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April 2013
Johannes Lutz
Methodik zur numerischen Simulation der Kolbenkühlung im Hinblick auf Verbrauchspotentiale und erhöhte Leistungsdichte
In der Notwendigkeit einer weiteren Verbrauchssenkung in den vorgeschriebenen Fahrzyklen ist die Ottomotorenentwicklung aktuell auf eine zunehmende Steigerung der spezifischen Leistung durch Direkteinspritzung und Aufladung gerichtet. Trotz der resultierenden erheblichen Zunahme der mechanischen und thermischen Belastung des Kolbens, muss dessen Dauerhaltbarkeit durch intelligente Kühlkonzepte auch zukünftig sichergestellt werden. Darüber hinaus sind in Teillastbereichen durch eine reduzierte Kolbenkühlung noch zusätzliche Wirkungsgradpotentiale zu erschließen. Entscheidend dafür ist die genaue Kenntnis der thermischen Randbedingungen am Kolben zur Bestimmung der Bauteiltemperaturen.
Während auf der Verbrennungsseite schon gut validierte Methoden zur Simulation des Wärmeeintrags existieren, ist die Modellierung der Wärmeabfuhr noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Ursache liegt in den bisher nur unzureichend analysierten Wärmeübergangsverhältnissen an der Kolbeninnenkontur und Lauffläche, die sich bisher sowohl infolge des komplexen Charakters der Zweiphasenströmung der Spritzölkühlung, als auch aufgrund der starken Ringdynamik im Motorbetrieb einer detaillierten Analyse entzogen haben. Durch Einsatz der numerischen Strömungsmechanik zur Berechnung der Ölspritzkühlung und eines Matlab basierten Programms zur Bestimmung der Wärmeübergangsverhältnisse an der Kolbenseite, werden im Rahmen dieser Arbeit die thermischen Randbedingungen präzisiert und führen damit zu genaueren Kenntnissen des instationären und mittleren Wärmeflusses durch den Kolben und in die Zylinderbuchse. Diese Randbedingungen erlauben es nun, lastpunktabhängig Kolben- und Buchsentemperaturverteilungen simulativ zu bestimmen und schaffen die Grundlage zur präzisen mechanischen und thermischen Auslegung des Grundmotors.
Während auf der Verbrennungsseite schon gut validierte Methoden zur Simulation des Wärmeeintrags existieren, ist die Modellierung der Wärmeabfuhr noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Ursache liegt in den bisher nur unzureichend analysierten Wärmeübergangsverhältnissen an der Kolbeninnenkontur und Lauffläche, die sich bisher sowohl infolge des komplexen Charakters der Zweiphasenströmung der Spritzölkühlung, als auch aufgrund der starken Ringdynamik im Motorbetrieb einer detaillierten Analyse entzogen haben. Durch Einsatz der numerischen Strömungsmechanik zur Berechnung der Ölspritzkühlung und eines Matlab basierten Programms zur Bestimmung der Wärmeübergangsverhältnisse an der Kolbenseite, werden im Rahmen dieser Arbeit die thermischen Randbedingungen präzisiert und führen damit zu genaueren Kenntnissen des instationären und mittleren Wärmeflusses durch den Kolben und in die Zylinderbuchse. Diese Randbedingungen erlauben es nun, lastpunktabhängig Kolben- und Buchsentemperaturverteilungen simulativ zu bestimmen und schaffen die Grundlage zur präzisen mechanischen und thermischen Auslegung des Grundmotors.
Schlagwörter: Kolbenkühlung; Ölspritzkühlung; Kolbentemperatur; Numerik; VOF; Finite-Volumen-Methode; Strömungsmechanik; Wärmeübergang; Freistrahl; Prallstrahl; Kolbenreibung
Schriftenreihe des Lehrstuhls Fahrzeugtechnik und -antriebe der BTU Cottbus
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg, Cottbus
Band 5
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Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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