Der 1.4 Turbo für den neuen Astra liefert ein hohes Drehmoment- und Leistungs-Niveau bei reduziertem Verbrauch. Für die Auslegung des Turboladers und die Optimierung des Brennverfahrens waren umfangreiche thermodynamische Untersuchungen erforderlich.
Ziel des hier gezeigten Simulationstyps ist es, die Auswirkungen verschiedener Saugrohr-„Architekturen“ und Ventilsteuerzeiten auf den Ladungswechsel zu überprüfen. Dank dieser Darstellungen gewinnen wir Erkenntnisse hinsichtlich:
Gleichverteilung (Bekommt jeder Zylinder gleich viel Luft?)
Rückströmung (Wird Abgas ungewollt zurück gesaugt?)
Turbulenzzonen (Ist die Zylinderfüllung gefährdet?)
Die Animation vermittelt einen Eindruck von der Gasdynamik im Ansaug-/Abgastrakt und von den komplexen Abläufen in den Zylindern. Mit Hilfe der Farben wird der Wechsel der Luftströmungsgeschwindigkeiten von blau = niedrig bis rot = hoch deutlich.
Mit der Fahrzeugsicherheit des neuen Opel Astra beschäftigten wir uns lange bevor der erste Prototyp gegen die Wand gefahren wurde – anhand der Finite Elemente Methode im virtuellen Raum. Neben Know-how erfordert das freilich auch ein gutes Abstraktionsvermögen. In dieser Scheinwelt sind nämlich die unfallrelevanten Komponenten und Baugruppen vereinfacht dargestellt. Abgeleitet von den CAD-Daten haben wir es da mit Schalen-, Balken- und Volumenelementen zu tun. Diesen Elementen werden Materialeigenschaften zugewiesen. Im Team kursieren dann verstärkt Begriffe wie Dehnratenabhängigkeit, Bruchversagen, Ausdünnung und Vorreckung.
Sobald das Berechnungsmodell steht, können wir damit unterschiedlichste Crashkonfigurationen simulieren – ganz ohne Lärm, Splitter und Staub. Die nötigen Rechenoperationen laufen in der Regel über Nacht. Vor wenigen Jahren mussten dazu teure und raumfüllende Großrechner ran. Heute reicht es, einige Hochleistungs-PC miteinander zu verknüpfen. Die zeichnen den konfigurierten Aufprall Millisekunde für Millisekunde auf. Uns stehen dann Animationen, Beschleunigungszeitverläufe, Kraftkurven, Energiebilanzen etc. zur Auswertung und Optimierung zur Verfügung.
Über den Zeit- und Kostengewinn hinaus werden dank dieser Methode die komplexen Crash-Abläufe nachvollziehbar. Die Animationen erlauben den gezielten Blick hinter die Kulissen. Beispielsweise blenden wir Teile aus, um den Fokus auf andere zu richten, oder wir legen Schnitte durch die Deformationsstellen – vergleichbar mit der Computertomographie beim Radiologen. Der Crash lässt sich in beliebig viele Einzelperspektiven aufteilen. Derart flexible Auswertemöglichkeiten bieten die Onboard-Kameras im Realversuch nicht.
Die Animation deutet an, welche Möglichkeiten die heutigen Berechnungsmethoden bieten: So können wir zum Beispiel die komplexe Kinematik des Vier-Gelenk-Motorhaubenscharniers beim 64 km/h-Offset-Crash vom Motorraum aus betrachten und unsere Schlüsse daraus ziehen.
Neben den Erprobungsfahrten, der Validierung und der Simulation spielt bei der Motorenentwicklung das so genannte Packaging bzw. die Integration eine sehr wichtige Rolle. Mit Blick auf unseren 1.7 CDTI lautete die Frage: „Wie bekommen wir 125 Pferde unter die Haube?“
Noch bevor ein Aggregat im SSM, IV oder gar im PPV werkeln kann, müssen die Integrations- und DMU-Ingenieure (digital mock-up) schauen, ob und wie alles in den Motorraum passt. Wichtige Kriterien hierbei sind die Festlegung der Motorlage (Position, Winkel) und die Schnittstellen zu Motor und Getriebe wie Kühlwasser-, Treibstoff-, Strom-, und Reinluftversorgung, Ladeluftanschlüsse, Kabelsatz allgemein, Abgasanlage, Motorlagerung sowie die mechanische Leistungsübertragung. Weitere Stichworte in diesem Zusammenhang: Geräuschabstrahlung, Temperaturgrenzwerte, Druckverlustreduzierung, Service-Zugänglichkeit und Freigängigkeiten auch bei extremen Fahrmanövern.
Das Bild zeigt Karl Ludwig Klingelschmitt, Klaus Frondorf und mich (von links) beim Check der Einbauposition des neuen Turboladers. Wir mussten sicherstellen, dass der Abstand zu anderen Bauteilen auch dann groß genug ist, wenn der Aktuator der Turbinenleitschaufeln arbeitet. Der große Bildschirm hat sich übrigens auch bei der Fußball-WM bewährt…
Der „Rundflug“ um den 1.7 CDTI vermittelt einen Eindruck vom Motor-Puzzle, das wir täglich spielen.
Im Beitrag Sezierte Dauerläufer habe ich die Validierung „echter“ Motoren auf „echten“ Straßen vorgestellt. Parallel dazu setzen wir verstärkt auf Simulation. Beispiel HiL, ausgeschrieben „Hardware in the Loop“. Hier gaukeln die Computer (links im Schrank) dem „echten“ Motorsteuergerät mit Hilfe elektrischer Signale einen bestimmten Motor in einem bestimmten Auto auf einer bestimmten Strecke in Fahrt vor. Dazu spielen wir via MATLAB und CANoe (rechts im Bild) eine praxisnahe Netzwerkstruktur um das Steuergerät herum ein.
Ein Riesenvorteil von HiL ist, dass der Testkandidat auf verschiedene Motor- und Fahrzeugzustände (auch Grenzbereiche) hin schnell und reproduzierbar überprüft werden kann. So validieren wir sehr früh neue Entwicklungen wie Diagnosefunktionen oder das Zusammenspiel von Motorsteuergerät und ABS/ESP, ohne jedes Mal ein „echtes“ Auto bestücken und auf die Teststrecke schicken zu müssen.
Das Motorsteuergerät ist schon eine sehr komplexe Komponente, an die hohe Anforderungen gestellt werden. Dies sind:
Die sehr hohe Anzahl elektrischer Ein-und Ausgänge für Stromversorgung, Sensoren und Aktuatoren – beim 1.7 CDTI über 150.
Die einwandfreie Funktion bei Wind, Wetter und Vibrationen. So reicht zum Beispiel das Spektrum der tolerablen Umgebungstemperaturen von unter -35 °C bis über 100 °C.
Die Zuverlässigkeit in der Kombination mit anderen Steuergeräten (CAN = Controller Area Network). Temporäre extreme Signalstärkenschwankungen wie im WLAN oder im Mobiltelefonnetzwerk sind keine Option.
Im Bild von links Karsten Brosseit, Thorsten Michel und ich bei letzten Checks.
