Optimierte KÜHlKOnZepte fÜr tier-4-final-mOtOrenDie unterschiedlichen Maßnahmen zur Leistungssteigerung sowie speziell zur reduzierung von

Verbrauchs- und emissionswerten von modernen Motoren in Landmaschinen steigern den Wärme-

eintrag in das Kühlwasser zum Teil signifikant. entsprechend muss ein erhöhter Aufwand für die

Auslegung der Kühlsysteme und für ein geeignetes Thermomanagement betrieben werden. AVL List

setzt dabei sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene auf modernste Simulationsmethoden

und kann so gleichzeitig signifikante einsparungen an entwicklungszeit und -kosten erzielen.

simulAtion

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AufgAbenstellung

Die zur Erfüllung der Tier-4-final-Abgas-richtlinien erforderlichen Maßnahmen, wie gekühlte Abgasrückführung, mehrfache Turboaufladung etc., erhöhen den Wärme-eintrag in das Kühlwasser nachhaltig. Für einen in Traktoren eingesetzten Dieselmo-tor der 350-kW-Klasse beispielsweise steigt die abzuführende Wärmemenge gegenüber Tier 3 mit ungekühlter Abgasrückführung um bis zu 40 %.Die erforderliche Kühlka-pazität allein durch eine Vergrößerung der Kühler zu erreichen, wird nur in Ausnah-mefällen gelingen, da unter anderem der verfügbare Bauraum durch Randbedingun-gen wie ausreichende Manövrierfähigkeit (Lenkeinschlag der Vorderräder) und die gesetzlich reglementierte freie Sicht über die Motorhaube beschränkt wird. Auch ist eine weitere Steigerung der Lüfterleistun-gen aus Effizienz- und Geräuschgründen nicht zielführend.Das Ableiten der bis zu 120 °C heißen Abluft bedarf dabei einer erhöhte Aufmerksamkeit, da weder Front-scheibe, Türgriffe oder Kraftstofftank, noch hitzeempfindliche Nebenaggregate (Licht-maschine, elektrische Pumpen oder Steu-erungskomponenten) den heißen Abluft-strömen direkt ausgesetzt werden dürfen, ❶. Last but not least muss für Lüfter und Thermostate ein intelligentes Thermo- Management erarbeitet werden, um die für die jeweilige Betriebsart benötigte Kühlleis-tung bei minimaler Leistungsaufnahme von Lüftern und Pumpen zu gewährleisten [1].

Ein „right the first time“ ist unter diesen Voraussetzungen mit herkömmlichen Ent-wicklungsprozessen nur schwer erreichbar, da unter anderem Konzeptmängel oder Konstruktionsschwächen anhand physi-scher Prototypen erst in einer fortgeschrit-tenen Prozessphase diagnostiziert werden können. Der Ansatz einer simulationsba-sierenden Entwicklung hingegen erlaubt es, schon sehr früh – auch bevor detail-lierte CAD-Daten oder Hardware vorliegen – Konzepte zu erarbeiten, bei denen prin-zipielle Schwachpunkte frühzeitig erkannt und vermieden werden können, und diese Konzepte auf Basis verfeinerter Analysen kontinuierlich zu optimieren. Durch diese Konstruktionsmethodik werden teilweise erhebliche Zeit- und Kostenvorteile durch die Reduzierung von Konstruktionsände-rungen realisiert.

simulAtionswerkzeuge

Zur strömungsdynamischen und thermi-schen Simulation von Kühlsystemen wer-den – entsprechend der aktuellen Frage-stellung im Entwicklungsprozess – sowohl 1D- als auch 3D-Simulationswerkzeuge eingesetzt [3]. Mit 1D-Simulationsprogram-men erfolgt auf Basis der Wärmemenge die prinzipielle Auslegung des Kühlkreislaufs sowie die Dimensionierung und Spezifi-zierung der einzelnen Komponenten. Da der Modellierungsaufwand bei diesen Sys-temen durch die Verwendung von Schema-modellen sehr gering ist, kann die Cha-

Dipl.-ing. AnDreAs ennemoser ist Leiter CFD-Berechnung bei der

AVL List GmbH in Graz (Österreich).

Dr. Heinz petutscHnig ist leitender Ingenieur Thermal

Managemant bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich).

AuToren

❶ Temperaturverteilung auf der Fahrzeugober fläche und bei SystemkomponentenTemperature distribution on the surface of the body and system components

Apr i l 2012 53

tAsk

The necessary measures for compliance with the Tier 4 final emission standards, such as cooled EGR (Exhaust Gas Recircu-lation) or multiple turbocharging, sub-stantially increase the amount of thermal input into the coolant. For a diesel engine used in tractors of the 350 kW-class the heat quantities to be dissipated can rise by up to 40 %. Radiator enlargement for increased cooling capacity only works in exceptional cases without interference of other systems. Boundary conditions such as sufficient manoeuverability (steering angle of the front wheels) and unobstruct-ed forward view (required by law), limit the available space under the hood. Even a further increase of the fan power is not the right way due to the consequent de-creased global efficiency and the higher noise level. Increased cooling also increas-es the hot air (up to 120 °C) flow that has to be diverted. Neither body components such as the windshield and the door han-dles or the fuel tank nor heat-sensitive auxiliaries such as the generator, electric pumps or electronic control devices are allowed to be directly exposed to hot air-flows, ❶. Finally an intelligent thermal management system for the fan(s) and thermostats has to be developed to guar-antee cooling performance with minimal energy expenditure (performance of fans and pumps) [1].

Under those circumstances a “rightthe-firsttime” is difficult to achieve with the traditional development processes, be-

cause conceptual deficiencies or design faults can only be identified in advanced process stages. The approach of a simula-tion-based development on the other hand allows to elaborate concepts where poten-tial weak points can early be detected or avoided – even before first CAD data or hardware are available – and continuously improved throughout the development process.Because of this design methodology significant time and cost benefits can be realised due to fewer design changes.

simulAtion tools

For the hydraulic and thermal layout of the cooling system 1D and 3D simulation tools are used according to the correspond-ing issues and needs in the development process [3].

The basic layout of the cooling system and the dimensioning and specification of system components are conducted with 1D simulation programmes based on the heat removal capability required. The nec-essary modelling and calculation effort is minimal. Since these programmes need only a schematic model, characteristics of the components can easily and quickly be adjusted to meet the required specifica-tions.

Based on this first conceptual study and the pre-dimensioning of the components, the complete cooling system with all its components, pipes, hoses and cables is modelled in a 3D CAD environment and integrated into the CAD model of the en-tire vehicle.Based on derived 3D models

and the previously defined specifications 3D-CFD programmes can accurately cal-culate the flow conditions, temperature, pressure and heat distributions for the cooling system and the entire engine com-partment.

AVL List has all necessary software tools and an extensive expertise in the integration of engine and cooling systems. Many simulation projects are stored and catalogued in a specially designed know-ledge database (iCAE) [2]. This database supports the engineers to make realistic and in other projects secured assumptions already in the early conceptual phase to limit the number of necessary iteration cycles to as few as possible.

simulAtion in tHe Development process

The seamless integration of powerful sim-ulation tools into the development process is a prerequisite for the optimal use of the numerical simulation technology. The

Optimised COOling COnCepts fOr tier 4 final engines

Dipl.-ing. AnDreAs ennemoser is Manager CFD Simulation at

AVL List GmbH in Graz (Austria).

Dr. Heinz petutscHnig is Lead engineer Thermal

Management at AVL List GmbH in Graz (Austria).

AuTHorS

The different measures for an increase of engine performance as well as those for a reduction of fuel consumption and

emissions of modern engines in agricultural machines significantly increase the amount of heat rejection into the cooling

water. A higher effort has to be done for the layout of the cooling systems and the development of a suitable

thermal management. By relying on most modern simulation methods on component as well as on system level,

AVL List can achieve substantial time and cost savings in the development process.

simulAtion

54 Apri l 2012

rakteristik der verwendeten Komponenten schnell und einfach den gewünschten Spezifikationen angepasst werden.

Basierend auf der Vordimensionierung der Komponenten wird im 3D-CAD das Kühlsystem mit allen Aggregaten, Komponenten und Anschlüssen modelliert und in das 3D-CAD-Fahrzeugmodell integriert. Auf Basis der 3D-Modelle und der zuvor ermittelten Spezifikationen werden mit 3D-CFD-Programmen detaillierte Un-tersuchungen der 3D-Strömungsverhältnisse (Kühleranströmung und Kühlerdurchströmung, Motorraumdurchströmung und Tem-peraturverteilung) durchgeführt.

AVL List verfügt neben den erforderlichen Werkzeugen über eine jahrelange Expertise in der Motor- und Kühlsystemintegration. Zahlreiche (Simulations-) Projekte, die in einer speziell konzi-pierten Wissensdatenbank (iCAE) erfasst und katalogisiert sind [2], erlauben ein automatisiertes Benchmarking und unterstützen die Ingenieure dabei, schon in der ersten Konzeptphase realisti-sche und in vorausgegangenen Projekten abgesicherte Annah-men zu treffen, um so die Anzahl notwendiger Iterationszyklen so gering wie möglich zu halten.

simulAtion im entwicklungsprozess

Grundvoraussetzung für die optimale Nutzung des durch die Si-mulation gebotenen Potenzials ist neben leistungsstarken Simula-tionswerkzeugen die nahtlose Integration in den Entwicklungspro-zess. Ein solcher simulationsgestützter Entwicklungsprozess glie-dert sich in fünf Phasen, ❷:1. Konzept: Auf Basis von 1D-Simulationen wird das Prinzip des

Kühlsystems erarbeitet sowie die erste Spezifikation der Kom-ponenten durchgeführt.

2. Auslegung/Konstruktion: Das Kühlsystem wird mittels 3D-CAD-Layout unter Berücksichtigung gesetzgeberischer, funktio-naler und gestalterischer Vorgaben modelliert.

3. Analyse: Die Untersuchung erfolgt mittels 3D-CFD-Optimie-rung der Kühlkapazität sowie der Motorraumdurchströmung (Umströmung der Bauteile, Druckverluste im Motorraum, Bau-teilhitzeschutz).

4. Performance-Vorhersage: In einer Gesamtfahrzeug-Simulation werden unter Einsatz unterschiedlicher Programme anhand von Fahrzyklen alle relevanten Temperaturen und Drücke so-wie die Kühler- und die Lüfter-Effizienz ermittelt (ATB-Tempe-ratur), um daraus die zu erwartenden Emissions- und Ver-brauchsdaten abzuleiten.

5. Verifizierung: Physische Tests werden auch zukünftig unver-zichtbar sein, allerdings in stark reduziertem Umfang und vor-rangig zur Validierung der Simulation und somit zur finalen Ab-sicherung und Freigabe der Funktion. Auf diese Weise ist es möglich, mindestens eine bis zwei Generationen an Prototypen einzusparen.

stAtionäre Auslegung Des küHlsystems

Die Auslegung geeigneter Kühlkonzepte wird zunehmend kom-plexer, zumal auch die Anzahl an Applikationen/Fahrzeug-varianten steigt und diese den unterschiedlichsten Betriebszu-ständen gerecht werden müssen. Dabei ist nicht nur der reine Fahrbetrieb zu berücksichtigen, sondern beispielsweise auch der Betrieb hydraulischer Zusatzeinrichtungen, für die eine Kühlung

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Apri l 2012

simulation-based development process can be divided into five phases, ❷:1. Concept: Based on 1D simulations the

topology of the cooling system and a first specification of the components are elaborated.

2. Layout/Design: With 3D CAD the cool-ing system is laid out considering legal, functional and design-specific targets.

3. Analysis: The optimisation of cooling capacity and the airflow through the en-gine compartment (flow around compo-nents, pressure losses in the engine com-partment etc.) with 3D-CFD simulation.

4. Performance prediction: A combination of different coupled programmes is used to simulate the entire vehicle based on realistic driving cycles. All rel-evant temperatures and pressures such as the fan and radiator efficiency (ATB-temperatures) are calculated for evalua-tion of expected emission and fuel con-sumption.

5. Verification: Physical testing will be necessary even in the future, but the number of tests will be significantly reduced and mainly serve for the final validation of the simulation. In this way it is possible to save minimum one or two generations of prototypes.

stAtionAry lAyout of tHe cooling system

The layout of viable cooling concepts be-comes increasingly complex because even the number of applications and vehicle variants increases and have to satisfy all requirements for a number of different operating conditions including even the operation of auxiliary equipment for which the cooling of the corresponding supply systems has to be assured.Today such evaluations are mostly processed for qua-si-stationary operating conditions. Tran-sient events in the operation cycles of agricultural machines are not as distinct as in the passenger car and truck segment. Nevertheless, there is an emerging trend toward optimisation of the global energy management based on realistic operating cycles, similar to the standard procedure for passenger cars and trucks.The defini-tion of a concept as well as the selection and dimensioning of the needed compo-nents is made with 1D simulation pro-grammes on the base of existing data or target values. Different concepts can be

compared quickly and the first predictions about the expected radiator and fan effi-ciency can be made. Fundamental decisions such as for the positioning of the radiators can be made very early and checked for their function, ❸.

3D-cfD AnAlysis

With limited under-hood space and a decreasing margin for improvements and corrections in tractors detailed predictions about the system behaviour in a realistic installation become more important. With schematic models of 1D tools such evalu-ations are not possible. 3D-CFD simula-tion programmes are used to calculate the under hood air flow as well as the tem-perature and pressure distributions in the entire engine compartment and to develop targeted measures to positively influence the air flow, ❹. The engineers get a much better impression about processes and de-pendencies and, if necessary, change the packaging or the specifications of compo-nents to reach the defined design goals. For example, specific shaped and posi-tioned air deflection plates can avoid the excessive heating of the tractor’s fuel tank or guide cold air to blow against compo-nents that need to be cooled, ①.

There are areas of special interest: : inflow, cooling and heating of

auxiliaries and components : avoidance of excessive heating of

critical components and parts : maximum homogeneous flow field

through radiators in combination with minimum fan driving power.

Generally there is a significant difference between the idealised flow on the radiator and fan as assumed for the 1D layout and the real conditions. With 3D simulation the realistic flow through the grill, the velocity and pressure distribution on the cooling system can be evaluated. The real efficiency of the cooling system can be evaluated by taking this data and changing the assump-tions made in the 1D simulation,❺. A ho-mogeneous cooling air distribution might increase the efficiency of the tractor radia-tor up to 20 % at unchanged fan power.

energy mAnAgement

The efficiency of measures for reduced fuel consumption and the associated ther-mal management can only be assessed in

the vehicle environment under considera-tion of the energy flows of all subsystems under realistic operating conditions. Even when agricultural machines predominately operate at steady state conditions they experience transient events, such as the change from partial load to full load when hydraulics are actuated, that strongly in-fluence the operating characteristic. Ap-propriate control strategies of auxiliaries like fans, pumps etc. offer a substantial potential for optimisation.

To determine how the factors of different control strategies influence the temperature level and the fuel consumption under re-alistic operating conditions a calculation model of the entire vehicle is needed, where the interaction of all systems, like engine, cooling system, drivetrain, control, and driver are taken into consideration, ❻. In this way optimisations of the entire system can be evaluated where such as auxiliary devices (fan, thermostat, pumps) are controlled in a variable and intelligent way and where systems for waste heat recovery can be assessed and optimised under real operating cycles, which is of most importance for a realistic perform-ance prediction.

summAry

The drastically increased requirements on the cooling systems of diesel-powered agricultural machines force the manufac-turers to use sophisticated development methods and tools to remain competitive in terms of technology and processes.It has been shown that numerical simulation not only enables a significant better product quality in combination with time and cost savings, but often it is the only way to ful-fil increased requirements in an acceptable timeframe and with reduced cost.

references[1] Petutschnig, H.: entwicklung einer Simula-tionsmethodik zur Abbildung des thermischen Managements von Motor und Fahrzeug. Tu Graz, Dissertation, 2007[2] Zieher, F.; ennemoser, A.; Petutschnig, H.: CAe-Wissensmanagement in der Kühlsystem-simulation. ATZ (2011), no. 5, pp. 78–81[3] Petutschnig, H.; ennemoser, A.: Development of efficient cooling systems and thermal manage-ment strategies for “Tier 4 final” HD engines. 69th International Conference Land.Technik Ageng, Hannover, 2011

simulAtion

56 Apri l 2012

der entsprechenden Versorgungssysteme sichergestellt sein muss. Entsprechende Untersuchungen werden heute überwie-gend für quasi- stationäre Betriebsbedin-gungen durchgeführt. Zwar sind transien-te Vorgänge bei Landmaschinen längst nicht so ausgeprägt wie im Pkw- und Nutzfahrzeug- Bereich, wo die Optimie-rung des gesamten Energiemanagements auf der Basis realistischer Fahrzyklen längst ein fester Entwicklungsbestandteil ist, trotzdem ist auch hier ein Trend er-kennbar, zukünftig verstärkt solche Optimierungsmaßnahmen durchzuführen.Die Definition eines Konzepts sowie die Auswahl und Dimensionierung der erfor-derlichen Komponenten erfolgt auf Basis vorhandener Daten oder Zielwerte mit 1D-Simulationsprogrammen. Unterschied-liche Konzepte können so schnell mitein-ander verglichen und erste Untersuchun-gen der zu erwartenden Kühler- beziehungsweise Lüfter-Effizienz angestellt werden. Grundsatzentscheidungen, wie zum Beispiel die Kühleranordnung, lassen

sich so sehr früh auf ihre Funktion unter-suchen, ❸.

3D-cfD-AnAlyse

Die Kenntnis des Systemverhaltens in der konkreten Einbausituation gewinnt an gesichts des engen Bauraums sowie

eines immer geringer werdenden Spiel-raums für Verbesserungen beziehungs-weise Korrekturen in Traktoren zuneh-mend an Bedeutung. Mit den mit Sche-mamodellen arbeitenden 1D-Program-men sind solche Untersuchungen aller-dings nicht möglich, weshalb hierzu 3D-CFD-Programme eingesetzt werden, mit denen sich der Strömungsverlauf sowie die Temperatur- und Druckverteilung im gesamten Motorraum untersuchen lässt. Darauf basierend können gezielte Maß-nahmen zur Beeinflussung der Strö-mungsführung entwickelt werden, ❹. Ingenieure erhalten so ein wesentlich besseres Bild der Abläufe und Zusam-menhänge und können gegebenenfalls gezielt Änderungen des Packaging oder der Spezifikationen vornehmen. Bei-spielsweise kann durch entsprechend geformte und positionierte Luftleitbleche eine direkte Anströmung und somit übermäßige Erwärmung des Tanks von Traktoren vermieden oder aber eine ge-zielte Umströmung von zu kühlenden Komponenten erreicht werden, ①. Spezi-elles Augenmerk gilt dabei der: : Anströmung, Kühlung beziehungsweise

Erwärmung von Zusatzaggregaten und Komponenten

: Vermeidung unzulässiger Erwärmung von kritischen Komponenten und Bauteilen

: homogenen An- beziehungsweise Durchströmung der Wärmetauscher bei minimaler Lüfterleistung.

Während in der Auslegung eine idealisierte Anströmung von Wärmetauscher bezie-hungsweise Lüfter angenommen wurde, sind die Verhältnisse im realen Traktor-betrieb meist deutlich anders. Mit der

❷ Prozessschritte einer integrierten SimulationslösungProcess steps of an integrated simulation solution

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Apri l 2012 57

simulAtion

3D-CFD-Simulation wird detailliert die Geschwindigkeits- und Druckverteilung ermittelt, mit der das Kühlsystem beauf-schlagt wird. Anhand dieser Daten kön-nen die Annahmen der 1D-Simulation entsprechend modifiziert und die tatsäch-

liche Effizienz des Kühlsystems unter der realen Einbausituation ermittelt werden, ❺. Eine homogene Kühlluftbeaufschlagung kann die Effizienz des Traktorkühlers bei gleichbleibender Lüfterleistung um bis zu 20 % steigern.

energiemAnAgement

Die Effizienz von verbrauchsmindernden Maßnahmen und des zugehörigen Thermo-managements kann nur im Fahrzeugver-bund unter Berücksichtigung der Energie-

❹ Darstellung der Strömungs-geschwindigkeiten der Luft unter der Motorhaube (Längsschnitt) Flow velocity under the hood (longitudinal section)

❸ Simulationsmodell für die 1D-Simulation eines Kühlsystems Simulation model for the 1D analysis of a cooling system

simulAtion

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DO

I: 10

.136

5/s3

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-003

3-3

flüsse aller Teilsysteme und unter reali-tätsnahen Betriebsbedingungen beurteilt werden. Zwar überwiegen im Landma-schinenbereich stationäre Betriebsbedin-gungen, aber auch hier können transiente Vorgänge, wie beispielsweise der Wechsel von Teillast zu Volllast bei Zuschaltung von Hydraulik, das Betriebsverhalten deutlich beeinflussen. Geeignete Regel-strategien für Nebenaggregate (Lüfter, Pumpen etc.) bieten entsprechend ein erhebliches Optimierungspotenzial.

Um simulieren zu können, wie die Ein-flussfaktoren unterschiedlicher Regelstra-tegien sich auf das sich einstellende Tem-peraturniveau und den Verbrauch im rea-len Traktorbetrieb auswirken, wird ein Berechnungsmodell des Gesamtfahrzeugs benötigt, bei dem die entsprechenden Teilbereiche Motor, Kühlung, Antrieb, Steuerung, Fahrer etc. interagieren, ❻. Auf diese Weise können Optimierungen des Gesamtsystems durchgeführt werden, bei denen beispielsweise die Hilfsaggre-gate (Lüfter, Pumpen etc.) variabel und intelligent gesteuert oder Systeme zur Abgas-Abwärmenutzung (waste heat re-covery) in realen Betriebszyklen bewertet und optimiert werden.

zusAmmenfAssung

Die drastisch gestiegenen Anforderungen an die Kühlsysteme von dieselgetriebenen Landmaschinen zwingen die Hersteller, modernste Entwicklungsmethoden ein-zusetzen, um sowohl technologisch als auch prozesstechnisch konkurrenzfähig zu bleiben. Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz der numerischen Simulation da-bei nicht nur eine deutlich bessere Pro-duktqualität bei gleichzeitiger Zeit- und Kosteneinsparung ermöglicht, sondern oftmals auch die einzige Möglichkeit darstellt, die hohen Anforderungen über-haupt in einem zeitlich und finanziell vertretbaren Rahmen zu erfüllen.

literAturHinweise[1] Petutschnig, H.: entwicklung einer Simulati-onsmethodik zur Abbildung des thermischen Managements von Motor und Fahrzeug. Tu Graz, Dissertation, 2007[2] Zieher, F.; ennemoser, A.; Petutschnig, H.: CAe-Wissensmanagement in der Kühlsystem-simulation. ATZ (2011), nr. 5, S. 78–81[3] Petutschnig, H.; ennemoser, A.: Development of efficient cooling systems and thermal manage-ment strategies for „Tier 4 final” HD engines. 69th International Conference Land.Technik Ageng, Hannover, 2011

❺ realistische Annahmen (unter anderem inhomogenes Strömungsfeld am Kühlereintritt) für die Berechnung der realen Kühlleistung mittels 3D-CFD-Simulation 3D-CFD simulation enables realistic prediction of the real radiator performance

❻ Gesamtfahrzeugmodell für die Simulation und Analyse transienter FahrzyklenGlobal vehicle model for the analysis of transient driving cycles

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