Mirko Plettenberg’s research while affiliated with AVL LIST GMBH and other places

Validation of powertrain systems are nowadays performed with specific durability relevant load cycles which represents the lifetime requirement of individual powertrain components. This covers essential validation topics as mechanical components within powertrain systems (e.g. gears, bearings and shafts, etc.) as well as thermal load driven failure mechanisms within e-axles considering e-motors and inverters. These durability relevant load cycles for powertrain components are usually based on representative usage spaces. Such application specific load cycles are generated from representative driving cycles covering the driving behaviour of end customers. The definition of durability relevant testing cycles for reliable testing of the vehicle must be based on the actual usage of the vehicle. Recording driving cycles within a vehicle is one of the most typical ways of collecting vehicle usage and relevant end customer behaviour but generation of such measured vehicle data can be time consuming. In addition, this method of capturing on-road measurements has limitations in the variation of vehicle loadings (e.g., number of passengers, luggage, trailer usage etc.). Especially for new applications entering new target markets, this kind of in-vehicle measurements are not possible in early development stages as the required vehicle or powertrain configuration is not available or incapable for measurements. This paper shows a method which is called Usage Space Analysis (USpA) to overcome these issues by replacing on-road measurements with virtual road load profiles (using AVL Smart Mobile Solutions™ software tool). The purpose of USpA is to specify trips, which are representative for the usage behaviour. To characterize each trip, vehicle usage parameters are calculated allowing to draw a comparison. In order to select relevant trips, a graphical representation of the usage space is done. The trips are visualized by characteristics like load, dynamics and duration. In this study, the usage space method is demonstrated using real road load measurements and virtual track profiles. A comparison between the durability relevant mechanical failure modes using damage accumulation methods following AVL Load Matrix™ approach is presented.

Inhalt InfiMotion Validation Approach by Virtual and Physical Testing 1 KI-basierte Methoden im Testing Mit Engineering-KI robuste E-Powertrain-Produkte entwickeln Testbasierte Methode zur Produktoptimierung und Absicherung mit Praxisbeispiel 3 Validierung von Antriebssträngen mit virtuellen Fahrprofilen am Beispiel einer E-Achse 15 Testen am Prüfstand E-Powertrain Development Targets for Validation w/ Focus on Durability & Reliability 33 Möglichkeiten zur Charakterisierung und Parameterbestimmung elektrischer Traktionsmaschinen im frühen Entwicklungsprozess 53 Innovative Messtechnik Evaluation of sensor signals using a normal distribution analysis considering temperature influences 65 Systemprüfung von Antrieben mit Stabilitätsbetrachtung der Regelung im gesamten Betriebsbereich Systemtesting of electrical machines and stabilityexamination of the control-scheme in the entire operational range 81 Messunsicherheit beim Testen Unsicherheitseinflüsse bei der Motorvermessung ermitteln und analysieren 95 Berechnung und Messung von Motor- und Umrichterverlusten nach IEC 6...

div class="section abstract"> Increasingly stringent greenhouse gas and emission limits demand for powertrain electrification throughout all vehicle applications. Beside fully electric powertrains different configurations of hybrid powertrains will have an important role in upcoming and future vehicle generations. As already discussed in previous papers, the requirements on the combustion engine in hybrid powertrains are different to those in a conventional powertrain solution, heading for brake thermal efficiency targets of 45% and above within the product lifecycle for conventional fuels. Focus on product cost and production and assembly facility investment drives reuse of technology packages within modular powertrain technology platforms, with different combinations of internal combustion engines (ICE), transmissions, and e-drive-layouts. The goal of zero carbon operation requires compatibility of ICE for sustainable fuels. Ethanol, Methanol and in particular Hydrogen has significant impact on ICE subsystems within modular engine platforms. High efficiency combustion concepts with high compression pressures, increased thermal loads, chemical impact dependent on material specifications, nearly oil-free combustion with optimized piston-bore interface to avoid preignition, active engine ventilation for safety requirements are topics to be considered. Focus of the paper is on ICE technology packages required to meet future emission and efficiency targets within hybrid powertrains, as well as system optimization to provide compatibility for hydrogen and e-fuel operation within production boundaries of existing engine platforms. </div

Inhalt Keynotes Motorenbau quo vadis – aus Sicht der Hochschule Zwickau 1 Negativ DENKEN, POSITIVES erreichen: Der Schmelztiegel Ingenieurnachwuchs 3 Transformation im Kontext von elektrifizierten Antrieben – Eine strategische Mehrebenenanalyse 21 Kleinere / PKW Motoren Gießkelle 4.0: Innovatives Werkzeug einer modernen Zuliefererindustrie 29 Additive Serienfertigung ist keine Fiktion mehr, sondern Realität 41 Anforderungen der heutigen und zukünftigen Generation komfortabler und hoch-dynamischer Verbrennungsmotoren – Konsequenter Leichtbau am Beispiel Massenausgleich 47 Hybridmotoren mit CO2 neutralen Kraftstoffen – Anforderungen an Wasserstoff-, Alkohol- und e-Fuel Kompatibilität 57 Ausschussvermeidung durch Digitalisierung – Stand der Technik und Erfahrungsberichte aus der Praxis 75 The role of hydrogen in the future energy and mobility system 79 Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, eine Zukunftslösung für CO2 neutrale Mobilität bei Nutzfahrzeugen und Off-Highway-Anwendungen 85 Sustainable Drivetrains for Non-Road Mobile Machinery - The DEUTZ TCG 7.8 H2 Hydrogen Combustion Engine 91 Elektromotoren...

div class="section abstract"> The further increase in the efficiency of heavy-duty engines is essential in order to reduce CO₂ emissions in the transport sector. This is also valid for the future use of alternative fuels, which can be CO₂-neutral, but can cause higher total costs of ownership due to higher prices and limited availability. In addition to thermodynamic optimization, the reduction of mechanical losses is of great importance. In particular, there is a high potential in the piston bore interface, since continuously increasing cylinder pressures have a strong influence on the frictional and lateral piston forces. To meet these future challenges of increasing heavy-duty engine efficiency, AVL has developed a floating liner engine for heavy-duty applications based on its tried and tested passenger car floating liner concept. This article describes the concept of the friction single-cylinder engine developed to measure both the frictional forces and the lateral forces that occur between the piston assembly and cylinder liner during fired engine operation. Four force sensors convert the floating movement of the liner group into the corresponding frictional force. Due to the crank angle based measurement, a very detailed analysis of measures to increase mechanical efficiency of the piston bore interface is possible. In addition, the frictional power can be derived and used to evaluate the CO₂ potential of the technologies investigated. The design of the single-cylinder engine has a high degree of flexibility to enable quick component changes and the use of different cranktrains. In a first study, a variation in the crankshaft offset and the potential of this measure to increase engine efficiency are investigated. The results show a clear influence of the cranktrain geometry on the lateral piston force and also on the frictional force during the upstrokes and downstrokes. This measurement campaign confirms the possibilities of the system to contribute to the development of future highly efficient heavy-duty engines. </div

Um zukünftige gesetzlich vorgegebene CO2-Emissionsziele für die gesamte Fahrzeugflotte zu erreichen, müssen die Antriebsstränge der Fahrzeuge optimiert werden. Der aktuell von vielen OEMs eingeschlagene Hauptpfad geht in Richtung einer verstärkten Elektrifizierung. Dabei ergeben sich konzeptionelle und finanzielle Hürden. Wichtige Parameter sind dabei neben anderen das Nutzungsverhalten der Fahrzeugkunden, das Fahrzeuggewicht sowie die Kosten für den Antriebsstrang. Für einige Antriebsstrangkonzepte ist die Nachhaltigkeit der Geschäftsmodelle und/oder die Kundenakzeptanz fraglich. So vereint ein „Plug-In Hybrid Electric Vehicle“ (PHEV) die Komplexität eines vollen verbrennungsmotorischen und elektrischen Antriebs. Bei einem „Battery Electric Vehicle“ (BEV) sind Kosten, Materialverfügbarkeit und Infrastruktursituation die großen Herausforderungen. Somit müssen zumindest in näherer Zukunft die Antriebsstränge mit Verbrennungsmotor ihren Anteil zur CO2-Reduzierung beitragen. Dafür müssen die Verbrennungsmotoren weiter optimiert werden. Hierfür gibt es verschiedenste technische Lösungsansätze. Optimierte Brennverfahren (z.B. Miller Brennverfahren), Hochdruck-Direkteinspritzung, variable Verdichtung, Hybridisierung, Thermomanagement und Reibungsreduzierung sind nur einige ausgewählte Beispiele, die im Falle eines ottomotorischen Antriebs implementiert werden können. Hinter jeder Maßnahme verbirgt sich neben dem jeweiligen CO2-Reduzierungspotential ein Einfluss auf die Kosten des Antriebsstrangs. Außerdem verhalten sich ausgewählte Maßnahmen synergetisch während andere zu teilweisen Löschungseffekten führen. Dieser Beitrag stellt die Methodik zur Bewertung von CO2-Reduzierungsmaßnahmen vor dem vorher erläuterten Hintergrund des Kosteneinflusses dar. Am Beispiel ausgewählter Antriebsstränge wird diese Bewertung durchgeführt und speziell die Reibungsreduzierung in den Fokus gestellt.