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Numerische und experimentelle Analyse der Wärmeübertragung einer Abgasanlage im Gesamtfahrzeug
(2015) Enriquez-Geppert, Joshua; Wiedemann, Jochen (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Weiterentwicklung der numerischen Berechnungsmethoden, die als Entwicklungswerkzeug im Fahrzeugentstehungsprozess Anwendung finden. Der Beitrag bezieht sich im Speziellen auf die thermische Absicherung im Gesamtfahrzeug. Modelle, die für die thermische Absicherung verwendet werden bilden die Durchströmung des Motorraums ab und lassen unter Berücksichtigung von Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung Aussagen über erwartete Temperaturen zu. Wichtig für die Aussagefähigkeit der Simulationsergebnisse dabei ist die Berücksichtigung der im Fahrbetrieb anfallenden Verlustenergie bzw. Wärmequellen. Die Abgasanlage stellt eine wichtige Wärmequelle für die Betrachtung von Luft- und Bauteiltemperaturen im Gesamtfahrzeug dar. Gegenwärtig wird der Wärmeeintrag der Abgasanlage in der CFD- und thermischen Simulation durch die Vorgabe fester Temperaturwerten auf der Geometrieoberfläche berücksichtigt. Dies erlaubt jedoch nur eine bedingte Vorhersagefähigkeit. Desweiteren müssen diese Werte Messungen entnommen werden. Das Potenzial der numerischen Simulation wird dadurch beschränkt, da diese schon vor der ersten Hardware eingesetzt werden soll. Weiterhin sollen zukünftig auch für die thermische Absicherung wichtige instationäre Lastfälle in der Gesamtfahrzeugauslegung betrachten werden. Dies macht die Einbindung der thermischen Simulation der Abgasanlage zwingend notwendig, denn insbesondere für den sogenannten instationären Nachheizlastfall muss die Abgassystem gespeicherte Wärme und Temperaturverteilung berücksichtigt werden. Um einen Ansatz zur Lösung der zuvor geschilderten Problematik zu liefern, wird erstmalig ein Berechnungsverfahren entwickelt und validiert, das es ermöglicht Oberflächentemperaturen der Abgasanlage im Gesamtfahrzeugmodell ausgehend vom Abgasmassenstrom und der Abgastemperatur sowie dem lokalen geometrie- und materialabhängigen Wärmedurchgang zu berechnen. Die Interaktion mit der Fahrzeugumgebung muss berücksichtigt werden, was eine direkte Koppelung aller Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich macht. Die Bilanzierung aller Wärmeübertragungsmechanismen stellt gegenwärtig eine Herausforderung in der Gesamtfahrzeugbetrachtung dar, da komplexe Einflüsse zu sehr großen und für den Entwicklungseinsatz ungeeigneten Berechnungsmodellen führen. Das in dieser Arbeit entwickelte Berechnungsverfahren befasst sich mit dieser Herausforderung und bietet eine Lösung, um dennoch die Interaktion zwischen Abgasanlage und Fahrzeugumgebung zu ermöglichen. Eine weitere Zielsetzung besteht in der Analyse thermisch kritischer Lastfälle unter dem Regelungseingriff der Dieselpartikelfilterregeneration. Da während der Regeneration sehr hohe Abgastemperaturen entstehen, werden hierdurch thermisch kritische Lastfälle zusätzlich verschärft. Zusammenhänge und Einflussfaktoren, die zu einem Worst Case führen werden experimentell auf dem Motorenprüfstand untersucht und kategorisiert. Es kann ein stationärer Ersatzlastfall abgeleitet werden, der die thermische Bewertung der Regeneration im Gesamtfahrzeug unter Anwendung des zuvor entwickelten Berechnungsverfahrens ermöglicht.