe- und Chassisvarianten bezüglich RDE durchzuführen. Damit wird die Motorentwicklung für alle geplanten Varianten effektiv unterstützt. Mit der neuen Testmethodik kann zum einen die Auslastung von Versuchsfahr-zeugen minimiert und zum anderen bereits in einer früheren Phase auf Herausforderungen bei bestimmten Chassis- und Getriebevarianten hinge-BILD 5 Streckenauszug einer Variantenvermessung (© Bosch)

EMISSIONEN

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wiesen werden. In einer reproduzier-baren RDE-Test- und Entwicklungs-umgebung können Kundenmotoren zudem über die gesamte Entwicklungs-zeit hinweg parallel zu ihren Realfahr-emissionen, Bauteil- und Software-anpassungen sowie Funktionsentwick-lungen begleitet werden.

LITERATURHINWEISE[1] Vlachos, T. G.; Bonnel, P.; Weiss, M.: Evaluating the real-driving emissions of light-duty vehicles. 36. Internationales Wiener Motorensymposium, 2014

[2] N.N.: Neues Emissionsmessverfahren –

Der Reality-Check. Spiegel Online, 2015

[3] Wirbeleit, F.; Hartlief, H.; Gerstenberg, J.:

Realisierung von Hochdynamik auf einem Motor-

prüfstand. Konferenz VPCplus, Hanau, 2014

[4] Wüst, M.; Krüger, M.; Naber, D.: Operating

strategy for optimized CO2 and NOx emissions of

diesel-engine mild-hybrid vehicles. 15. Internationa-

les Stuttgarter Symposium Automobil- und Motoren-

technik, 2015[5] Wintrich, T.; Hammer, J.; Naber, D.; Raff, M.: Advanced diesel technology to meet multi-dimen-sional challenges of the diesel engine. 15. Inter-nationales Stuttgarter Symposium Automobil- und Motorentechnik, 2015

BILD 6 Emissionsverhalten bei Bergabfahrt mit Stau (© Bosch)

BILD 7 Ableiten der Strategien für RDE (schematische Darstellung) (© Bosch)

September 2015 Prüfstände und Simulation für Antriebe 41

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