CAx-basierte Kanalentwicklung für Verbrennungsmotoren

Schneller zum Optimum

Anzeige
Auf Basis von parametrischen CAD-Modellen erforscht die FEV Motorentechnik mit Hilfe der 3D-CAD/CAM-Software Pro/Engineer von PTC und automatischen Optimieralgorithmen selbstoptimierende Kanalmodelle. Ziel ist es, die Entwicklungszeiten neuer Motoren weiter zu reduzieren. Die Methodik kann zukünftig, insbesondere bei weiterer Steigerung der Rechenleistungen und entsprechender Umsetzung von Expertenwissen, von Vorteil sein.

Die Aachener FEV Motorentechnik GmbH (FEV) ging der Frage nach, inwieweit sich die Entwicklungszeiten neuer Motoren durch den konsequenten Einsatz von CAE-Techniken verkürzen lassen. Dabei soll ein hoher Grad an CAE-unterstützter Voroptimierung in der Konzeptphase dazu führen, dass zeitaufwändige Modifikationen während der Detailkonstruktion vermieden werden können. Ausgangspunkt der Arbeit war das Kanalkonzept. Es ist integraler Bestandteil des Zylinderkopfs und hat maßgeblichen Einfluss auf das Brennverfahren und damit auf die thermodynamischen Eigenschaften des Motors. Leistung, Verbrauch, Emissionen und Akustik hängen direkt von der realisierten Zylinderfüllung sowie der generierten Zylinderinnenströmung ab. Dies erfordert eine spezielle Einlasskanalgestaltung, die gleichzeitig die notwendige stabile Ladungsbewegung im Zylinder sowie einen möglichst hohen Durchfluss erzielt.

Da jeder Motor unterschiedliche Basisgeometrien hat (Bohrung, Hub, Zylinderabstand, Schraubenabstand, Ventiltriebskonzept, Einlass und Auslassflanschgeometrie), muss für jedes Zylinderkopfkonzept ein neues Optimum gefunden werden. Im Zentrum der Forschungsarbeiten stand deshalb die Frage, inwieweit moderne CAE-Tools prinzipiell zur automatischen Erzeugung komplexer Geometrien verwendet werden können. Die für die Untersuchungen von FEV entwickelten CAD-Modelle erlauben eine schnelle und flexible Darstellung der Kanalkontur. Als Eingabedaten dienen rund 20 Parameter, die die Kanalkonturen fast vollständig beschreiben.
Als Standard-CAD-System für die Konstruktion setzt FEV seit vielen Jahren die 3D-CAD/CAM-Lösung Pro/Engineer der Unterschleißheimer Parametric Technology GmbH (PTC) ein. Für die Software sprechen die Zugänglichkeit der offenen Schnittstelle zum CAD-Modell und eine hohe Verlässlichkeit bei automatisierten Verfahren. Das Pro/Engineer-Modul ISDX ermöglicht eine präzise und natürliche Gestaltung von Flächenmodellen, ohne dabei auf die Parametrisierung zu verzichten. Die generierten Oberflächen sind robuster, selbst bei großen Variationen der Parameter.
Genetischer Optimierungsprozess liefert bessere Lösungen
Beispielhaft wird die Methodik für die Konstruktion hier am Beispiel eines Otto-Kanals gezeigt. Kernstück des Prozesses ist die Verknüpfung von parametrischer 3D-Konstruktion und numerischer Strömungssimulation (CFD) mit anschließender Analyse und Evaluation sowie der Rückführung des optimierten Parametersatzes in das Pro/Engineer-Modell. Dieser vollständig in sich geschlossene CAE-Optimierungsprozess ermöglicht den Einsatz so genannter genetischer Optimierungsalgorithmen. Dabei wird eine Anzahl von zufälligen Lösungskandidaten (Individuen) erzeugt, aus denen einige wenige mit einem bestimmten Gütekrite-rium ausgewählt werden. Deren Eigenschaften (Parameterwerte) werden leicht verändert und miteinander kombiniert, um eine neue Generation von Lösungskandidaten zu erzeugen. Im Ergebnis erhält man sowohl die optimierte Einlasskanalgeometrie, als auch funktionale Zusammenhänge zwischen Geometrieparametern und dem resultierenden Strömungsverhalten.
Die zu untersuchende 3D-Geometrie wird von einer speziellen Optimierungssoftware an ein automatisches Vernetzungstool übergeben, in dem ein bewegtes Gitter aus finiten Elementen generiert wird, was sowohl das gesamte Innenvolumen der Kanäle inklusive der Ventilführungen als auch das Volumen des Zylinders berücksichtigt. Zusätzlich werden Ventile und Kolben als sich bewegende Bauteile in der Simulation abgebildet. Dieses Gitter wird für die automatische CFD-Analyse benutzt. Aus den Ergebnissen werden geometrische Optimierungen berechnet und ein neuer Parametersatz für den folgenden Iterationsschritt erstellt. Dessen Wirksamkeit wird durch die erneute Vernetzung und CFD-Berechnung geprüft. Als Kriterien werden Kenngrößen der Brennraumströmung zum Zündpunkt herangezogen.
In einem Forschungsprojekt wurde nun ein einfacher Kanal für einen Otto-Motor dargestellt. Die zu optimierende Geometrie wurde auf die drei Parameter Kanalradius, -winkel und freie Höhe beschränkt, um die zu erwartende Rechenzeit zu minimieren. Am Anfang des automatischen Optimierungsprozesses treten teilweise erhebliche Variationen auf. So bestand eine der größten Herausforderungen darin, ein Design zu finden, das auf die Variation von Parametern in hohem Maße stabil reagiert und keine manuellen Korrekturen erfordert. Scharfe Übergänge und Unstetigkeiten zwischen angrenzenden Flächenpads müssen ebenso vermieden werden, wie das Beulen von Flächen sowie Überschwinger auf Grund von zu harten Tangentialbedingungen. Zur abschließenden Verifikation der Ergebnisse wurde basierend auf dem Kanalmodell eine „Flowbox“ aus Kunststoff gefertigt. Damit konnten auf einem Strömungsprüfstand die Strömungs- und Durchflusswerte gemessen und mit den berechneten Werten abgeglichen werden.
Rechenzeiten liegen noch sehr hoch
Die grundsätzliche Funktion der Optimiermethodik konnte gezeigt werden, jedoch benötigte das sehr einfache Kanalmodell schon sehr lange Rechenzeiten. Größere Schwierigkeiten ergaben sich aus den teilweise sprunghaften Veränderungen der Geometrie während der automatischen Parametervariation. Dies führte teilweise zu Abbrüchen der Optimierungsroutine. Zudem ist die erreichte Zylinder- innenströmung nur schwer algorithmisch zu analysieren. Entsprechend ist zu erwarten, dass sich die Rechenzeiten mit der noch notwendigen Verfeinerung der Modelle sowie bei der Optimierung der rund 20 notwendigen Parameter potenziert.
Im Ergebnis zeigt sich, dass der konsequente Einsatz von CAE-Techniken maßgeblich dazu beitragen kann, die Entwicklungszeiten für neue Motoren zu verkürzen. Jedoch kann die Aufgabe der Entwicklung einer komplizierten Geometrie, wie die eines Einlass-Kanals, noch nicht vollständig automatisiert erfolgen. Diese wird daher bei FEV zwar standardmäßig durch Strömungssimulationen unterstützt, das Design hierbei allerdings noch weitgehend durch Expertenwissen definiert. Bei weiterer Steigerung der Rechenleistungen und entsprechender Umsetzung des Expertenwissens kann jedoch die erforschte Methodik einen wertvollen Beitrag leisten.
FEV Motorentechnik;
Telefon: 0241/5689-378;
Anzeige

Aktuelle Ausgabe

Titelbild AutomobilKONSTRUKTION S5
Ausgabe
S5.2019
LESEN
ARCHIV
ABO

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper aller unserer Industrieseiten

Video-Tipps

Unser aktueller Video-Tipp: 100 Jahre BMW

Weiterbildung

Weiterbildungsangebote für den Konstruktions- und Entwicklungsingenieur

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de