Numerische und experimentelle Analyse der Wärmeübertragung einer Abgasanlage im Gesamtfahrzeug

Abstract

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.

Nowadays, numerical simulations are used as a standard tool to identify critical heat load at a very early stage of the vehicle development process. The presented thesis deals with the development of an approach to increase the numerical underhood simulation accuracy. An important issue in the very early concept phase is the availability of accurate boundary conditions like the surface temperature of the exhaust gas system, which often causes critical heat load to surrounding components. In standard simulations, the exhaust gas surface temperatures are set as fixed boundary conditions. This approach has been useful and efficient but contains some important restrictions. The first restriction arises when measurement data is needed to set fixed temperatures as boundary conditions. However in the very early concept phase such data does not exist. The second restriction is that boundary conditions are set uniform for various components and pipe sections even though the temperature distribution on these components contains high temperature gradients especially in regions where insulation materials are used. Furthermore surface temperatures are also strongly influenced by underhood flow and temperature conditions. In order to solve these restrictions a computational method is developed allowing computing exhaust surface temperature as a result of internal gas heat transfer including the material and geometric heat transfer conditions through the devices and the environment. A further objective is the examination of the temperature influence of the diesel particulate regeneration process during critical load cases. The regeneration causes a high increase of exhaust gas temperatures. In certain combinations with critical load cases, this leads to a new worst case in terms of heat protection. As the regeneration is a very complex and unsteady process it is necessary to first understand and examine under which circumstances the regeneration causes an increase of exhaust temperatures specifically during critical load cases. The effect depends strongly on the characteristics of the respective load case, which determine decisive parameters such as the deposit of soot but also the temperature dependent passive regeneration. Therefore important influencing factors were assessed in combination with different critical load cases on an engine test rig. Measurements allowed a deeper understanding and categorization of possible worst case scenarios. Furtheron, a simplified steady state load case is derived from the transient worst case in order to compute exhaust surface temperatures in a fully detailed 3D model. The method brings an improvement to the heat protection process regarding the regeneration and demonstrates how temperature prediction can be realized for a worst case scenario using a steady state simulation.