Verbesserung von NVH und Kraftstoffeffizienz bei Dieselmotoren

NVH-Probleme und Dieselmotoren

Seit Jahren versuchen Ingenieure, die Geräuschentwicklung von Dieselfahrzeugen zu verstehen und zu reduzieren. Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH) haben viele verschiedene Ursachen, die für die Hersteller (OEMs) und ihre Zulieferer schwer zu bestimmen sind.

Verbraucher stellen nach wie vor hohe Erwartungen an geräuscharme Autos. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Automobilhersteller innovative Ansätze verfolgen, die die Entwicklungszeit verkürzen und leisere Autos liefern.

Trotz erheblicher Fortschritte bei der Verringerung des Lärms von Dieselmotoren gibt es immer noch einige Probleme. Die Hyundai Motor Company hat vor Kurzem mit der Entwicklung eines fortschrittlichen Ansatzes zur Reduzierung von NVH-Problemen bei Dieselmotoren begonnen.

Die Ursache der Geräuschentwicklung verstehen

Ziel war es, die Geräuschquelle in einem Dieselmotor der dritten Generation zu ermitteln. Hyundai führte eine Reihe von Tests durch und entdeckte, dass während des Verbrennungszyklus ein Ungleichgewicht zwischen den Zylindern besteht. Bei zwei Zylindern war der Druck durchweg höher als bei den anderen. Diese Abweichung wurde mit der Wiederholung der Tests auf dem Motorprüfstand, dem Antriebsstrangprüfstand und dem realen Fahrzeug immer größer.

„Wir mussten die Frage beantworten, warum der Druck zwischen den Zylindern variiert“, erklärt Ki Hwa Lee, leitender Forschungsingenieur bei Hyundai. „Wir wussten, dass wir das Lärmproblem nicht lösen konnten, ohne die Ursache für die Spitzendruckschwankungen in den Zylindern zu ermitteln.“

Testdatenanalyse

In Zusammenarbeit mit Simcenter™ Engineering and Consulting Services versuchte Hyundai herauszufinden, warum der Spitzendruck zwischen den Zylindern variierte. Zunächst führte das Simcenter Engineering-Team eine Analyse durch, um die Ursache des Ungleichgewichts zu ermitteln. Die Analyse der Testdaten zeigte, dass der Druck zwischen den Zylindern nach den Kraftstoffeinspritzungen zu schwanken begann, was zu einem Ungleichgewicht zwischen den Zylindern führte, was wiederum eine verstärkte Geräuschentwicklung verursachte.

Eine auf mathematischen Gleichungen basierende Analyse der Daten zur Wärmeabgabe aus den physikalischen Tests bestätigte, dass die unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzmengen zwischen den Zylindern die Ursache für die Unwucht waren.

Das Potenzial der Simulation

Nachdem das Team bestätigt hatte, dass es sich bei der Geräuschquelle um ein Ungleichgewicht im Zylinder handelte, das durch Schwankungen bei der Kraftstoffeinspritzung verursacht wurde, entschied es sich für eine modellbasierte Steuerungsstrategie, um eine effektive Lösung zu ermöglichen. Durch den Einsatz der Simulation konnte das Team kostspielige Fehlversuche mit einem physischen Prototyp vermeiden und den Testprozess optimieren.

Ein virtuelles Modell des Dieselmotors wurde mit der Software Simcenter Amesim erstellt. Diese ist Teil des Xcelerator-Portfolios, dem umfassenden und integrierten Software- und Service-Portfolios von Siemens Digital Industries Software. Das Modell wurde mit einem Steuergerät verbunden, sodass das Team die Inkonsistenz der Kraftstoffeinspritzung sehen und korrigieren konnte. Das Team hoffte, mithilfe von Simcenter Amesim Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie die Schwankungen bei der Kraftstoffeinspritzung erkannt und behoben werden können.

Vor Durchführung der Simulationen musste das Simcenter Engineering-Team sicherstellen, dass die Simulation dem realen Verhalten entspricht. Es führte mehrere Tests durch, um zu bestätigen, dass die Ergebnisse der Motorsimulation mit den Motortestdaten übereinstimmen.

Zudem musste das Team neben der Kraftstoffeinspritzung auch andere mögliche Ursachen für das Ungleichgewicht der Zylinder untersuchen. Ungleichgewichte können auch durch Abgasrückführung (AGR) oder mangelnde Luftzirkulation zwischen den Zylindern verursacht werden. Nach mehreren Sensitivitätsstudien kam das Team zu dem Schluss, dass die Kraftstoffeinspritzung die Ursache für das Ungleichgewicht war.

Obwohl die Anomalien bei der Kraftstoffeinspritzung leicht zu beheben waren, musste das Team herausfinden, welche Zylinder kompensiert werden mussten und ob die Kraftstoffmenge verändert werden musste. Das Team entwickelte eine innovative Strategie zur Zylinderidentifikation in einem Reglermodell in Simulink.

Nach der Anwendung des Steuerungsmodells auf das Simcenter-Amesim-Motormodell analysierte das Team die Leistung der Steuerung und passte sie an. Schließlich wurde die Kraftstoffeinspritzung reguliert, um Spitzendruckschwankungen zu vermeiden.

Validierung des Ansatzes

Anhand der Modelle erzeugte das Team Ungleichgewichte in den Zylindern, indem es den Luft- und Kraftstoffstrom in die Zylinder veränderte. „Die Simulation war für dieses Problem besonders nützlich, da wir uns nicht mehr auf physische Tests für jede mögliche Variation des Zylinderdrucks unter verschiedenen Betriebsbedingungen verlassen mussten“, so Lee. Die Wirkung der neuen Steuerungsstrategie wurde durch Back-to-Back-Simulationen mit und ohne aktivierte Steuerung getestet.

„Durch Einsatz dieser neuen Steuerlogik konnten wir die Spitzendruckschwankungen zwischen den Zylindern erheblich reduzieren. Dadurch wurde eine vom Motor erzeugte Schallfrequenz um 2 dBA gesenkt und das Fahrzeuggeräusch insgesamt um 5 Prozent verbessert.“

Diese Studie hat auch den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs verbessert. „Die Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere Steuerungsstrategie eine wirksame Methode ist, um die Geräuschqualität zu optimieren, die NVH-Leistung zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu senken“, so Lee. „Wir freuen uns darauf, die Software und Services von Simcenter in zukünftigen Anwendungen bei der Hyundai Motor Company einzusetzen.“