TY - THES

T1 - Mechanische und thermische Simulation eines Formel 1 Einzylinder-Prüfstandsmotors bei extrem hohen Spitzendrücken

AU - Kübler, Patrick

N1 - gesperrt bis 19-03-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Damit auch zukünftig Pankl Kurbeltriebs–Komponenten unter den stetig steigenden Belastungen, vor allem in der Formel 1, erprobt werden können, wurde ein von Grund auf neuer Einzylinder–Prüfstandsmotor für das Formel 1 Reglement 2021 entwickelt und konstruiert. In der vorliegenden Arbeit wird auf Basis der vorhandenen Motorgeometrie aus dem CAD und einer bereitgestellten Motorprozessrechnung eine thermische- und mechanische FEM–Simulation des neu entwickelten Prüfstandsmotors unter Spitzendrücken von bis zu 400 bar durchgeführt. Darüber hinaus erfolgt ein Festigkeitsnachweis ausgewählter Bauteile. Das Ziel ist es, während des noch laufenden Entwicklungsprozesses die auftretenden Belastungen in der Motorstruktur vorauszuberechnen und Verbesserungsmaßnahmen vornehmen zu können, bevor ein erster Prototyp gebaut wird. Nachdem im ersten Schritt ein geeignetes Berechnungsmodell erstellt wurde, erfolgte anschließend mithilfe des gekoppelten Einsatzes von FE- und 3D-CFD–Simulation die Berechnung des Kühlmantels. Aus der Analyse der Ergebnisse hat sich besonders im Einlassbereich ein großes Optimierungspotenzial ergeben. Daraufhin wurde ein Strömungsrichter entwickelt und konstruiert, der speziell an die Kühlmantelgeometrie angepasst ist. Zusätzlich wurde der Übergang zwischen Eintritts- und Zylinderbereich konstruktiv modifiziert. Durch die Integration des neuentwickelten Strömungsrichters in den Einlasskanal, kombiniert mit dem optimierten Übergangsbereich, können die Druckverluste gegenüber der Originalgeometrie um ca. 51% reduziert werden. Des Weiteren werden auch die Turbulenzen in der Strömung massiv reduziert. Die Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten ist durch die Optimierung deutlich gleichmäßiger. Das Temperaturfeld des Motors wurde sowohl für die Originalgeometrie des Motors, als auch für die optimierte Kühlmantelgeometrie, berechnet. Mit dem optimierten Kühlmantel kann beim Motorblock Oberteil stellenweise eine Reduktion der Temperatur von bis zu 4,4% und beim Liner von bis zu 3,3% erreicht werden. Mithilfe der aus der CFD–Simulation gewonnenen Erkenntnisse ist das Verbesserungspotenzial von additiv gefertigten Strömungsleitbauteilen in den Kühlmänteln von Einzylindermotoren deutlich geworden. Auf Basis der mechanischen FEM – Simulation konnte schlussendlich die Festigkeitsberechnung durchgeführt werden. Dabei wird bei allen ausgewählten Bauteilen die Sicherheit gegen Dauerbruch nachgewiesen. Somit ist der Betrieb bei Spitzendrücken von bis zu 400 bar gewährleistet.

AB - Damit auch zukünftig Pankl Kurbeltriebs–Komponenten unter den stetig steigenden Belastungen, vor allem in der Formel 1, erprobt werden können, wurde ein von Grund auf neuer Einzylinder–Prüfstandsmotor für das Formel 1 Reglement 2021 entwickelt und konstruiert. In der vorliegenden Arbeit wird auf Basis der vorhandenen Motorgeometrie aus dem CAD und einer bereitgestellten Motorprozessrechnung eine thermische- und mechanische FEM–Simulation des neu entwickelten Prüfstandsmotors unter Spitzendrücken von bis zu 400 bar durchgeführt. Darüber hinaus erfolgt ein Festigkeitsnachweis ausgewählter Bauteile. Das Ziel ist es, während des noch laufenden Entwicklungsprozesses die auftretenden Belastungen in der Motorstruktur vorauszuberechnen und Verbesserungsmaßnahmen vornehmen zu können, bevor ein erster Prototyp gebaut wird. Nachdem im ersten Schritt ein geeignetes Berechnungsmodell erstellt wurde, erfolgte anschließend mithilfe des gekoppelten Einsatzes von FE- und 3D-CFD–Simulation die Berechnung des Kühlmantels. Aus der Analyse der Ergebnisse hat sich besonders im Einlassbereich ein großes Optimierungspotenzial ergeben. Daraufhin wurde ein Strömungsrichter entwickelt und konstruiert, der speziell an die Kühlmantelgeometrie angepasst ist. Zusätzlich wurde der Übergang zwischen Eintritts- und Zylinderbereich konstruktiv modifiziert. Durch die Integration des neuentwickelten Strömungsrichters in den Einlasskanal, kombiniert mit dem optimierten Übergangsbereich, können die Druckverluste gegenüber der Originalgeometrie um ca. 51% reduziert werden. Des Weiteren werden auch die Turbulenzen in der Strömung massiv reduziert. Die Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten ist durch die Optimierung deutlich gleichmäßiger. Das Temperaturfeld des Motors wurde sowohl für die Originalgeometrie des Motors, als auch für die optimierte Kühlmantelgeometrie, berechnet. Mit dem optimierten Kühlmantel kann beim Motorblock Oberteil stellenweise eine Reduktion der Temperatur von bis zu 4,4% und beim Liner von bis zu 3,3% erreicht werden. Mithilfe der aus der CFD–Simulation gewonnenen Erkenntnisse ist das Verbesserungspotenzial von additiv gefertigten Strömungsleitbauteilen in den Kühlmänteln von Einzylindermotoren deutlich geworden. Auf Basis der mechanischen FEM – Simulation konnte schlussendlich die Festigkeitsberechnung durchgeführt werden. Dabei wird bei allen ausgewählten Bauteilen die Sicherheit gegen Dauerbruch nachgewiesen. Somit ist der Betrieb bei Spitzendrücken von bis zu 400 bar gewährleistet.

KW - Einzylinder-Prüfstandsmotor

KW - Verbrennungsmotoren

KW - Simulation

KW - Finite-Elemente-Methode

KW - Computational-Fluid-Dynamics

KW - Festigkeitsberechnung

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KW - Simulation

KW - Finite-Elemente-Methode

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KW - Festigkeitsberechnung

M3 - Masterarbeit

ER -