Heiße Angelegenheit

Das Thema Motorkühlung ist eines der Hauptthemen für die Fahrzeugkonstrukteure. Der Einbau eines Verbrennungsmotors in einen geschlossenen Raum stellt immer eine technische Herausforderung dar, da die explosive Verbrennung des Kraftstoffs, mit der das Fahrzeug betrieben wird, Energie nicht nur in Form kinetischer Energie freisetzt, sondern auch als Wärme.

Ein typisches Szenario, wo Star-CCM+ einen greifbaren Nutzen bietet, ist die Berechnung von Bauteilen, die nach Beginn der Produktion versagten. Ein Beispiel: eine neue „Controller Box“ wird auf einer „Firewall“ oder in einen Lastwagen eingebaut, und – obwohl Untersuchungen durchgeführt wurden – um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, tauchen sechs Monate nach Produktfreigabe Garantieansprüche auf. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaden bereits angerichtet; die Fertigung läuft auf Hochtouren, Lagerbestände sind seit Monaten im Einsatz, und der Prozess, welche Korrekturmaßnahmen ergriffen werden müssen, hat gerade erst begonnen.

Fälle wie diese, welche häufig von CD-adapcos Dienstleistungsteam bearbeitet werden, zeigen die Notwendigkeit rechtzeitiger und exakter Temperaturberechnungen des Bereichs „unter der Motorhaube“ – und zwar in der Konstruk- tionsschleife – bevor die Fehler auftreten.

In einer komplexen Umgebung wie dem Motorraum finden eine Vielzahl von Konstruktionsentwicklungen gleichzeitig statt. Zum Beispiel lösen Modifikationen am Abgassystem (Turbolader, AGR-Kühler, Leitungssystem) entsprechende Änderungen bei der Kraftstoffregelung und möglicherweise Änderungen bei der Komponentenpositionierung aus. Da die Änderungen bei der Konstruktion gleichzeitig entwickelt werden, ist es nicht schwer, sich ein Szenario vorzustellen, wo zum Beispiel ein elektronisches Bauteil in einem Bereich eingebaut wird, der einer umgeleiteten Abgasleitung ausgesetzt ist. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von DPF/Harnstoff-SCR-Systemen in Fahrzeugen, die extrem heiß werden (insbesondere während der Regenerationsphase). Das Aufspüren solcher Einheiten zur Minimierung der Wechselwirkung mit anderen Bauteilen ist eine Herausforderung, die so viele Faktoren erfordert, dass es einfach nicht praktikabel ist, herkömmliche Fertigungs-, Versuchs- und Versagens-Methoden für die Optimierung des Einbauorts zu verwenden.

Es ist offensichtlich, dass die thermische Simulation äußerst wichtig ist, und zwar unabhängig vom Fahrzeugtyp. Das Ziel des Dienstleistungsteams von CD-adapco ist ein virtuelles Fahrzeug, das sowohl eine allumfassende thermische Bewertung als auch thermische Untersuchungen von Untersystemen oder Bauteilen liefert. Die Methoden dies zu erreichen, müssen genau, flexibel und schnell genug sein, um innerhalb der Konstruktionsschleife zu bleiben. Es gibt zwei grundlegende Vorgehensweisen, um Motorraum- und Wärmesimulation miteinander zu verbinden, wobei jede ihre unterschiedlichen Vorteile hat:

Ein vollständiges Modell unter Berücksichtigung des gleichzeitigen Wärmeübergangs zwischen Festkörper und Fluid liefert die beste Beschreibung der thermischen Fluid-Festkörper-Wechselwirkung, aber erfordert ein CAD-Modell hoher Qualität und eine große Computerleistung. Die explizit gekoppelten Modelle bieten den Vorteil einfacherer Modellanforderungen und die Möglichkeit, sowohl mit den Strömungs- als auch den Festkörpermodellen getrennt arbeiten zu können. Somit werden zwei Modelle handhabbarer Größe erhalten, jedoch steigt nun der Aufwand für die Abstimmung der beiden Modelle.

Für CD-adapco gab es Anwendungen beider Methoden. Die Wahl wird durch den Kunden beeinflusst und beinhaltet mehrere Faktoren: Computerressourcen, CAD-Qualität, sogar die Organisation der technischen Teams spielt eine Rolle.

Temperatursimulation wurde früher häufig unter Verwendung von Finite-Elemente- (FEA-) Methoden durchgeführt, da diese Arbeiten üblicherweise von den Festigkeitsexperten ausgeführt wurden. Bei CD-adapco haben die Festigkeitsexperten üblicherweise diese Technologie verwendet, jedoch haben die vor kurzem stattgefundenen Fortschritte bei der Finite-Volumen-Spannungsberechnung sowie bei der CAD-Aufbereitung und Vernetzung zu einer Verlagerung in Richtung Star-CCM+ für Wärmeleitungs- und Strahlungsprobleme geführt. Diese integrierte Herangehensweise bedeutet, dass keine Finite-Elemente-Methode, keine Fluid-Struktur-Kopplungs-Software oder Strahlungs-Plugins benötigt werden, auch nicht mit dem Verfahren der expliziten Kopplung.

Die Größe eines thermischen Fahrzeugmodells wird auf ein vernünftiges Maß begrenzt durch das Star-CCM+ Feature: „Thin Solid Meshing“. Diese Technologie erkennt automatisch Bauteile, die von ihrer Form her schmal und vernetzt sind, indem durch Extrusion Prismenzellen erzeugt werden. Da viele Karosserie- und Gehäuseteile gepresste Bleche sind, kann diese neue Technologie ganz erheblich die Anzahl der Zellen im Modell reduzieren.

CD-adapco;

Telefon: 0911 946 43-0;

E-Mail: maeve.obrien@de.cd-adapco.com

Seit 25 Jahren verlassen sich führende Automobilfirmen auf CD-adapcos Technologie, um ihre Konstruktionen zu verbessern. Star-CCM+, Star-CD und die Star-CAD Series stellen Ingenieuren ein vollständiges CFD-Toolkit zur Verfügung. Diese besondere Vorgehensweise bietet hohe Benutzerfreundlichkeit und Automatisierung für die CAD-Vorbereitung, die Vernetzung, das Aufsetzen der Modelle sowie für iterative Konstruktionsstudien, wodurch Ingenieure bessere Ergebnisse schneller liefern können. CD-adapcos Automobilteam hat für viele neue Anwendungsgebiete Pionierarbeit geleistet. Als Beispiel sei genannt die Simulation zur Kühlung von Bremsanlagen oder Untersuchung eines Kurbelgehäuses. Die Firma hat für alle führenden Automobilfirmen weltweit CFD- und FEA-Projekte durchgeführt.

Das Automotive Resource Center im Internet gibt Interessenten einen Überblick zu folgenden Schwerpunkten: