Beitrag zur modellbasierten Emulation von Fluidkühlern zur Abbildung der thermischen Zustände des realen Fahrbetriebs am Prüfstand

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieure und Wissenschaftler im Bereich der Mess- und Prüfstandstechnik von Kraftfahrzeugen. Sie befasst sich mit der Emulation von Fahrzeugkühlern zur Abbildung der thermischen Zustände des realen Fahrbetriebs am Prüfstand. Die zwei behandelten Themenschwerpunkte sind die Konzeption eines dynamischen Medienkonditioniersystems und die Entwicklung eines instationären echtzeitfähigen Kühlermodells für dessen Ansteuerung. Das zuerst vorgestellte Konzept zur Medienkonditionierung erlaubt es durch einen direkten Wärmeaustausch und eine modellbasierte Regelung transiente Temperaturverläufe, wie sie im realen Fahrbetrieb auftreten, am Prüfstand darzustellen. Mit der im zweiten Schwerpunkt behandelten sequenziellen wegbasierten Modellbildung als neuen physikalisch basierten Berechnungsansatz ist es erstmals möglich alle für das dynamische Wärmeübertragerverhalten wesentlichen Effekte in Echtzeit abzubilden.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort ………………III
Inhaltsverzeichnis ……………. V
Nomenklatur…………………. VII
Kurzfassung ………………… XIII
Abstract…………………… XIV
1 Einleitung ………………………………..1
1.1 Motivation der Arbeit …………….1
1.2 Wissenschaftliche Zielsetzung der Arbeit …………………….6
1.3 Gliederung der Arbeit……………..8
2 Systemkonzeption einer dynamischen Medienkonditionierung … 10
2.1 Stand der Wissenschaft und Technik ………………… 13
2.2 Hydraulische Grundstruktur der vorgeschlagenen Medienkonditionierung …. 20
2.3 Modellbasiertes Regelungskonzept des Konditioniersystems …. 26
2.3.1 Einfluss der Wahl der Stelleinrichtung …………….. 31
2.3.2 Regelung der Temperatur…………………….. 33
2.3.3 Regelung des Wärmestroms ………………….. 36
2.4 Analyse und Optimierung der Systemdynamik ……….. 37
2.4.1 Streckendynamik …………………….. 37
2.4.2 Messung sich schnell ändernder Temperaturen …………… 38
2.4.3 Dynamik des Ventilstellers und der Durchfluss-Sensorik …. 47
2.5 Anpassung des hydraulischen Verhaltens des substituierten Kühlers ……….. 47
2.5.1 Anpassung des Kühlwasservolumens ………… 48
2.5.2 Anpassung des Druckwiderstands des Konditioniersystems ….. 49
3 Wegbasiertes Kühler-Simulationsmodell ….. 53
3.1 Stand der Wissenschaft und Technik …………….. 53
3.1.1 Grundlagen der Wärmeübertragung und Ähnlichkeitstheorie ……. 53
3.1.2 Modellbildung von Wärmeübertragern…………….. 64
3.2 Geometrische Verhältnisse am realen Fahrzeugkühler ……….. 82
3.3 Anforderungen an das Modell …………………. 85
3.4 Vorüberlegungen zum Modellkonzept …………. 89
3.5 Theorie der sequenziellen wegbasierten Modellbildung des Kühlers ………… 92
3.5.1 Konzept der sequenziellen wegbasierten Modellierung ………. 93
3.5.2 Berechnung bei niedrigen Massenströmen ……………. 98
3.5.3 Modellierung der Verteil- und Sammelbehälter……………… 99

3.5.4 Übergang zwischen zeit- und wegbasierter Berechnung ………. 102
3.6 Methodik zur Bestimmung der Wärmedurchgangsfähigkeiten…………. 104
3.6.1 Bestimmung aus der Theorie ……………… 105
3.6.2 Bestimmung mittels Messung………………….. 114
3.6.3 Bestimmung mittels vereinfachter Vorgehensweise …………. 115
3.6.4 Vergleich der verschiedenen Vorgehensweisen…………. 118
3.7 Diskretisierung …………………….. 119
3.7.1 Ausmaß der Diskretisierung ………………. 120
3.7.2 Einfluss auf die Temperaturdifferenz und die Wärmeübertragung ……… 121
3.7.3 Berücksichtigung des Diskretisierungseinflusses …………… 128
3.8 Einordung der neuen Berechnungsmethodik …………… 135
4 Validierung des neuen Wärmeübertragermodells ……….. 140
4.1 Ergebnisse der Kühlerberechnung ……………… 140
4.1.1 Temperaturverlauf im stationären Zustand …………… 140
4.1.2 Synthetischer Temperatursprung……………… 142
4.2 Validierung am Kühlerprüfstand ……………… 144
4.2.1 Prüfeinrichtung zur Identifikation des transienten Kühlerverhaltens …… 145
4.2.2 Vergleich von Experiment und Modellrechnung…………. 151
5 Experimentelle Untersuchung der dynamischen Medienkonditionierung . 155
5.1 Technische Ausführung des dynamischen Konditioniersystems …. 155
5.2 Validierung des Konzeptes …………….. 157
5.3 Anwendung am Antriebsstrangprüfstand……………….. 159
6 Zusammenfassung und Ausblick …………………….165
Anhang A Grundlagen…………………….. 168
A.1 Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübergangs …………… 168
A.2 Methoden zur Ermittlung der Wärmeübergangsbeziehungen………… 176
A.3 Wärmeübergang an berippten Rohren ………….. 180
A.4 Gegenüberstellung der stationären Berechnungskonzepte …… 183
Anhang B Daten des untersuchten Wärmeübertragers ……….. 184
B.1 Technische Daten……………………. 184
B.2 Betriebsdaten ………………. 187
B.3 Instrumentierung Kühlerprüfstand ………………… 187
Anhang C Verwendete Stoff- und Materialdaten………………. 188
Literaturverzeichnis ………………….. 189

Keywords: Thermomanagement, Prüfstand, realer Fahrbetrieb, Kühleremulation, Medienkonditionierung, Wärmeübertragermodell, Simulation, Echtzeit, thermal management, test bed, real-world driving conditions, radiator, media conditioning, heat exchanger model, simulation, real time