Kleindieselmotors in der frühen Entwicklungsphase

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Catharina Ritter
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1 Thermomanagementauslegung eines Industrie- Kleindieselmotors in der frühen Entwicklungsphase Hatz Diesel Made in Germany April 12th, 2013 Tobias Winter Hatz Diesel

2 Werk Ruhstorf

3 Inhalt Firma Hatz Grundsätzliches zur (Wasser)kühlung bei Industriemotoren, Unterschiede zum Autmotive-Kühlsystem Unser Workflow bei der Kühlsystemauslegung Anwendung und Nutzen der 1D-Modellierung für Kühlsystemauslegung und - anpassung

4 Hatz weltweit Hauptsitz Niederlassungen/Tochtergesellschaften Vertretungen

5 Zahlen, Daten, Fakten Mitarbeiter (weltweit) ca Umsatz (in Mio. ) ca. 155 (2014) Motoren jährlich ca Niederlassungen 13 auf 5 Kontinenten Produktionsstätten 3 Servicepartner Über 500

6 Hatz Geschäftsbereiche Hatz Diesel Hatz Systems Hatz Components Industriediesel von 1 bis 4 Zylinder mit bis zu 56kW. Systembau, z.b. Generatoren, Wasserpumpen, Motorkomponenten für die Automobil und Nutzfahrzeugindustrie. Pleuelstangen, Kurbelwellen.

7 Hatz Motoren Hatz Diesel Made in Germany

8 Hatz Diesel 6 Motorfamilien 27 Motortypen 1 bis 4 Zylinder Leistung 1,5 bis 56 kw B-Reihe D-Reihe G-Reihe M-Reihe L-Reihe H-Reihe

9 Hatz H-Reihe the best Hatz diesel ever 9

10 Thermomanagementauslegung eines Industrie- Kleindieselmotors in der frühen Entwicklungsphase Hatz Diesel Made in Germany

11 Neuland Flüssigkeitskühlung Entwicklung eines flüssigkeitsgekühlten 4 Zylinder Turbodiesel mit Ladeluftkühlung und gekühlter Abgasrückführung Bisher überwiegend Luftkühlung Durch die Notwendigkeit von Tier IV final bzw. Stage V Konformität sind einige zusätzliche Wärmetauscher erforderlich: gekühlte Abgasrückführung, gekühltes AGR Ventil, Zwischenkühlung AGR, Wasser-Öl-Wärmetauscher Kühlsystem als komplexes hydraulisches Netzwerk Von Anfang an simulationsbasierter Entwicklungsansatz 11

12 Verbrennung Abwärme Wärmefluß, Abgrenzung zum Automobilmotor Energiewandlung im Verbrennungsmotor Wärmestrom Abgas EGR Wärme m H u P i P f P e 12

13 Wärmefluß, Abgrenzung zum Automobilmotor Teilwärmeströme der Abwärme Automotive Motor 35% Flüssigkeitskühlung 5% Getriebeölkühlung 10% Ölkühlung 50% konvektiver Wärmetransport an die Umgebungsluft, Strahlungsaustausch 13

14 Wärmefluß, Abgrenzung zum Automobilmotor Teilwärmeströme der Abwärme Industriemotor 15% Ölkühlung 25% Konvektion und Strahlungswärme 60% Flüssigkeitskühlung 14

15 Arbeitspakete bei der Kühlsystemauslegung für die Erstkonfiguration 1D Arbeitsprozessrechnung Vorauslegung Wärmetauscher und Wassermäntel Modellvalidierung am Kaltwasserprüfstand 1D Modell Kühlsystem Wärmemenge (Teil)Volumenströme im Kühlsystem Pumpenauslegung, Kühlsystemlayout Erfahrungswerte Druckverlust Wassermäntel und Wärmetauscher Pumpenkennfeld (CFD Rechnung, Komponentenprüfstand) 15

16 Arbeitspakete bei der Kühlsystemauslegung Einordnung im Produktentstehungsprozess QG 0 QG 1 A-Muster Motoren Thermodynamik 3D CAD Modellierung CFD Kühlsystemkomponenten Komponentenpst. Vorauslegung 1D Modell Kühlsystem hydraulisch Kaltwasserpst. Wärmemengenmessung 1D mit Wärmeübergang 1D Modell Ölkreislauf mit Wärme Prüfstand 16

17 Arbeitspakete bei der Kühlsystemauslegung Einordnung im Produktentstehungsprozess QG 0 QG 1 A-Muster Motoren Thermodynamik 3D CAD Modellierung CFD Kühlsystemkomponenten Komponentenpst. Vorauslegung 1D Modell Kühlsystem hydraulisch Kaltwasserpst. Wärmemengenmessung Erster Ansatz 1D mit Wärmeübergang 1D Modell Ölkreislauf mit Wärme Prüfstand 17

Hydraulisches Modell des Kühlsystems Hydraulische Anforderungen - Beurteilung verschiedener Systemlayouts mit Hilfe des 1D Modells Aufgrund unserer speziellen Konfiguration bei der AGR mit

18 Hydraulisches Modell des Kühlsystems Hydraulische Anforderungen - Beurteilung verschiedener Systemlayouts mit Hilfe des 1D Modells Aufgrund unserer speziellen Konfiguration bei der AGR mit Vorkühlung, Ventil und Hauptkühlung ergaben sich alleine in diesem Bereich des Kühlsystems drei Wärmetauscher, die in geeigneter Weise zu kombinieren sind Zusätzlich sind ein Ölkühler und ein optionaler Kabinenwärmetauscher zu integrieren gewesen Möglichst wenig bis kein Einfluss durch den Kabinen-WT auf die restlichen Teilkreise des Kühlsystems Öffnen des Thermostats sollte wenig bis keinen Einfluss auf die Teilvolumenströme haben 18

19 Hydraulisches Modell des Kühlsystems Hydraulische Betrachtung des favorisierten Kühlsystemlayouts 19

20 Temperaturberechnung Kopf Block Verband Temperaturfeld Kopf Block Verband aus CFD Rechnung 20

21 Hydraulisches Modell des Kühlsystems Modellvalidierung am Kaltwasserprüfstand Gute Übereinstimmung zwischen Vorauslegung und Messung mit den ersten Teilen 21

Arbeitspakete bei der Kühlsystemauslegung Einordnung im Produktentstehungsprozess QG 0 QG 1 A-Muster Motoren Thermodynamik 3D CAD Modellierung CFD Kühlsystemkomponenten

22 Arbeitspakete bei der Kühlsystemauslegung Einordnung im Produktentstehungsprozess QG 0 QG 1 A-Muster Motoren Thermodynamik 3D CAD Modellierung CFD Kühlsystemkomponenten Komponentenpst. Vorauslegung 1D Modell Kühlsystem hydraulisch Kaltwasserpst. Wärmemengenmessung Detailierung 1D mit Wärmeübergang 1D Modell Ölkreislauf (mit WÜ) Prüfstand 22

23 Thermohydraulisches Modell des Kühlsystems Detailliertes Modell mit Wärmemengen 23

24 CFD Berechnung für Druckverlust, Strömungsgeschwindigkeiten und Temperatur CFD Berechnung Wasserverteilung und Druckverlust am Beispiel AGR - Vorkühler 24

25 Thermohydraulisches Modell des Kühlsystems - Validierung Validierung des 1D-Modells mit Wärmeübergang Exemplarisch für 2800rpm Volllast in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur Kühlmitteltemperatur am Eintritt Hauptkühler Kühlmitteltemperatur am Eintritt Ölkühler 25

26 Thermohydraulisches Modell des Kühlsystems - Validierung Validierung des 1D-Modells mit Wärmeübergang und der 3D CFD Berechnungen durch Thermografie 26

Einsatz und Nutzen des validierten Modells Im Gegensatz zur automobilen Anwendung ist der Einsatz unseres Motors in vielen unterschiedliche Anwendungen vorgesehen.

27 Einsatz und Nutzen des validierten Modells Im Gegensatz zur automobilen Anwendung ist der Einsatz unseres Motors in vielen unterschiedliche Anwendungen vorgesehen. Hier nur ein kleiner Überblick über mögliche Optionen, die weitreichende Auswirkungen auf das Kühlsystem haben Anwendung im Fahrzeug mit Kabinenwärmetauscher Kundenspezifischer Hauptwasserkühler und Lüfter Weggebauter Kühler, Motor gekapselt (keine Konvektion am Motor) Kundenspezifische Lüfterdrehzahl i.v.m. geänderter Wasserpumpendrehzahl Zusätzliche Wärmetauscher im Luftstrom des Hauptwasserkühlers Sonderfreigaben für extreme Umgebungstemperaturen i.v.m. Leistungseinschränkungen 27

Einsatz und Nutzen des validierten Modells Durch die Verwendung unseres validierten Modells sind wir in der Lage, die Auswirkungen von kundenspezifischen Änderungen auf den Wärmehaushalt des Motors

28 Einsatz und Nutzen des validierten Modells Durch die Verwendung unseres validierten Modells sind wir in der Lage, die Auswirkungen von kundenspezifischen Änderungen auf den Wärmehaushalt des Motors innerhalb kürzester Zeit zu beurteilen und dementsprechend eine Freigabe oder Ablehnung zu erteilen. Bei der Vielfalt der Varianten unserer Produkte und Anwendungen ist tiefgreifendes Systemverständnis unerlässlich für effizientes Customizing. Dies erreichen wir durch den intensiven Einsatz von validierten Simulationsmodellen, im Bereich Kühlsystem insbesondere durch den Einsatz von 1D Simulation. 28

29 Workflow for durability assessment with residual stresses Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 29

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