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Main Title: Virtuelle Prototypen für die Fahrzeugapplikation von Diesel RDE-Anwendungen
Translated Title: Virtual prototypes for vehicle application in the context of diesel RDE
Author(s): Adelberg, Stephan
Referee(s): Biet, Clemens
Hegmann, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erzeugung virtueller Prototypen von Dieselfahrzeugen und deren Abgasnachbehandlung auf Basis von dynamischen Modellen. Durch die komplexen Randbedingungen im Kontext von RDE (engl. Real Driving Emissions) stoßen klassische Entwicklungsmethoden an ihre Grenzen um eine ausreichende konzeptionelle Sicherheit in Form von konstant niedrigen Fahrzeugemissionen sicher zu stellen. Modellbasierte Entwicklungsmethoden erlauben dabei den Einsatz von rechnergestützter Simulation und Analyse zur Verifikation und Validierung von Gesamtfahrzeugkonzepten. Den Ausgangspunkt der Arbeit bilden Ansätze von CAE-Werkzeugen, welche in der Automobilindustrie für die Modellbildung und die Gesamtsystemsimulation verwendet werden. Für den Einsatz in der Applikation der Steuergerätesoftware von Motor und Abgasnachbehandlung weisen diese Ansätze nur unzureichende Schnittstellen und Formate auf, um einen effektiven Einsatz im Entwicklungsprozess zu ermöglichen. In dieser Arbeit werden daher geeignete Modellumgebungen entwickelt, welche sich in der Konzeptionierung, den Datenformaten und der verwendeten Anwendersoftware an dem ASAM-Standard und damit an der realen Applikationsarbeit im automobilen Umfeld orientieren. Die Basis dafür bildet die Kombination von echtzeitfähigen, dynamischen Modellen mit Steuergerätefunktionen und die Überführung des Gesamtsystems in selbständig ausführbaren Code inklusive XCP-Schnittstelle und Echtzeitbetriebssystem. Dadurch kann das Gesamtsystem von der u. U. multiphysikalischen Modellierungsumgebung in eine einheitliche Simulationsumgebung überführt werden, wodurch eine bessere Nachvollziehbarkeit von Modellständen und Simulationsergebnissen möglich wird. Neben den methodischen und konzeptionellen Aspekten wird in dieser Arbeit ein geeigneter, echtzeitfähiger Modellansatz für die Applikation ausgewählter Softwarefunktionen zur Beeinflussung der Verbrennung und der Emissionen eines Dieselmotors entwickelt. Für die Abbildung des Motormodells wird als Ansatz die Kombination aus einem physikalischem 0D Luftpfadmodell und einem empirischen Modellteil für Emissionen und Verbrennung erarbeitet. Der empirische Modellteil wird dabei statistisch als dynamische DoE vermessen und mittels Methoden der Systemidentifikation als Parametrische Volterra-Reihe abgebildet. Das Motormodell wird um ein detailliertes Modell für die Abgasnachbehandlung auf Basis von physikalisch-chemisch Ansätzen und die entsprechende Software erweitert und in die Testumgebungen eines virtuellen Motorprüfstands und eines virtuellen Fahrzeugs integriert. Durch die Erweiterung um ein kartenbasiertes Umgebungsmodell inklusive stochastischer Verkehrssimulation, kann eine Euro-6b Applikation durch gezielte statistische Variation von Einzelparametern, wie Umgebungstemperatur und Fahrstil analysiert und in eine robuste Euro-6d Applikation überführt werden. Durch den Einsatz virtueller Prototypen im Kontext von RDE können somit die zeitlichen Einsparpotentiale im Entwicklungsprozess und die hohen Genauigkeiten der erarbeiteten Modellierungsmethoden in Bezug auf NOx- und CO2-Emissionen sowie AdBlue®-Verbrauch nachgewiesen werden.
The following work describes the development of virtual prototypes for diesel vehicles and their exhaust aftertreatment based on dynamic models. Given the highly complex requirements and boundary conditions in the context of real driving emissions (RDE), classic development methods are reaching their limit in terms of ensuring sufficient concept robustness in the form of continuously-low vehicle emissions. Model-based development methods, however, allow the use of computer based simulation and analysis for the verification and validation of whole vehicle concepts to help ensure system robustness. The work begins by describing different approaches within the automotive industry for using CAE-Tools in model development and total system simulation. These approaches are shown to have inadequate interfaces and formats for deployment in the application of control unit software, thus hindering the effectiveness of their role the development process. In this work, model environments are created which, in terms of their conceptualization, data formats and chosen user software, are orientated around the ASAM-Standard and are, therefore, better suited for use in real application tasks within the automotive field. This is achieved by combining real-time-capable dynamic models with control unit functions which are then, as part of a complete system model, converted into stand-alone executable code including both an XCP-interface and a real-time-operating-system (RTOS). Through this, a complete system combining, in some cases, multiple physical model environments can be brought together in a single simulation environment; making it easier to track model versions and simulation results. In addition to methodological and conceptual aspects, this work will develop a suitable modelling approach with real-time capabilities which can be used for the application of selected software functions involved in the regulation of diesel engine combustion and emissions. An engine model will be created by combining a physically modelled 0D air path with an empirical emissions and combustion sub-model. The empirical model will be measured both statically and dynamically through the use of a Volterra series system identification method. The engine model will be extended to include detailed, physicochemical models for the simulation of the exhaust aftertreatment as well as the required control software. These will be integrated into test environments representing a virtual engine test bed and a virtual vehicle, respectively. By using a cartographically-based environmental model including stochastic traffic simulation, a Euro-6b application can be analyzed and refined into a Euro-6d application through targeted, statistical variation of key parameters such as environmental temperature and driving style. Thus, by utilizing a virtual prototype in the context of RDE, the significant time savings during the development process, as well as the high accuracy of the established modelling methods with regards to NOx and CO2 emissions and AdBlue® consumption, can be demonstrated.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10085
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9076
Exam Date: 29-Mar-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 23-Oct-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): Rapid Prototyping
modellbasierte Entwicklung
Echtzeit
RDE
experimentelle Modellbildung
Emissionsmodelle
Abgasnachbehandlung
INCA
Motorkalibrierung
model-based development
realtime
experimental modeling
emission models
exhaust aftertreatment
engine calibration
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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