现代发动机冷却技术（德语，维也纳发动机技术国际研讨会资料）

Entwicklung von Motorkühlsystemen bei erhöhten Anforderungen an transiente Betriebsbedingungen Johann Betz Lothar Beck Stefan Micko Audi AG Ingolstadt, Deutschland Josef Hager Roland Marzy Thomas Gumpoldsberger STEYR-DAIMLER-PUCH Engineering Center Steyr GmbH Austria 22. Int. Wiener Motorensymposium 2001 Wien, Österreich Dr.-Ing. J. Betz, Dr.-Ing. L. Beck, Dr.-Ing. S. Micko, AUDI AG, Ingolstadt; Dipl.-Ing. J. Hager, Dipl.-Ing. R. Marzy, Dipl.-Ing. T. Gumpoldsberger, Steyr Daimler Puch, Engineering Center Steyr; Entwicklung von Motorkühlsystemen bei erhöhten Anforderungen an transiente Betriebsbedingungen Development Of Engine Cooling Systems For Increased Demands At Transient Operating Conditions Kurzfassung Bei Personenkraftwagen mit hoher Antriebsleistung werden an das Kühlsystem heutzutage extreme Anforderungen gestellt. Bisher orientierte man sich bei der Auslegung der Kühlung an stationären Fahrzeugbetriebspunkten, die eine Maximalanforderung darstellen, wie Bergfahrt bei voller Beladung mit Anhänger und Fahrt mit Höchstgeschwindigkeit bei hohen Umgebungs- temperaturen. Im dichten Verkehr können jedoch ebenfalls Bedingungen auftreten, die ein derart ausgelegtes Kühlsystem bis an den Rand seiner Leistungsfähigkeit belasten. Zur Absicherung der Motorkühlung gegen Überlastung ist es daher auch erforderlich, das instationäre Verhalten bei aufeinanderfolgenden Zyklen mit starken Beschleunigungsphasen und anschließenden Abbremsvorgängen in die Auslegung mit einzubeziehen. Da im Gegensatz zur stationären Betrachtung die Anzahl der freien Parameter wesentlich erhöht wird, ist es sinnvoll, den Entwicklungsprozess durch die Simulation zu unterstützen, die stichpunktartig mit Hilfe von Messungen verifiziert wird. Im Beitrag wird ein neues, von der AUDI AG in Zusammenarbeit mit dem Engineering Center Steyr entwickeltes Verfahren vorgestellt. Das Ziel war, ein Simulationsmodell mit einer angepassten Modellierungstiefe zu erstellen, welches einerseits in der Lage ist, die instationären Vorgänge ausreichend genau zu beschreiben. Andererseits sollten freie Parameter vermieden werden, die nicht durch Messungen abgesichert werden können. Ein weiterer wichtiger Aspekt war die Unterstützung des Entwicklungsingenieurs bei der Variation der bedeutenden Einflussgrößen wie z.B. Kühlertyp und -größe, Lüfterdrehzahl und Kühllufteintritte. Zur Untersuchung des Wärmemanagements bei den oben beschriebenen instationären Vorgängen ist ein mehrere Teilsysteme umfassendes Gesamtmodell notwendig, welches unter anderem den Motor, die Getriebecharakteristik, die am Fahrzeug wirkenden Traktionskräfte, die Kühlluftströmung und die Flüssigkeitskreisläufe simultan abdeckt. Aufgrund der Komplexität der innermotorischen Vorgänge nimmt das thermische Motormodell zur Simulation des in- stationären Wärmeübergangs ans Kühlwasser eine zentrale Rolle ein. Parallel ist ein mit Messungen verifiziertes einfaches Modell zur Beschreibung des Fahrzeugwärmehaushalts Gegenstand einer eingehenderen Betrachtung. Hier zeigt sich insbesondere die hohe Güte der instationären Modellierung der Kühlluftströmung und der Kopplung zum Wärmeübergang, dessen Abgleich ausschließlich an stationären Fahrzeugbetriebspunkten erfolgt. Abstract For passenger cars with high engine power big demands are placed on the cooling system today. Up to now the layout of cooling systems was based on steady state car operating conditions such as hill climbing at full loading with trailer and driving at maximum vehicle speed and high ambient temperatures. Under heavy traffic conditions however, a cooling system dimensioned due to these rules might be charged to the limit of its capacity. To guarantee the safe operation of the engine cooling system it is also necessary to include the transient behaviour for subsequent cycles of sharp acceleration and deceleration in the dimensioning process. Contrary to the steady state view the number of possible parameters is considerably higher. Thus it is useful to support the development process by simulation, which is systematically verified by experiments. In this article a new procedure is presented developed by the AUDI AG in cooperation with the Engineering Center Steyr. The target was to create a simulation tool with appropriate modelling depth which can on the one hand describe the transient processes exactly enough. On the other hand free parameters not verifiable by measurements should be avoided. Another important point of view is the support of the development engineer at the variation of important parameters like radiator type and size, fan speed and cooling air entries. For the examination of the thermal heat management at unsteady operating conditions, mentioned above, a general model is necessary, which consists of several subsystems and describes the engine, the transmission characteristics, the tractive forces of the car, the cooling air flow and the liquid flows simultaneously. Due to the high complexity of the internal heat transfer mechanisms in the engine, the thermal engine model for the simulation of the unsteady heat transfer to the cooling water plays an essential role. In parallel, a model for the heat management of the car, verified by measurements, is an object of a detailed consideration. Here a high quality of the transient modelling of the cooling air flow and its link to the heat transfer is reached, although the calibration is made only at steady state operating conditions. 1. Einleitung 1.1 Problematik Allgemein übliche Auslegungen von Kühlsystemen für PKW mit Verbrennungsmotoren beziehen sich zumeist auf stationäre Betriebspunkte bei hohen Lasten. Es wird sichergestellt, dass bei Bergfahrt und voller Beladung mit Anhänger, Fahrt mit Höchstgeschwindigkeit und im Stadtverkehr bei hohen Außentemperaturen die zulässige Maximaltemperatur des Kühlmittels nicht überschritten wird. Viele heute in Serie befindliche Kraftfahrzeuge mit hoher Motorisierung werden bei einer Fahrgeschwindigkeit von 250 km/h leistungsbegrenzt. Die Motoren laufen damit in der Teillast. Hier entspricht die Wärmeabgabe Q der Hochmotorisierung ans Kühl- wasser nicht dem möglichen Maximum (vgl. Abb. 1, Mittlere Wärmeabgabe Q_Motor). Die Wärmeabgabe des Kühlers an die Umgebung ist entsprechend der stationären Auslegung identisch mit der anfallenden Motorabwärme bei v=250 km/h (vgl. Abb. 1, Kühlleistungs- potential des Kühlers). Unter der Annahme, dass der Motor bei Beschleunigungen durch ein stufenloses oder fein gestuftes Getriebe im Bereich des Leistungsoptimums bewegt wird, kann die maximale Motorabwärme unter anderem schon bei niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten auftreten. Hier ist die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems aufgrund der schlechteren Durchströmung mit Kühlluft und Kühlwasser reduziert. Ein temporäres Kühlleistungsdefizit ist die Folge. Es stellt sich daher die Frage, ob mit einer Auslegung bei vmax auch die Überschreitung der Grenztemperatur des Kühlmittels bei sich wiederholenden Be- schleunigungs- und Abbremsvorgängen auf Autobahnen im dichten Verkehr sicher vermieden wird. Abbildung 1: Mögliche Entstehung eines temporären Kühlleistungsdefizits bei Hoch- motorisierungen mit Kühlsystemauslegung bei vmax = 250 km/h bei einer Vollast- Beschleunigung aus einer niedrigen Fahrgeschwindigkeit. Annahme: Der Motor wird bei Beschleunigungen durch ein stufenloses Getriebe im Bereich des Leistungsoptimums bewegt. 1.2 Zielsetzung Um die Absicherung derartiger Vollast-Beschleunigungsvorgänge bereits in der Konzeptphase vornehmen zu können, ist eine Vorhersage durch die Simulation erforderlich. Insbesondere ist ein transparentes Analysewerkzeug gefragt. Es soll im Serienentwicklungsprozess eine schnelle Prognose des Kühlsystemverhaltens in Fahrzyklen mit ausreichender Genauigkeit ermöglichen. Ferner ist die Integrationsfähigkeit für weitere numerische Methoden, wie z.B. in [1][2][3] beschrieben, entsprechend der zum jeweiligen Zeitpunkt optimalen Modellierungstiefe Voraussetzung. In diesem Artikel wird die Ergebnisqualität einer gekoppelten numerischen und experimentellen Vorgehensweise am Beispiel des Fahrzeugs A4 Avant V6 TDI 110 kW 6-Gang (Frontantrieb) mit dem Simulationswerkzeug KULI [4] abgeleitet. Das wichtigste Kriterium bei der Wahl des Fahrzeugs war die Eignung zur genauen Methodenverifikation. Es flossen zum einen stationäre Messdaten ein, z.B. die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems als Funktion der relevanten Parameter ebenso wie das Wärmeübergangskennfeld des Motors. Andererseits wurden zur Beschreibung des Wärmekapazitätsverhaltens und der instationären Wärmeströme an den Kühlsystemgrenzen zusätzliche Referenzmessungen in relevanten Geschwindigkeitsbereichen integriert. Auf Basis der beschriebenen Simulationsergebnisse mit KULI wird abschließend eine Prognose bezüglich kritischer Motor/Getriebekombinationen abgeleitet, bei denen eine Überlastung eines rein nach stationären Gesichtspunkten ausgelegten Kühlsystems im Bereich der Kühlwasser- temperaturen zu erwarten ist. 2. Modellerstellung und Modellabgleich Die Modellierung des stationären Kühlsystemverhaltens wurde bereits in [4]-[12] detailliert beschrieben und wird hier nicht mehr ausführlich diskutiert. Zur instationären Beschreibung werden zusätzliche Messungen benötigt, die im folgenden näher beschrieben sind. 2.1 Eingabedaten Für die Modellerstellung mit KULI werden eine Reihe von Eingabedaten, wie z.B. Lüftergrößen, Wärmeübertragungseigenschaften von Wärmetauschern, die Verschaltung der Komponenten, sowie die Wärmekapazitäten der beteiligten Fluide benötigt. Zur Berechnung des Kühlluftstromes müssen folgende Daten zur Verfügung stehen: • Luftdruckdifferenz zwischen den Kühlluftein- und –auslässen infolge Fahrtwindanströmung aus Windkanalmessungen • Luftwiderstände aller Komponenten in den Luftpfaden • Luftwiderstände durch die Einbausituation (Umlenkungen, Querschnittsverengungen und Querschnittserweiterungen, Umströmung eines Teiles des Motors etc.) • Drucksteigerungskennlinien der Lüfter bei verschiedenen angelegten Spannungen Lüfterkennlinien und Widerstände der Wärmetauscher werden im Zuge von Komponenten- messungen ermittelt. Die durch die Einbausituation hervorgerufenen Luftwiderstände können nicht direkt vermessen werden. Bei der am häufigsten verwendeten Methode wird der als Einbauwiderstand bezeichnete Widerstand [11] dadurch ermittelt, dass aus dem am Kühlmittelkühler gemessenen Wärmestrom der Luftdurchsatz ermittelt wird und dann der Einbauwiderstand (mit z.B. parabelförmiger Kennlinie) so eingestellt wird, dass sich auch bei der Simulation der gleiche Kühlluftstrom für diesen Wärmetauscher ergibt. Die Verschaltung der Komponenten auf der Luftseite und auf der Wasserseite muss so erfolgen, dass alle relevanten Strömungsformen erfasst werden. So muss zum Beispiel bei nebeneinander angeordneten Lüftern, die auf einen Wärmetauscher wirken, die Luftströmung in zwei getrennte Pfade aufgeteilt werden. Für die Berechnung der Wärmebilanz werden folgende Daten benötigt: • Wärmeübergangskennfelder der Wärmetauscher • Wärmequellen (Motor, Getriebe, etc.) • Wärmekapazitäten aller Massen die während der transienten Vorgänge erwärmt oder abge- kühlt werden Während die Wärmeübertragungseigenschaften der Wärmetauscher aus Komponenten- messungen mit einer überschaubaren Parameteranzahl gewonnen werden, finden sich bei der Hauptwärmequelle, dem Motor, eine Vielzahl von Einflussparametern. Die gesonderte Untersuchung von Parametern kann dadurch umgangen werden, dass Wärmeströme unter Randbedingungen ermittelt werden, wie sie später bei den zu betrachtenden transienten Bedingungen auftreten. Aus dieser Sicht ist es sinnvoll, Referenzmessungen im Fahrzeug und nicht am Motorenprüfstand durchzuführen. 2.2 Erforderliche Referenzmessungen am Fahrzeug Das o.g. Fahrzeug wurde zunächst mit den erforderlichen Messstellen für die Massen- bzw. Volumenströme und Temperaturen ausgerüstet und mit einem Doppel-E-Lüftersystem 400 + 200 W ausgestattet, welches im Gegensatz zum Seriensystem mit Visko- und E-Lüfter eine direkte Einflussnahme auf die Kühlluftströmung durch wahlweises Zu- oder Abschalten zulässt. Im Versuchsbetrieb wurde die thermostatische Regelung der Kühlwassertemperatur unterbunden und die in jedem Betriebszustand eingespritzte Kraftstoffmenge gemessen. Die Verifikation der Wärmekapazitäten im Kühlsystem wurde in einem 3-stufigen Verfahren am Rollenprüfstand bei konstanter Umgebungstemperatur und konstantem Umgebungsdruck sowie verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten vorgenommen (vgl. Abb. 2). In Phase 1 erfolgte jeweils eine stationäre Fahrt in der Ebene bis zur Beharrung der Kühlmitteltemperatur. In Phase 2 wurde die Motorlast bei unveränderter Fahrgeschwindigkeit sprunghaft erhöht. Die Rollenkräfte des Prüfstands entsprachen dabei einem Steigungsbetrieb, der 90 % der Motorvolllast bei gegenüber Phase 1 unveränderter Motordrehzahl erfordert. Nachdem sich im Steigungsbetrieb die Kühlmitteltemperatur auf höherem Niveau konstant eingestellt hatte, wurde in Phase 3 die Rollenkraft bei weiterhin gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit wieder sprunghaft auf, Fahrt in der Ebene‘‘ reduziert und die Abkühlung bis zum stationären Zustand ermittelt. Die Motorabwärmen bei den zugehörigen Lastzuständen wurden aus den sich am Ende von Phase 1 (Teillast) und 2 (90% Volllast) einstellenden stationären Zuständen ermittelt. Abbildung 2: Referenzmessungen im Windkanal mit abwechselnder stationärer Fahrt in der Ebene und im Steigungsbetrieb. Der vom Motor abgeführte Wärmestrom findet sich zum überwiegenden Teil im Kühlwasser wieder, da auch die an das Öl abgegebene Wärme über den Öl-Wasser-Wärmetauscher an das Kühlwasser übergeht. Ein Teil der Wärme wird über die Motoroberfläche durch Konvektion und Strahlung direkt an die Umgebung abgeführt. Dieser Anteil müsste dann gesondert betrachtet werden, wenn sich die Randbedingungen durch unterschiedliche Einbausituationen änderten. Dies wäre z. B. der Fall, wenn die in das Kühlmittel abgeführte Wärme aus Motorprüfstandsmessungen genommen würde, da am Prüfstand in der Regel andere Umgebungsbedingungen als im fahrenden Fahrzeug vorliegen. Dies war mit ein Grund für die Ermittlung der Wärmeströme aus den Fahrzeugmessungen. Temperaturdifferenzen und Durchsätze wurden am Wasserkühler gemessen. Um dem Anspruch nach einer hohen Genauigkeit der Temperaturdifferenzmessungen unter dem Hintergrund sehr kleiner Temperaturdifferenzen von wenigen Kelvin gerecht werden zu können, wurden speziell abgestimmte Messketten verwendet. Zusätzlich zu den instationären Messungen am Rollenprüfstand wurden weitere stationäre Wärmeabgaben des Motors ans Kühlwasser in einem größeren für die Fahrzyklen relevanten Geschwindigkeits- und Lastbereich zwischen 60 km/h und vmax ermittelt. Mit Hilfe der Rollenkraft und dem Antriebswirkungsgrad des Fahrzeugs konnte so das in Abb. 3 gezeigte stationäre Wärmeübergangskennfeld des Motors ergänzt werden. Da die Messpunkte eine Streuung aufweisen wurde eine Datenregression vorgenommen. So wird ein ausreichend genauer Zusammenhang zwischen Betriebspunkt und Wärmestrom für beliebige Drehzahl-/Lastpunkte hergestellt. Abbildung 3: Wärmeübergangskennfeld des Motors, ermittelt aus der Fahrzeugmessung mit Präferenz bei niedrigen Teil- und hohen Motorlasten. 2.3 Stationärer Modellabgleich Eine schematische Darstellung des in KULI verwendeten Simulationsmodells zeigt Abb. 4. Im Modell strömt die Kühlluft entlang zweier unabhängiger Luftpfade durch den Kondensator, den Wasserkühler und die beiden Lüfter. Die übrigen Strömungswiderstände (Ziergitter, Motor) wurden durch einen Einbauwiderstand modelliert. Da sich während der instationären Simulation die Fahrgeschwindigkeit in einem sehr großen Bereich (ca. 60 - 250 km/h) ändert, muss ein Modell verwendet werden, das über den gesamten Geschwindigkeitsbereich tauglich ist. Abbildung 4: Simulationsmodell für die Luftseite und die Wärmeübertragung. Der stationäre Abgleich wurde für 4 Betriebspunkte durchgeführt, die durch die Fahrzeug- geschwindigkeit und die Fahrbahnsteigung festgelegt sind (Abb. 5). Dabei wurde jener Einbauwiderstand mit parabelförmiger Kennlinie ermittelt, der für Messung und Simulation das gleiche Temperaturniveau im Kühlmittel ergibt. Abbildung 5: Stationärer Abgleich – Vergleich der Kühlmitteltemperaturen für 4 Betriebspunkte charakterisiert durch Geschwindigkeit und Steigung. Die Widerstandsparabel wurde so angepasst, dass die Summe der Fehlerquadrate der Abweichungen für die 4 betrachteten Betriebspunkte ein Minimum wurde. 2.4 Instationärer Modellabgleich Der Hauptunterschied zwischen den Modellen für die stationäre und instationäre Simulation liegt in der Berücksichtigung der Wärmekapazitäten von Motor und Kühlsystem. Sind die charakteristischen Zeiten, die sich für die Wärmeleitung im Motor und in den System- komponenten sowie für Transportvorgänge (z.B. Umpumpen des Kühlwassers im Kühlkreislauf) ergeben, klein gegenüber der Zeitskala mit der sich das Temperaturniveau des Gesamtsystems ändert, so kann die thermische Trägheit von Motor und Kühlsystem durch sehr wenige, im besten Fall sogar nur durch eine Wärmekapazität modelliert werden. Andernfalls muss ein System aus Wärmekapazitäten und thermischen Widerständen verwendet werden. Um das Ziel, ein möglichst einfaches Modell zur Simulation des instationären thermischen Verhaltens von Motor und Fahrzeug zu erreichen, wurde ein Modell gemäß Abb. 6 gewählt. Es besteht im wesentlichen aus zwei Massen, einer Wärmequelle und dem Wasserkühler. Motor und Kühlsystem sind durch einen einfachen Kreislauf verbunden. Für das Aufwärmverhalten ist die Wärmekapazität der Massen von Bedeutung. Eine Unterteilung in zwei Teilmassen ist erforderlich, da sich jener Teil des Motors rasch erwärmen wird, der direkt mit dem Kühlmittel und dem Öl in Berührung kommt, während ein anderer Teil die Temperaturänderung zeitverzögert mitmacht. Unter den in Abb. 6 mit „Zentrale Masse“ bezeichneten Anteil sind neben dem Kühlmittel selbst die unmittelbar mit ihm erwärmten Motormassen zu verstehen. Die übrigen Massen werden zu den peripheren Massen gezählt. Während die gesamte Wärmekapazität des Motors und des Kühlsystems aus den entsprechenden Massen und den Materialeigenschaften ermittelt werden kann, erfolgt die Aufteilung in die Teilmassen und die Bestimmung der Wärmeübertragung zu den peripheren Massen im Zuge der Modell- abstimmung. Wasserkühler Wasserkühler Periphere Massen Zentrale Masse Wärmequelle k A . Abbildung 6: Schematische Darstellung des verwendeten thermischen Motormodells. In Abb. 7 ist für einen Lastsprung bei konstanter Drehzahl der gemessene und berechnete zeitliche Temperaturverlauf des Kühlwassers dargestellt. Im Modell wurden die Wärme- kapazitäten der beiden Massen und der Wärmeübergangskoeffizient derart angepasst, dass sich für den betrachteten Zeitraum ein Minimum in der Summe der Fehlerquadrate zwischen Messung und Rechnung ergab. Die maximale Abweichung zwischen Messung und Rechnung betrug weniger als 1 K. Der aus der Referenzmessung berechnete Summenwert für die Wärmekapazität der peripheren und zentralen Massen betrug 130 kJ/K und lag damit sehr nahe bei dem aus den Motor- und Komponentendaten berechneten Wert von 129 kJ/K. Die Abstimmung mit nur einer Masse und einem Wärmeübergang erbrachte keine befriedigende Übereinstimmung des simulierten mit dem gemessenen Temperaturverlauf. Abbildung 7: Sprunghafter Temperaturanstieg bei plötzlicher Aufprägung einer Fahrbahn-