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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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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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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

4

Air / Fuel Mixture

Fuel Entrainment

into Lubricant

Deposits & Wear

Crankcase/Piston Assembly Injection System

Camshaft Timing

Injection Timing

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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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D

ynam

om

ete

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we

rtra

in

Test

Sta

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Co

mp

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Sta

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tio

n

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

6

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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CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

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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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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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CFD & EHD Simulation

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Factors influencing Particle Formation under Real Driving Conditions (RDE)

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