Mit Simcenter Amesim VTM: Automobilzulieferer halbiert die Anzahl physischer Prototypen

Herausforderungen in einem anspruchsvollen Umfeld bewältigen

Klimaanlagen (AC) werden von den Verbrauchern bei den meisten Neuwagen als „Must-have“ angesehen. Das Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel HFC-134a – der weltweite Standard – wird jedoch als eine Ursache für den Klimawandel angesehen. Daher hat die Europäische Union (EU) Vorschriften erlassen, wonach die Verwendung dieser Verbindung ab 2011 schrittweise eingestellt und die Verwendung umweltfreundlicherer Alternativen vorgeschrieben wird. Bis 2018 wird HFC-134a in Neuwagen, die in der EU verkauft werden, verboten sein. Es wird erwartet, dass Japan bald nachziehen wird.

Ganz oben auf der Liste der Alternativen steht das Kältemittel CO2 (Kohlendioxid), auch bekannt als R-744. Dieses Gas gilt als deutlich umweltfreundlicher als Fluorkohlenwasserstoffe und sorgt für eine um 25 Prozent schnellere Abkühlung. Darüber hinaus können CO2-Systeme umgekehrt werden und somit bei kaltem Wetter als Heizung für den Fahrgastraum dienen – ein klarer Vorteil für Elektroautos, die sonst Strom aus den Batterien verbrauchen, sowie für Verbrennungsmotoren (insbesondere Dieselmotoren), die hohe Betriebstemperaturen benötigen, um effizient zu laufen.

Die Umstellung auf CO2 wird jedoch nicht einfach sein. Der Gasdruck kann bis zu zehnmal höher sein als bei Systemen auf Fluorkohlenstoffbasis, sodass Kompressoren, Dichtungen und andere wichtige Komponenten speziell konstruiert werden müssen. Um eine optimale Leistung zu erzielen, muss das CO2-Kältemittel über seiner überkritischen Temperatur von 31 Grad Celsius (C) gehalten werden, sodass ein Gaskühler den klassischen Kondensator mit R134a-Kreislauf ersetzen muss. CO2-Systeme erfordern zudem einen speziellen Wärmetauscher, der die Hoch- und Niederdruckseite voneinander trennt. Einigen Branchenbeobachtern zufolge könnte diese Komplexität der Konstruktion – zusammen mit einem längeren Entwicklungszyklus und zusätzlichen physischen Prototypentests zur Verfeinerung der Konstruktionen – dazu führen, dass einige der ersten CO2-basierten Systeme 30 Prozent mehr kosten könnten als herkömmliche Varianten.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich CO2 bislang nicht als globaler Standard etabliert hat. Im Gegenteil, die Vereinigten Staaten haben keine Pläne, HFC-134a einzustellen, und China hat erhebliche Investitionen in die Produktion von HFC-134a getätigt. Darüber hinaus suchen die Anbieter von Fluorkohlenwasserstoffen aktiv nach alternativen Mischungen wie HFO-1234yf, das ein geringeres Ozonabbaupotenzial aufweist und in Klimaanlagen als direkter Ersatz für HFC-134a eingesetzt werden kann. Folglich müssen Anbieter von Klimaanlagen Systeme für verschiedene Regionen der Welt entwickeln, die auf Kältemittelspezifikationen basieren, die sich jederzeit ändern können.

Derzeit stehen die Anbieter von Klimaanlagen vor der Herausforderung, diese unterschiedlichen Anforderungen mit Systemen zu erfüllen, die sich nahtlos in das Gesamtfahrzeug integrieren lassen, um eine optimale Kühlleistung und einen optimalen Fahrgastkomfort bei minimalem Motorwiderstand und minimalen Schadstoffemissionen zu gewährleisten. Angesichts immer schnellerer Entwicklungszyklen im Automobilsektor sind die Anbieter von Klimaanlagen bestrebt, diese komplexen Konstruktionen besser, schneller und kostengünstiger als ihre Mitbewerber zu entwickeln und den Automobilherstellern als Erste eine optimale Systemleistung zu bieten. Die Geschwindigkeit der Konstruktion ist ebenso entscheidend wie die Fähigkeit, alle komplexen thermischen, mechanischen und elektronischen Steuerungsprobleme im Zusammenhang mit einer Klimaanlage zu berücksichtigen.

Einfacher Zugang

Viele Klimaanlagenhersteller und Automobilhersteller nutzen Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management (VTM) für die Konstruktion von Klimaanlagen und die Vorhersage ihrer Leistung. Mit dieser Lösung können Ingenieure das Verhalten von Komponenten in Bezug auf Motortemperatur, Abgaswerte, Zusatzausstattung, Innenraumklima und andere Faktoren analysieren, um die beste Kombination zu ermitteln.

Mit der Software Simcenter Amesim™, Teil des Simcenter-Portfolios von Siemens Digital Industries Software, können Ingenieure einfach auf die erforderlichen Tools und Bibliotheken zugreifen, um Simulationsmodelle zu erstellen, Simulationen durchzuführen und Ergebnisse grafisch darzustellen.

Einer der Automobilzulieferer, der diese Lösung von Siemens PM Software einsetzt, ist der japanische Zulieferer Calsonic Kansei. Mit mehr als 50 Jahren Erfahrung in diesem Bereich ist das Unternehmen einer der wenigen Anbieter, der komplette Klimaanlagen entwickelt und herstellt. Calsonic Kansei hat dafür gesorgt, dass seine modularen Konstruktionen und kompakten Einheiten den Anforderungen der Fahrzeughersteller hinsichtlich der Reduzierung des Innenraums entsprechen. Darüber hinaus wird die Position des Unternehmens als Tier-1-Klimaanlagenlieferant durch seine Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Motorkühlsystemen, Fahrzeugluftzirkulationsanlagen, Abgassystemen, Armaturenbrettmodulen und elektronischen Klimatisierungssystemen gestärkt.

Junichiro Hara, Senior Engineer und Projektmanager für die Entwicklung innovativer Klimaanlagen- und Motorkühlungsmodule bei Calsonic Kansei, erklärt, dass für die Erstellung der Modelle und die Durchführung von Simulationen mit der Simcenter Amesim-Software keine erfahrenen Programmierer erforderlich sind. Ingenieure ziehen einfache Symbole – vordefinierte 1D-Elemente, die aus Bibliotheken in den verschiedenen physikalischen Bereichen ausgewählt werden – per Drag & Drop an die gewünschte Stelle und verbinden sie miteinander, um ein einheitliches physikalisches Modell zu erstellen. Das Blockdiagramm ist eine recht einfache Skizze, aber es liegen validierte dynamische Informationen zugrunde, eine real funktionierende eindimensionale Darstellung aller verschiedenen Teile des Klimaanlagensystems. Die Ingenieure von Calsonic Kansei modellierten nicht nur alle Teile des Systems, sondern verbanden auch die Teilsysteme miteinander, um die vollständige Interaktion zwischen Klimaanlage, Kabine und Motor zu simulieren.

Optimierung der Leistung

Zunächst wählten die Ingenieure die Symbole für jede einzelne Komponente der Klimaanlage aus, wie den Kompressor, den Verdampfer und die Rohrleitungen sowie die Kältemittelleitungen im Gaskühler und Verdampfer. Komponenten unterschiedlicher Größe wurden entsprechend den Fahrzeuganforderungen ausgetauscht und miteinander verbunden, um die warmen und kalten Kältemittelkreisläufe darzustellen. Anschließend wurden die thermophysikalischen Eigenschaften von CO2 als Kältemittel modelliert und die 1D-Simulation durchgeführt, um die thermische Leistung der Klimaanlage sowie das Verhalten einzelner Teile zu untersuchen.

Simcenter Amesim ermöglicht Ingenieuren den Zugriff auf eine Vielzahl von Diagrammen und Tabellen, um verschiedene Aspekte des Klimaanlagensystems zu bewerten. Mollier-Druck-Enthalpie-Diagramme zeigen den Zustand des Kältemittels in jeder Phase des Kühlkreislaufs. Sie können auch die Druckwerte am Einlass und Auslass des Kompressors sowie den Wärmeaustausch im Gaskühler überprüfen. Änderungen der Gasmassenanteile können an verschiedenen Stellen im Kältemittelkreislauf grafisch dargestellt werden. Mit detaillierten Informationen wie diesen konnten die Ingenieure von Calsonic Kansei problemlos Sensitivitätsanalysen für kritische Parameter durchführen, um die bestmögliche Leistung der Klimaanlage zu ermitteln.

Parallel dazu arbeiteten die Ingenieure am Modell des Fahrzeuginnenraums und verwendeten verschiedene Symbole, um Gebläse, Luftkanäle, Fenster, thermische Eigenschaften der Wände, Sonnenwärmefluss, interne und externe Konvektion sowie Umgebungswärmestrahlung darzustellen. Durch die Verknüpfung des Modells des Fahrgastraums mit dem Modell der Klimaanlage konnten die Ingenieure die Abkühlungsrate, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum berechnen und dabei sogar unterschiedliche Wetter- und Fahrbedingungen berücksichtigen. Durch die Verwendung des eindimensionalen Modells in diesem frühen Stadium des Prozesses können Ingenieure kritische Systemkomponenten wie Kanäle und Ventilatoren genau dimensionieren und Strategien zur Klimaregelung testen. Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management wurde auch verwendet, um eine Lebensdaueranalyse hinsichtlich der Auswirkungen von Korrosion und Verunreinigungen auf die Wärmetauscher und andere Teile durchzuführen.

Anschließend ging das Team mit der Simcenter Amesim-Lösung noch einen Schritt weiter und untersuchte die Gesamtenergiebilanz zwischen Motor und Schmier- und Kühlsystemen, Brennkammer, Lufteinlass und Auspuffrohren. Durch die Verknüpfung des Motormodells mit der Klimaanlage und den Fahrgastzellenmodellen konnten die Ingenieure die Motorleistung, den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen optimieren und gleichzeitig den bestmöglichen Fahrgastkomfort bieten.

Reduzierung von Prototypen

„Mit unseren bisher intern entwickelten Programmen war die Erstellung von technischen Berechnungen und die Erfassung von Versuchsdaten sehr zeitaufwendig, selbst wenn es darum ging, die Leistung der Klimaanlage unter transienten Bedingungen wie Abkühlung und Schwankungen der Fahrzeuggeschwindigkeit annähernd zu ermitteln“, berichtet Hara. „Außerdem war es bisher unmöglich, die Motoreigenschaften in den Entwicklungsprozess einzubeziehen. Mit Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management können wir schnell und genau vorhersagen, wie das gesamte Klimatisierungssystem funktionieren wird, wobei eine Vielzahl von Bedingungen berücksichtigt werden, die sonst nicht einbezogen würden.

„Das Schöne an Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management ist, dass das einmal erstellte und verifizierte Modell als Grundlage für eine Vielzahl zukünftiger Konstruktionen verwendet werden kann, ohne jedes Mal bei Null anfangen zu müssen“, erläutert Hara. „Die Ingenieure geben lediglich neue Parameter ein, um unterschiedliche Fahrzeuganwendungen zu berücksichtigen, und führen Simulationen durch, um die Leistung der Klimaanlage schnell vorherzusagen.

„Wenn es voll einsatzfähig und in die Systementwicklung integriert ist, deutet alles darauf hin, dass der simulationsbasierte Prozess mit Lösungen von Siemens Digital Industries Software mindestens 80 Prozent genauer sein wird als aktuelle Methoden und die Anzahl der physischen Prototypen um die Hälfte reduzieren wird – ein klarer geschäftlicher Vorteil in Bezug auf die Senkung der Entwicklungskosten und die Verkürzung der Reaktionszeit auf Kundenanfragen nach Angeboten.“

Eine der spannendsten Perspektiven von Simcenter Amesim Vehicle Thermal Management für Calsonic Kansei ist dessen Verwendung als Verkaufswerkzeug zur Demonstration der Kühlleistung und anderer Leistungsmerkmale.

„Die genaue Darstellung des Komforts für die Passagiere und der Auswirkungen des Systems auf die Motorleistung und die Abgasemissionen ist eine wichtige Funktion“, sagt Hara. „In den kommenden Jahren werden uns simulationsbasierte Konstruktionsprozesse sicherlich einen Wettbewerbsvorteil beim Wachstum unseres Geschäfts verschaffen, da sich der globale Markt für Fahrzeugklimaanlagen auf umweltfreundlichere Kältemittel verlagert.“