Detaillierte CAE-Analyse des thermischen Verhaltens von Verbrennungsmotoren mit Schwerpunkt auf dem Motorwarmlauf
Rudolf Eberhardt Pape
In dieser Arbeit werden Simulationsprozessen für Einzelaspekte in der Motorenentwicklung zu einem prädiktiven dreidimensionalen Gesamtmodell für das thermische Verhalten eines Verbrennungsmotors integriert. Dabei kommen Methoden der numerischen Strömungssimulation zum Einsatz, um möglichst früh im Entwicklungsprozess Aussagen über zu erwartende Bauteil- und Kühlmitteltemperarturen treffen zu können.
Zwei zentrale Wärmeübergänge bestimmen hauptsächlich das berechnete Temperaturfeld des Motors. Zur Validierung des Wärmeübergangs von der heißen Ladung an die Brennraumwand werden kurbelwinkelaufgelöste Messungen der Oberflächentemperaturen mehrerer Punkte am Brennraumdach eines vergleichbaren Motors verwendet. Der Wärmeübergang von heißen Bauteilen ans Kühlmittel mit auftretendem Kühlmittelsieden wird an Literaturbeispielen validiert. Für das anschließend berechnete stationäre Temperaturfeld des gesamten Motors wird ein Vergleich mit umfangreichen Temperaturfeldmessungen angestellt.
Da der Simulationsprozess trotz einiger Vereinfachungen sehr rechenintensiv ist, in der industriellen Anwendung aber immer auch der Faktor Zeit eine große Rolle spielt, wird im späteren Verlauf der Arbeit ein Ansatz vorgestellt, die Simulationsergebnisse bei verringertem Aufwand auf andere Betriebspunkte zu übertragen. Zudem wird ein transientes Modell aufgestellt und zur Berechnung der Verläufe der Bauteiltemperatur während eines Motorwarmlaufs im WLTC über 300 s angewendet.
Der in dieser Arbeit entwickelte Simulationsprozess erlaubt eine robuste prädiktive Berechnung dreidimensionaler Temperaturfelder von Verbrennungsmotoren mit für eine Anwendung im industriellen Umfeld vertretbarem Zeitaufwand.
