Fast jedermann gefällt das schöne und oft glatte Styling der modernen Autos. Allerdings haben die weichen Kurven der heutigen Autos mindestens so viel mit Aerodynamik zu tun wie mit ästhetischen Gesichtspunkten. Eine typische Limousine verbraucht auf der Autobahn etwa 18 % der Kraftstoffenergie für die Überwindung des Luftwiderstands[1]. Die Leistung, die zur Überwindung des Luftwiderstands benötigt wird, steigt mit der Geschwindigkeit in der dritten Potenz – je schneller man fährt, desto mehr Kraftstoff verbraucht man.
Um den Aktionsradius eines Fahrzeugs zu erhöhen, ist es deswegen eine gute Idee, den Luftwiderstand – und damit den Kraftstoffverbrauch – zu senken. Das gilt besonders für Elektroautos, deren Aktionsradius durch die Batteriekapazität besonders limitiert ist. Nicht täuschen lassen sollte man sich dabei von der mit 18 % niedrigen Prozentzahl – diese ergibt sich schlicht aus der Ineffizienz des Prozesses der Umwandlung von Benzin in kinetische Energie im Fahrzeug. Anders formuliert: Es lohnt sich, den Luftwiderstand zu senken.
Kühlung muss sein
Natürlich ist nicht die gesamte durch den Luftwiderstand verlorene Energie verschwendet. Ein Teil des Luftstroms wird mit Absicht durch den Kühlergrill und unter das Fahrzeug geleitet, um Motor, Batterien und Elektronik zu kühlen. Auch wenn das den Luftwiderstand erhöht, ist es notwendig, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Antriebsstranges zu gewährleisten.
In der Vergangenheit wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt um zu ermitteln, ob die aerodynamische Kühlung ausreicht, die Wärmeabfuhr des Motors zu bewältigen. Stellte sich heraus, dass ein Fahrzeug in bestimmten Fahrzuständen überhitzt, war die einzige Lösung der Einbau größerer Wärmetauscher, größerer Lüfter oder zusätzlicher Lufteinlässe, um mehr Luft durch die Wärmetauscher zu zwingen. Dies erhöht allerdings den Luftwiderstand des Autos ebenso wie sein Gewicht – beide Faktoren wirken sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs aus. Diese Art der zwangsweisen Modifikation trat zudem typischerweise sehr spät in der Entstehungsphase eines Autos auf – nämlich dann, wenn die ersten Versuche durchgeführt wurden. Deshalb waren diese Änderungen sehr kostspielig.
Inzwischen lassen sich experimentelle Untersuchungen der Fahrzeugaerodynamik und der Kühlung praktisch komplett durch Computersimulationen ersetzen. Der Vorteil: Diese können schon in den frühesten Entwicklungsphasen eingesetzt werden, um die Kühlstrategien unter der Motorhaube zu verstehen und zu optimieren. Im Gegensatz zu Versuchen sind Simulationen auch in der Lage, die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs in einer Vielzahl realistischer Betriebszustände vorherzusagen – beispielsweise wenn das Fahrzeug im Stau steht oder einen Anhänger einen Berg hochzieht. Durch ein genaues Verständnis, wie die Energie durch die Bereiche unter der Haube und unter dem Fahrzeug fließt, können die Entwickler den Kühleffekt der Luftströmung maximieren und gleichzeitig den negativen Einfluss auf den Luftwiderstand so klein wie möglich halten.
Cloud Computing liefert Kapazitäten
Computersimulation dienen auch dazu, den Gesamtluftwiderstand des Fahrzeugs vorherzusagen und zu verbessern. Dabei werden auch Komponenten wie Scheibenwischer sowie die rotierenden Räder – inklusive des Einflusses von Reifenprofil, Felge und des gesamten Raddesigns – berücksichtigt. Diese Einflüsse wurden früher vernachlässigt, weil die Kosten für das Abbilden der instationären Wechselwirkungen im Nachlauf zu hoch waren. Mit der Entwicklung des Cloud Computings und großer Netzwerkcluster sind solch detaillierte Berechnungen inzwischen jedoch möglich.
Ingenieure können heute mit Hilfe der Design Space Exploration die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Designparametern untersuchen – und auf diese Weise beispielsweise den besten Kompromiss zwischen dem Gesamtluftwiderstand und der Kühlleistung finden. Der geringste Luftwiderstand ergibt sich typischerweise, wenn der Kühlergrill abgedeckt wird und keine Kühlluft durch das Fahrzeug fließt. Allerdings würden der Motor oder die Batterie unter diesen Bedingungen schnell überhitzen. Mittels der Methoden der Design Space Exploration lassen sich deshalb dynamische Kühlstrategien entwickeln, in denen der Kühlergrill sich automatisch weiter öffnet, wenn mehr Kühlluft benötigt wird. Dabei wird Grid Morphing eingesetzt, um das Design der Fahrzeugfront so zu optimieren, dass ein maximaler Luftstrom bei minimalen Kosten erreicht wird.
Bei Elektrofahrzeugen können die Wechselwirkungen noch wesentlich komplexer sein, da weniger Energie vorhanden ist, die über die Klimaanlage dem Komfort der Passagiere zugute kommen kann. Die Energie, die für das Kühlen der Passagiere ‚verschwendet‘ wird, steht nicht mehr für die Reichweite des Fahrzeugs zur Verfügung. Die frühe Konstruktionssimulation lässt sich hier über das Koppeln von Systemen mittels LMS Virtual.Labs Amesim durchführen. Die Systemsimulation kann dann mit einer Komponente verlinkt werden – beispielsweise der Batterie, dem Innenraum oder auch der Aerodynamik. So kann die Performance einer Konfiguration ohne großen Aufwand optimiert werden, was den Energieverbrauch des Fahrzeugs im Ganzen reduziert.
Mit der Verfügbarkeit des Predictive Engineering unterstützt die Software Star-CCM+ dann dabei, bessere Lösungen schneller zu finden. Instationäre Aerodynamik hilft dabei, die komplexen Einflüsse der Räder zu untersuchen und Heeds von Red Cedar Technology ermöglicht mit der Design Space Exploration, bessere Wege zur Energieeinsparung zu finden. co
Weitere Details zum Finden besserer Lösungsmöglichkeiten im Blog:
