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1 magazine Nr. 9, I-2011 Schwerpunkt-Thema: Thermodynamik Von der Grundlagenforschung über die Simulation bis zur Vorentwicklung CFD Testing & Simulation Thermal Management Powertrain

2 Inhalt Nr.9, 1. Quartal Optimierung auf Schiene OpenFOAM am ViF Durchströmung im Motorraum Sandungsanlagen unterstützen Schienenfahrzeuge beim Beschleunigungs- und Abbremsvorgang. Die virtuelle Optimierung solcher Anlagen hilft, die ökologischen und ökonomischen Verbesserungen durchzuführen Bei der numerischen Behandlung strömungsmechanischer Fragestellungen spielt die Software eine entscheidende Rolle - sie soll größte Ergebnisqualität und modernste Lösungsverfahren anbieten und sich dabei präzise an die konkrete Aufgabenstellung anpassen. Die Um- und Durchströmung eines Fahrzeuges hat großen Einfluss auf das gesamte Fahrzeugverhalten. Simulationen des thermischen Managements helfen, Zeit und Kosten in der Fahrzeugentwicklung zu sparen. 15 E-Mobile Klima/Heizung Hybrid- und Elektrofahrzeuge stellen die PKW- Klimatisierung vor neue Aufgaben. Durch die teilweise oder ganz wegfallende Abwärme des Verbrennungsmotors wird nach neuen energieeffizienten Methoden zur Innenraumbeheizung gesucht. Vertrauen in Simulation stärken Die Simulation ist heute ein wichtiges Werkzeug zur Auslegung komplexer Systeme. Doch sind Sie sich auch sicher, dass Sie das Verhalten Ihres Systems verstehen und den Ergebnissen der Simulation vertrauen können? EVARE E-Thermomanagement Die fortschreitende Elektrifizierung der Stellglieder in modernen Fahrzeugen bietet neue Herausforderungen an die Gesamtfahrzeug- Simulation. Das Forschungsprojekt EVARE zeigt neue Wege auf Antriebsstrang der Zukunft Weniger Verbrauch und weniger Emissionen die Gesamtsystemoptimierung macht es durch die Kombination von innovativen Brennverfahren, moderner Abgasnachbehandlung und Hybridisierung möglich. Ein Projekt im Portrait. Im Interview: OMV Gemeinsam mit dem Forschungspartner OMV beleuchtet ein aktuelles Projekt des VIRTUAL VEHICLE das Spannungsfeld Fahrzeug - Motor - Kraftstoff. NFZ: Die Emissions-Uhr tickt Verschärfte Abgasgrenzwerte bringen die Nutzfahrzeughersteller unter Zugzwang. Das VIRTUAL VEHICLE entwickelt mit MAN und AVL neue technische Ansätze, um zukünftige Normen erfüllen zu können. Illustration Umschlagseite: ViF; Abbildung der Sonne: TRACE Project, Stanford- Lockheed Institute for Space Research/NASA/Michael Benson, Kinetikon Pictures 2 magazine

3 Die Thermodynamik auf dem Prüfstand Die Simulation von thermodynamischen Prozessen ermöglicht reduzierten Energieverbrauch, niedrige Emissionen sowie Kosteneffizienz in der Fahrzeugentwicklung. Eine besondere Herausforderung bildet dabei die Kopplung von unterschiedlichen Modellen zu einem Gesamtsystem - gerade bei Fahrzeugen mit Elektro-und Hybrid-Antrieb ist dies von höchster Relevanz. Dr. Jost Bernasch, Geschäftsführer DI Michael Glensvig, Bereichsleiter Area Thermodynamics Simulationen des thermodynamischen Managements helfen, die umfangreichen Anforderungen an Reduktion von Verbrauch und Emissionen in der Fahrzeugentwicklung effizient zu bewältigen. Die virtuelle Abbildung von thermodynamischen Prozessen steht im Fokus der Area Thermodynamics des VIRTUAL VE- HICLE, der sich diese Ausgabe des VVM im speziellen widmet. Kopplung von Modellen Im Mittelpunkt der Gesamtsystementwicklung steht die Abbildung des Zusammenwirkens von verschiedenen Teilbereichen im Fahrzeug ebenso wie die Validierung der theoretischen Ergebnisse mit experimentellen Daten. Die größte Herausforderung liegt in der Beschreibung des Gesamtfahrzeugverhaltens: In der Realität agiert kein Subsystem im Fahrzeug unabhängig vom anderen. Einerseits muss die präzise Teilmodellierung eines Subsystems gewährleistet sein; anderseits muss auch die Interaktion zwischen den einzelnen Teilmodellen in die Simulation mit eingebunden werden. Besonders auf diese Kopplung von unterschiedlichen Modellen kommt es an, um exakte Ergebnisse erhalten zu können. Aus Validierungssicht ist daher die Durchführung von Experimenten am Gesamtfahrzeug von großer Bedeutung, um einen Abgleich mit der Simulation zu ermöglichen. Impressum: Für zukünftige Mobilitätskonzepte mit erhöhter Elektrifizierung verschiebt sich der thermodynamische Schwerpunkt vom Verbrennungsmotor auf die thermische Konditionierung von Batterie, Elektromotor, Leistungselektronik und besonders auf den Kabineninnenraum (Heizung, Klima). Das sind die Eckpunkte in der thermischen Gesamtsystemauslegung und -regelung für zukünftige Kundenanforderungen in punkto Reichweite, Komfort und Preis. Beispielsweise stellt die fehlende Abwärme des Verbrennungsmotors die PKW-Klimatisierung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen vor ganz neue Herausforderungen. Auch die Um- und Durchströmung des Motorraumes mit einer nachgelagerten Verbesserung der Aerodynamik der Fahrzeuge hilft, das Kühlsystem zu optimieren. Ein Senken der Entwicklungskosten beginnt allerdings schon früher, wie die am VIRTUAL VE- HICLE durchgeführten Vertrauensanalysen bei Modellen für Strömung und Wärmestrahlung eindrucksvoll zeigen. Ebenso werden in dieser VVM-Ausgabe Ansätze aufgezeigt, welche Potenziale die Kombination von innovativen Brennverfahren, moderner Abgasbehandlung und milder Hybridisierung stecken. IVT: Ein starker Partner Der kürzlich geschlossene Kooperationsvertrag mit dem renommierten Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) der TU Graz sichert Forschung in Millionenhöhe. Zielsetzung der intensivierten Zusammenarbeit ist der Ausbau der gemeinsamen Forschungsaktivitäten und Projekte im Rahmen des K2-Mobility-Programms und darüber hinaus. Erst vor kurzem wurde ein umfangreiches Projekt für eine durchgängige Methodik zur Simulation und Messung des Diesel-Hybrid-Potenzials erfolgreich abgeschlossen. Mithilfe dieses Verfahrens können die Verbrauchspotenziale einer Hybridisierung mittels Simulation optimiert und anschließend die Auswirkungen auf die eingesetzte Verbrennungskraftmaschine am Motorenprüfstand ermittelt werden. Die Themen Verbrauch, Emission und Energiemanagement stehen vor neuen, großen Herausforderungen - der Forschungsbereich Thermodynamik wird auf lange Sicht ein elementarer Baustein in der Fahrzeugentwicklung bleiben. Dr. Jost Bernasch Geschäftsführer, VIRTUAL VEHICLE DI Michael Glensvig Leiter Area Thermodynamics VIRTUAL VEHICLE Medieninhaber, Herausgeber, Verleger: Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbh (ViF) A-8010 Graz, Inffeldgasse 21/A Tel.: +43 (0) Fax: ext Web: Redaktion: Dr. Anton Fuchs Gestaltung: Wolfgang Wachmann Fotos: ViF, Industriepartner, TU Graz FB: LG f. ZRS Graz, FN: Y UID: ATU COMET K2 Forschungsförderungsprogramm - Gefördert durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT), das Österreichische Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG), das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG). magazine

4 Dank Optimierung effizient auf der Schiene unterwegs Sandungsanlagen unterstützen Eisenbahnen beim Beschleunigungsund Abbremsvorgang. Die virtuelle Optimierung solcher Anlagen hilft, die ökologischen und ökonomischen Verbesserungen durchzuführen. Die Zusammenarbeit mit dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der Technischen Universität Graz, Knorr-Bremse GmbH und Wiener Linien ermöglichte eine durch experimentelle Daten verifizierte Beschreibung einer Sandungsanlage. DI Sebastian Möller, Dr. Daniel Langmayr Verschmutzte, nasse oder vereiste Schienen stellen Schienenfahrzeuge verschiedenster Art beim Beschleunigen oder Verzögern vor spezielle Herausforderungen. Bei solchen Bedingungen wird der Reibwert zwischen Rad und Schiene, aber auch zwischen Magnetschienenbremse und Schiene, herabgesetzt, so dass Brems- oder Beschleunigungskräfte nur ungenügend übertragen werden können. Seit langer Zeit werden deshalb Sandungsanlagen eingesetzt, um Sand auf die Schiene aufzubringen und damit die Reibverhältnisse zu verbessern. Unter einer Sandungsanlage versteht man eine in Schienenfahrzeugen verwendete Einrichtung, bei der mit Hilfe von Druckluft Sand aus einem Sandkasten gefördert und über Rohre oder Schläuche in den Kontaktbereich zwischen Rad und Schiene eingebracht wird. Abb.1: Simulation verschiedener Geometrien des Endstückes des Sanungsrohrs Dort wird der Sand zermahlen und steigert somit den Reibwert. Ökonomische und ökologische Kriterien Für die Betreibergesellschaften sind neben der technischen Betriebssicherheit auch ökonomische Kriterien wie geringer Sandverbrauch bei höchster Effizienz maßgeblich, denn der Sand muss in Vorratsbehältern mitgeführt und regelmäßig nachgefüllt werden, was zusätzliche Kosten verursacht. Auch aus ökologischen Gründen ist ein möglichst geringer Sandeinsatz anzustreben. Denn der beim Überrollen zermahlene Sand erzeugt Rückstände, die entweder auf der Schiene zurückbleiben oder aufgewirbelt und in der Umgebung verteilt werden. Dies stellt einen Beitrag zur Feinstaubbelastung dar. Im Ernstfall können diese Rückstände auch zur Beschädigung von Rad und Schiene führen. Sandungsanlagen sind komplexe technische Systeme, in denen verschiedene Funktionen zuverlässig umgesetzt werden müssen. Dazu gehören zum Beispiel die Trockenhaltung des Sandes, die reproduzierbare Bereitstellung von bestimmten Massenströmen von Sand und Luft, und letztendlich die gezielte Ausbringung auf die Schienen. Gerade der letzte Punkt ist Gegenstand der hier vorgestellten Untersuchung, um eine optimale Geometrie-Variation des Sandungsrohres zu erzielen. Vier Parameter sind dafür ausschlaggebend: Druckverlust im Endstück Die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit nach dem Verlassen des Sandrohres Das Verhältnis der axialen und radialen Teilchengeschwindigkeit und der sich daraus ergebende Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls Der radiale Abstand der Teilchen von der Strahlachse Um das Verhalten dieser vier Zielgrößen analysieren zu können, wurden verschiedene virtuelle Kontrollebenen im Berechnungsgebiet definiert, an welchen die verschiedenen Eigenschaften untersucht werden. Die Simulation der vielversprechendsten Geometrievariation wurde im Laborversuch bei Knorr-Bremse GmbH bestätigt. So wurden die oben geschilderten Größen im Detail betrachtet: Druckverlust beim Endstück Durch ein verändertes Design des Endstückes ändern sich die Strömungsverhältnisse und auch der Druckverlust bei der Durchströmung (vgl. Abbildung 1). Um die Funktion der Sandungsanlage sicherzustellen, darf sich der Druckverlust nicht zu stark erhöhen. Durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit Je schneller die Teilchen beim Verlassen des Sandrohrs sind, desto kleiner sind im Realbetrieb die Effekte durch äußere Einflüsse wie Querströmungen etwa durch Wind. Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls Das Verhältnis von axialer zu radialer Teilchengeschwindigkeit und der sich daraus ergebende Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls sind geeignet, die Bewegungsrichtung der Teilchen 4 magazine

5 zu beschreiben. Der Mittelwert dieses Winkels über alle Teilchen ist somit ein Maß für die Fokussierung des Strahles. Radialer Abstand der Teilchen von der Strahlachse Zusätzlich wurde die Aufweitung des Strahles in einem bestimmten Abstand von der Austrittsöffnung des Sandrohrs untersucht. Diese ist definiert durch den radialen Abstand der Teilchen von der Strahlachse. Wissenschaftlicher Zugang Moderne Software-Pakete unter Berücksichtigung der Computational fluid dynamics (CFD) wie ANSYS-Fluent bieten eine Reihe unterschiedlicher Methoden an, um Mehrphasenströmungen wie bei der Sandung abzubilden. Die Wahl des geeigneten Simulationsmodells ergibt sich aus den spezifischen Eigenschaften der vorliegenden Strömung. Von entscheidender Bedeutung sind hierbei die Stärke der Beladung, die Interaktion der einzelnen Phasen, sowie die Ausbildung von möglichen freien Oberflächen. Für die geschilderte Aufgabenstellung wurde die partikelbeladene Strömung mittels eines Euler-Lagrangeschen Ansatzes abgebildet. Bei dieser Methode werden die einzelnen Sandteilchen als Punktmassen in der Simulation behandelt und die Wechselwirkung mit der Strömung abgebildet. Von besonderer Bedeutung in diesem Zusammenhang ist die theoretische Behandlung des Teilchen-Wand-Kontakts. Die Asphärizität der Sandteilchen, die Rauhigkeit der Wand und andere Effekte stellten für die Simulation der Stöße zwischen den Sandteilchen und der Wand eine große Herausforderung dar. In der Simulation werden die oben genannten Schwierigkeiten gelöst, indem durch das sogenannte virtual wall -Konzept die Wand stochastisch geneigt wird. Eingangsparameter für diese Modellierung sind die Rotation der Teilchen, Elastizität und Reibungskoeffizient der Wand, sowie die Streuung der Wandneigung, welche zu einer statistischen Beschreibung des Wandabpralls führen. In Abbildung 2 ist das virtual wall -Konzept schematisch dargestellt. Optimierung Die in der CFD-Software Fluent als userdefined function implementierte Methode zum Wandabprall wurde anhand von Laborversuchen verifiziert. Das resultierende Simulationsmodell wurde dann wiederum benutzt, um verschiedene Optimierungsstrategien für die Sandungsanlage zu untersuchen und zu analysieren. Hierfür wurde eine Reihe von Testfällen erstellt, in denen verschiedene Geometrievarianten umgesetzt sind. Realfall Abb. 2: Stochastische Beschreibung des Wandabpralls von Sandteilchen Quelle: Kahrimanovic/Pirker/Kloss, 2008 Für die genaue Abbildung der Sandung im realen Betrieb sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen. Ein tragfähiges Simulationsmodell für die Gas-Feststoff-Strömung ist erforderlich, insbesondere für die Strömung im Sandschlauch. Zusätzlich sind Erkenntnisse über die äußeren Einflüsse auf die Sandausbringung, also die Strömungsverhältnisse im Radhaus des Schienenfahrzeugs, erforderlich. Die Geometrie des Schienenfahrzeugs hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Effektivität der Sandungsanlage und muss daher in der Simulation berücksichtigt werden, wie ein Foto eines Sandungsvorgangs im Realbetrieb (Abbildung 3) zeigt. Da die Berechnung der Teilchenbahnen im Allgemeinen transient zu behandeln ist, kann die Simulation der Bremsung mit einem Vollmodel der Straßenbahn nicht in einem geeigneten Zeitrahmen durchgeführt werden. Aus diesem Grund wurde nur ein kleinerer Teil Abb. 4: Simulation der Straßenbahnumströmung; Das Verhalten der Strömung ist durch Stromlinien visualisiert. Die Farben der Stromlinien spiegeln die Geschwindigkeit wider. magazine

6 Abb. 3: Sandstrahl im Realbetrieb Quelle: Knorr-Bremse GmbH des Schienenfahrzeuges für die instationäre Berechnung herangezogen. Die dafür benötigten Randbedingungen an den Grenzen des Berechnungsgebietes werden aus einer stationären Simulation der Umströmung des gesamten Schienenfahrzeuges gewonnen und auf die Teildomäne des transienten Berechnungsgebietes aufgeprägt. Ergebnisse der Komplettberechnung sind in Abbildung 4 gezeigt. Diese Simulationen wurden durch Messungen der Luftgeschwindigkeiten am realen Schienenfahrzeug verifiziert, die in Zusammenarbeit mit den Wiener Linien und Knorr-Bremse GmbH durchgeführt wurden. Im Anschluss an die Komplettsimulation wurde eine transiente Simulation der Teildomäne der Straßenbahn durchgeführt. Hierbei war es nun möglich, verschiedene Geometrievarianten virtuell miteinander zu vergleichen und Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Abb. 5: Virtuelle Abbildung des Sandstrahls (l / seitliche Ansicht). Die Farben kennzeichnen unterschiedlich schwere Teilchen. Abb. 6: Virtuelle Abbildung des Sandstrahls (II / von unten betrachtet). Die Farben kennzeichnen unterschiedlich schwere Teilchen. Ergebnisse einer solchen Simulation sind in den Abbildungen 5 und 6 gezeigt. In diesen Abbildungen ist das Verhalten der Teilchen gut erkennbar. Während der Auswertung der erhaltenen Daten, wird die Verteilung der Teilchen auf der Schiene ermittelt. Diskussion Die Effektivität der Sandung wird durch die Menge des Sandes bestimmt, welcher direkt vor dem Rad auf die Schiene trifft. Zur Berechnung dieser Sandmasse wurde ein durch Experimente validierter Simulationsprozess entwickelt, welcher es erlaubt, die wesentlichen involvierten physikalischen Prozesse abzubilden. Somit ist es möglich, verschiedene Geometrievarianten miteinander zu vergleichen und Optimierungspotenziale zu identifizieren. Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung, TU Graz Leitung: Univ.-Prof. Günter Brenn Die Forschungsgebiete des Instituts umfassen Strömungsmesstechnik, mehrphasige Strömungen, Aerodynamik, Numerische Simulation und Modellbildung, sowie Wärme- und Stoffübertragung. Bearbeitet werden die Ausbreitung von Druckwellen, die Berechnung turbulenter Strömungen mit chemischen Reaktionen, die Aerodynamik des Skisprungs, Wärmeübertragung mit Phasenwechsel, sowie die Kollision flüssiger Tropfen. Auf direkte Kooperationen mit der Industrie wird großer Wert gelegt. Das Institut hat u.a. zwei Windkanäle, (optische) Strömungsmesstechnik, einen Parallelrechner und diverse Laborausstattung. 6 magazine

7 openfoam im Einsatz am ViF Bei der numerischen Behandlung strömungsmechanischer Fragestellungen spielt die hierfür verwendete Software eine entscheidende Rolle. Für größte Qualität der Ergebnisse ist es essentiell, dass das verwendete Programm modernste Lösungsverfahren anbietet und sich dabei präzise an die konkrete Aufgabenstellung anpassen lässt. Aus dieser Perspektive empfiehlt sich in der Menge der CFD-Programme besonders die Open- Source-Software openfoam nicht nur aus Kostengründen! DI Sebastian Möller Nicht nur ein Programm openfoam (Open Field Operation And Manipulation) ist eine umfangreiche Sammlung verschiedener Softwarekomponenten, die für die Lösung kontinuumsmechanischer Probleme erforderlich sind. Es gibt eine ganze Reihe von hochspezialisierter Solver - das sind Programme, die jedes für sich Probleme einer ganz bestimmten Art effizient lösen können und es gibt viele weitere Tools, die für die Vorbereitung der Rechnungen (Preprocessing) oder die Analyse und Aufbereitung der Ergebnisse eingesetzt werden. Die besondere Eigenschaft all dieser Komponenten ist ihre offene Struktur und insbesondere ihr frei lesbarer Quelltext. So kann jederzeit die genaue Arbeitsweise der Programme präzise nachvollzogen werden, was besonders für Arbeiten mit hohem wissenschaftlichem Anspruch wertvoll ist. Darüber hinaus, bietet der Zugriff auf den Programmcode Abb. 1: Automatische Vernetzung mit openfoam Quelle: opencfd die Möglichkeit, verschiedene Anpassungen und Erweiterungen vorzunehmen, um besondere Anforderungen eines konkreten Berechnungsprojektes zu berücksichtigen. Hierbei ist die umfassende Funktionsbibliothek von open- FOAM sehr hilfreich. Dies ist eine Sammlung von hocheffizienten C++-Modulen, mit deren Hilfe auch komplexe Standardaufgaben der numerischen Kontinuumsmechanik innerhalb der Programme umgesetzt werden. Da auch die Funktionalität der fertigen Standardsolver auf Modulen dieser Bibliothek basiert, kann man sagen, daß sie die eigentliche Kernkomponente von openfoam ist. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, mit relativ geringem Aufwand eigene Solver für die Lösung neuartiger Probleme komplett selbst zu erstellen. Abb. 2: Automatische Vernetzung mit openfoam Quelle: opencfd Pre- und Postprocessing Bei der Vorbereitung der Berechnungen ist die Bereitstellung eines geeigneten Rechennetzes wohl der wichtigste Aspekt. Für diese Aufgabe bietet openfoam die flexible Option, Netze nahezu jeder Art zu verwenden und aus Dateiformaten anderer CFD-Programme zu importieren. Man kann aber auch Rechennetze mithilfe der in openfoam enthaltenen Werkzeuge erstellen, wobei besonders eines hervorzuheben ist. Für die Verwendung von komplexen Geometrien, wie sie am VIRTUAL VEHICLE zum Einsatz kommen, ist es essentiell, Rechennetze nahezu vollautomatisch erstellen zu können. Dies leistet das openfoam-tool snappyhexmesh, das in vielen Fällen Ergebnisse erzeugt, die mit denen kommerzieller Vernetzer vergleichbar sind. Für die Auswertung der berechneten Daten steht eine Vielzahl von Analyse-Tools zur Verfügung, um wichtige Informationen aus den physikalischen Größen des Strömungsfeldes abzuleiten. Für die grafische Analyse der Ergebnisse wird üblicherweise die Software Paraview verwendet, die nicht Bestandteil von openfoam ist, aber ebenfalls ein Beispiel für besonders hochleistungsfähige Open Source Software darstellt. Im praktischen Einsatz Eine Vielzahl von relevanten industriellen Fragestellungen wird mittlerweile mit openfoam bearbeitet. Seit zwei Jahren ist die Software am ViF im Einsatz. Hauptanwendungsgebiet ist hierbei der Bereich der externen Aerodynamik von Fahrzeugen. Hierbei wird die Umströmung von vereinfachten Modellkörpern wie dem Ahmed-Body (Abbildung 3) aber auch von komplexen Fahrzeuggeometrien untersucht. Abb. 3: Aerodynamischer Modellkörper Ahmed-Body magazine

8 Durchströmung im Motorraum Die Um- und Durchströmung eines Fahrzeuges hat großen Einfluss auf das gesamte Fahrzeugverhalten. Simulationen des thermischen Managements helfen, Zeit und Kosten in der Fahrzeugentwicklung zu sparen. Großes Augenmerk wird auf die Kühlung gelegt, um mögliche Verbesserung in der Aerodynamik der Fahrzeuge zu erreichen. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment ist dabei äußerst wichtig. Dr. Bernhard Lechner, Dr. Daniel Langmayr Ständig steigende Ansprüche an Motorleistung, Effizienz und Komfort bei immer kleinerem Bauraum stellen das thermische Management in der Fahrzeugentwicklung vor komplexen Aufgaben. Um diese hohen Anforderungen bei gleichzeitig ständig verkürzten Entwicklungszeiten erfüllen zu können, gewinnen virtuelle Modelle im Fahrzeugentwicklungsprozess immer mehr an Bedeutung. Die Simulation ist ein zeit- und kostensparendes Tool, um bereits in einer frühen Phase der Entwicklung Aussagen über das Systemverhalten treffen zu können. Auch bieten Simulationen die Möglichkeit, Verbesserungspotenzial aufzuzeigen und Variantenstudien mit vergleichsweise geringem Aufwand durchzuführen. Das Interesse der Automobilhersteller und -zulieferer an einer genauen Bestimmung des Luftdurchsatzes über das Kühlpaket ist zudem in Hinblick auf die zunehmende Elektromobilität sehr groß. Kühlmodule auf dem Prüfstand Die Motorraumdurchströmung beinhaltet mit dem Kühlmodul ein simulationstechnisch anspruchsvolles Bauteil. Die feinen Geometrien der Wärmeübertrager können in heutigen Simulationen nur durch Modelle berücksichtigt werden. Zusätzlich ist naturgemäß der Lüfter ein für die Strömung und somit für die Kühlung sehr wichtiges Aggregat. Darum ist es wichtig, diese beiden Bauteile durch Messungen datenmäßig zu erfassen und in weiterer Folge die theoretischen Modellergebnisse mit den Experimenten abzugleichen. Nur durch dieses Zusammenspiel zwischen Theorie und Experiment sind gesicherte Vorhersagen zur Geometrieoptimierung möglich. Diese ganzheitliche Betrachtung der Motorraumdurchströmung ist ein zentrales Thema am VIRTUAL VEHICLE und unterliegt einer ständigen Weiterentwicklung. Am Kompetenzzentrum stehen dafür umfangreiches Knowhow und eine ausgereifte Messtechnik zur Verfügung: Zur Validierung der Rechenmodelle etwa ein Komponentenwindkanal, der mit einer Heizleistung von 100 kw und einem Luftvolumenstrom von m³/h einen Großteil der kritischen Betriebszustände eines PKW simulieren kann. Der Luftdurchsatz über das Kühlpaket wird sowohl bei Windkanalmessungen als auch bei Straßenfahrten bestimmt. Dazu wird das Kühlpaket mit Sonden ausgerüstet, die am Komponentenprüfstand kalibriert werden. Unterschieden wird zwischen zwei Sondenbau- Anordnungen am Kühlpaket: Kielsonden Drucksonden Ausstattung mit Kielsonden Vor und nach einem Bauteil des Kühlpakets werden Kielsonden angebracht (Abbildung 1), wobei jeweils ein Sondenpaar exakt hintereinander montiert ist. Abb. 1: Kondensator mit Kielsonden Der Differenzdruck über ein Sondenpaar ist abhängig von der Geschwindigkeit. Am Prüfstand kann der Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Differenzdruck ermittelt werden. Nach der Kalibrierung wird das Kühlpaket mit den Sonden in das Fahrzeug eingebaut. Bei den Messungen wird dann aus dem Differenzdruck der Kielsondenpaare auf die Strömungsgeschwindigkeit und auf den Luftmassenstrom geschlossen. Obwohl damit sehr gute Messergebnisse erzielt werden können, wurde diese Methode bereits weiterentwickelt - denn die Kielsonden-Methode hat einen entscheidenden Nachteil: Bei diesem Verfahren wird der Druck über Schläuche in die Druckaufnehmer geleitet. Für jedes Kielsondenpaar sind zwei Druckschläuche notwendig. Diese sind aufwändig zu montieren und sorgen für eine zusätzliche Verblockung des Kühlpakets. Außerdem besteht die Gefahr, dass die mehrere Meter langen Druckschläuche geknickt werden und den Druck nicht zu den Sensoren führen. Abb. 2: Drucksonden am Kühlpaket 8 magazine

9 Abb. 3: Messungen im Windkanal Abb. 4: Luftdurchsätze über das Kühlpaket bei unterschiedlichen Betriebszuständen Messung direkt am Kühlpaket Um diese Nachteile zu beseitigen, wurde in der Arbeitsgruppe Testing & Validation am VIR- TUAL VEHICLE ein Messsystem entwickelt, bei dem die Druckaufnehmer direkt am Kühlpaket montiert werden (Abbildung 2). Für die Messung ist lediglich ein dünnes Kabel für die Stromversorgung und die Signalleitung erforderlich. Dieses System verzichtet auf massive Druckschläuche und kann für anspruchsvolle thermische Messungen eingesetzt werden. Ein Kühlpaket wird mit 25 bis 50 Sonden ausgerüstet. Der Druckverlust des Kühlpakets mit und ohne Sonden wird vermessen, um Beeinflussungen durch die Sondenmontage zu bestimmen. Das Ergebnis: In den Messungen konnte kein durch die Sonden induzierter Druckverlust nachgewiesen werden. Bei den Kielsonden- Messungen oder anderen Systemen geht man hingegen von einem Druckverlust von bis zu 5 Prozent aus. Kalibrationsmessungen Bei den Kalibrationsmessungen wird nicht nur der Druckverlustbeiwert an den Sondenpositionen bestimmt, sondern es werden auch mögliche Störungen berücksichtigt. Dazu gehören: a.) Ungleichmäßige Anströmung durch das Fahrzeugmodul und dem Kühlluftpfad b.) Zusätzlicher Druckverlust durch die Erwärmung der Luft durch das heiße Kühlmittel c.) Stark rotatorische Strömung durch den Fahrzeuglüfter Zur zusätzlichen Validierung wird vor bzw. nach dem Kühlpaket mit einem Hitzdraht- Anemometer die Luftgeschwindigkeit und Volumenstrom hochaufgelöst gemessen. Ergebnisse Bei den Messungen im Windkanal (Abbildung 3) und auf der Straße wird das Fahrzeug in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben. Dabei wird die Fahrgeschwindigkeit, die Kühlmitteltemperatur oder die Lüfterdrehzahl variiert. Dadurch ergibt sich der gemessene Luftdurchsatz für unterschiedliche Betriebszustände (Abbildung 4). Damit können die Ergebnisse der CFD-Rechnung (Computational Fluid Dynamics) validiert bzw. wichtige Aussagen über das thermische Management, den Strömungswiderstand des Fahrzeugs und die Bauteilerwärmung getroffen werden. CFD-Rechnung Die aus den experimentellen Daten gewonnen Erkenntnisse dienen einerseits dazu, die theoretischen CFD-Simulationen zu validieren. Anderseits geht es darum, die in der Berechnung getroffene vereinfachte Modellierung mit Daten zu füllen. In der CFD-Simulation werden der Wasserkühler, der Klimakondensator und falls vorhanden der Ladeluftkühler als poröses Medium definiert, dessen Eigenschaften (Druckverlust) durch die Messungen zu bestimmen sind. Typische Rechenergebnisse sind in den Abbildungen 5 und 6 gezeigt. Abb. 5: CFD Simulation der Motorraumdurchströmung Abb. 6: CFD Simulation der Motorraumdurchströmung magazine

10 Klima/Heizung: Herausforderung für E- und Hybrid-Fahrzeuge Hybrid- und Elektrofahrzeuge stellen die PKW-Klimatisierung vor neue Aufgaben. Durch die teilweise oder ganz wegfallende Abwärme des Verbrennungsmotors wird nach neuen energieeffizienten Methoden zur Innenraumbeheizung gesucht. Das Team Mobile Air Conditioning der Area Thermodynamics am VIRTUAL VEHICLE forscht in diesem Bereich gemeinsam mit dem Institut für Wärmetechnik der Technischen Universität Graz und Obrist Engineering nach Lösungen. DI Alois Steiner Die Klimaanlage ist einer der größten Nebenverbraucher im Pkw und verursacht einen beträchtlichen Kraftstoffmehrverbrauch. Speziell bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen fällt die beim herkömmlichen Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme teilweise oder sogar gänzlich weg. Derzeitige in Elektrofahrzeugen verwendete Klimaanlagen mit rein elektrischen Zuheizern reduzieren die Reichweite der Fahrzeuge drastisch. Da dies aber mitunter ein Hauptkriterium für die Kundenakzeptanz ist, stellt die Optimierung der Energie-Effizienz der Klimaanlage und damit verbunden die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Erhöhung der Reichweite das Ziel dar. Dieses soll mit Hilfe von Simulationen und experimentellen Untersuchungen sowohl am Versuchsstand als auch an einem Fahrzeugprototyp erreicht werden. Vereint werden diese ambitionierten Ziele im Projekt Hocheffizientes Kühl- und Heizsystem für Elektro- und Hybridfahrzeuge basierend auf dem umweltfreundlichen Kältemittel R744 (HEKH 744). Zusätzlich zur Innenraumkonditionierung werden auf die Klimaanlage weitere Anforderungen hinzukommen. Dazu gehören die Konditionierung der Batterie sowie auch die Kühlung anderer Komponenten wie z.b. des Elektromotors. Ganz besonders die Betrachtung des Gesamtsystems wird von entscheidender Bedeutung sein. Denn beispielsweise kann die durch die Batteriekühlung abgeführte Wärme auch zur Beheizung des Innenraumes verwendet werden. Somit stellt die Optimierung des Gesamt- Thermomanagements mit der Berücksichtigung verschiedener Einzelsysteme die zentrale Herausforderung dar. Schnellrechnende Klimamodelle werden durch die immer höheren Anforderungen an das Thermomanagement von Fahrzeugen, speziell bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, immer gefragter. Ziel ist es, online im Fahrzeug die jeweiligen Zustände der Teilsysteme (Batteriekonditionierung, Klimaanlage, Motorkühlung, Fahrzeuginnenraum, etc.) mitzurechnen, um so eine optimale Regelstrategie für die jeweilige Situation für das Gesamtsystem finden zu können. Die Wahl des Kältemittels In der EU gilt ab 2011 das Verbot von fluorierten Treibhausgasen mit einem GWP-Wert (Global Warming Potential) von über 150 für die Verwendung in Neufahrzeugen. Das derzeit in nahezu allen PKWs verwendete Kältemittel R134a besitzt einen GWP-Wert von 1300 und muss ersetzt werden. Nachdem der deutsche Verband der Automobilindustrie bereits 2007 verkündete, CO 2 (Kohlendioxid) künftig als Kältemittel zu verwenden, scheint jetzt das Umschwenken der Automobilhersteller auf das Kältemittel R1234YF beschlossen zu sein. Dieses dem R134a chemisch sehr ähnliche, aber hochentzündliche Kältemittel hat den Vorteil, dass die derzeitigen Anlagen mit kleinen Änderungen übernommen werden können. CO 2 hingegen arbeitet mit wesentlich höheren Sy- HX...Heat Exchanger Abb. 1: Prinzipschaltbild einer PKW-Klimaanlage mit Umschaltmöglichkeit auf Zuheizbetrieb mittels Luft/Luft-Wärmepumpe basierend auf dem Kältemittel CO magazine

11 stemdrücken (bis ca. 140 bar). Dafür wären einige Anpassungen nötig, die derzeit keiner der führenden Fahrzeughersteller und -zulieferer im Alleingang durchführen möchte. Für Hybridund E-Fahrzeuge sind R134a und R1234YF allerdings nur bedingt geeignet, da sie nicht für den Einsatz in Wärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen (unter 0 C) ausgelegt sind. Kombinierte Heiz- und Kühlsysteme Als derzeit beste Möglichkeit zur Beheizung des Innenraumes wird die Wärmepumpe angesehen. Sie ermöglicht das Heizen des Innenraums mit einer Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) von bis zu 4. Das bedeutet, dass im Vergleich zur elektrischen Heizung, die einen COP von 1 hat, nur 25 Prozent der Batterieleistung benötigt wird. Eine vielversprechende Lösung stellen kombinierte Kühl- und Heizsysteme dar, die sowohl im Klima- als auch im Wärmepumpenbetrieb arbeiten können. Das auf CO 2 basierende Kältemittel R744 bietet neben seiner Umweltverträglichkeit (GWP-Wert von 1) auch den Vorteil, dass seine thermodynamischen Eigenschaften einen Einsatz in Wärmepumpen für niedrige Außentemperaturen ermöglichen. R744 ist somit das einzige Kältemittel, das den effizienten Einsatz einer Wärmepumpe in mobilen Klimaanlagen ermöglicht. Zusammen mit dem Industriepartner Obrist Engineering und Prof. René Rieberer vom Institut für Wärmetechnik der TU Graz soll ein E-Fahrzeug mit einem derartigen System ausgerüstet werden. Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer PKW-Klimaanlage mit Umschaltmöglichkeit auf Zuheizbetrieb mittels Luft/Luft-Wärmepumpe basierend auf dem Kältemittel CO 2. Eines der zentralen Themen des Projektes ist die Vorhersage des Kraftstoffverbrauchs der Klimaanlage über das gesamte Jahr gesehen. Einen wichtigen Aspekt stellt dabei die Betrachtung der Anlage nicht nur in einigen wenigen Betriebspunkten, sondern bei sämtlichen relevanten Zuständen verschiedenster Klimaregionen dar. Hoher Stellenwert der Simulation Treffsichere Simulation in der frühen Entwicklungsphase ist wesentlich für eine rasche und kostengünstige Fahrzeugentwicklung. Die Vielfalt sich gegenseitig beeinflussender thermischer Systeme sowie die umfangreiche Fahrzeug-Modellvielfalt führen dazu, dass eine experimentelle Untersuchung und Optimierung der Systeme kaum noch möglich ist. Eine effiziente Co-Simulation aller Komponenten und Systeme ist daher in Zukunft unabdingbar. Die Co-Simualtions-Plattform ICOS des VIRTUAL VEHICLE leistet hier einen wertvollen Beitrag zur Kopplung unterschiedlichster Simualtionsprogramme. Auf diese Weise sind auch gängige Simulationsprogramme wie Dymola und der AirConditioning Library integrierbar, mit denen verschiedenste Wärmepumpen- und Kältekreisläufe simuliert werden können. Auch Abb. 2: Simulation einer Regelung mit Dymola die Einbindung von Kabinenmodellen zur Simulation des Abkühl- bzw. Aufheizverhaltens des Fahrzeuginnenraumes ist möglich. So können verschiedene Systeme und Regelstrategien bereits im Entwicklungsprozess bewertet werden ohne aufwändige Fahrzeugmessungen durchzuführen. Ziel ist es, einen Simulationsbaukasten aufzubauen, aus dem man verschiedene Kreislaufmodelle (gewöhnlicher Kompressionskältekreislauf, Wärmepumpe, kombiniertes Kühl- und Heizsystem), verschiedene Kältemittel (R134a, CO 2, R1234YF) und verschiedene Innenraummodelle entnehmen kann. Diese können mit geeigneten Regelungen auf die Umgebungsbedingungen und Komfortansprüche der Insassen abgestimmt werden. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Regelung der Kabinentemperatur auf vom Fahrer gewünschte 22 C und die Einblasung der kühlen Luft in die Fahrzeugkabine. Modellierung von Systemkomponenten Die Modellierung der einzelnen Komponenten (Wärmetauscher, Kompressor, etc.) erfolgt entweder basierend auf deren Geometrie und physikalischen Vorgängen, mithilfe von Gleichungen und experimentell ermittelten Koeffizienten oder gänzlich auf experimentell ermittelten Kennfeldern. Geometriebasierte Modelle sind am aufwän- magazine

12 digsten zu erstellen und benötigen am meisten Rechenzeit. Sie bieten aber auch die größte Flexibilität und können auf verschiedene Geometrien etc. im Idealfall auch gänzlich ohne Messungen angewandt werden. Bei der Erstellung von empirischen Gleichungen oder Kennfeldern ist man dagegen immer auf Prüfstandsmessungen angewiesen, bei Änderungen an den Bauteilen müssen diese neu vermessen werden. Vorteil dieser Modelle ist die deutlich geringere Rechenzeit. Insbesondere gibt es zum Beispiel bei der Modellierung des Kompressors derzeit noch keine physikalischen Modelle, die in der Lage sind, das Verhalten verschiedener Kompressoren mit ausreichender Genauigkeit abzubilden. Die Berücksichtigung verschiedener Geometrien und anderer Phänomene wie Regelmassenströmen etc. ist aufgrund der vielen verschiedenen Bauweisen für Kompressoren sehr schwierig. Nur mit Hilfe von Prüfstandsmessungen, in denen das Verhalten des jeweiligen Kompressors in Abhängigkeit von verschiedenen Druckverhältnissen und Massenströmen ermittelt wird, kann derzeit die Modellierung erfolgreich durchgeführt werden. Systemprüfstände im Einsatz Die wichtige und für die Erstellung von Simulationen unerlässliche Aufgabe der Gruppe Testing & Validation liegt bei der Durchführung aller benötigten Messungen. Nur mithilfe dieser Ergebnisse kann die Aussagekraft der Simulationen überprüft werden und eine Validierung dieser durchgeführt werden. Für die Durchführung der benötigen Messungen betreibt das VIRTUAL VEHICLE einen Systemprüfstand (Abb. 3 zeigt dessen zwei Klimakammern), einen Kompressorprüfstand und zwei Komponentenprüfstände, die ein vielfältiges Portfolio an Messungen möglich machen. In den Klimakammern können separate Luftzustände erzeugt werden, um somit bestimmte Betriebspunkte des Kältekreislaufes zu erreichen. Die für die Versuche relevanten Bereiche sind Temperaturen zwischen -10 C und +45 C und relative Feuchten zwischen 25 und 95%. Derzeit ist die Automobilindustrie in zunehmendem Ausmaß an umfassenden Kennfeldern von Klimakompressoren interessiert. Dazu ist es notwendig, die physikalischen Größen Hochdruck, Niederdruck, Eintrittstemperatur des Kompressors, sowie die Drehzahl und den Massenstrom in gewissen Bereichen verändern zu können und diese über eine bestimmte Zeit konstant zu halten. Durch die Einführung einer speziellen Methode zur Erfassung des Kompressorhubes unter Teillast und einer komplexen Regelungsstrategie ist maximale Variabilität in der Betriebspunktwahl mit kleinst möglicher Einflussnahme auf die Messstrecke möglich. Aufgrund der steigenden Nachfrage seitens der Industrie an Messungen von stationären Betriebspunkten Abb. 3: Klimakammern des Systemprüfstandes Foto: W. Wachmann: ViF als auch an zeitlich hoch aufgelösten transienten Vorgängen, wird bereits eine Weiterentwicklung des Prüfstandes angedacht. Ausblick Zukünftig soll der Fokus verstärkt auf der Entwicklung von Regelungskonzepten für die Klimaanlage liegen. Dazu werden in zunehmenden Ausmaß schnellrechnende Simulationsmodelle benötigt. In mehreren Forschungsprojekten in Zusammenarbeit mit der Area Vehicle Electrics / Electronics werden Methoden zu einer automatisierten Modellreduktion entwickelt, um die gestiegenen Anforderungen an die Geschwindigkeit der Modelle erfüllen zu können. Ein weiterer Aspekt, der zurzeit untersucht wird, ist das akustische Verhalten der Kälteanlage. Durch die wegfallende Geräuschkulisse des Verbrennungsmotors bei Hybrid- und E-Fahrzeugen sowie bei konventionellen Fahrzeugen mit einer Start-Stopp Automatik gewinnt die Akustik immer mehr an Bedeutung. Gemeinsam mit den Experten der Area NVH & Friction werden diese Untersuchungen durchgeführt. Institut für Wärmetechnik (IWT), TU Graz Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl Ao.Univ.-Prof. DI Dr.techn. René Rieberer Das Institut für Wärmetechnik der Technischen Universität Graz vertritt in Forschung und Lehre die effiziente Nutzung konventioneller und erneuerbarer Energien und innovative Konzepte in den Bereichen Heizungs-, Kälte- & Klimatechnik, Gebäudetechnik, Kraftwerkstechnik sowie in dezentralen Energiesystemen und bei der energetischen Nutzung von Biomasse. Ziele des Instituts sind die Entwicklung innovativer Energietechnik für den Standort Österreich und Europa, die Schonung von Ressourcen durch energieeffiziente Nutzung und Energieeinsparung sowie das Finden lokaler und globaler Lösungen für eine ökonomisch und ökologisch nachhaltige Energiewirtschaft. 12 magazine

13 Das Vertrauen in Simulationen stärken Die Simulation ist heute ein wichtiges Werkzeug zur Auslegung komplexer Systeme. Doch sind Sie sich auch sicher, dass Sie das Verhalten Ihres Systems verstehen und den Ergebnissen der Simulation vertrauen können? Am Beispiel der gekoppelten Wärmestrahlungs- und Strömungssimulation werden wichtige Fragen erörtert. DI Christian Rauch Simulationsingenieure kennen folgende Situation nur zu gut: Sie müssen von sich aus entscheiden, welches Modell in einer Simulation verbessert bzw. verändert werden muss. Erfahrung oder das teure Messen der Wärmeflüsse grenzen die Möglichkeiten ein. Doch jedes Modell benötigt Parameter. Dies können Stoffwerte sein, die mit einer gewissen Unsicherheit behaftet sind. Es können aber auch Modellparameter sein, die das Kennen der Theorie voraussetzen. Die Durchführung einer Unsicherheitsanalyse hilft Simulationsingenieuren entscheidend, etwa die herrschenden thermischen Verhältnisse besser zu verstehen und darauf reagieren zu können. Dadurch ist ein mögliches Potenzial gegeben, um teure Simulationszeiten einzusparen. Diese Methodik ist für den Simulationsingenieur außerdem ein Hilfsmittel, die das Vertrauen in die Simulationsergebnisse wesentlich erhöhen und helfen kann, die Zeit bei der Fehlersuche zu reduzieren. Bei der Simulation realer Systeme gelten folgende Anforderungen: Die Handhabung komplexer Geometrie Die Koppelung verschiedener physikalisch-chemischer Modelle Die Kenntnis von Sensitivitäten und Unsicherheiten der Ergebnisse Co-Simulation bei Wärmeübergang Bei der Behandlung des konjugierten Wärmeübergangs verlangt die unterschiedliche numerische Behandlung der Modelle Strömung und Wärmestrahlung eine separate Betrachtung. Bei der Strömungsberechnung gibt es spezialisierte Gleichungslöser, die in der Wärmestrahlung nicht gleich effizient wären. Somit haben verteilte Kopplungen Einzug in den industriellen Alltag gefunden. Die zentrale Aufgabe einer automatisierten Co- Simulationsplattform ist das Übertragen von Daten unter den zu koppelnden Programmen (Klienten). Das kann beinhalten, diese Daten auf Netzen unterschiedlicher Auflösung und Topologie richtig zuzuordnen - wie etwa die Co- Simulationsplattform ICOS die Daten den richtigen Zeitschritten zuordnet oder die Klienten synchronisiert. Es können Filter dafür sorgen, physikalisch unrealistische Werte zu ersetzen oder im Falle einer Störung die bisherigen Ergebnisse zu sichern. Jedoch ist die Kopplungsplattform nicht verantwortlich für die Richtigkeit der Modelle und damit derer Daten. Beispielhafter Problemfall An folgendem Beispiel des Abgasstranges eines BMW X3 soll dies veranschaulicht werden. Am Abgasstrang wurde die Temperatur an mehreren Stellen des Hitzeschutzbleches und der zur Straße und zum Blech gewandten Seite des Abgasrohres während einer Autobahnfahrt gemessen und die Temperaturverteilung am Hitzeschutzblech wurde simuliert. Hierzu wurde in einem CFD-Programm die Außenumströmung des Fahrzeugs ohne Wärmequellen simuliert. Eine weitere Simulation behandelte in einem auf Wärmestrahlung spezialisierten Programm nur die Temperaturverteilung der Festkörperoberfläche des Unterbodens. Um die Simulation einfach zu halten, wurden die gemessenen Temperaturen des Rohres als Randbedingungen auf das Netz des Wärmestrahlungsprogrammes interpoliert aufge- In der CFD-Gruppe der Area Thermodynamics am VIRTUAL VEHICLE wird die effiziente Netzerstellung für industrielle Anwendungen seit Jahren praktiziert und wurde kürzlich eine Methodik zur Unsicherheitsanalyse ausgearbeitet. In der Gruppe Thermisches Management wurde eine automatisierte Kopplungsarchitektur entwickelt. Abb. 1: Abweichung zwischen berechneten und gemessenen Temperaturen entlang des Abgasstranges am Hitzeschutzschild für fünf Messstellen. Die weißen Balken zeigen die zuerst erhaltenen Abweichungen an, deren Interpretation die Basis für bessere Ergebnisse bilden. (A: ursprüngliches Ergebnis B: ohne Wärmebrücken C: B + korrigierte Emissionszahlen) magazine

14 Abb. 2: Unsicherheitsfaktoren für Emissionszahlen am Hauptschalldämpfer tragen. Auf diese Weise gibt es weniger Freiheitsgrade als wenn ein zusätzlicher Klient die Wärmeabgabe des Abgases an die Rohrwand simulieren würde. Die beiden Klienten kommunizierten mittels einer im Haus entwickelten Kopplungsplattform. Der CFD-Code berechnet Wärmeübergangskoeffizienten und die Lufttemperatur an der Wand und gibt diese weiter. Im Gegenzug berechnet der Strahlungslöser die Wandtemperaturen unter Berücksichtigung von Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung. Diese Wandtemperaturen werden an den CFD-Code zurückgegeben. Abbildung 1 zeigt die Abweichung der berechneten zu gemessenen Temperaturen am Hitzeschutzschild für fünf Messstellen. Die weißen Balken zeigen die zuerst erhaltenen Abweichungen an. Der Simulationsingenieur muss sich nun die Frage stellen, wie sich diese Abweichungen erklären lassen und was er tun soll, um bessere Ergebnisse zu erzielen. In diesem Beispiel wurde dann das Berechnungsgitter des Strahlungslösers untersucht, da die Gitterauflösung wesentlich gröber als für das CFD-Netz war. Es zeigte sich, dass stellenweise die Rohrwand mit dem Hitzeschutzschild verschmolzen war, was zu ungewollten Wärmebrücken führte. An diesen Stellen wurde die Wärmeleitzahl auf null gesetzt. Eine weitere Kopplungssimulation ergab dann die in Abb. 1 ersichtlichen roten Balken. Die Ergebnisse wiesen nun geringere Maximalabweichungen auf, jedoch kam es zu Verschlechterung in zwei Messpunkten. In weiterer Folge wurden die Emissionszahlen des Unterbodens im warmen Zustand gemessen und je ein Durchschnittswert für das Blech und den Abgasstrang gesetzt. Nach einer dritten Simulation ergaben sich die gelben Spalten in Abbildung 1. Die Ergebnisse wiesen eine wesentliche Verbesserung auf. Betrachtung der Parameter In unserem Beispiel benötigte der Strahlungslöser Emissionszahlen, Wärmeleitzahlen und Informationen zur Berechnung der Form Faktoren. Die Qualität der CFD-Ergebnisse hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab: Netzauflösung Wandbehandlung Turbulenzmodellierung Lüftermodellierung Wärmetauschermodellierung Es ist jedoch nicht klar, welche Parameter den größten Einfluss auf das Ergebnis haben. Doch selbst die Ergebnisse in Abb. 1 bedeuten nicht das Ende der Bemühungen. Es könnten sich auch Fehler unterschiedlicher Modelle aufheben. Es stellt sich auch die Frage, wann das Verändern einzelner Parameter zu keiner wesentlichen Veränderung der Ergebnisse führt. Eine einzige Simulation benötigte in unserem Beispiel drei Tage. Dies verlangt nach einer systematischen Vorgehensweise. Unsicherheitsanalyse Hier setzt die eingangs geschilderte Unsicherheitsanalyse an. Sie zeigt, wie sich Unsicherheiten einzelner Parameter in den Modellen fortpflanzen. Die im Hause entwickelte Methode behandelt die Unsicherheiten im Strahlungslöser. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Unsicherheitskoeffizienten für Emissionszahlen über einen vereinfachten Hauptschalldämpfer mit Randbedingungen, die dem gekoppelten Beispiel nahe kommen. Je größer die Koeffizienten, desto wichtiger ist die Kenntnis der Genauigkeit der Parameter. In unserem geschilderten Beispiel waren die Emissionskoeffizienten sehr klein. Daher ist eine Verbesserung der Werte durch weitere Messungen oder das Einführen von Gebieten mit differenzierteren Emissionszahlen nicht nur aufwendig, sondern auch unnötig. Die Unsicherheitsanalyse zeigte, dass die Lufttemperatur an der Wand den mit Abstand größten Einfluss auf das Ergebnis hat. Daher kann der Ingenieur weitere Verbesserungen über die Einstellungen des CFD-Codes erwarten. 14 magazine

15 Thermomanagement elektrifizierter Fahrzeugsysteme Potential zur Verbrauchs- und CO 2 -Reduzierungen durch Fahrzeug Thermomanagement kann durch die Integration einer übergreifenden Regel- und Betriebsstrategie zur Ansteuerung elektrifizierter Stellglieder verwirklicht werden. Damit beschäftigt sich das Forschungsprojekt EVARE getragen vom VIRTUAL VEHICLE in enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner AVL List GmbH. DI (FH) Armin Traußnig (ViF), DI Andreas Ennemoser (AVL), Dr. Heinz Petutschnig (AVL) Die Fahrzeugentwicklung befindet sich im Umbruch. Zusammenhängend mit wachsendem Energiebedarf, der Endlichkeit fossiler Energiequellen und der noch ungeklärten Reaktion seitens der Gesetzgebung erfährt die Automobilindustrie einen Wandel. Auch wenn entsprechende Gesetze noch nicht verabschiedet wurden, ist von den Fahrzeugherstellern in den nächsten zehn Jahren eine weitere Verbrauchs und CO 2 -Reduzierung von 25 bis 30 Prozent zu leisten. Mit der alleinigen Weiterentwicklung von Motor und Antriebsstrang stößt man dabei auf physikalische Grenzen. Neue Herausforderungen Fahrzeugtypen, wie der AVL EVARE (Electric Vehicle with Range Extender, Abb. 1), versprechen komplett emissionsfreies Fahren für eine alltagstaugliche Reichweite von ca. 40 Kilometer - danach sorgt der Range Extender (REX) dafür, dass auch weiter entfernte Ziele, bis ca. 240 Kilometer, sicher erreicht werden. Der elektrische Energiespeicher ist dabei der Schlüssel zum elektrifizierten Antriebsstrang und bestimmt elektrische Reichweite, Gewicht und Kosten maßgeblich. Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Batterien werden aufgrund ihrer Vorzüge den Weg in viele Hybridund Elektrofahrzeuge finden, stellen aber hohe Anforderungen an das Thermomanagement. Das optimale Temperaturniveau hängt zwar von der Zellchemie ab, liegt jedoch grundsätzlich im Bereich von 25 bis 30 C, was sich deutlich vom geforderten Temperaturniveau von REX, E-Motor und Leistungselektronik unterscheidet. Durch die geringe Temperaturdifferenz zwischen geforderter Batterietemperatur und Außenluft, ist die Anbindung der Batteriekühlung an den Kältekreislauf zwingend notwendig. Einerseits verursacht das Überschreiten der Grenztemperatur irreversible Schädigungen und/oder verringert die Lebensdauer, andererseits verliert die Li-Ion-Batterie bei tiefen Temperaturen stark an Leistung, was eine zusätzliche Batterieheizung und Vorkonditionierung erforderlich macht. Das Thermomanagement spielt dadurch eine entscheidende Rolle für den sicheren Betrieb elektrifizierter Fahrzeuge und muss unterschiedliche Zielsetzungen, wie möglichst hohe, rein elektrische Reichweite und Komfort vereinigen. Integration der Regelungsaufgabe Die fortschreitende Elektrifizierung und die damit verknüpften, neuen Fahrzeugsysteme erfordern die Integration zahlreicher zusätzlicher Fachdisziplinen, wie zum Beispiel den Kältekreislauf und das elektrische Bordnetz (Abb.1). Auch traditionell mechanisch eingebundene Stellglieder des Kühlkreislaufs, wie Kühlmittelpumpe, Kühlerlüfter und Thermostat werden vermehrt elektronisch betrieben und geregelt. Dadurch wird eine bedarfsgerechte Ansteuerung der Stellglieder ermöglicht und somit weiteres Potential zur Reichweitenerhöhung bzw. Verbrauchsreduzierung geschaffen. Abb. 1: Erweiterung der Komponenten des thermischen Managements im AVL EVARE Quelle: AVL magazine

16 Abb. 2: Integration der Informationsverarbeitung in die energetische Gesamtfahrzeugssimulation Quelle: AVL Die Umsetzung des Potentials kann jedoch nur durch eine gesamtfahrzeugübergreifende Betriebs- und Regelstrategie verwirklicht werden (Abb.2), wobei die gesteigerte Anzahl an Freiheitsgraden in der Ansteuerung eine enorme Herausforderung an die Funktionsentwicklung stellt. Dabei ist es vorteilhaft, den Austausch der energetisch bilanzierbaren Größen von virtuellen Sensorsignalen und Aktuator- Steuersignalen zu trennen. Die so erzeugten Schnittstellen entsprechen dem Aufbau der Steuergerätestruktur und ermöglichen die einfache Implementierung unterschiedlicher Regelstrategien. Modellierung dynamischer Systeme Die traditionell in der gekoppelten Simulation verwendeten Modelle sind aufgrund ihrer hohen physikalischen Detaillierung mit entsprechenden Rechenzeiten behaftet, wodurch sie Abb. 3: Methoden zur Identifikation mathematischer Modelle ( Black Box modelling ) Quelle: AVL sich nur bedingt für die Reglerauslegung oder den Entwurf einer Betriebsstrategie eignen. Voraussetzung für eine effiziente Entwicklung von angepassten Algorithmen zur Steuerung und Regelung ist die Kenntnis mathematischer Modelle für das statische und dynamische Verhalten. Die Modellierung dynamischer Systeme kann prinzipiell durch drei verschiedene Ansätze erfolgen: White box modelling ist die konventionelle theoretische Herangehensweise über die Lösung der Differentialgleichungen aus Physik und Chemie. Nachteilig ist der hohe Aufwand für Modellabstimmung und lange Rechenzeit - teils bedingt durch iterative Solver. Bei entsprechend hohen Genauigkeitsansprüchen kommen auch physikalische Modelle nicht gänzlich ohne Messergebnisse und somit ohne Versuchsträger aus. Black box modelling basiert auf der Verarbeitung dynamischer Messdaten, womit sowohl Struktur als auch Parameter des Modells rein datenbasiert sind. Keine, oder nur geringe, Einsicht in die Struktur des Modells ist notwendig. Eine Schwäche dieses Ansatzes ist das nicht belastbare Extrapolationsverhalten. Grey box modelling stellt einen Kompromiss bzw. eine Kombination von white box modelling und black box modelling dar. Dabei empfiehlt es sich, die physikalische Grundstruktur des Systems beizubehalten und komplexe Teilbereiche durch black box Modelle zu ersetzen. Der Ansatz des grey box modelling soll hier verwendet werden, um die Rechenzeit deutlich zu reduzieren und die angestrebte Einbindung der Steuerung und Regelung auf effiziente Weise zu ermöglichen. Um die black box Modelle zu identifizieren, gibt es zwei Möglichkeiten (Abb. 3): Identifikation durch umfangreiche dynamische Vermessung des Systems am Prüfstand. Betreiben der verifizierten Simulationsmodelle aus der Systemauslegung als virtueller Prüfstand, um einen dynamischen Simulationsdatensatz zu erhalten und das black box Modell zu generieren. Dadurch bietet sich eine Wiederverwendung der physikalischen Modelle an, welche in der Systemauslegungsphase aufgebaut wurden, womit Prüfstandskosten gespart werden können. 16 magazine

17 Industriepartner DI Andreas Ennemoser Fachteamleiter Numerische Strömungssimulation AVL List GmbH Zusammenfassung Der hier beschriebene Ansatz für eine Gesamtfahrzeugsimulationsumgebung ersetzt komplexe physikalische Modelle durch mathematische Modelle und integriert diese in einen Verbund aus schnellrechnenden, dynamischen Modellen mit physikalischer Struktur ( grey box Modell). Im Zusammenspiel mit der Steuergeräte-Informationsverarbeitung kann somit eine Steuerung, Regelung und Betriebsstrategie entwickelt werden, die einen energieeffizienten Betrieb des Fahrzeugs mit all seinen Abb. 4: Schnellrechnende Simulationsmodelle für ECU - Funktionsentwicklung Quelle: AVL Funktionen wie Kühlung, Heizung, Schmierung, usw. sicherstellt (Abb. 4). Ausblick Die nach dem vorgestellten Ansatz in MATLAB/ Simulink entwickelten, schnellrechnenden Simulationsmodelle sollen grundsätzlich auch den Anforderungen einer Echtzeitumgebung genügen. Damit wäre auch ein Einsatz an einer Hardware in the Loop -Plattform (HiL) oder eine direkte Integration der Modelle im Steuergerät als virtuelle Sensoren realisierbar. Ein erklärtes Ziel seitens der AVL List GmbH ist es, die Integrität, die Wiederverwertbarkeit und somit den Wert der entwickelten Simulationsmodelle und insbesondere der Steuergeräte Softwarekomponenten zu erhöhen. Mehrarbeit durch fehlende Schnittstellen zwischen den Abteilungen soll vermieden werden. Einheitliche Softwarestandards in der Steuergeräte Softwareentwicklung, gepaart mit einem über alle Phasen der Antriebsstrangentwicklung durchgängigen Systementwicklungsprozess und hoch integrierten Simulationswerkzeugen sollen helfen dieses Ziel zu erreichen. Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT), TU Graz Leitung: Univ.-Prof. Helmut Eichlseder Das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der Technischen Universität Graz hat es sich zum Ziel gesetzt, im vernetzten System Energie, Motor, Verkehr und Umwelt innovative und international anerkannte Lehre und Forschung zu betreiben und insbesondere zur Lösung umweltrelevanter Fragestellungen beizutragen. Zur Abwicklung Die kürzlich unterzeichnete Kooperationsvereinbarung zwischen dem VIRTUAL VEHICLE und dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) der TU Graz sichert Forschung in Millionenhöhe im Rahmen des K2-Mobility Forschungsprogramms. V.l.n.r.: Prof. Wimmer, Dr. Schmidt (IVT/TU Graz); Dr. Bernasch, GF/VIRTUAL VEHICLE; Prof. Eichlseder, Leiter IVT; DI Glensvig, Dr. Aldo Ofenheimer (VIRTUAL VEHICLE). Foto: Wolfgang Wachmann / VIRTUAL VEHICLE der Forschungsprojekte sind am Institut die Forschungsbereiche LEC (Large Engines Competence Center), Konstrukti- on und Auslegung, Brennverfahren, Emissionen, Thermodynamik sowie Verkehr und Umwelt eingerichtet. magazine

18 Ein Weg zum Antriebsstrang der Zukunft Weniger Verbrauch und weniger Emissionen die Gesamtsystemoptimierung macht es durch die Kombination von innovativen Brennverfahren, moderner Abgasnachbehandlung und Hybridisierung möglich. Ein Forschungsprojekt des VIRTUAL VEHICLE mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zeigt neue Lösungsansätze auf. Dr. Michael Nöst, DI Christoph Pötsch (ViF), DDI Bernd Klima, DI Hannes Schweiger (IVT) Das am VIRTUAL VEHICLE bearbeitete K2- Projekt Emission Reduction & Fuel Economy Improvement hat ein ehrgeiziges Ziel: Die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Dieselantriebsstranges für PKW mit deutlicher Verbesserung sowohl bei den CO 2 - als bei den Schadstoff-Emissionen. Neben der Optimierung des Zusammenspiels zwischen Motor und Fahrzeug steht bei der Betrachtung des Gesamtsystems auch die Bereitstellung der Primärenergie aus neuen Energiequellen im Fokus. Im Rahmen des Projekts wird mit den Industriepartnern AVL List, Behr, OMV und dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz (IVT) als wissenschaftlichem Partner nach Lösungsansätzen zur Erfüllung zukünftiger Emissionsstandards geforscht. Diese Kooperation wurde durch die erfolgreichen Vorarbeiten des Vorgängerprojektes ermöglicht. Grundsätzlich geht es um die Kombination eines innovativen Brennverfahrens mit modernster Abgasnachbehandlung und Hybridisierung, um den Diesel-Antrieb auf die Erfüllung künftiger Prof. List (3.v.r.) und Prof. Eichlseder (3.v.l.) mit den Preisträgern des Hans-List Fonds. Quelle: AVL Emissionsvorschriften vorzubereiten. Dieser saubere Antrieb wird durch die Optimierung des Gesamtsystems außerdem Vorteile hinsichtlich der CO 2 -Belastung aufweisen. Zur Lösung der Aufgabenstellung werden sowohl experimentelle als auch simulatorische Forschungswerkzeuge stark vernetzt angewandt. Folgende Schwerpunkte werden abgedeckt: Weiterentwicklung des Diesel-Brennverfahrens hinsichtlich Emissionsentstehung und -reduktion Äußere Maßnahmen zur Emissionsreduktion Auswirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb eines Dieselmotors und die Potenziale alternativer Antriebskonzepte Entwicklung eines Simulationsmodells für die Vorausberechnung aller umweltrelevanten Schadstoffe mit Fokus auf Stickoxide (NOx) und Partikel Thermodynamik Bei der Weiterentwicklung des Diesel-Brennverfahrens ist vorrangig die innermotorische Reduktion der Stickoxidemissionen interessant. Dies soll durch Weiterentwicklung der Einspritzstrategien in Kombination mit einer Verbesserung des gesamten Auflade- und Abgasrückführungssystems (AGR) erreicht werden. Wesentlich ist dabei vor allem die Langzeitstabilität, die speziell für abgasführende Kühler ein bedeutendes Problem darstellt. Daher ist für die Forschungen ein aktueller Serienmotor ein Niederdruck-AGR-System und ein leitungsintegrierter Ladeluftkühler adaptiert worden. In Kombination mit einem veränderten Aufladekonzept wird so die Basis für eine deutliche Reduktion der NOx-Rohemissionen geschaffen. Bei der Kühlung kommen Prototyp- Hardwarekomponenten zum Einsatz. Bei allen experimentellen Untersuchungen liegt ein wesentlicher Fokus an der Anwendbarkeit der Ergebnisse im späteren Praxiseinsatz. Deshalb werden Verbrauch und Emissionen in transienten Fahrzyklen bewertet, die auf Basis von Rollenprüfstandsmessungen generiert worden sind. Das setzt voraus, dass auch auf die Regelung der eingesetzten Komponenten schon am Motorenprüfstand Wert gelegt wird. Abgasnachbehandlung Wie auf allen Gebieten der Emissionsreduktion ist auch im Bereich Abgasnachbehandlung eine kontinuierliche Weiterentwicklung erforderlich. Erst die Kombination eines schadstoffarmen Brennverfahrens mit moderner Abgasnachbehandlung erfüllt künftige gesetzliche Vorgaben. Diesbezüglich wurden in diesem Projekt bereits 18 magazine

19 unterschiedliche Systeme zur Stickoxidreduktion mit hoher Praxisrelevanz für die Zukunft untersucht. Die Abgasnachbehandlung soll in diesem Bereich neben der NOx-Reduzierung durch verbesserte Verbrennung hinsichtlich Wirkungsgrads auch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bewirken. Eine Möglichkeit stellt dabei die Verwendung eines sogenannten Lean-NOx-Trap (LNT), also eines NOx- Speicherkatalysators dar. Dabei werden im Motornormalbetrieb (Luftüberschuss) die Stickoxide in Form von Nitraten in einem Substrat eingespeichert. Wird eine bestimmte Sättigung erreicht, muss der Motor auf Fettbetrieb (Luftverhältnis < 1) umgeschaltet werden, sodass es zu einer Desorption und schließlich zu einer Reduzierung der Stickoxide kommt. Mit diesem System können NOx-Konvertierungsraten über 90 Prozent bei akzeptablen Verbrauchserhöhungen erreicht werden. Im Zuge der thermodynamischen Untersuchungen von unterschiedlichen teilsynthetischen Dieselkraftstoffen sollen auch deren Auswirkungen auf das Verhalten eines Diesel- Oxidationskatalysators sowie eines Dieselpartikelfilters festgestellt werden. Diese Arbeiten hinsichtlich Schadstoff- und Verbrauchsminimierung werden vorwiegend experimentell auf einem Motorenprüfstand des IVT durchgeführt. Daher sind nicht nur die Ergebnisse verschiedener Abgasnachbehandlungssysteme interessant. Im Fokus steht die Methodenentwicklung zur schnellen und aussagekräftigen Beurteilung dieser Systeme. Hybridisierung In diesem Forschungsteilgebiet werden die Auswirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb eines Dieselmotors experimentell und simulatorisch auf folgende Kriterien untersucht: Rahmenbedingungen Auslegungskriterien Betriebsstrategien Neben einer Fokussierung auf die Verbrennungskraftmaschine im Hybridsystem-Verbund werden auch andere Komponenten für das Hybridsystem, wie Elektromaschine und Energiespeicher, in die Methodikentwicklung eingebunden. Die Auswirkungen der Hybridisierung auf den Kraftstoffverbrauch sind jedenfalls enorm. Schon eine milde Hybridisierung senkt den Verbrauch eines Mittelklassefahrzeugs je nach Fahrzyklus um bis zu 40 Prozent! Zur Verifikation der Verbrauchsberechnungen wird am IVT-Prüfstand die Verbrennungskraftmaschine so betrieben, wie sie sich im Hybrid-Fahrzeugverbund verhalten müsste. Simulationsergebnisse, die man mit Hilfe einer entwickelten Methode zur Bestimmung der verbrauchsoptimalen Betriebsstrategie erhält, werden für diese experimentellen Untersuchungen adaptiert. So wird trotz der für die Simulationsrechnung nötigen Vereinfachungen ein realitätsnaher Motorbetrieb inklusive Start- Stopp-Abbildung erreicht. Durch diese HiL-Tests (Hardware in the Loop) werden auch Emissionsvoraussagen möglich. Mit einer ausgewählten verbrauchsoptimalen Hybrid-Strategie ist es unabhängig vom Fahrzyklus möglich, auch die Emission gasförmiger Schadstoffe ohne Eingriff in die Verbrennungssteuerung deutlich zu senken. Speziell beim Warmlauf lässt sich noch einiges verbessern. Simulation Im Zuge dieses Forschungsvorhabens wird ein Berechnungsmodell für die dieselmotorische Verbrennung sowie für neue Brennverfahren entwickelt. Das Ziel liegt in der Vorausberechnung der umweltrelevanten Schadstoffe, wobei der spezielle Fokus auf den Komponenten Stickoxid (NOx) und Partikel (Ruß) liegt. Die Entstehung der Schadstoffkomponenten NOx und Ruß wird wesentlich durch das lokale Sauerstoffangebot und die lokale Temperatur bestimmt und findet simultan in unterschiedlichen Bereichen der heterogenen Dieselflamme statt. Um eine gleichzeitige Berechnung der beiden Komponenten zu ermöglichen, wird eine komplexe mehr-zonige Modellierung des Brennraums vorgenommen. Mit dem gewählten Paketansatz nach Hiroyasu wird der Kraftstoffstrahl in viele Zonen mit eigener Zusammensetzung und thermodynamischem Zustand unterteilt. Damit werden die lokalen Phänomene während der Verbrennung abgebildet und die Einflüsse innermotorischer Maßnahmen auf Verbrennung und Schadstoffemission erfasst. Dieses Modell ermöglicht es, bereits in einer frühen Phase der Entwicklung Aussagen über zukünftige Verbrennungskonzepte treffen zu können. Die damit verbundene Verkürzung der Entwicklungszeit und Reduktion der Kosten bilden einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bei der Entwicklung zukünftiger effizienter und schadstoffarmer Motoren. Eingesetzte Methodik Als Entwicklungswerkzeuge befinden sich im Einsatz: 1D-Simulation für Untersuchungen des Air-Managementsystems und für die Begleitung der verschiedenen Prüfstandsuntersuchungen Matlab/Simulink-Umgebungen für die Untersuchungen zum Thema Hybrid- Antriebstrang und für die Untersuchungen zum Verbrennungsmodell 0D-Simulationsplattform auf mehr-zonen Basis zur Berechnung der Verbrennung und der innermotorischen Emissionsentstehung Design of Experiments für die Untersuchung der Kraftstoffqualitäten mit möglichen zukünftigen Biokomponenten. Herstellung der Qualitäten in spezieller Blendinganlage, Charakterisierung der relevanten Parameter durch Laboranalysen der OMV. CFD-Simulation für die Untersuchung von Kühlerdurchströmung Motorprüfstand für Untersuchungen an einem PKW-Vollmotor und an einem Einzylinder-Forschungsmotor Rollenprüfstand für experimentelle Untersuchungen an einem Versuchsfahrzeug Nachhaltige Forschung durch langfristige Partner-Kooperation Die langfristige Auslegung des Forschungsprogramms K2 Mobility am VIRTUAL VEHICLE ermöglicht es, dass im Rahmen dieses Projektes wissenschaftlich fundierte Abschlussarbeiten entstehen. Dies umfasst insbesondere die im Jahr 2008 mit dem Hans List -Fonds prämierten Arbeiten der Projektmitarbeiter (Klima, Pötsch, Schweiger), die allesamt im laufenden Projekt als Dissertationsvorhaben fortgeführt werden. Besonderer Dank gilt an dieser Stelle dem wissenschaftlichen Partner, dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz, Prof. Eichlseder und Prof. Wimmer für die exzellente Betreuung und Kooperation. magazine

20 Im Interview: OMV Zur Forschungsplattform des VIRTUAL VEHICLE zählt auch ein renommierter Industriepartner aus dem Energiebereich: Gemeinsam mit der OMV beleuchtet ein aktuelles Projekt das Spannungsfeld Fahrzeug - Motor - Kraftstoff. Dr. Michael Nöst bat den Product Development Manager Fuels der OMV, Dipl.-Chem. Markus Maly zum Interview. VVM: Wie sehen Sie die wirtschaftliche Lage der Automotive Branche vor dem Hintergrund der Weltwirtschaftskrise? Maly: Die weltweite Wirtschaftskrise der Jahre 2008 und 2009 hat zu einem Einbruch beinahe aller Absatzmärkte geführt. Die Automobilindustrie und das gesamte Transportgeschäft waren davon besonders hart betroffen. Das wirkte sich in direkter Folge auch auf die Produktion von Kraftstoffen aus. Im Jahr 2010 war in dieser Hinsicht wieder eine Entspannung zu beobachten. Vor allem der Gütertransport über die Straße normalisiert sich wieder. Gleichzeitig steigen die Zulassungszahlen, auch wenn sie noch nicht das Niveau der Jahre vor der Krise erreicht haben. VVM: Hat sich durch die Veränderung der wirtschaftlichen Situation die strategische Ausrichtung von OMV Sparte Kraftstoffe verändert? Maly: Nein, die OMV sieht sich im Bereich ihrer Märkte weiterhin als Qualitätsführer und wird auch weiterhin im Bereich Forschung und Entwicklung investieren, um diese Position zu sichern und auszubauen. VVM: Wo liegen Ihrer Meinung nach potenzielle Stärkenfelder der Zukunft im automotiven Bereich in Bezug auf Kraftstoffe? Maly: Ein politisch und gesellschaftlich hoch relevantes Thema ist die Senkung der CO2 Emissionen. Neue biogene Kraftstoffe können dazu einen Beitrag leisten. Durch die Beimengung von biogenem Kraftstoff zu fossilem Kraftstoff kann ein unmittelbarer und flächendeckender Effekt erreicht werden. VVM: Wie beurteilen Sie die Zukunft und den Stellenwert der Simulationsentwicklung und Verifikation am Prüfstand allgemein? Maly: Die hoch komplexen Vorgänge, die z.b. während der Verbrennung ablaufen und wesentlich die Schadstoffbildung beeinflussen, stellen sogar modernste Simulationstools vor ernste Herausforderungen. Daher wird der Versuch derzeit als ein wesentliches Mittel zur Verifikation der Ergebnisse gesehen. Entscheidend ist vor allem beim Versuch eine systematische Planung - nur so werden aussagekräftige Ergebnisse generiert, die als Entscheidungsgrundlage dienen können. Im aktuellen Projekt kommen daher Methoden zur systematischen Versuchsplanung, wie Design of Experiments (DoE), zum Einsatz. VVM: Welche treibenden Themen sieht die OMV in den nächsten fünf Jahren? Und welche davon werden auch am VIRTUAL VEHICLE adressiert? Maly: Ein äußerst aktuelles Thema sind derzeit die steigenden Biokraftstoffquoten, die von der Gesetzgebung vorgesehen sind. Für die OMV als Kraftstoffanbieter spielt dabei der Einfluss verschiedener Beimischungen auf die Kraftstoffqualität und Anwendung eine besondere Rolle. Aktuelle Entwicklungen im Antriebsbereich wie die steigende Hybridisierung sind aus Sicht der OMV auch für die Kraftstoffe von Bedeutung. Durch den häufigeren Motor-Kaltstart kann eine Emissionsminderung durch eine neue Kraftstoffkomposition einen Beitrag zur Senkung der Schadstoffbelastung leisten. Für die weitere Optimierung in Hinblick auf Emissionen und Verbrauch wird vermehrt die Verbrennungsprozessanalyse auf Basis von Zylinderdruckindizierung eingesetzt. So wird die Bedeutung der Kraftstoffparameter, etwa der Cetanzahl für die Zukunft untersucht. Einen besonderen Stellenwert kann in diesem Zusammenhang, vor allem im Dieselbereich, in Zukunft auch die Simulation der Verbrennung einnehmen. Dafür muss es uns gelingen, die Zur Person Dipl.-Chem. Markus Maly Product Development Manager Fuels, OMV Refining and Marketing GmbH Abteilungsleiter für Produktentwicklung und Forschung, Centre of Excellence Fuel, Innovation, and Quality Projektleiter in Forschungsprojekten: Influence of Future Diesel on Combustion and Exhaust Gas Aftertreatment Oxygenated Diesel Fuel for EURO VII Trucks Oxidiesel kraftstoffspezifischen Eigenschaften durch möglichst realistische Surrogate abzubilden, um dadurch bereits in frühen Phasen Aussagen treffen zu können und so kostenintensive Tests zu reduzieren. Alle diese genannten Felder werden innerhalb eines gemeinsamen Projektes mit AVL, IVT/TU Graz und dem VIRTUAL VEHICLE behandelt. VVM: Was erwarten Sie sich durch ein K2- Projekt am VIRTUAL VEHICLE für die OMV? Maly: Das VIRTUAL VEHICLE bietet als Forschungsplattform eine ideale Konstellation, die es der OMV ermöglicht, gemeinsame Synergien mit Systempartnern in den Bereichen Fahrzeug - Motor - Kraftstoff zu nutzen. Dies betrifft beispielsweise die Zusammenarbeit im Bereich der Motorentechnologie, wo wir auf spezifisches Know-how von äußerst kompetenten Partnern wie AVL und dem IVT der TU Graz zurückgreifen können und gleichzeitig unsere Erfahrung im Bereich der Kraftstoffe einbringen. So erhalten wir eine unmittelbare Rückkoppelung zwischen der realen Anwendung und der Produktion von Kraftstoffen. 20 magazine

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