Thermomanagement mit CFD – Damit genau das nicht passiert!

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Image 1 Vehicle fire after engine overheating

Bei der Entwicklung eines Sportwagens, an der wir beteiligt waren, sollte ein noch stärkerer Motor eingebaut werden.

Das Problem bei den ersten Prototypen war nicht das Fahren. Hier ist in der Regel bei höheren Geschwindigkeiten ausreichend Fahrtwind vorhanden, der alle relevanten Komponenten wie Motor, Bremsen Kühler und vor allem die heiße Abgasanlage mit ausreichend Kühlluft versorgt.

Abbildung 1 Fahrzeugbrand nach Überhitzung des Motors

Die Probleme traten beim Kaffeetrinken an der Raststätte auf. Das Fahrzeug war ordnungsgemäß abgestellt, bestimmte Kunststoffteile über dem Motor bekamen nun das Nachheizen des Fahrzeugs zu spüren, wurden zu heiß, tropften auf den Motor, entzündeten sich und ein mehrere Millionen teurer Prototyp löste sich in Rauch und Wohlgefallen auf.

Dies war für uns der Beginn, das Nachheizverhalten von Fahrzeugen über CFD-Simulationen gezielt zu betrachten und hierfür geeignete und effiziente Rechenmethoden zu entwickeln.

Anfangs waren die CFD-Modelle, immerhin schon Gesamtfahrzeugmodelle, relativ simpel. Der Motor war ein massiver Block, der eine Anfangstemperatur besaß und über Strahlung und freie Konvektion abkühlte. Der Motorraum wurde nur vereinfacht abgebildet. Später kamen immer mehr Details hinzu, es wurde nicht nur das stehende, sondern auch das fahrende Fahrzeug betrachtet und die Modelle wurden immer umfangreicher.

Auch wenn man es nicht glauben mag, selbst einem Auto kann die Luft ausgehen und die einzelnen Entwicklungsabteilungen (für Bremsen, Motor, Antriebsstrang, Kühlkreislauf) streiten sich um das, was an kühlender Luft ankommt.

Thermomanagement ist die Frage nach der Höhe der Temperatur, die zu verschiedenen Zeitpunkten und Umgebungsbedingungen an verschiedenen Bauteilen auftreten kann und ob diese noch zulässig ist.
Und es ist die Frage danach, was kann man tun, wenn die Temperatur zu hoch ist.

Hier helfen Detailbetrachtungen nur noch bedingt.

Heutzutage kommt das gesamte Fahrzeug in den Rechner. Neben der Strömung über CFD müssen auch die Temperaturen und die Wärmeübertragungsmechanismen wie Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung berücksichtigt werden.

Limitierender Faktor für die Modellgröße ist oft die Strahlung. Doch auch hier schlägt das Moor´sche Gesetz gnadenlos zu und was vor Jahren noch undenkbar war, ist heute schon Stand der Technik.

Wir setzen verschiedene Softwarepaarungen zur CFD-Berechnung und zur Temperaturberechnung ein. Strömung und Temperatur werden dabei in Co-Simulationen transient gelöst.

Werden diese Themen unwichtig, wenn es in Richtung Elektromobilität und Brennstoffzelle geht? Im Gegenteil!

Hier ist die Temperierung der Stacks und der Batterien noch viel wichtiger, Temperaturunterschiede führen zu Verlusten bis hin zu Überhitzungen, Kurzschluss und Brandgefahr. Und einen Brand unter Hochspannung zu löschen ist alles andere als lustig.

Abbildung 2 Thermomanagement Motorraum

Jeder, der als Junge schon mal gegen einen elektrischen Weidezaun gepinkelt hat, weiß das aus eigener Erfahrung. Oder bin ich damit allein?

Thermomanagement mit CFD ist Königsdisziplin.

Arbeiten Sie hier mit uns als einem sehr erfahrenen Partner zusammen. Senden Sie uns eine Mail, wir beraten Sie gerne unverbindlich in einem persönlichen Gespräch.

Ich freue mich auf Sie.

Ihr Stefan Merkle

PS: Auch Motorsägen, Rasenmäher, Elektromotoren und was sonst noch alles in der Garage steht, können zu heiß werden … selbst Werkzeugmaschinen, Panzer und Flugzeuge. Aber das ist eine andere Geschichte.

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