1D-Strömungssimulation thermodynamischer Kreisläufe bietet verlässliche Aussagen

Eindimensional reicht

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Die Simulation ist heute im Produktentwicklungsprozess nicht mehr wegzudenken. So bietet sie insbesondere bei der Aggregatentwicklung Einblicke in messtechnisch schwer oder nicht erfassbare Strömungsverhältnisse. Während die rechenaufwändige 3D-Simulation eher tendenzielle Voraussagen hervorbringt, bieten 1D-Tools interessante Alternativen und können dabei zum Teil bessere Resultate erzielen.

Die räumliche Auflösung in drei Dimensionen macht die 3D-CFD (Computational Fluid Dynamics) zu einem rechnerisch anspruchsvollen Softwaretool. Dies macht sich speziell bei der Simulation von innermotorischen Strömungen bemerkbar, da hier besonders engmaschige Rechengitter für die Diskretisierung gewählt werden müssen, um eine verwertbare Genauigkeit zu erzielen. Auf einem leistungsfähigen Rechencluster sind bisher Rechenzeiten von mehreren Stunden üblich. Heute ist es schwer zu sagen, ob sich diese in Zukunft drastisch verkürzen werden. Aktuell wird jede verfügbare Rechenleistung in die Erhöhung von Modellkomplexität und geometrischer Auflösung investiert.

Die 1D-Simulation liefert dabei sinnvolle Alternativlösungen. Weniger aufwändige, eindimensionale oder quasidimensionale Beziehungen bieten die Möglichkeit, Einflussparameter schnell abzuschätzen oder umfangreiche Betriebskennfelder unterschiedlicher Komponenten zu erstellen. Ebenso liefern sie die Abschätzung für Umgebungs- und Startbedingungen für die aufwändigeren dreidimensionalen Simulationen.
Kompetenz in der Antriebsstrangentwicklung
Um eigenständig Funktionsentwicklungen im Bereich Powertrain durchzuführen, leistet die 1D-Strömungssimulation beim Kompetenz-Ausbau in der Antriebsstrangentwicklung einen wichtigen Beitrag. Die komplexe, aber wenig rechenaufwändige Simulationstechnik erlaubt den effektiven Vergleich verschiedener Szenarien oder mehrerer Lösungsansätze. Dem Ingenieur bietet sich dadurch eine wichtige Entscheidungsgrundlage in der Entwicklung von Komponenten. Das Einsatzgebiet der 1D-Simulation erstreckt sich hauptsächlich auf die Bereiche Motorkühlung, Klimakreislauf, Innenraumklimatisierung, Verbrennung und Gesamtsystemanalyse. Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten zeigt sich an folgenden Beispielen.
Berechnung von Kühl- und Kältemittelkreisläufen
Den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, spielt derzeit in der Automobilentwicklung eine wichtige Rolle. In diesem Zusammenhang gewinnen in der Konzipierung von Klimakreisläufen auch 1D-Werkzeuge an zunehmender Bedeutung. Durch die Kombination unterschiedlicher Softwaretools kann über die 1D-Strömungssimulation inzwischen ein breites Spektrum an entwicklungsbegleitenden Simulationsleistungen in den Bereichen Motorkühlung und Klimakreislauf angeboten werden:
  • Erarbeitung und Anpassung von Komponentenmodellen
  • Erstellen und Betreuen von Kreisläufen auf Luft- und Kältemittelseite
  • Stationäre und transiente Simulationen
  • Sensitivitätsanalyse und Optimierung
  • Konzeptentwicklung
  • Methodische Weiterentwicklung der Simulationen
Systemanalyse zur Optimierung des Energieflusses
Bei Bertrandt wird zudem in weiterführenden Arbeiten Know-how aufgebaut. Dies geschieht unter anderem in internen Projekten wie zum Beispiel „Energie und Umwelt im Antriebsstrang“. Ziel ist es, intelligente und effiziente Antriebskonzepte zu entwickeln, bei denen Aspekte wie Emissionen, Kosten, Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Fahrspaß berücksichtigt werden.
Um einen objektiven Vergleich der vorgeschlagenen Lösungen zu ermöglichen, wurde ein Tool geschaffen, das in Matlab/Simulink die Energiekette im gesamten Antriebsstrang simuliert. Die abstrakte Modellbasis enthält dabei keine physikalische Modellierung der Sub-Modelle, deren Verhalten aufgrund von Kennlinien und Kennzahlen beschrieben wird. Zur Kommunikation der Modelle untereinander werden Energieflüsse wie Drehzahl und Drehmoment oder Strom und Spannung verwendet.
Das Tool wurde anhand von Prüfstandsmessungen an einem bestimmten Fahrzeug validiert und zeigte sehr gute Übereinstimmungen mit den offiziellen Messwerten. Komplexe Konfigurationen des Antriebsstrangs können abgebildet werden, da die weit fortgeschrittene Modellbasis über genügend Funktionalität verfügt. So ist es nun möglich, verschiedene optimierte Konzepte im Energiefluss miteinander zu vergleichen. Mehrere Varianten – wie zum Beispiel Micro- oder Mildhybride, die lediglich mit Bremsrückgewinnungsenergie oder einem kleinen Elektromotor für den Anfahrvorgang ausgestattet sind – wurden bereits im Modell implementiert und untersucht, weitere Modifikationen folgen. Zudem werden optimierte Regelstrategien, Hybridisierung der Nebenaggregate und andere Variationen untersucht.
Potenzialabschätzung von LPG-Direkteinspritzung
Doch nicht nur im Bereich der Motorperipherie und des gesamten Antriebsstrangs finden entwicklungsbegleitende Simulationstechniken ihren Einsatz. Auch bei der motorinternen Strömungsrechnung wird auf Basis von Grundlagenarbeiten zusätzliche Kompetenz aufgebaut.
So wurde im Rahmen einer Diplomarbeit erarbeitet, welches Potenzial die Verwendung von LPG-Direkteinspritzung (LPG = Liquified Petroleum Gas beziehungsweise Flüssiggas) in einem Ottomotor birgt, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Mittels eines in Matlab programmierten Zwei-Zonen-Modells für die innermotorische Thermodynamik und einer Korrelation zur Berechnung der Zündverzugszeit konnte ein Verdichtungsverhältnis ermittelt werden, bei dem die Zündverzugszeiten von LPG-Luft- und Benzin-Luft-Gemischen gleich groß sind. Unter der Annahme, dass bei unterschiedlichen Gemischen die gleichen Zündbedingungen gelten und erreicht werden, kann durch diese Modellierung eine mögliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und das daraus folgende Potenzial zur Verbrauchssenkung abgeschätzt werden. Das vorhandene Modell kann jedoch keine Gaswechseldynamik berechnen. Ebenso fehlen prediktive Modelle, um die durch Verbrennung freigesetzte Energie zu berechnen beziehungsweise reaktionskinetische Ansätze, um die Komposition des Brenngases zu ermitteln.
Motorische Thermodynamik und Integration
Um thermo-fluiddynamische Prozesse im gesamten Antriebsstrang mit 1D-Simulationen erfassen zu können, befinden sich weitere Tools aus dem Bereich Ladungswechsel- und Verbrennungssimulation bei Bertrandt in der Prüfung. Nachdem ein Netzwerk aus hochspezialisierten Anwendungen für die einzelnen Gebiete der 1D- Strömungsrechnung aufgebaut wurde, kann nun eine vollständig virtuelle Abbildung des Antriebsstrangs erreicht werden. Das bereits beschriebene Tool in Matlab/Simulink bildet hierzu eine modulare Integrationsplattform, um Vorhandenes zu vereinen oder neue Features einzubringen.
Bertrandt;
Telefon: 07034/6 56-0; E-Mail: anja.schauser@de.bertrandt.com
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