"Der virtuelle Test ist in vielen Fällen bereits zur Realität geworden"

Infolge der gewachsenen Komplexität des gesamten Temperatur-Managements moderner Kraftfahrzeuge in Verbindung mit permanenten Verbesserungen ihrer Verbrennungsmotoren sind die Anforderungen an entsprechende Simulationswerkzeuge in der Entwicklung neuer Modelle stark gestiegen. all4engineers hatte die Gelegenheit, mit Dr. Gotthard Ph. Rainer, Vice President Advanced Simulation Technologies bei AVL, unter anderem über die heutige Rolle der Simulation im Bereich Vehicle Thermal Management System (VTMS) zu sprechen.

Herr Dr. Rainer, welche unterschiedlichen Komponenten sind überhaupt an Prozessen des Temperatur-Managements im Gesamtfahrzeug beteiligt und wie hängen diese zusammen?
Das Vehicle Thermal Management System (VTMS) kann grundsätzlich in drei Teilsysteme eingeteilt werden: den Antriebsstrang inklusive Auspuffsystem, den Motorraum und den Fahrgastraum einschließlich der Lüftungsleitungen und der Klimaanlage.
Die aus dem Verbrennungsprozess generierte Primärenergie wird in wirksame mechanische Energie, thermische Energie, die über die Auspuffgase an die Umgebung geht, mechanische Verluste und thermische Energie, die in Form von Wärmeleitung an die Struktur des Motors geht, aufgeteilt. Der Wärme in der Struktur muss entweder durch Kühlflüssigkeit oder, im Falle eines luftgekühlten Motors, durch Luft abgeführt werden. Ein Teil der durch Wasser, Öl oder Luft abgeführten Wärme kann zum Heizen des Fahrgastraumes verwendet werden, der Rest geht an die Luft im Motorraum. Der im Fall einer Klimaanlage erforderliche Energieaufwand ist Teil der effektiven mechanischen Energie.

Was muss ein Vehicle Thermal Management System heutzutage im Vergleich zu noch vor zehn Jahren mehr leisten?
Im letzten Jahrzehnt erfolgte eine kontinuierliche Erhöhung der Motorleistung zur Verbesserung der Fahrleistung. Gleichzeitig stieg die Komplexität der Systeme aufgrund zusätzlicher Aggregate und Komponenten. Ein zeitgemäßes VTMS muss den Beitrag aller Komponenten des gesamten Fahrzeugs koordinieren, und darüber hinaus sowohl die externe Aerodynamik als auch die des Fahrgastraumes berücksichtigen.
Für einen zuverlässigen und komfortablen Betrieb sind zwei Einsatzbereiche zu berücksichtigen: Der erste betrifft das Kaltstartverhalten des Fahrzeugs. In dieser Phase muss das VTMS einerseits genügend Wärme liefern, um ein rasches Aufheizen des Fahrgastraumes unter kalten Klimabedingungen zu gewährleisten. Andererseits muss für den Antriebsstrang ausreichend Wärme für ein möglichst rasches Erreichen der optimalen Betriebstemperatur bereitgestellt werden, um Reibungsverluste während des Motoraufwärmprozesses zu reduzieren. Der zweite Einsatzbereich ist der Betrieb unter warmen Motorbedingungen. Bei dieser Betriebsart soll das Kühlsystem sicherstellen, dass alle Komponenten des Fahrzeugs adäquat unter allen Fahrzeugbetriebsbedingungen gekühlt werden.

Welche Tools hat AVL speziell für die Simulation des Temperatur-Managements in Fahrzeugen entwickelt? Welche Ergebnisse liefern sie dem Motorenentwickler?
Die AVL Palette umfasst 1-D- und 3-D-Simulationswerkzeuge. AVL BOOST TNG (Thermal Network Generator) kondensiert die Komponenten des Motors zu einem eindimensionalen thermischen Netzwerk. Das 1-D-Ladungswechselprogramm AVL BOOST simuliert den Verbrennungsprozess und folglich die freigesetzte Wärme. AVL FIRE berechnet die Strömung im Zylinderbrennraum und auch das Geschwindigkeitsfeld und die Temperaturverteilung im Kühlwassermantel. Mit dem Fahrzeugsimulationsprogramm AVL CRUISE wird das komplette Fahrzeug modelliert und gleichzeitig die Interaktion zwischen den Teilsystemen gesteuert. Diese Werkzeuge erfüllen damit die Anforderungen des Fahrzeugentwicklungsingenieurs als multidisziplinäre Instrumente zur Evaluierung von Systemen mit verschiedenen Komplexitätsstufen beginnend bei der Fahrzeugkonzeptphase bis zur Serienentwicklung.

Wie fließen die gewonnenen Motordaten konkret in die Entwicklung ein? Wie sieht die Schnittstelle zwischen Simulation und der "Hardware" in der Praxis aus?
Potenzielle Designvarianten werden im Rahmen der Simulation untersucht und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Motorbetriebsverhalten bewertet. Als Beispiele können hier angeführt werden:
- Einfluss der Ladungsbewegung und Brennraumform auf die Flammenausbreitungscharakteristik und die Klopfneigung in Ottomotoren unter Volllastbedingungen
- Auswirkung der Einlasskanalgestaltung und Injektorkonfiguration auf die Gemischbildungscharakteristik und damit auf die Entflammbarkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches in direkteinspritzenden Ottomotoren bei Teillast
- Interaktion von Einspritzsystem und Kolbenmuldengestaltung bei direkteinspritzenden Dieselmotoren hinsichtlich des Brennverlaufs sowie der thermischen Bauteilbelastung bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
Diese Untersuchungen ermöglichen eine Voroptimierung möglicher Designvarianten beziehungsweise eine Vorselektion der aussichtsreichsten Konfigurationen bereits in der Frühphase der Entwicklung. Auf dieser Grundlage lässt sich eine erhebliche Reduktion der Anzahl der in weiterer Folge am Prüfstand zu untersuchenden und zu optimierenden Varianten darstellen.
Die Überprüfung der auf Basis der Simulation voroptimierten Varianten erfolgt in einem nächsten Schritt basierend auf einem engen Zusammenwirken von Simulation und Hardware. Am Prüfstand einfach messbare Größen wie Zylinderdruckverlauf, Zündsignal und Nadelhubverlauf dienen als Eingangsgrößen, mit deren Hilfe eine Simulation der innermotorischen Vorgänge auf Basis "realer" Anfangs- und Randbedingungen möglich ist. Ein Vergleich der auf dieser Basis durchgeführten "Kontrollrechnungen" mit mittels optischer Untersuchungsmethoden (Visiolution) ermittelten zeitlich und räumlich aufgelösten Verbrennungskenngrößen ermöglicht dann eine Bestätigung des gewählten Designs.

In welcher Phase oder in welchen Phasen der Entwicklung kommt der Simulation die größte Bedeutung zu?
Simulation hat in jeder Phase der Entwicklung einen wichtigen Stellenwert: Während der Konzeptphase ist Simulation durch Untersuchung einer großen Anzahl an Varianten die Grundlage für die Absicherung der zu treffenden Entscheidungen. In der Konstruktionsphase sind die diversen Lösungsmöglichkeiten rechnerisch abzusichern. Während der Prototypenphase schließlich hat die Simulation die Aufgabe, Hardwareänderungen vor ihrer Durchführung zu bestätigen beziehungsweise zu überprüfen. AVL entwickelt leistungsfähige Simulationswerkzeuge, die diese Anforderungen erfüllen und den Motorentwicklungsprozess entscheidend unterstützen.

Mit welchen Partnern arbeiten Sie in der Automobilindustrie zusammen und wie würden Sie eine typische Kooperation beschreiben?
Grundsätzlich arbeiten wir mit sehr vielen Partnern in der Automobilindustrie zusammen. Meistens unterliegen die Entwicklungen der Geheimhaltung, da sich die Partner einen zeitlichen Vorsprung beim Einsatz neuer Methoden erwarten. Um Methoden, beispielsweise das thermische Management, zu erforschen beziehungsweise zu entwickeln, wird in der Regel ein entsprechendes Joint-Research-Projekt zwischen dem Partner und AVL definiert und in gleicher Weise wie ein Engineering-Projekt durchgeführt. Häufig stellt der Partner Messungen zur Verfügung, während AVL die Simulationsmodelle entwickelt und mit den Messungen validiert beziehungsweise kalibriert. Die meist notwendige Softwareentwicklung ist ebenfalls integraler Bestandteil des Projekts. In gemeinsamen Meilenstein-Besprechungen wird der Projektfortschritt überprüft. Dabei werden auch Anpassungen des Projekts auf Basis der erzielten Resultate diskutiert und beschlossen. Die Ergebnisse des Projekts sind teilweise Softwaremodule und teilweise Beschreibungen der Methodik. Über ein derartiges Projekt hat zum Beispiel die Firma Mitsubishi FUSO im Rahmen unseres Internationalen Usermeetings in Graz (14. / 15. Oktober 2003) ausführlich berichtet.

Neue Entwicklungen haben Dieselmotoren noch effizienter gemacht, als sie schon waren. Sie geben immer weniger Wärme ab, die zum Beispiel im Winter oft für die sicherheitsrelevante Lüftung recht kurz nach Fahrtbeginn benötigt wird. Wie könnten Software Tools helfen, diesen Zielkonflikt zu lösen?
Die Entwicklung leistungsstarker Computerhardware macht es möglich, Simulationswerkzeuge zusammen mit Optimierungstechniken einzusetzen, um Motor- und Steuerkonzepte zur Überwindung solcher Widersprüche festzulegen. In der mathematischen Optimierung kann man einen oder mehrere Zielwerte definieren und unter Beachtung herstellungs- oder einsatzbedingter Einschränkungen systematisch eine optimale Lösung finden.

Welche Umstände in der Automobilindustrie haben dazu geführt, dass Simulationssoftware heute diesen hohen Stellenwert genießt, zumal Softwareentwicklung von den großen Kunden noch bis vor kurzem quasi als kostenloses Anhängsel betrachtet wurde?
Der Druck vom Markt, Neuentwicklungen in immer kürzeren Zeitintervallen mit mehr Varianten auf der Basis weniger Plattformen bereitzustellen, hat sicher einen starken Einfluss auf die heutige weite Verbreitung der Simulationsanwendungen. Eine große Rolle spielt auch die zunehmende Anforderung an die Zuverlässigkeit der Automobile. Dies ist einerseits eine zwingende Voraussetzung, um die Marktbasis zu erweitern und andererseits eine Voraussetzung, um hohe Servicekosten zu vermeiden. Hinzu kommt, dass neue Verfahren (z.B. direkt einspritzende Ottomotoren oder das Verbrennungssystem HCCI) und Komponentenentwicklungen auf der Basis von neuen Materialien / Legierungen ohne die Simulation nicht durchgeführt werden können, da langjährige Erfahrungen nicht vorhanden sind und somit das "Ingenieurgefühl" nicht angewendet werden kann. Hier ist die Simulation ein wichtiger Schritt, um auch ein wesentlich besseres Verständnis für das Gesamtsystem zu erhalten.
Die Frage hinsichtlich der Kosten ist in dieser Form sicher nicht richtig gestellt: In der Vergangenheit sind hausintern in Forschungsabteilungen Softwareentwicklungen durchgeführt worden, deren tatsächliche Kosten häufig nicht gesehen wurden. Durch den zunehmenden Kostendruck hat sich dies bereits stark geändert. Die Automobilindustrie hat längst erkannt, dass hausinterne Softwareentwicklung einen keinesfalls vernachlässigbaren Kostenfaktor darstellt. Daher werden zunehmend interne Lösungen durch Software von spezialisierten Anbietern ersetzt. Hinzu kommt, dass die Globalisierung auch in diesem Bereich verteiltes Arbeiten erfordert. Daher ist es notwendig, dass Dokumentation und Benutzerführung in unterschiedlichen Sprachen (zumindest in Englisch) vorhanden sind und ein weltweiter Support angeboten wird. Dies kann bei hausinternen Lösungen in der Regel von den Firmen nicht sichergestellt werden.

In welchem Maß können reale Tests in der Motorenentwicklung auf der Komponenten- und Systemebene heute bereits durch virtuelle Tests mit Hilfe mathematischer Simulation ersetzt werden?
Simulation ermöglicht den Aufbau von Gesamtsystemen bereits zu Beginn der Entwicklung während der Konstruktionsphase, selbst zu einem Zeitpunkt, zu dem nur einzelne Komponenten konstruktiv dargestellt sind. Zu diesem Zeitpunkt können Auswirkungen der realen Betriebsbedingungen auf Einzelkomponenten (z.B. Dauerhaltbarkeit) mit Hilfe eines virtuellen Tests bereits vorausgesagt werden. Die Ergebnisse sind dabei wesentlich zuverlässiger als reale Komponententests, die wegen der fehlenden Hardware anderer Systemkomponenten mit Belastungen und Randbedingungen beaufschlagt werden, die nicht den späteren Betriebsbedingungen entsprechen. Der virtuelle Test ist daher in vielen Fällen bereits zur Realität geworden. Dennoch ist der reale Test nach wie vor sehr wichtig, da der virtuelle Test nicht alle Systemgegebenheiten abbilden kann. So muss auf die Berücksichtigung von nichtlinearen Einflüssen häufig verzichtet werden und Toleranzen aus der Fertigung können nicht genügend berücksichtigt werden, da entweder die Informationen fehlen oder aber unsinnig lange Rechenzeiten auftreten würden.

Welche an der Simulation beteiligten Bereiche müssten nach Ihrem Dafürhalten in Zukunft verbessert werden, um die Qualität ihrer Ergebnisse weiter zu steigern?
Die Entwicklung von Simulationswerkzeugen geht in drei Richtungen: Einerseits konzentrieren wir uns darauf, die Leistungsfähigkeit und Rechengeschwindigkeit der Software zu verbessern. Des Weiteren bewegen wir uns in Richtung komponentenbasierter oder integrierter Systeme, das heißt, die Simulationsmethodik geht weg von der Modellierung einzelner Komponenten hin zum integrierten, ganzen System. Die dritte Entwicklungsrichtung ist die bereits erwähnte Integration der Optimierungstechniken in die Simulationssoftware.

Wozu wird nach Ihrer Meinung die Simulation in der Motorenentwicklung in fünf Jahren in der Lage sein? Wo sehen Sie Grenzen?
Die Simulationsmodelle werden intensiv mit dem Ziel weiterentwickelt, Gesamtsysteme durch Einsatz multiphysikalischer Ansätze abbilden zu können. Neben den virtuellen Funktionstests wird die Simulation der Produktionsprozesse eine wichtige Rolle spielen, da diese entscheidenden Einfluss auf das Betriebsverhalten von Komponenten und Systemen haben.
Die Grenzen der Simulation werden nach wie vor darin bestehen, dass die Simulationsmodelle, was sowohl Geometrie als auch Material und Belastung betrifft, weitgehend ideale Zustände abbilden. Die Einbeziehung von Toleranzanalysen sowie die Modellierung hoch nichtlinearer Komponenten wird wegen der teilweise fehlenden beschreibenden Daten und wegen der nach wie vor begrenzten Rechengeschwindigkeit nicht sinnvoll sein. Es ist immer abzuwägen, ob die Simulation oder der Test mehr zur Sicherstellung eines zuverlässigen Produktes beträgt. Beide werden weiterhin ihren Platz in der Entwicklung hochwertiger Produkte haben.

Vielen Dank, Herr Dr. Rainer, für das Gespräch

Zur Person:
Dr. Gotthard Ph. Rainer, Vice President Advanced Simulation Technologies
1973 - Wissenschaftlicher Mitarbeiter, TH Darmstadt
1978 - Forschungsingenieur, AVL
1982 - Abteilungsleiter - Mechanik und Festigkeit / Software / AVL
1986 - Hauptabteilungsleiter - Computer Aided Engineering
1991 - Hauptabteilungsleiter - Strukturanalyse
1996 - Geschäftsbereichsleiter - Advanced Simulation Technologies

Autor(en): Thomas Jungmann

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