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© APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH 2012. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen
Apply & Innovate 2016 Karlsruhe, 20th and 21st of September 2016
Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Co-Writers:
Prof. Dr.-Ing. J. Hadler, Dr.-Ing. M. Gohl, Dr.-Ing. J. Becker, Dipl.-Ing. C. Krohn, Dipl.-Ing. T. Mink, Dipl.-Ing. A. Schuhardt, M.Sc. A. Ebel, B.Eng. D. Portugall, Dipl.-Ing. M. Schäfer, APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH
Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions
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INTRODUCTION
Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)
CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)
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CHALLENGES FOR RDE
Engine Speed [rpm]
No
rma
lize
d E
ng
ine T
orq
ue [%
]
Shift in
Load Points
Power Gradient (normalized) [%]
To
rqu
e G
radie
nt (n
orm
aliz
ed)
[%]
Gradient
Time [h]
System
Robustness
Em
issio
n [
%]
500 1000
Validation
over
Lifetime
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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INFLUENCING FACTORS
Combustion Process Interaction
Hardware Operation Strategy
Temperature Engine Operation - Steady-State
- Transient
Air Mass Flow
Components
Operating Fluids
Fuel Lubricant
Cylinder Head Turbocharger Ignition Timing
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Air / Fuel Mixture
Fuel Entrainment
into Lubricant
Deposits & Wear
Crankcase/Piston Assembly Injection System
Camshaft Timing
Injection Timing
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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Tools for Function Development Soot/Fuel Content in Oil, Mass Spectrometer, Optical Measurement, RNT, EHD, MBS, CFD, etc.
Requirements Society / Legislation
Component Mechanical System,
Friction, Wear, …
Subsystem Thermodynamic, Fuel, Oil, Exhaust Aftertreatment…
System Emissions, Drivability,
Electrification, …
Specification NEDC → WLTC, RDE
Robustness, Lifetime
RDE-capable Powertrain
Ve
hic
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ynam
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Test
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RDE / Synthetic Cycle on
Test Stand
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APL DEVELOPMENT STRATEGY CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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Boundary Conditions
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APL Track Kit - Modular Design Boundary Conditions for RDE-Cycle Modeling: - Topography - Stand Still Time/ Driving Time - Driving Speed Average and Classification
Target Values: - Efficiency (CO2) - Limited Emissions (CO, HC, NOX, PM, PN)
- Operation Strategy (Energy Balance) - Driveability
Track Model
(currently 31 Modules)
SIMULATION ENVIRONMENT
Environment - Temperature - Air Pressure - Humidity
Traffic Model (IPGTraffic)
- Traffic Load - Traffic Lights & Signs - Roadworks
Driver Model (IPGDriver)
- Characteristics - Dynamics
Acceleration Deceleration
- Prediction
Vehicle Model - Weight Class
Load Condition - Powertrain Concept
Engine & Gear Box Electrification
- Aerodynamics
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
SIMULATION ENVIRONMENT APL Track Kit
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CONCEPT ANALYSIS
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REAL DRIVING Determination of the Main Factors (DOE)
HARDWARE, CALIBRATION & OPERATION STRATEGY Determination of the Main Factors (DOE)
TARGET CONFIGURATION
SIMULATION
Vehicle Model
Raw Emissions Model
After-Treatment Model
ON-ROAD EMISSION MEASUREMENT
VEHICLE ENVIRONMENT TRACK TRAFFIC DRIVER
POWERTRAIN CONCEPT ANALYSIS
HARDWARE IN THE LOOP
Component Test Bench
Engine Test Bench
Powertrain Test Bench
DEVELO
PM
EN
T S
TAG
E
EMISSION FUEL
CONSUMPTION DRIVEABILITY
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APL Real Driving (Particle Number)
MEASURES
Injection Pressure >
Injection Strategy >
Calibration Optimisation >
Nozzle Tolerance Investigation >
Ring Design >
Oil Supply >
Package of measures
Oil Formulation >
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CYCLE EVALUATION
APL Real Driving
APL Synthetic Cycle
Load & Speed Gradient Motoring Time
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Start Engine Load
[%]
Ta
rge
t E
ng
ine
Lo
ad
[%
]
Target Engine Speed
[rpm]
01000
20003000
40005000
6000
-20
0
20
40
60
80
100
-20
0
20
40
60
80
100
01000
20003000
40005000
6000
-20
0
20
40
60
80
100
-20
0
20
40
60
80
100
Particle Number
01000
20003000
40005000
6000
-20
0
20
40
60
80
100
-20
0
20
40
60
80
100
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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FUNCTIONAL RELATIONS
WOT after 1 sec WOT after 3 sec WOT after 5 sec WOT after 8 sec
Oil
Co
nce
ntr
atio
n
[%]
Par
ticl
e C
on
cen
trat
ion
[%
]
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
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CALIBRATION Injection Strategy
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Combustion Process
3. Inj. 2. Inj. 1. Inj.
3. Inj. 2. Inj.
3. Inj.
1. Inj.
2. Injection
2. Inj. 1. Inj.
1. Injection
TDC BDC TDCF
Injection Strategy: Homogeneous-split
Injection Strategy: Homogeneous
2. Inj. 1. Inj.
1. Injection
TDC BDC TDCF
Particle Number Soot Mass
HOM1 HOM2 HSP2
Particle Number [%]
So
ot
Mass [
%]
100
0 Parti
cle
Nu
mb
er,
S
oo
t M
ass [
%]
HO
M1
H
OM
2
HS
P2
Improved Fuel Mixture
HOM1
HOM2
HSP2
100
0
100 0
HOM1 HOM2
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CALIBRATION EFFORT
STEADY-STATE / TRANSIENT
Engine Speed [rpm]
En
gin
e T
orq
ue [%
]
13
CALIBRATION EFFORT
LOCAL LOCAL
LOCAL LOCAL
NEDC WLTC RDE
LOCAL MODEL
(Speed / Load)
GLOBAL MODEL
SPEED
PEDAL
EMISSIONS
TORQUE
CONSUMPTION
Combustion Process
LOCAL OPERATION POINT
AIR MASS FLOW
Throttle Valve Turbocharger / Compressor Camshaft Timing Residual Gas
FUEL MASS FLOW
Fuel Pressure Injection Timing Injection Splitting 1st Injection 2nd Injection : Air/Fuel Ratio
IGNITION TIMING …
FUEL CONSUMPTION
EMISSION
CO2 CO THC NOX
PN PM Oil Emission
COMBUSTION
Efficiency Center of Combustion (MBF50) Combustion Stability Combustion Noise
LOCAL OPERATION POINT
(Speed / Load)
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INFLUENCE FACTORS TARGET FIGURES
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Combustion Process
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CALIBRATION EFFORT Modelbased Concept In
teracti
on
grap
h
In
tersecti
on
grap
h
3D
grap
h
Mo
del
str
uctu
re
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LIFETIME Aging, Wear, Deposits, Deviation
15
Oil A
gin
g
50 100 150 200 250 0
20
40
60
80
100
Runtime [h]
Oil-E
mis
sio
n [
%]
0 300
Lubricating Oil 2
Lubricating Oil 1
Dep
osit
s
Injector without Deposits
Injector with Deposits
Wear
RNT Measurement
Friction Force Hydrodynamic Percentage Version 1 Version 2
TDC
BDC
Cyl
inder
Heig
ht
Friction Force Contact Percentage
ATS ATS TS
TDC
BDC
Cyl
inder
Heig
ht
Cylinder Circumference ATS TS
Simulation
Treated Area Top Ring
Pa
rtic
le N
um
be
r [%
] Lif
eti
me
Engineering
Target
Oil
Ag
ing
We
ar
De
po
sit
s
EU6-Limit
Devia
tio
n
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OPTIMISATION
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NEDC RDE before optimization
after optimization
Part
icle
Nu
mb
er
[%]
Veh
icle
Sp
ee
d [
%]
Oil
Em
issio
n [
%]
So
ot
Ma
ss
[%
] H
C E
mis
sio
n [
%]
Time [sec] Time [sec]
700 750 800 850 900 2350 2400 2450 2500 2550
100
0
100
0
100
0
100
0
100
0
NEDC RDE-cycle
Particle Number [%]
HC Emission [%]
Oil Emission [%]
100
0
100
0
100
0
100
0
100
0
100
0
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APL DEVELOPMENT CONCEPT
APL Method Chain for Power Train Development EHD, CFD, Laboratory, Oil/Particle-Emissions, RNT, Optical Investigation, RDE-Simulation, etc.
Global Demand
CO2- and Emission Reduction
Combustion & Emission Model
Chemistry Laboratory
Metallography Laboratory
Tribometer
Component Test Stand
Optical Measurement
Engine Test Bench
Mass Spectrometer
Chassis Dyno
Power Train Dyno
RDE-capable Powertrain
(Model based) Calibration
CarMaker®
Wear Measurement
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Vehicle
Component and Function
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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION
CFD & EHD Simulation
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Factors influencing Particle Formation under Real Driving Conditions (RDE)
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