Simulation spart 50 % Entwicklungszeit

Leise auf virtuelle Weise

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Ein Lüftergebläse für ein Klimagerät, das weniger als halb so laut wie bisher ist und ein Frontend-Kühlmodul, dessen 140 Varianten zum Großteil ohne echte Prototypen entwickelt werden: Delphi setzt auf Simulationstechniken und erreicht damit ansehnliche Produktverbesserungen.

Der Autor: Dr.-Ing. Thomas Heckenberger, Direktor Globale Entwicklung, Delphi Thermal Systems, Technikzentrum Luxemburg

Die ambitionierten Verbrauchsziele halten nicht nur für die Motoren- und Antriebsspezialisten noch etliche harte Nüsse bereit. Auch die Akustiker stehen vor vielfältigen Aufgaben. Beispielsweise senken Start-Stopp-Systeme die Geräuschkulisse so weit, dass selbst ein Lüftergebläse bei Motorstillstand plötzlich unangenehm akustisch auffallen kann. Hinzu kommt noch der allgemeine Wunsch nach optimalem Akustikkomfort, insbesondere in den oberen Fahrzeugsegmenten.
Vor diesem Szenario ist die Entwicklung des neuen Lüftergebläses von Delphi zu sehen. Es setzt ganz neue Maßstäbe, da es um bis zu 7 dB leiser als vergleichbare Wettbewerbsprodukte ist. Auf das menschliche Hörvermögen bezogen, nimmt man dieses Gebläse subjektiv als nur noch ein Viertel so laut wie vergleichbare Gebläse wahr.
Akustikkomfort steigt an
Um dieses Ergebnis zu erzielen, mussten die Delphi-Ingenieure alle Register ziehen. Basis war die umfangreiche Simulation aller Strömungsparameter mithilfe komplexer physikalischer Modelle. Die spiegeln zwar nie hundertprozentig die Wirklichkeit wider, gestatten aber tiefe Einblicke in die Gebläsedetails und Strömungsprozesse. In mehreren Schleifen wurden zunächst sämtliche Gebläseparameter – etwa Gehäusegeometrien, Scrollkanäle, Bauteilübergänge oder Lüfterdetails – am Bildschirm optimiert, bevor sie dann in Form von Prototypen abgesichert wurden. Früher wurden alle Entwicklungsschleifen mit solchen sukzessive verbesserten Prototypen durchgeführt, was viel Zeit und Geld kostete. Heute kann man durch Simulation 50 % Entwicklungszeit im Vergleich zu früher sparen. Und dieses Verhältnis dürfte sich künftig noch weiter verbessern, da die Simulationsprogramme weiter verfeinert werden.
Die wesentlichen Unterschiede des Radialgebläses liegen im Inneren. Außen fällt nur ein etwas runderes Schneckengebläse als bisher auf. Innen wurden die Geometrien der Luftkanäle und das Gebläserad grundlegend auf weniger Turbulenzen hin modifiziert. Dazu wurden in der Simulationsphase Verwirbelungen und Rückströmungen weitgehend minimiert oder gänzlich eliminiert. Hier wirkten die Rahmenbedingungen erschwerend, da das Gebläse bei unterschiedlichen Drehzahlen, Temperaturen und Klappenstellungen im Klimagerät arbeitet und variablen Gegendrücken ausgesetzt ist.
Optimale Auslegung des Gebläses
Generell hilfreich sind sehr kleine Spalte und speziell geformte Übergänge, besonders an den Stellen, wo sich ein Luftstrom vom Schneckengehäuse abschält. Auch die Abstimmung des Laufrads geht weit über die Optimierung der Schaufeln hinaus. So wird die ganze Peripherie mitsamt des Ringes und des Elektromotors intensiv aerodynamisch geformt.
Sehr wichtig ist auch die Lage und Geometrie der Ansaugöffnung. Sie ist zwar nicht immer frei wählbar, aber Delphi kann die OEMs schon in frühen Entwicklungsphasen bei einer optimalen Auslegung des Gebläses unterstützen, da man die Einflussfaktoren für die Geräuschentwicklung über die gesamte Luftstrecke kennt. Wichtig ist, dass der Teil der Luftstrecke, bei der die Frischluft- und Umluftklappe angebracht sind, immer fahrzeugspezifisch ausgelegt wird. Die fahrzeugspezifische Ansaugöffnung schränkt zwar die Integrationsfähigkeit des Flüstergebläses im Zuge eines Facelifts etwas ein, da für sie Platz vorhanden sein muss. Bei Modellwechseln hingegen steht dem Flüstergebläse nichts im Wege, da die Delphi-Ingenieure mit ihren Simulationstools gerne schon bei der Gebläseintegration in sehr frühen Entwicklungsphasen behilflich sind. Beispielsweise lassen sich per Simulation die Auswirkungen grundsätzlicher Package- und Systementscheidungen vorhersagen. Auch die Entwicklung neuer Gebläse-Derivate aus den bereits gewonnenen Simulationsdaten und Erfahrungen verspricht für die Zukunft weitere Effizienzpotenziale.
Nicht nur leiser, auch leichter und kompakter
Doch die Geräuschminimierung ist nicht der einzige Trumpf. So benötigt das Flüstergebläse etwas weniger Energie und ist etwas leichter und kompakter als vergleichbare Wettbewerbsprodukte, da es über eine rundere Gehäuseführung verfügt. Diese Produktvorteile haben schon einige OEMs überzeugt, sodass ein erster Serienauftrag ab Mitte 2015 in einem Oberklasse-Fahrzeug startet.
Die Erfahrungen mit dem Flüstergebläse nutzte Delphi zum Teil auch für den Lüfter einer neuen Familie von Frontend-Kühlmodulen. Für ihn wurden teilweise die gleichen Werkzeuge und Softwarepakete wie zur Simulation des Klima-Gebläses genutzt. Sie trafen jedoch auf eine völlig andere Konstellation. Denn am Frontend-Kühlmodul arbeitet ein Axiallüfter, und kein Radiallüfter wie beim Klima-Gebläse, somit herrscht ein ganz anderes Strömungsverhalten. Außerdem folgt ziemlich nah hinter dem Gebläse der Motorblock, was die Strömung des axialen Lüfters radial umlenkt. Diese Mischung aus axialer und radialer Strömung erzeugt sehr komplexe strömungstechnische Phänomene und verlangt deutlich umfangreichere Modelle und mächtigere Tools. Andererseits sind die Ansprüche an die Geräuschkulisse etwas weniger anspruchsvoll als an ein Lüftergebläse im Klimagerät.
Eine weitere Herausforderung war die bei elektrischen Lüftern begrenzte Antriebsleistung von maximal 900 W in Verbindung mit der steigenden Wärmelast am Frontend. Denn das neu entwickelte Frontend-Kühlmodul für eine neue Fahrzeugplattform eines OEM umfasst bis zu sieben verschiedene Elemente (Kühler für die Niederdruck-Ladeluftkühlung, den Kondensator, den Motorkühlkreislauf, den Ölkreislauf, die Niedertemperatur-Batteriekühlung, die Abgasrückführung sowie den Lüfter), deren Wärmelast möglichst effizient abgeführt werden muss.
140 mögliche Kombinationen
Aus den 140 möglichen Kombinationen des Kühlmoduls hat Delphi die zehn repräsentativen Hauptvarianten ausgewählt und per Simulation und mit anschließenden Prototypen real getestet. Mit diesem Erfahrungswissen und den gesammelten Daten wurden dann die anderen etwa 130 Varianten lediglich durch intensive Simulation abgesichert. Die Simulation der einzelnen Kühlmodule erfolgte dabei durchaus in Paketen durch Bündelung einzelner Kühler und ihrer Charakteristika. Im Prozess werden zunächst Parameter wie die Drucküberwindung und die zu fördernde Luftmenge bestimmt und einzelne Lüftergrößen daraus abgeleitet. Danach werden die einzelnen Lüfter-Kühler-Konfigurationen nach Anforderung der Kunden per Simulation standardmäßig berechnet. Wichtigstes Ziel ist ein verminderter Druckabfall der einzelnen Kühler.
Ein Ziel von Delphi ist, mit dem digitalen Werkzeugkasten Simulationsergebnisse zu erzielen, die zu mehr als 90 % in den anschließenden Prototyp-Versuchen bestätigt werden. Diese Marke wird bei einfacheren Projekten heute schon vielfach erreicht. Bei komplexeren Simulationen, wie etwa Zweiphasen-Strömen innerhalb eines Verdampfers oder Kondensators, sind die Verdampfungs- oder Kondensationsprozesse aber noch so diffizil, dass die Zielmarke 90 % noch nicht ganz erreicht wird. Allerdings entwickeln die Simulationsingenieure immer detaillierte Modelle und generieren bessere Simulationsergebnisse. Zwar bedeutet Simulation zunächst einen hohen einmaligen Aufwand für die Optimierung des Tools. Aber durch die Übertragbarkeit der Modelle amortisiert sich diese Investition in den Folgeprojekten rasch. Das wird sich bei einer neuen Generation von Kühlern im unteren Leistungsbereich zeigen, die Delphi bald vorstellen wird. Sie sind durch ein neues Rippendesign deutlich leistungsfähiger als bisher.
Delphi Automotive Systems Luxembourg, Tel.: +352 5018-10, thomas.heckenberger@delphi.com
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