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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

Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation ......Christian Lensch-Franzen 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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    2

    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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    3

    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

    September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen 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

    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

    September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

    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

    le /

    D

    ynam

    om

    ete

    r

    Po

    we

    rtra

    in

    Test

    Sta

    nd

    Engi

    ne

    Te

    st S

    tan

    d

    Co

    mp

    on

    en

    t

    Test

    Sta

    nd

    Sim

    ula

    tio

    n

    RDE / Synthetic Cycle on

    Test Stand

    5 September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

    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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    7 Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE) September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen

    CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

    SIMULATION ENVIRONMENT APL Track Kit

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    CONCEPT ANALYSIS

    8 Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE) September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen

    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

    CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

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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 >

    9 September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

    CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

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    CYCLE EVALUATION

    APL Real Driving

    APL Synthetic Cycle

    Load & Speed Gradient Motoring Time

    10

    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

    September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

    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

    [%

    ]

    11 September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

    CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

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    CALIBRATION Injection Strategy

    12

    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

    14

    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

    16

    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

    September 20th 2016 Dipl.- Ing. Christian Lensch-Franzen Influencing Factors on Particle Formation and Optimisation Potential under Real Driving Conditions (RDE)

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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

    17

    Vehicle

    Component and Function

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    CHALLENGE | DEVELOPMENT CONCEPT | PARAMETER OPTIMISATION | CONCLUSION

    CFD & EHD Simulation

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    18

    Factors influencing Particle Formation under Real Driving Conditions (RDE)

    THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!