Modellierung und Vorhersage des präzisen thermischen Verhaltens von Verbrennungsmotoren in 3D- und 1D-Simulationen

Abstract

Das Ziel dieser Forschung ist eine Methodik für die prädiktive 1D - Thermomanagement-simulation des Wassermantels für Verbrennungsmotoren zu entwickeln. Die Modelle sollen ohne großen Konfigurationsaufwand belastbare Aussagen über das thermische Verhalten des Kühlkreislaufes im Motor liefern. Es sollen optische PIV - Messungen im Wasserkreislauf am Kurbelgehäuse eines Versuchs-trägers gemacht werden. Des Weiteren sollen Vollmotormessungen an einem Motoren-prüfstand durchgeführt werden mit dem Fokus auf dem thermischen Verhalten. Anhand der CAD - Daten und der Messungen sollen 3D - CFD Simulationen aufgebaut, kalibriert und validiert werden. Außerdem sollen Methoden für die 1D - Diskretisierung erarbeitet werden. Dazu gehören Rand- und Übergangsbedingungen, Bestimmung der Submodelle, Validation der Modelle und Analyse der Ergebnisse. Für die erarbeiteten Methoden soll der Geltungsbereich untersucht und festgelegt werden. Es werden die Methoden für Randbedingungen, Übergangsbedingungen, Diskretisierung, Mo-dellbedatung, Wahl der Submodelle formuliert und auf einen Motor angewendet. Das Ergebnis der Arbeit wird eine Vereinfachung für die 1D - Modellerstellung der Kühlwasser-mantelsimulation des Verbrennungsmotors sein. Die Arbeit stellt einen Leitfaden der Vor-gehensweise beim Modellerstellungsprozess dar. Sie wird wichtige Schwerpunkte und sensible Bereiche bei der Modellerstellung aufgreifen und aufzeigen. Das Ergebnis wird eine Zeitver-kürzung bei der Entwicklung von Thermomanagementmodellen für die 1D - Simulation sein, außerdem werden die notwendigen Kompetenzen für die Modellerstellung minimiert.

The aim of this research is to develop a methodology for the predictive 1D - thermal management simulation of the water jacket for internal combustion engines. The models should provide reliable information about the thermal behavior of the cooling circuit in the engine without great configuration effort. The aim is to make optical PIV measurements in the water cycle on the crankcase of a test engine. Furthermore, engine test bench measurements be performed with focus on the thermal behavior. Based on the CAD - data and the measurements, 3D - CFD simulations are to be set up, calibrated and validated. In addition, methods for the 1D - discretization will be developed. These include boundary and transition conditions, determination of sub models, validation of models and analysis of results. For the methods developed, the scope should be examined and determined. The methods for boundary conditions, transition conditions, discretization, model specification, choice of sub models are formulated and applied to a motor. The result of the work will be a simplification for the 1D - modeling of the cooling water jacket simulation of the internal combustion engine. The work is a guide to the procedure in the modeling process. It will pick up and point out important focal points and sensitive areas in the modeling process. The result will be a time reduction in the development of thermal management models for 1D - simulation, as well as minimizing the necessary modeling skills.