Über Ordnungsmechanismen im wissensbasierten Entwurf von SCR-Systemen

Abstract

Die in den Industrie- und Schwellenländern gültige Emissionsgesetzgebung macht bei der Verwendung von Dieselmotoren eine außermotorische Abgasreinigung notwendig. Dies betrifft nicht nur Fahrzeuganwendungen auf der Straße, sondern auch Off-Highwayanwendungen wie Marine, Bahn und Industrie. SCR-Systeme (selective catalytic reduction systems) stellen in diesen Anwendungen die bevorzugte Technologie zur Stickoxidreduktion dar. SCR-Systeme sind robust gegenüber Kraftstoffen mit erhöhten Schwefelgehalten und erlauben es, den Basismotor auf höhere Stickoxidrohemissionen zu trimmen. Dies führt im Allgemeinen zu geringeren Kraftstoffverbräuchen und stellt damit ein Beitrag zur CO2-Reduktion dar. Die individuellen Einsatzprofile und geringen Stückzahlen in den Off-Highwayanwendungen erfordern einen besonders effizienten Entwurfsprozess der SCR-Systeme. Dieser kann mit Hilfe graphenbasierter Entwurfssprachen realisiert werden. Die wissensbasierte Entwurfsmethode der Entwurfssprachen stellt ein digitales, regelbasiert ausführbares Abbild des Entwurfsprozesses her. Das Entwurfswissen wird in Form von Regeln und Vokabeln abgelegt. Durch automatisierte Analyse- und Simulationsschleifen werden im Produktionssystem Entwurfsentscheidungen auf Basis objektiver Analyseergebnisse getroffen. Ausgehend von gegebenen Anforderungen (Emissionsziele, Motordaten, Bauraum, etc.) werden digitale Entwürfe von SCR-Systemen erzeugt und anhand regelbasiert generierter Simulationsmodelle (z.B. Strömungssimulation) validiert. Damit wird eine Beschleunigung des Entwurfsprozesses von SCR-Systemen um mehr als eine Größenordnung erreicht. Die dafür notwendigen CAD-Geometrien der verwendeten Rohrleitungen werden aus standardisierten Rohrbögen mit konstanten Bogenwinkeln und Radien erzeugt. Für die Synthese dieser Rohrstrecken wird ein Optimierungsalgorithmus (Simulated Annealing) eingesetzt. Dabei werden topologische Variationen mit Hilfe einer analytischen Konstruktionsvorschrift (Kegel-Kegel-Fasskreis-Konstruktion) dargestellt. Diese erlaubt einen schnellen und robusten Austausch einzelner Bogenelemente unter Beibehaltung der Gültigkeit der Rohrstrecke. Parametrische Änderungen der Rohrstrecke werden mit Hilfe eines Starrkörpersimulators durchgeführt. Das digitale Abbild des Entwurfsprozesses enthält analytische Gleichungen. Die Lösungssequenz dieser Gleichungen muss bei der Ausführung der Entwurfssprache automatisch bestimmt werden. Dies wird mit Hilfe eines Lösungspfadgenerators realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird dazu auf Basis von Symmetriebetrachtungen ein selbstassemblierender Lösungspfadalgorithmus entwickelt. Dieser erlaubt, im Regelfall zyklenfreier Kopplungen, eine generische Parallelisierung der Lösungspfadfindung und führt so zu einer erheblichen Beschleunigung, verglichen mit klassischen graphenbasierten Algorithmen. Daneben wird ein Mechanismus zur Bestimmung der Abfolge einzelner Entwurfsschritte entwickelt. Durch eine systematische Sequenzialisierung des Entwurfsprozesses kann eine Reduktion der Entwurfskomplexität erreicht werden. Die mit den Produktanforderungen verträglichen Auslegungen der zu integrierenden Systeme bilden dabei Teilmengen im Raum der Entwurfsfreiheitsgrade. Aus der mathematischen Dimension dieser Teilmengen lässt sich eine bevorzugte Entwurfssequenz bestimmen: Bei der sequenziellen Integration zweier Teilsysteme sollte mit der Auslegung des niederdimensionaleren Teilsystems - dem System mit weniger Freiheitsgraden - begonnen werden. Das Prinzip der dimensionsabhängigen Entwurfsabfolge kann neben der Strukturierung des Entwurfsprozesses auch als Basis eines zukünftig selbstorganisierten Entwurfsprozesses dienen.

The emission standards in industrialized and emerging countries require the usage of exhaust aftertreatment systems in the application of diesel engines. The emission regulation applies to both on-highway and off-highway applications as navy, rail or industry. SCR (selective catalytic reduction) systems are the preferred technology to reduce nitrogen oxides in these applications. SCR systems are tough against poor fuel qualities with high sulfur levels. The SCR technology allows higher nitrogen oxides raw emissions. In general, this enables engine calibrations with lower fuel consumptions and hence reduced carbon dioxide emissions. Low numbers and individual operation conditions in off-highway applications require an outstanding efficient SCR system design process. Efficient and automated design processes can be realized with graph-based design languages. Design languages, as a knowledge based engineering method, provide a digital, rule-based and re-executable implementation of the design process. The design knowledge is digitally stored in a design grammar consisting of rules and vocabulary. Automated analysis and simulation loops are used to trigger decisions within the design process. Starting from given product requirements (emission targets, engine data, available installation spaces, etc.) virtual SCR system designs are generated and virtually validated using automatically generated and executed computational fluid dynamic models. Using design languages in SCR system design leads to an acceleration of at least one order of magnitude. The pipe routes are made up from standardized pipe bends with fixed bend angles and radii together with straight pipe elements having arbitrary lengths. Simulated annealing is used for the synthesis of the pipe routes. The geometry based Kegel-Kegel-Fasskreis (KKF) algorithm is proposed to conduct topological manipulations of the pipes. Single pipe bends can be quickly replaced using the KKF algorithm without losing the pipe route’s validity. Parametric manipulations of the pipes are executed by a rigid body simulation approach. Solving analytical dimensioning equations is part of the design process. The solution sequence of these coupled dimensioning equations needs to be determined automatically during the execution of the design language. This is carried out by a so-called solution path generator. Within this work a self-assembling solution path generator algorithm is presented. The proposed algorithm is based on symmetry properties of the underlying equation structure. For the common situation of acyclic dependencies a generic parallelization of the self-assembling solution path generation leads to a significant acceleration compared to classical graph-based solution algorithms. Additionally, an order mechanism for the autonomous prediction of the design sequence, composed of iterative design steps, is developed. The complexity of the design process can be significantly reduced by a systematical sequentialization of the design process. Valid subsystem designs, that are in accordance with the given requirements, define manifolds within the design space. It is shown that the mathematic dimensions of the valid designs’ manifolds determine a preferred design sequence: In a sequential integration of two subsystems, it should be started with the dimensioning of the subsystem which has the smaller mathematical dimension (less degrees of freedom). A design sequence that is based on the subsystems’ mathematical dimensions can either be used to structure the design process or it can be a fundamental concept for a future self-organized design process.