Design of Automotive Cooling Systems with GT-COOL and COOL3D

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1 11th GT-SUITE User Design of Automotive Cooling Systems with GT-COOL and COOL3D Gerald Seider, BMW AG, Powertrain Development Frankfurt October 8, 2007

2 Seite 2 Presentation Overview Design Objectives of Automotive Cooling Systems Vehicle Derivatives in the Product Design Process Overall Simulation Approach Drive Performance Module Engine Heat Flux Module Underhood Module (Cool 3D) Simulation Results Conclusion

3 Seite 3 Design Objectives of Automotive Cooling Main Functionality of Vehicle Cooling: cool hot spots in engine structure Impact on thermal stress, fatigue, endurance limit keep engine structure at reasonable operating temperatures minimize friction, impact on distortion of engine structure keep coolant and engine oil below max allowable temperatures boiling of coolant, deterioration of oil, impact on service intervals absorb the heat discharged from the engine, transport and release the heat to the ambience

4 Seite 4 Objectives of Automotive Cooling Secondary Cooling Functions: cool charge air, exhaust gas for EGR cool transmission oil (ATF), electronics, auxilliary devices, Engine Warm Up: warm up the engine as fast as possible distribute heated water to components which would take the most benefit of additional heat during warm up to reduce frictional losses Engine cooling has developed towards sophisticated vehicle thermal management systems

5 Seite 5 Heat Flux Management for a BMW 6-Cyl Engine Heat Release through: Condenser Radiator Engine Exhaust system Transmission Differential Heat Flux: kw 6 72 kw 2 5 Underhood 250 km/h /min ~ 400 kw Exhaust Enthalpy Flux at engine outlet ports 10 Condenser Radiator 190 kw Shaft Power Coolant Circuit Engine Oil Circuit Transmission Oil Circuit electr Waterpump 200 Watt Thermostat 6 internal heat flux mech Oil Pump Bypass- Valve Heat Exchanger 14 7 mech Oil Pump Thermostat Heat Exchanger

6 Seite 6 Product Design Process The design process must handle a great number of derivatives: Design Derivatives for a vehicle platform: 3-series, sedan, coupe, 1-series, Z3, SUV, Engine Derivatives: 4-/6-cylinder, different displacement, turbo charged Transmission Derivatives: manual, automatic, dual clutch, hybrid Market Derivatives: moderate / hot / extreme climate results technically in 200 derivatives or more must be limited to a reasonable number of cost and performance optimized modular cooling systems Design and Analysis must be backed up by a powerful integrated simulation toolset

7 Seite 7 Organization of Cooling System Modules Drive Performance Module Operating Point of Engine Operating Point of Vehicle Controler Engine Heat Flux Underhood Flow Q coolant Q oil Coolant Circuit Engine Oil Circuit Q Heat Ex 1 Q Heat Ex 2 45 C Q ATF Transmission Oil Circuit

8 Seite 8 Data Definition and Drive Performance Data Sheets for Baseline Vehicle Configuration and Derivatives Auslegungsdatenblatt Kühlung (ADB) L7-335iA - N55B29-225kW - 400Nm - 8HP45 - Heißland Stand: Update ADB Getriebedaten EA-301 CAE Wärmemanagement defines Vehicle and Powertrain Stationary Operating Points Relevant Driving Cycles Ladeluft (LL) Getriebeöl (ATF) Motoröl (Möl) Kühlmittel (KM) ) zul Gesamtgewicht / Fahrleistungsgewicht * [kg] cx [-] 0,2770 A [m2] 2,17 cx x A [m2] 0,6010 Anhängelast / SA erhöhte Anhängelast [kg] cx+7% [-] 0,2964 Anhänger cx x A [m2] 3,0000 Stützlast [kg] 75 Vmax im x Gang Auslegungsdatenblatt Kühlung (ADB) [km/h] 280 6Gang EA-301 Vmax im y Gang [km/h] 273 7Gang Nürburgringanforderung (ja/nein) Update ADB Getriebedaten L7-335iA - N55B29-225kW - 400Nm - 8HP45 - Heißland Stand: ja nur Limousine und Coupe CAE Wärmemanagement Vmax im z Gang [km/h] 255 8Gang VL-Beschleunigung * ) [s] 0-100km/h 5,7 0-Vmax 40 ) Hinterachsübersetzung zul Gesamtgewicht / Fahrleistungsgewicht [ - ]* 3,15 [kg] Gang cx I [-] II 0,2770 A III [m2] IV 2,17 cx V x A [m2] VI 0,6010 VII VIII Ladeluftkühlung (direkt/indirekt) Anhängelast / SA erhöhte Anhängelast [ - ] ja [kg] Getrübers 4,699 cx+7% [-] 3,134 0,2964 2,104 1,667 Anhänger 1,285 cx x A [m2] 1,000 3,0000 0,839 0,667 Wandler / GetriebeStützlast NW235TTD_DB1719 [kg] 8HP4575 Räder (Bezeichnung Vmax / Durchmesser im x Gang Kühlung 225/45 R (ADB) 18 W [km/h] 0,3198m 280 6GangThermostat Regeltemperatur (unbestromt) [ C] 97 Leerlaufdrehzahl [ 1/min ] 700 EA-301 Update ADB Getriebedaten KM-Pumpe: Art: el/mech Vmax im - y Leistung Gang L7 - bzw 335iA Übersetzung - N55B29-225kW - 400Nm elektrisch - 8HP45 [km/h] - 400W Heißland 273 7Gang Nürburgringanforderung (ja/nein) Stand: ja nur Limousine und Coupe CAE Wärmemanagement Lüfter: Hersteller / Vmax el Leistung im z Gang / Nenndrehzahl / Geometrie [km/h] 255 8Gang VL-Beschleunigung Hubvolumen * ) Motor [dm3] [s] 2, km/h Wirkungsgrad 5,7 Antriebsstrang 0-Vmax [ - ] 40 0,950 ) Hinterachsübersetzung zul Gesamtgewicht / Fahrleistungsgewicht [ - ]* 3,15 [kg] Gang cx I [-] II 0,2770 A III [m2] IV 2,17 cx V x A [m2] VI 0,6010 VII VIII Ladeluftkühlung (direkt/indirekt) Anhängelast / SA erhöhte Anhängelast [ - ] ja [kg] Getrübers 4,699 cx+7% [-] 3,134 0,2964 2,104 1,667 Anhänger 1,285 cx x A [m2] 1,000 3,0000 0,839 0,667 v35 H 8% Betriebspunkt (stationär) Wandler / GetriebeStützlast [km/h] LL NW235TTD_DB1719 v35 H 8% III [kg] 8HP4575 v60 10% IV v60 10% V v100 H VI v100 H VII v210 VII v210 VIII v250 VI v250 VII v250 VIII IV Räder (Bezeichnung Vmax / Durchmesser im x Gang Kühlung 225/45 R (ADB) 18 W [km/h] 0,3198m 280 6GangThermostat Regeltemperatur (unbestromt) [ C] 97 Leerlaufdrehzahl [ 1/min ] 700 EA-301 Geschwindigkeit [ km/h ] Update 250 ADB 250 Getriebedaten 250 KM-Pumpe: Art: el/mech Vmax im - y Leistung Gang L7 - bzw 335iA Übersetzung - N55B29-225kW - 400Nm elektrisch - 8HP45 [km/h] - 400W Heißland 273 7Gang Nürburgringanforderung (ja/nein) Stand: ja nur Limousine und Coupe CAE Wärmemanagement Steigung bei Bergfahrt [ % ] Lüfter: Hersteller / Vmax el Leistung im z Gang / Nenndrehzahl / Geometrie [km/h] 255 8Gang VL-Beschleunigung Hubvolumen * ) Motor [dm3] [s] 2, km/h Wirkungsgrad 5,7 Antriebsstrang 0-Vmax [ - ] 40 mit/ohne Hänger [kg ] ) 0, Hinterachsübersetzung zul Gesamtgewicht / Fahrleistungsgewicht [ - ]* 3,15 [kg] Gang cx I [-] II 0,2770 A III [m2] IV 2,17 cx V x A [m2] VI 0,6010 VII VIII Gangstufe Automatik / Handschalter [ - ] Ladeluftkühlung (direkt/indirekt) Anhängelast / SA erhöhte Anhängelast [ - ] ja [kg] Getrübers 4,699 cx+7% [-] 3,134 0,2964 2,104 1,667 Anhänger 1,285 cx x A [m2] 1,000 3,0000 0,839 0,667 Motordrehzahl [1/min] v35 H 8% Betriebspunkt (stationär) Wandler / GetriebeStützlast [km/h] LL NW235TTD_DB1719 v35 H 8% III [kg] 8HP4575 v60 10% IV v60 10% V v100 H VI v100 H VII v210 VII v210 VIII v250 VI v250 VII v250 VIII Leistung inkl Nebenaggregate [kw] 0,0 39,5 39,1 44,3 IV 43,8 51,6 51,2 98,8 97,5 167,9 165,6 163,7 Räder (Bezeichnung Vmax / Durchmesser im x Auslegungsdatenblatt Kühlung 225/45 (ADB) R 18 W [km/h] 0,3198m 280 6GangThermostat Regeltemperatur (unbestromt) [ C] 97 Leerlaufdrehzahl [ 1/min ] 700 EA-301 Drehmoment Geschwindigkeit [Nm] 0,0 [ km/h ] 196,0 245, , , , , , , , , , KM-Pumpe: Art: el/mech Vmax im - y Leistung Gang bzw Übersetzung elektrisch [km/h] 400W273 7Gang Nürburgringanforderung (ja/nein) Update ADB Getriebedaten L7-335iA - N55B29-225kW - 400Nm - 8HP45 - Heißland Stand: ja nur Limousine und Coupe CAE Wärmemanagement eff Mitteldruck Steigung bei Bergfahrt [bar] 0,0 [ % ] 8,5 10,6 8 7,0 8 9,0 10 8,2 10 9,7 0 8,9 0 11,1 0 10,7 0 12,6 0 15,7 0 0 Lüfter: Hersteller / Vmax el Leistung im z Gang / Nenndrehzahl / Geometrie [km/h] 255 8Gang VL-Beschleunigung Hubvolumen * ) Motor [dm3] [s] 2, km/h Wirkungsgrad Antriebsstrang 0-Vmax [ - ] 40 0,950 Kupplungsschlupf mit/ohne Hänger [1/min] [kg ] ) Hinterachsübersetzung zul Gesamtgewicht / Fahrleistungsgewicht *[ ] 3,15 [kg] Gang cx [-] I 0 0 0,2770 II 0 0 A [m2] III 0 0 2,17 IV 0 0 cx x A V [m2] 0 0,6010 VI VII VIII Umgebungstemperatur Gangstufe (Heissland Automatik / ECE) / Handschalter lt VR [ C] 48 [ - ] Ladeluftkühlung Anhängelast (direkt/indirekt) / SA erhöhte Anhängelast [ - ] ja[kg] Getrübers cx+7% 4,699 [-] 0,2964 3,134 2,104 Anhänger 1,667 cx x 1,285 A [m2] 3,0000 1,000 0,839 0,667 maxzul KM Temperatur Motordrehzahl - aus lt VR17001 [ C] [1/min] v35 H 8% Betriebspunkt (stationär) Wandler / Getriebe Stützlast [km/h] LL NW235TTD_DB1719 v35 H 8% III [kg] 8HP v60 10% IV v60 10% 110 V 2191 v100 H VI v100 H VII v210 VII v210 VIII v250 VI 4318 v250 VII v250 VIII KM Volumenstrom Leistung für Kühler inkl Nebenaggregate [l/h] [kw] 80000, , , ,3 IV Räder (Bezeichnung Vmax im / Durchmesser x 225/45 R 18 [km/h] W 0,3198m ,8 6Gang ,6 Thermostat ,2 Regeltemperatur ,8 (unbestromt) , ,9 [ C] , ,7 Leerlaufdrehzahl [ 1/min ] 700 maximal zulässiger Drehmoment Geschwindigkeit Druckverlust für KM-Kühler [kpa] [Nm] --- 0,0 [ km/h ] , , , , , , , , , , , KM-Pumpe: Art: Vmax el/mech im y Gang - Leistung bzw Übersetzung elektrisch [km/h] 400W 273 7Gang Nürburgringanforderung (ja/nein) ja nur Limousine und Coupe Motorwärmeeintrag eff in Mitteldruck Steigung bei Bergfahrt das Kühlmittel [kw] [bar] 26,9 0,0 [ % ] 25,2 8,5 30,710,6 8 28,5 7,0 8 33,4 9, ,0 8, ,3 9,7 0 46,5 8,9 0 70,911,1 0 67,210,7 0 64,012,6 0 15,7 0 0 Lüfter: Hersteller Vmax / el im Leistung z Gang / Nenndrehzahl / Geometrie [km/h] 255 8Gang VL-Beschleunigung Hubvolumen * ) Motor [s] [dm3] 0-100km/h 2,9 Wirkungsgrad 5,7 0-Vmax Antriebsstrang 40 [ - ] 0,950 berechneter KM Volumenstrom Kupplungsschlupf mit/ohne Hänger über Hauptkühler [l/h] [1/min] [kg ] Hinterachsübersetzung [ - ] 3,15 Gang I II III IV V VI VII VIII berechneter KM Druckverlust Umgebungstemperatur Gangstufe über Hauptkühler (Heissland Automatik / ECE) / Handschalter [kpa] lt VR [ C] 48 [ - ] Ladeluftkühlung (direkt/indirekt) [ - ] ja Getrübers 4,699 3,134 2,104 1,667 1,285 1,000 0,839 0,667 berechneter Luftmassenstrom maxzul KM über Temperatur Motordrehzahl Hauptkühler - aus lt [kg/s] VR17001 [ C] [1/min] v35 H 8% Betriebspunkt Wandler (stationär) / Getriebe [km/h] NW235TTD_DB1719 LL v35 H 8% III 8HP45 v60 10% IV v60 10% V v100 H VI v100 H VII v210 VII v210 VIII v250 VI v250 VII v250 VIII berechneter Druckverlust KM Volumenstrom Leistung Luftseite über für Hauptkühler Kühler inkl Nebenaggregate [Pa] [l/h] [kw] 80000, , , ,3 IV , , , , , , ,6 163,7 Räder (Bezeichnung / 225/45 R 18 W 0,3198m Thermostat Regeltemperatur (unbestromt) [ C] 97 Leerlaufdrehzahl [ 1/min ] 700 berechnete abgeführte maximal Wärme zulässiger Drehmoment Geschwindigkeit über Hauptkühler Druckverlust für KM-Kühler [kw] [kpa] [Nm] --- 0,0 [ km/h ] , , , , , , , , , , , KM-Pumpe: Art: el/mech - Leistung bzw Übersetzung elektrisch 400W berechnete KM Temperatur Motorwärmeeintrag eff - aus in Mitteldruck Steigung bei Bergfahrt das Kühlmittel [ C] [kw] [bar] 26,9 0,0 [ % ] 25,2 8,5 30,710,6 8 28,5 7,0 8 33,4 9, ,0 8, ,3 9,7 0 46,5 8,9 0 70,911,1 0 67,210,7 0 64,012,6 0 15,7 0 0 Lüfter: Hersteller / el Leistung / Nenndrehzahl / Geometrie Hubvolumen Motor [dm3] 2,9 Wirkungsgrad Antriebsstrang [ - ] 0,950 max zulässige MÖl berechneter Temperatur KM - Ölwanne Volumenstrom Kupplungsschlupf mit/ohne Hänger über Hauptkühler [ C] [l/h] [1/min] [kg ] Motorwärmeeintrag berechneter in den Ölkreislauf KM Druckverlust Umgebungstemperatur Gangstufe über Hauptkühler (Heissland Automatik / ECE) / Handschalter [kw] [kpa] lt VR [ C] 48 [ - ] ,0 0,0 0,2 0,0 0,7 0,0 8,9 4,8 19,2 14,4 10,0 MÖl Volumenstrom berechneter Luftmassenstrom maxzul KM über Temperatur Motordrehzahl Hauptkühler - aus lt [l/min] [kg/s] VR17001 [ C] [1/min] v H 8% Betriebspunkt (stationär) [km/h] LL v35 H 8% III 115 v % IV 115 v % V 110 v H VI 119 v H VII 119 v VII 119 v VIII 119 v VI v VII v250 VIII maximal zulässiger berechneter Druckverlust Druckverlust KM Volumenstrom Leistung für MÖl-Kühler Luftseite über für [kpa] Hauptkühler Kühler inkl Nebenaggregate [Pa] [l/h] [kw] 80000, , , ,3 IV , , , , , , ,6 163, berechneter MÖl Volumenstrom berechnete abgeführte maximal über Kühler Wärme zulässiger Drehmoment Geschwindigkeit über Hauptkühler Druckverlust für KM-Kühler [l/min] [kw] [kpa] [Nm] [ --- 0,0 km/h ] , , , , , , , , , , , berechneter MÖl Druckverlust berechnete KM über Temperatur Motorwärmeeintrag eff Kühler - aus in Mitteldruck Steigung bei Bergfahrt das Kühlmittel [kpa] [ C] [kw] [bar] 26,9 0,0 [ % ] 25,2 8,5 30,710,6 8 28,5 7,0 8 33,4 9, ,0 8, ,3 9,7 0 46,5 8,9 0 70,911,1 0 67,210,7 0 64,012,6 0 15,7 0 0 berechneter Massenstrom max zulässige 2 Medium MÖl berechneter (Luft Temperatur KM o KM) - Ölwanne Volumenstrom Kupplungsschlupf mit/ohne Hänger über Hauptkühler [kg/s] [ C] [l/h] [1/min] [kg ] berechneter Druckverlust Motorwärmeeintrag berechneter 2 Medium (Luft in den o KM) Ölkreislauf KM Druckverlust Umgebungstemperatur Gangstufe über Hauptkühler (Heissland Automatik / ECE) Handschalter [Pa] [kw] [kpa] lt VR [ C] 48[ - ] ,0 0,0 0,2 0,0 0,7 0,0 8,9 4,8 19,2 14,4 10,0 berechnete abgeführte MÖl Volumenstrom berechneter Luftmassenstrom maxzul KM über Temperatur Motordrehzahl Hauptkühler - Motor aus lt Wärme über MÖl-Kühler [kw] [l/min] [kg/s] VR17001 [ C] [1/min] berechnete MÖl Temperatur maximal zulässiger berechneter - Ölwanne Druckverlust Druckverlust KM Volumenstrom Leistung für MÖl-Kühler Luftseite über für [ C] [kpa] Hauptkühler Kühler inkl Nebenaggregate [Pa] [l/h] [kw] , , , , , , , , ,5 167, , , berechneter MÖl Volumenstrom berechnete abgeführte maximal über Kühler Wärme zulässiger Drehmoment über Hauptkühler Druckverlust für KM-Kühler [l/min] [kw] [kpa] [Nm] 0, , , , , , , , , , , ,1 max zulässige ATF berechneter Temperatur MÖl - Ölwanne Druckverlust berechnete KM über Temperatur Motorwärmeeintrag eff Mitteldruck Kühler - aus in das Kühlmittel [ C] [kpa] [ C] [kw] [bar] 26,9 0,0 25,2 8,5 30,7 10,6 28,5 7,0 33,4 9,0 31,0 8,2 54,3 9,7 46,5 8,9 11,1 70,9 10,7 67,2 12,6 64,0 15, Wirkungsgrad (Automatik-)Getriebe berechneter Massenstrom max zulässige 2 Medium MÖl berechneter (Luft Temperatur KM Kupplungsschlupf [%] o KM) - Ölwanne Volumenstrom über Hauptkühler #ZAHL![kg/s] [ C] [l/h] [1/min] ,3 98,4 98,0 98,4 99,2 98,8 98,4 98,1 98,4 98,6 98,3 Getriebeverlustleistung berechneter Druckverlust Motorwärmeeintrag berechneter 2 Medium (Luft in den [kw] o KM) Ölkreislauf KM Umgebungstemperatur Druckverlust über Hauptkühler (Heissland / ECE) lt [Pa] [kw] [kpa] VR [ C] ,0 0,0 0,2 0,0 0,7 0,0 8,9 4,8 19,2 14,4 10,0 0,6 0,6 0,8 0,7 0,4 0,6 1,5 1,8 2,6 2,3 2,7 Verlustleistung Ölpumpe berechnete abgeführte MÖl Volumenstrom berechneter Luftmassenstrom maxzul KM Temperatur über Hauptkühler - Motor aus lt VR17001 Wärme über MÖl-Kühler [kw] [kw] [l/min] [kg/s] [ C] ,4 0,3 0,7 0,5 0,7 0,5 2,1 1,5 4,0 2,9 1,9 Wärmeeintrag in das berechnete ATF (gesamt) MÖl Temperatur maximal zulässiger berechneter - Ölwanne Druckverlust Druckverlust KM Volumenstrom für MÖl-Kühler Luftseite für über Kühler [kw] 1,6 [ C] [kpa] Hauptkühler [Pa] [l/h] ,1 0,9 1,5 1,1 1,1 1,1 3,7 3,3 6,6 5,1 4,6 berechneter MÖl Volumenstrom berechnete abgeführte maximal zulässiger über Kühler Wärme über Druckverlust Hauptkühler für KM-Kühler [l/min] [kw] [kpa] ATF Volumenstrom [l/min] maximal zulässiger max Druckverlust zulässige für ATF berechneter ATF-Kühler Temperatur MÖl - Ölwanne Druckverlust berechnete KM Motorwärmeeintrag über Temperatur Kühler - Motor in aus das Kühlmittel [Pa] [ C] [kpa] [ C] [kw] 26,9 25,2 30,7 28,5 33,4 31,0 54,3 46,5 70,9 67,2 64, berechneter ATF Volumenstrom Wirkungsgrad (Automatik-)Getriebe berechneter Massenstrom max zulässige berechneter 2 Medium MÖl (Luft Temperatur KM Volumenstrom über Kühler [l/min] [%] o KM) - Ölwanne über Hauptkühler #ZAHL![kg/s] [ C] [l/h] ,3 98,4 98,0 98,4 99,2 98,8 98,4 98,1 98,4 98,6 98,3 berechneter ATF Druckverlust Getriebeverlustleistung berechneter Druckverlust Motorwärmeeintrag berechneter 2 Medium (Luft in den KM über Kühler [kpa] [kw] o KM) Ölkreislauf Druckverlust über Hauptkühler [Pa] [kw] [kpa] 0,0 0,0 0,2 0,0 0,7 0,0 8,9 4,8 19,2 14,4 10,0 0,6 0,6 0,8 0,7 0,4 0,6 1,5 1,8 2,6 2,3 2,7 berechneter Massenstrom Verlustleistung 2 Medium Ölpumpe berechnete abgeführte MÖl Volumenstrom berechneter Luftmassenstrom über Hauptkühler Wärme über MÖl-Kühler (Luft o KM) [kg/s] [kw] [kw] [l/min] [kg/s] ,4 0,3 0,7 0,5 0,7 0,5 2,1 1,5 4,0 2,9 1,9 berechneter Druckverlust Wärmeeintrag 2 Medium in das berechnete (Luft ATF o (gesamt) MÖl Temperatur maximal zulässiger berechneter - Ölwanne Druckverlust Druckverlust für MÖl-Kühler Luftseite über Hauptkühler KM) [Pa] [kw] 1,6 [ C] [kpa] [Pa] ,1 0,9 1,5 1,1 1,1 1,1 3,7 3,3 6,6 5,1 4,6 berechneter MÖl berechnete Volumenstrom abgeführte über Wärme Kühler über Hauptkühler [l/min] [kw] berechnete abgeführte ATF Volumenstrom Wärme über ATF-Kühler [kw] [l/min] berechnete ATF Temperatur maximal zulässiger max - Ölwanne Druckverlust zulässige für ATF berechneter ATF-Kühler Temperatur MÖl berechnete - Ölwanne Druckverlust KM Temperatur über Kühler - Motor aus [ C] [Pa] [ C] [kpa] [ C] Wärmeeintrag aus berechneter Klimakreislauf ATF Volumenstrom Wirkungsgrad (Automatik-)Getriebe berechneter Massenstrom max zulässige 2 MÖl Medium Temperatur (Luft über Kühler [kw] 5,8 [l/min] [%] o KM) - Ölwanne #ZAHL![kg/s] [ C] ,3 98,4 98,0 98,4 99,2 98,8 98,4 98,1 98,4 98,6 98,3 6,0 6,0 6,0 6,0 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 Betriebsdruck vor berechneter Kondensator ATF Druckverlust Getriebeverlustleistung berechneter Druckverlust Motorwärmeeintrag 2 Medium in den (Luft Ölkreislauf über Kühler [kg/s] [kpa] [kw] o KM) [Pa] [kw] 0,0 0,0 0,2 0,0 0,7 0,0 8,9 4,8 19,2 14,4 10,0 0,6 0,6 0,8 0,7 0,4 0,6 1,5 1,8 2,6 2,3 2,7 Unterkühlung berechneter Massenstrom Verlustleistung 2 Medium Ölpumpe berechnete abgeführte MÖl Volumenstrom Wärme über MÖl-Kühler (Luft [Pa] o KM) [kg/s] [kw] [kw] [l/min] ,4 0,3 0,7 0,5 0,7 0,5 2,1 1,5 4,0 2,9 1,9 max zul LL Temperatur berechneter im Sammler Druckverlust Wärmeeintrag 2 Medium in das berechnete (Luft ATF [ C] o (gesamt) MÖl maximal Temperatur zulässiger - Ölwanne Druckverlust für MÖl-Kühler KM) [Pa] [kw] 1,6 [ C] [kpa] ,1 0,9 1,5 1,1 1,1 1,1 3,7 3,3 6,6 5,1 4,6 berechneter MÖl 50Volumenstrom über Kühler 50 [l/min] LL Temperatur vor berechnete Lader abgeführte ATF Volumenstrom Wärme über ATF-Kühler [ C] [kw] [l/min] LL Temperatur nach berechnete Lader ATF Temperatur maximal zulässiger max - Ölwanne Druckverlust zulässige berechneter für ATF ATF-Kühler Temperatur MÖl Druckverlust - Ölwanne über Kühler [ C] [ C] [Pa] [ C] [kpa] LL Massenstrom Wärmeeintrag aus berechneter Klimakreislauf ATF Volumenstrom Wirkungsgrad berechneter (Automatik-)Getriebe Massenstrom 2 Medium (Luft o über Kühler [kg/h] [kw] 151 5,8 [l/min] [%] KM) #ZAHL! [kg/s] 98,3 98,4 98,0 98,4 99,2 98,8 98,4 98,1 98,4 98,6 98, , , , , , , , , , ,5 7,5 abzuführende Wärme Betriebsdruck über Ladeluftkühler vor berechneter Kondensator ATF Druckverlust Getriebeverlustleistung berechneter Druckverlust 2 Medium (Luft o über Kühler (LLK) [kw] [kg/s] [kpa] [kw] KM) [Pa] 0,6 0,6 0,8 0,7 0,4 0,6 1,5 1,8 2,6 2,3 2,7 1,6 1,0 0,8 0,9 1,1 1,2 2,7 3,0 10,4 10,4 10,3 max zul Druckverlust Unterkühlung berechneter Massenstrom Verlustleistung berechnete 2 Medium Ölpumpe abgeführte Wärme über MÖl-Kühler (Luft der LL über LLK inkl Kästen [Pa] [Pa] o KM) [kg/s] [kw] [kw] 0,4 0,3 0,7 0,5 0,7 0,5 2,1 1,5 4,0 2,9 1, P absolut nach Verdichter max zul LL Temperatur berechneter im Sammler Druckverlust Wärmeeintrag berechnete 2 Medium in das (Luft ATF MÖl [bar] [ C] o (gesamt) Temperatur - Ölwanne KM) [Pa] [kw] 1,6 [ C] 1,1 0,9 1,5 1,1 1,1 1,1 3,7 3,3 6,6 5,1 4,6 1,029 1, , , , , , , , , , berechneter Massenstrom LL Temperatur 2 Medium vor berechnete Lader abgeführte ATF Volumenstrom Wärme über ATF-Kühler (Luft o KM) [kg/s] [ C] [kw] [l/min] berechneter Druckverlust LL Temperatur 2 Medium nach berechnete (Luft Lader ATF Temperatur maximal zulässiger max zulässige - Ölwanne Druckverlust ATF für Temperatur ATF-Kühler - Ölwanne o KM) [Pa] [ C] [ C] [Pa] [ C] berechnete abgeführte LL Massenstrom Wärmeeintrag aus berechneter Klimakreislauf ATF Wirkungsgrad Volumenstrom (Automatik-)Getriebe über Kühler Wärme über LLK [kw] [kg/h] [kw] 151 5,8 [l/min] [%] #ZAHL! 98,3 98,4 98,0 98,4 99,2 98,8 98,4 98,1 98,4 98,6 98, , , , , , , , , , ,5 7,5 abzuführende Wärme Betriebsdruck über Ladeluftkühler vor berechneter Kondensator ATF Getriebeverlustleistung Druckverlust über Kühler (LLK) [kw] [kg/s] [kpa] [kw] 0,6 0,6 0,8 0,7 0,4 0,6 1,5 1,8 2,6 2,3 2,7 1,6 1,0 0,8 0,9 1,1 1,2 2,7 3,0 10,4 10,4 10,3 max zul Druckverlust Unterkühlung berechneter Massenstrom Verlustleistung 2 Ölpumpe Medium (Luft der LL über LLK inkl Kästen [Pa] [Pa] o KM) [kg/s] [kw] 0,4 0,3 0,7 0,5 0,7 0,5 2,1 1,5 4,0 2,9 1, P absolut nach Verdichter max zul LL Temperatur berechneter im Sammler Druckverlust Wärmeeintrag 2 Medium in das ATF (Luft (gesamt) [bar] [ C] o KM) [Pa] [kw] 1,6 1,1 0,9 1,5 1,1 1,1 1,1 3,7 3,3 6,6 5,1 4,6 1,029 1, , , , , , , , , , berechneter Massenstrom LL Temperatur 2 Medium vor berechnete Lader abgeführte ATF Volumenstrom Wärme über ATF-Kühler (Luft o KM) [kg/s] [ C] [kw] [l/min] berechneter Druckverlust LL Temperatur 2 Medium nach berechnete (Luft Lader ATF maximal Temperatur zulässiger - Ölwanne Druckverlust für ATF-Kühler o KM) [Pa] [ C] [ C] [Pa] berechnete abgeführte LL Massenstrom Wärmeeintrag berechneter aus Klimakreislauf ATF Volumenstrom über Kühler Wärme über LLK [kw] [kg/h] [kw] 151 5,8 [l/min] 143 6, , , , , , , , , ,5 7,5 abzuführende Wärme Betriebsdruck berechneter über Ladeluftkühler vor Kondensator ATF Druckverlust über Kühler (LLK) [kw] [kg/s] [kpa] 1,6 1,0 0,8 0,9 1,1 1,2 2,7 3,0 10,4 10,4 10,3 max zul Druckverlust Unterkühlung berechneter Massenstrom 2 Medium (Luft o der LL über LLK inkl Kästen [Pa] [Pa] KM) [kg/s] P absolut nach Verdichter max zul LL Temperatur berechneter im Druckverlust Sammler 2 Medium (Luft o [bar] [ C] KM) [Pa] 1,029 1, , , , , , , , , , LL Temperatur berechnete vor Lader abgeführte Wärme über ATF-Kühler [ C] [kw] Ladeluft (LL) Getriebeöl (ATF) Motoröl (Möl) Kühlmittel (KM) Ladeluft (LL) Getriebeöl (ATF) Motoröl (Möl) Kühlmittel (KM) Ladeluft (LL) Getriebeöl (ATF) Motoröl (Möl) Kühlmittel (KM) Ladeluft (LL) Getriebeöl (ATF) Motoröl (Möl) Kühlmittel (KM) berechneter Massenstrom 2 Medium (Luft o KM) [kg/s] - Ölwanne [ C] berechneter Druckverlust LL Temperatur berechnete 2 nach Lader ATF Temperatur [ C] Medium (Luft o KM) [Pa] Massenstrom Wärmeeintrag aus Klimakreislauf [kw] 151 5, , , , , , , , , , ,5 7,5 über LLK [kw] berechnete abgeführte LL Wärme [kg/h] abzuführende Betriebsdruck Wärme über Ladeluftkühler vor Kondensator (LLK) [kg/s] [kw] 1,6 1,0 0,8 0,9 1,1 1,2 2,7 3,0 10,4 10,4 10,3 max zul Druckverlust Unterkühlung der LL über LLK inkl Kästen [Pa] [Pa] P absolut nach max Verdichter zul LL Temperatur im Sammler [bar] 1,029 1, , , , , , , , , , [ C] 60 berechneter Massenstrom LL Temperatur [kg/s] vor Medium Lader (Luft o KM) [ C] 51 [Pa] berechneter Druckverlust LL Temperatur 2 Medium nach Lader (Luft o KM) [ C] [kw] berechnete abgeführte LL Massenstrom Wärme über LLK [kg/h] abzuführende Wärme über Ladeluftkühler (LLK) [kw] 1,6 1,0 0,8 0,9 1,1 1,2 2,7 3,0 10,4 10,4 10,3 max zul Druckverlust der LL über LLK inkl Kästen [Pa] P absolut nach Verdichter [bar] 1,029 1,129 1,047 1,047 1,070 1,118 1,105 1,165 1,345 1,345 1,488 berechneter Massenstrom 2 Medium (Luft o KM) [kg/s] berechneter Druckverlust 2 Medium (Luft o KM) [Pa] berechnete abgeführte Wärme über LLK [kw] GT-Drive Modell calculates operation point of engine controls GT-Cool model / calculation

9 Seite 9 Organization of Cooling System Modules Drive Performance Module Operating Point of Engine Operating Point of Vehicle Controler Engine Heat Flux Underhood Flow Q coolant Q oil Coolant Circuit Engine Oil Circuit Q Heat Ex 1 Q Heat Ex 2 45 C Q ATF Transmission Oil Circuit

10 Seite 10 Engine Heat-Flux Measurements

11 11th GT User Seite 11 Engine Heat-Flux Measurements Conditioning of temperature levels: 130 C 100 C Coolant Engine Oil 100 kw 15 kw pm, eff [bar] 12 Heat Release Maps <<< Engine Oil Coolant >>> for at least four different temperature levels pm, eff [bar] n [1000 U/min] n [1000 U/min] 5 6

12 Engine Heat-Flux Map Generation Multi Dimensional Table Lookup T_Oil 11th GT User Seite C /130 C 115/130 C C /105 C 115/105 C /25 C 95 C Start of Simulation (cold) 115 C T_Coolant

13 Engine Heat-Flux Map Generation Multi Dimensional Table Lookup T_Oil 11th GT User Seite 13 End of Simulation (converged) C /130 C 95/130 C 108/125 C C /105 C 115/105 C /25 C 95 C 115 C T_Coolant

14 th GT User Seite 14 Organization of Cooling System Modules Drive Performance Module Operating Point of Engine Operating Point of Vehicle Controler Engine Heat Flux Underhood Flow Q coolant Coolant Circuit Q Heat Ex 1 Q oil Engine Oil Circuit Q Heat Ex 2 45 C Q ATF Transmission Oil Circuit

15 Seite 15 Full CFD Underhood Simulation Air Velocities at Vehicle Speed of 0 kph Full CFD Analysis: predicts volume flow rate through heat exchangers and heat transfer accounts for inhomogenous flow phenomena Condenser Charge Air Cooler Radiator high temp section Radiator low temp section

16 11th GT User Seite 16 Cool 3D Approach for Underhood Simulation Full CFD Analysis: predicts volume flow rate through heat exchangers and heat transfer accounts for inhomogenous flow phenomena Cool 3D Approach with BMW Configuration

17 Seite 17 Simplified CFD Underhood Simulation with Cool 3D Condenser Radiator (high) shroud Engine compartment Air Inlet (total pressure) engine fan hub fan Air Intake Mask Charge Air Cooler Radiator (low) Air Outlet (static pressure)

18 Seite 18 CFD Results for Cool 3d Underhood Configuration velocity vector overlay from full CFD calculation

19 Seite 19 CFD Results for Cool 3d Underhood Configuration engine at idle; cooling fan rotating; vehicle speed 0 kph detailed fan and shroud geometry: velocity vectors total pressure m/s fan disk with momentum source: momentum source Cool 3D m/s

20 Seite 20 Boundary conditions for Cool 3D Air Intake Design Pressure in underfloor flow Cooling Module Design Fan Momentum Source

21 Seite 21 Comparison of Full CFD vs Cool 3D Simulation Cool 3D Underhood Simulation

22 th GT User Seite 22 Fully Coupled System Simulation with GT- Suite Drive Performance Module Operating Point of Engine Operating Point of Vehicle GT Drive Controler Engine Heat Flux Underhood Flow Q coolant Coolant Circuit GT Cool Q Heat Ex 1 Cool 3D Q oil Engine Oil Circuit Q Heat Ex 2 45 C Q ATF Transmission Oil Circuit

23 11th GT User Seite 23 Prediction of Coolant Temperature for Highly Dynamic Driving Cycles Calculated Coolant Temperature Measured Coolant Temperature C Nürburgring kph Recorded Test Data: lap Vehicle Speed Engine Rotational Speed Torque Gear Ambient Temperature Vehicle Speed Zeit [s]

24 Seite 24 Conclusion Engine cooling has developed towards sophisticated vehicle thermal management systems Large number of vehicle/drivetrain combinations created need for a modular, cost and performance effective cooling system design Design and Analysis must be backed up by a powerful integrated simulation toolset GT Suite has been successfully used with the following features: coupling of all fluid circuits (GT Cool) integrated drive performance module (GT Drive) direct coupling with the new underhood module (Cool 3D) integration of multidimensional engine heat release maps

25 Seite 25