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DER KONSTRUKTEUR 3/2015

DER KONSTRUKTEUR 3/2015

DIGITALE

DIGITALE PRODUKTENTWICKLUNG I SPECIAL Mit Simulation zur Wollmilchsau Hersteller von Dieselmotoren erfüllt mithilfe einer Simulationsplattform Emissionsrichtlinien und Kundenwünsche Ein Hersteller von Dieselmotoren für mobile Maschinen, Kompressoren, Ladesysteme und Schiffe stand vor einer Herausforderung. Es galt, die strengeren Abgasrichtlinien zu erfüllen und gleichzeitig Kundenwünschen bezüglich Gewicht, Verbrauch und benötigter Leistung für den jeweiligen Verwendungszweck nachzukommen. Eine Simulationsplattform hilft dem Anbieter dabei, die eierlegende Wollmilchsau zu entwickeln. Die Emissionen von Dieselaggregaten werden seit fast vier Jahrzehnten reguliert, und die Standards werden immer strenger. Die Tier-4-Richtlinien der Environmental Protection Agency (EPA) und die Stage-IV-Regeln der Europäischen Union (EU), die bis 2015 vollständig in Kraft treten sollen, drücken die Anteile an Feinstaub Die Simulation erlaubt die Auslotung möglicher Architekturen, die Leistungssteigerung mit Downsizing verbinden und Stickoxid für Motoren mit mehr als 56 kW Leistung auf ein kaum mehr messbares Niveau. Die Veränderungen, die sich durch die neuen Auflagen ergeben, warfen bei dem weltweit führenden Hersteller von Dieselmotoren Hatz Diesel eine Reihe an Fragen auf. Die wichtigste: Was ist nötig, um leistungsfähige Maschinen zu entwickeln, die die strengen Abgasnormen erfüllen? Bei der Auswahl eines Motors ziehen Kunden außerdem Aspekte in Betracht, wie die benötigte Leistung für den jeweiligen Verwendungszweck, das Gewicht oder den Verbrauch. Um ein tieferes Verständnis für Kundenwünsche zu entwickeln, beschäftigten sich die Ingenieure bei Hatz mit verschiedenen Fragen, zum Beispiel mit der durchschnittlichen Laufzeit der Motoren in ihrem jeweiligen Anwendungsbereich, der Ausdehnung von Lastspitzen und der Gesamtlaufzeit unter Volllast. Dabei stellten sich die Lastspitzen sowie die Laufzeit als Schlüsselkriterien bei der Wahl eines Motors heraus. So sind die Lastspitzen in einigen Anwendungsfällen, etwa bei Radladern, eher begrenzt. Schredder dagegen laufen deutlich häufiger unter hoher Belastung, dafür dauern die Einsätze weniger lang. Folglich wäre es bei vielen Einsatzszenarien möglich, einen großen und starken Motor durch ein kleineres System mit der Möglichkeit zu punktuell stärkerer Aufladung zu ersetzen. In anderen Worten: Die Downsizing-Strategie könnte durch einen Turbo ausgeglichen werden. Hatz beschloss daraufhin, die neue Motorenlinie 4H50 zu konstruieren und damit das Motorenangebot zu erweitern. Nach eingehender Recherche entschied sich das Unternehmen, in der Konzeptphase des Hochdruck-Einspritzsystems auf die Simulationsplattform LMS Imagine.Lab Amesim von Siemens PLM Software zu setzen. Alles in einem Modell „Wir sind jetzt in der Lage, verschiedene Architekturen innerhalb von fünf Minuten zu vergleichen. Die Testabteilung braucht dagegen mehrere Tage, um verschiedene Testdurchläufe vorzubereiten und durchzuführen“, sagt Tobias Winter, Leiter der Simulationsabteilung bei Hatz. „Mit LMS Amesim können wir robustere Produkte konstruieren. Ratespielchen entfallen und Liefertermine können eingehalten werden. Wir sind zuversichtlich, dass unser neuer Motor ein Erfolg wird und er unseren Kunden zusätzlichen Mehrwert bietet. LMS Amesim ist einer der Gründe für diesen Erfolg. Die integrierte Simulationsplattform ist jetzt seit vier Jahren im Einsatz, anfangs bei der Konstruktion von Einspritzsystemen. Zu dieser Zeit war LMS Amesim das Maß der Dinge in diesem Bereich. Aber es hat sich gezeigt, dass die Möglichkeiten über den reinen Hochdruckbereich hinaus reichen. Der Multi-Domain-Ansatz macht es möglich, einen kompletten Motor in einem einzigen Modell zu bauen. Dabei werden alle physikalischen Parameter in Betracht gezogen.“ Der Zwei-Liter-Dieselmotor von Hatz, der die Serie 4L43 ergänzt, enthält eine ganze Reihe technischer Verbesserungen. Es ist der kompakteste Motor seiner Klasse und er bietet im Vergleich zum Wettbewerb die höchste Leistungsdichte. Mit einem 48 Der Konstrukteur 3/2015

SPECIAL I DIGITALE PRODUKTENTWICKLUNG Hubraum von 1951 ccm leistet die Maschine bis zu 56 kW. Das maximale Drehmoment von 240 Nm steht bereits bei 1600 min -1 bereit. Zusätzlich zur Hauptzapfwelle steht ein Hilfsanschluss zur Verfügung. Dank Hochdruck-Einspritzung kann er bis auf 130 Nm gebracht werden. Auf die Geometrie des Brennraums wurde ebenfalls großes Augenmerk gelegt, ebenso auf das Common- Rail-System. Dadurch sank der Partikelausstoß noch einmal deutlich. Der 4H50 war der erste Motor von Hatz, der unter weitreichendem Einsatz von Simulationstechno-logie konstruiert wurde. Das reichte von strukturellen Ansätzen, um die Reibung zu minimieren, bis hin zur Konstruktion der Kühlsysteme. Numerische Strömungsmechanik sorgte beispielsweise für optimierte Kühlwassermäntel und Abgasrückführung (AGR). Im Ergebnis erfüllte Hatz die endgültigen EU Stage-IV- und EPA Tier- 4-Richtlinien, ohne dafür einen Dieselpartikelfilter einsetzen zu müssen. Ein weiterer Vorteil der neuen Produktlinie: Aufgrund eines geringen Verbrauchs von nur 210 g Treibstoff/kWh und einem Service-Intervall von 500 h sind die Betriebskosten niedrig. Komplexität reduzieren Bei dem Simulationsprojekt entstand im ersten Schritt ein Modell auf Basis von LMS Amesim. Dadurch war es möglich, Speicher und Pumpen entsprechend der Einspritzzeitpunkte und Drehmomente zu dimensionieren. Das Hauptziel aber sind kleine, kontrollierte Systeme, die Einspritzung und Wiederaufladen des Systems selbstständig regeln. Dank Model in the Loop (MIL) kommt LMS Amesim folglich auch für die Entwicklung von Informations- und Regelsystemen auf dem Motorteststand zum Einsatz. 01 Der Zweiliter-Dieselmotor vereint kompakte Baumaße und hohe Leistungsdichte Im nächsten Schritt wird die komplette Hardware in der Simulations-Engine installiert. Dadurch ist Hatz in der Lage, die Hydraulikeinheit (HCU) auszuwerten, indem die Anwesenheit der Einheit im Testaufbau simuliert wird. Ohne die Simulation durch LMS Amesim wäre dieser Schritt sehr kompliziert, weil dabei zwei Regelungen gegeneinander arbeiten: Die Motorsteuerung (ECU) versucht, die Drehzahl konstant zu halten. Wenn der Leistungsbedarf allerdings über die aktuell bereitgestellte Leistung steigt, sinkt die Drehzahl. Die HCU springt an und startet die Einspritzpumpe, um den Motor stärker anzutreiben. „Mit einem LMS Amesim lassen sich verschiedene Architekturen auswerten. So ent- steht ein neues System, das Maschinenöl mit einem sehr breiten Anwendungsspektrum verträgt“, sagt Winter. „Wir sind zuversichtlich, dass wir mit LMS Amesim ein System konstruieren können, das die bisherigen Anforderungen an Stickoxid-Reduktion und Leistung noch übertrifft.“ Schnellere Produktentwicklung LMS Amesim ist bei dem Konstruktionsprojekt des neuen Motors die Simulationsplattform der Wahl für die mechatronischen Systeme. Hatz konnte die Maschine in einen noch kürzeren Zeitrahmen entwickeln. Dazu trugen die benutzerfreundliche Modellierumgebung und die anwendungsorientierten, validierten Bibliotheken für mechanische, thermische und thermohydraulische Komponenten ebenso bei wie leistungsfähige Analysewerkzeuge und Echtzeitfunktionen. Siemens PLM Software konnte Hatz darüber hinaus durch guten Service überzeugen. Die Funktionen für eine 3-D-Animation haben sich ebenfalls als sehr nützlich erwiesen. Sie erleichtern beispielsweise die Auswertung in Management-Meetings, weil wichtige Ergebnisse gut darstellbar sind. Ingenieure können dadurch fundierte Entscheidungen hinsichtlich der Architektur treffen. Die Simulation konnte Testläufe mit Prototypen zwar noch nicht völlig überflüssig machen, allerdings ist der Aufwand für die Tests erheblich zurückgegangen. Das gilt speziell für die Auswertung verschiedener System-Topologien, die durch unterschiedliche Kundenanforderungen nötig werden. 02 Simulation der Leistungs- und Drehmomentläufe www.siemens.com/plm Der Konstrukteur 3/2015 49

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