Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Präzises Temperaturmanagement

Eine verbesserte Vorhersagefähigkeit der Wärmeübertragung zwischen Wassermantelstruktur und Kühlwasser anhand 1D Simulationen, bedarf einer näherungsweisen Abbildung von 3D Strömungseffekten. Diese sollen mit optimierten Diskretisierungsmethoden auch für komplexe Geometrien erfasst und in weiterentwickelten 1D Modellen berücksichtigt werden. Es ist folgendes Vorgehen geplant:

a)Am IMS werden Temperatur- und Strömungsmessungen zur Validierung und Kalibrierung der folgenden Simulationen durchgeführt.

b)An beiden Forschungsstellen wird eine 3D Simulation des Wassermantels durchge-führt, wobei zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt und verglichen werden: eine isotherme 3D Simulation (klassischer Ansatz) am IMS sowie eine mit der Gasseite gekoppelte Simulation (erweiterter Ansatz) am IVK.

c)Auf deren Basis kann eine Optimierung der 1D Diskretisierung, unter Berücksichtigung physikalischer Einflüsse, erfolgen. Sobald eine geeignete Methodik gefunden ist, werden noch bestehende Fehler anhand verbesserter 1D Modelle zur Berechnung des Wärmeflusses sowie neuer Strömungs-Templates korrigiert.

d)Um die Einflüsse der Gasseite sowie etwaige Rückkopplungen zu berücksichtigen, wird eine Validierung des thermischen Gesamtsystems (Wassermantel, Motorstruktur und Motormodell) durchgeführt.

e)Abschließend werden die Entwicklungsergebnisse in einem alternativen Motorkonzept (mittelschnelllaufender Großmotor) auf Übertragbarkeit getestet.

Anhand der gewonnenen Erkenntnisse können komplexe Thermomanagement-Strategien entwickelt werden, welche eine verbesserte Auslegung des Wassermantels ermöglichen, die Effizienz der Kühlleistung steigern und damit entschieden zur Reduktion von Emissionen und Kraftstoffverbrauch beitragen.

Belastbare 1D Simulationen sind besonders für KMU wünschenswert, da sie den zeitlichen sowie finanziellen FuE-Aufwand erheblich senken und so die Wettbewerbsfähigkeit stärken.

Ergebniszusammenfassung:

Grundlage dieser Arbeiten sind thermische Prüfstandsmessungen am Vollmotor, optische PIV-Messungen im Kurbelgehäuse und ein thermisches 3D-CFD-Modell des Kühlmittelmantels inklusive Motorstruktur. Das erstellte 3D-Modell zeigt gute Übereinstimmung mit den PIV-Messungen und Temperaturmessstellen (Bauteile und Kühlwasser).

Es wurde ein praxisorientiertes universelles Verfahren zur Erstellung eines 1D-Wassermantelmodells entwickelt. Der Fokus liegt auf der Diskretisierungsstrategie der 3D-Geometrie und der Berechnung der Wärmeübertragung mittels Nusselt-Korrelationen. Grundlage und Referenz sind 3D-CFD-Simulationen des Wassermantels.

Richtlinien für die Diskretisierung des Wassermantels werden vorgeschlagen und ein universelles Verfahren zur Erstellung des 1D-Strömungsmodells vorgestellt. Die Wärmeübertragungsberechnung in der 1D-Simulation basiert auf Nusselt-Korrelationen (Nu=Nu(Re,Pr)), die sich aus 3D-CFD-Simulationen ableiten. Darüber hinaus ermöglichen zusätzliche Modifikationen in den Berechnungsroutinen und hilfreiche Kriterien, die spezifischen Eigenschaften der komplexen Wassermantelgeometrie benutzerfreundlich zu behandeln. Die 1D-Ergebnisse werden detailliert mit der 3D-CFD-Referenz verglichen und zeigen eine große Übereinstimmung für verschiedene Betriebspunkte. Die Methodik wird an einem PKW-Motor entwickelt und an einem Großmotor validiert.