optimiertes G2x Intake - von der Entwicklung bis zur Fertigung

Ich werde im Unterkasten eine Art "Soundklappe" einkonstruieren, die dann Wahlweise eingebaut oder weggelassen werden kann. Man hat dann eine Öffnung, die Richtung Schlossträger zeigt. So erhoffen wir uns, dass mehr Ansaugsound generiert werden kann. Durch die Öffnung könnte es sein, dass der Druckverlust minimal ansteigt, was dann die Performance ein wenig beeinflussen könnte. Das messen wir dann aber noch im CFD. So hätten wir dann ebend eine Option, die jeder für sich selber ausloten kann. Eventuell hättet ihr da ja auch noch Tipps für uns, wie wir das gestalten könnten. Ich weiß ja, dass BMW auch mal dieses BMW Performance Luftfilterkasten Unterteil mit einer roten Öffnung am Markt hat...hatte, die ähnliches bewirkt.

Gruß

Robin

Kleines Update aus der Konstruktion – diesmal Einblick in den Unterkasten.

Damit haben wir in der Entwicklung angefangen, weil hier die Basis für die komplette Strömungsführung entsteht.

Luftfilterkasten G2x Unterkasten_1.jpg

Auf dem ersten Bild sieht man die Aufnahmepunkte für das Hitzeschutzblech.

Das Thema ist aktuell noch offen, da nicht jedes Fahrzeug diese Befestigung in der Form hat. Wir überlegen hier, ob wir im Werkzeug mit Schiebern arbeiten, um je nach Variante kleine Unterschiede im Kasten abbilden zu können.

Ist aber ehrlich gesagt noch nicht final entschieden – vielleicht hat hier jemand aus dem Formenbau oder der Serienfertigung Erfahrungswerte, was in so einem Fall am sinnvollsten ist.

Luftfilterkasten G2x Unterkasten_2.jpg

Auf dem zweiten Bild sieht man die Unterseite mit den Aufnahmen für die Gummihalter und die Befestigungspunkte im Fahrzeug.

Die Herausforderung hier:

Diese Geometrien lassen sich so, wie sie aktuell ausgeführt sind, nicht sauber im RIM-Werkzeug abbilden.

Unser aktueller Ansatz ist deshalb:

• diese Bereiche separat im MJF-Verfahren aus PA12 zu drucken
• anschließend in den Kasten einzubringen
• mechanisch zu verschrauben und zu sichern

Jetzt sind wir gerade an dem Punkt, wie wir das Ganze optimal lösen:

• nur verschrauben (z. B. mit formschlüssiger Verbindung)
• zusätzlich kleben
• oder mit Schraubensicherung arbeiten

Da würde mich interessieren, ob jemand von euch da schon praktische Erfahrungen hat – gerade was Langzeitstabilität, Vibrationen und Temperaturzyklen im Motorraum angeht.

Ich habe jetzt bewusst noch den Flansch für den Luftfilter ausgelassen, da ich so schneller und sauberer die CFD Geometrie erarbeiten kann.

Unabhängig davon sieht man schon ganz gut, dass wir in der Geometrie deutlich „weicher“ und strömungsgünstiger arbeiten als das OEM-Teil – weniger harte Kanten, mehr Radien.

Wie viel das am Ende wirklich bringt, schauen wir uns dann sauber in der CFD an.

Freue mich auf euren Input.

Grüße

Robin

Kurzes Update zum Oberteil des Luftfilterkastens.

Der aktuelle Stand ist jetzt soweit aufgebaut, dass wir mit der ersten CFD-Simulation starten können.

Heißt: Die Geometrie ist konstruktiv erstmal in einem Zustand, in dem wir Strömung, Druckverhältnisse und Verteilung im System sinnvoll bewerten können.

Luftfilterkasten G2x Oberkasten_1.jpg

Wichtig dabei:

Das hier ist noch kein finales Design, sondern erstmal die technische Grundlage für die Simulation. In diesem Schritt geht es uns primär darum zu verstehen:

• wie sich die Luft im Kasten verteilt
• wo hohe Strömungsgeschwindigkeiten entstehen
• wo mögliche Totzonen oder Verwirbelungen auftreten
• und wie gleichmäßig die Filterfläche tatsächlich angeströmt wird

Luftfilterkasten G2x Oberkasten_2.jpg

Gerade die Übergänge und Radien im Oberteil spielen dabei eine größere Rolle, als man auf den ersten Blick denkt. Kleine Änderungen in der Geometrie können dort bereits Einfluss auf Druckverlust und Strömungsqualität haben.

Man sieht vielleicht auch schon, dass wir versuchen, die Luft möglichst weich und geführt umzulenken, statt mit harten Richtungswechseln zu arbeiten wie man sie oft bei klassischen Geometrien sieht.

Hier seht ihr auch mal die ursprüngliche bionische Rohform aus der Topologieoptimierung. Diese wurde vorab erstellt und diese habe ich für die grobe Konstruktion als Vorgabe genutzt. Natürlich habe ich hier schon darauf geachtet, dass ich die Geometrie später auch vernünftig entformen kann, wobei wird nicht immer auf Hinterschneidungen achten müssen, da unsere flexiblen Formen auch sehr gut komplexe Geometrien entformen ohne großen Verschleiß.

Luftfilterkasten G2x bionische Form.jpg

Dann sieht man ganz gut, wie aus der „reinen Strömungsform“ Schritt für Schritt eine fertigungsgerechte Konstruktion entsteht.

Genau dieser Übergang ist aus meiner Sicht eigentlich der spannendste Teil an der Entwicklung:

Die Balance zwischen maximal sinnvoller Strömungsführung und realer Umsetzbarkeit im späteren Serienbauteil.

Sobald die ersten CFD-Ergebnisse da sind, teile ich die natürlich auch mit euch.

Grüße

Robin

Danke für die Nachfrage.

Tatsächlich sind wir inzwischen schon einen Schritt weiter, als es der aktuelle Stand hier im Thread vermuten lässt. Ich habe es in den letzten Wochen leider nicht geschafft, die Entwicklung regelmäßig zu dokumentieren, obwohl im Hintergrund einiges passiert ist.

Die ersten CFD-Simulationen sind bereits gelaufen, die Konstruktion wurde mehrfach angepasst und der erste Prototyp wurde inzwischen gefertigt und auch schon im Fahrzeug verbaut.

In den nächsten Beiträgen werde ich die CFD-Auswertungen nachreichen und zeigen, welche Erkenntnisse wir daraus gewonnen haben. Gerade die Gegenüberstellung von OEM-Geometrie und unserer bionisch optimierten Strömungsführung ist dabei sehr interessant.

Zur Frage bezüglich Vorserienmodellen:

Aktuell ist nicht geplant, Vorserienstände an Kundenfahrzeuge herauszugeben. Dafür ändern wir in dieser Phase noch zu viele Details und möchten sicherstellen, dass am Ende jeder Kunde ein vollständig entwickeltes und getestetes Produkt erhält.

Was wir uns aber sehr gut vorstellen können, ist eine besondere Einführungsphase für die ersten Serienteile. Schließlich wart ihr von Anfang an mit dabei.

Wenn das Projekt erfolgreich in Serie geht, werden wir uns für die Community auf jeden Fall etwas einfallen lassen, sodass diejenigen profitieren können, die den Entwicklungsprozess von Anfang an begleitet haben.

Als Nächstes folgen dann die CFD-Ergebnisse. Dort wird man erstmals sehen können, wo die größten Druckverluste im OEM-System entstehen und welche Auswirkungen die bionische Geometrie auf die Strömung und die Druckverluste hat.

Grüße

Robin

Wie angekündigt, kommen jetzt endlich die ersten CFD-Auswertungen.

Die Ergebnisse liegen tatsächlich schon etwas länger vor und waren für uns letztendlich auch der ausschlaggebende Punkt, den ersten Prototypen zu fertigen. Da ich beruflich die letzten Wochen ziemlich eingespannt war, bin ich leider erst jetzt dazu gekommen, sie hier vernünftig aufzubereiten.

Die Simulationen wurden jeweils unter identischen Randbedingungen mit einer Luftmasse von 500 g/s durchgeführt. Damit legen wir den Luftfilterkasten bewusst oberhalb der größten Serienleistungsstufe aus, sodass auch Fahrzeuge mit höheren Leistungsstufen ausreichend Reserven haben.

Das wichtigste Ergebnis vorweg:

Wir konnten den Druckverlust gegenüber dem OEM-Luftfilterkasten um rund 20 % reduzieren.

Zusätzlich verfügt unser Luftfilterkasten über rund 20 % mehr internes Fluidvolumen. Dadurch schaffen wir mehr Reserven für höhere Massenströme, was insbesondere bei späteren Leistungssteigerungen interessant ist. Gleichzeitig profitieren nach unseren bisherigen Erfahrungen auch Serienfahrzeuge, da eine effizientere Strömungsführung unabhängig von der Motorleistung die Verluste im Ansaugtrakt reduziert.

An dieser Stelle möchte ich aber auch ganz klar sagen, dass der OEM-Luftfilterkasten bereits auf einem sehr hohen Entwicklungsniveau ist. BMW muss bei einem Großserienbauteil viele Randbedingungen berücksichtigen, die wir nicht haben – beispielsweise Spritzgusswerkzeuge, Entformungsrichtungen, Hinterschneidungen, Zykluszeiten und wirtschaftliche Serienfertigung.

Genau hier liegt unser Vorteil. Durch den eigenen Formenbau und das RIM-Verfahren haben wir wesentlich mehr Gestaltungsfreiheit und können Geometrien umsetzen, die sich stärker an der optimalen Strömung orientieren. Das harmoniert perfekt mit unserem bionischen Entwicklungsansatz.

Vergleich Strömungssimulation Druck LK G2x.jpg

Zum ersten Bild – Druckverteilung:

Hier erkennt man sehr gut, dass sich der statische Druck in unserem Luftfilterkasten deutlich homogener verteilt. Hohe lokale Druckgradienten wurden reduziert und der Luftstrom wird gleichmäßiger bis zum Auslass geführt.

Das bedeutet letztendlich, dass entlang des gesamten Luftwegs weniger Energie verloren geht. Der Turbolader muss also weniger Arbeit verrichten, um die gleiche Luftmasse bereitzustellen. Genau diese Reduzierung der Verlustleistung im Ladungswechsel ist einer der Hauptansätze unserer Entwicklung.

Vergleich Strömungssimulation Geschwindigkeit LK G2x.jpg

Zum zweiten Bild – Strömungsgeschwindigkeit:

Hier wird besonders deutlich, wie sich die Luft innerhalb des Luftfilterkastens bewegt.

Im OEM-Kasten entstehen an einigen Stellen relativ hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten. Diese entstehen häufig durch abrupte Querschnittsänderungen oder Richtungswechsel und führen zwangsläufig zu stärkeren Verwirbelungen sowie lokalen Druckverlusten.

Unser Ziel war es deshalb nicht, die Luft einfach nur schneller durch den Kasten zu schicken, sondern die Geschwindigkeit möglichst gleichmäßig zu verteilen.

Man erkennt, dass die Luft bereits am Einlass deutlich sauberer in den Luftfilterkasten einströmt und sich anschließend wesentlich homogener über die gesamte Filterfläche verteilt. Dadurch wird die Filterfläche gleichmäßiger genutzt und es entstehen weniger Bereiche mit hohen lokalen Geschwindigkeiten.

Besonders zufrieden sind wir mit dem Bereich direkt vor dem Auslasstrichter. Dort konnten wir die lokalen Verwirbelungen deutlich reduzieren. Die Luft strömt wesentlich ruhiger in Richtung Luftmassenmesser aus, wodurch dieser gleichmäßiger angeströmt wird. Gerade für eine saubere Messung des Luftmassenstroms ist das aus unserer Sicht ein wichtiger Punkt.

Genau diese Details sieht man von außen später überhaupt nicht – sie machen aber am Ende den Unterschied aus. Die bionischen Formen entstehen also nicht aus optischen Gründen, sondern weil sie sich aus der Topologieoptimierung und den anschließenden CFD-Iterationen ergeben haben.

Für uns waren diese Ergebnisse letztendlich der Punkt, an dem wir gesagt haben: Jetzt lohnt sich der erste Prototyp. Der ist inzwischen bereits gefertigt und im Fahrzeug verbaut. Den zeige ich euch als Nächstes.

Außerdem werden wir den Prototypen am kommenden Wochenende auf dem BMW Syndikat ausstellen. Wer dort ist, kann sich das Teil gerne einmal live anschauen.

Danach geht es mit dem nächsten spannenden Thema weiter: Wie entsteht aus dieser Konstruktion eigentlich ein Serienteil? Dann zeige ich euch unseren Formenbau sowie die Fertigung im RIM-Verfahren. Ich denke, genau dieser Teil dürfte für viele ebenfalls interessant sein, weil man so etwas normalerweise kaum zu sehen bekommt.

Grüße

Robin

Gute Frage. 🙂

Der Luftfilter ist tatsächlich in der Simulation berücksichtigt, man sieht ihn in der Darstellung nur nicht.

In der CFD wird der Filter als sogenannte Blackbox bzw. als poröses Medium abgebildet. Das bedeutet, dass der reale Strömungswiderstand des Filters mit seinen entsprechenden Kennwerten in die Berechnung einfließt, ohne jede einzelne Filterfalte modellieren zu müssen. Das würde den Rechenaufwand enorm erhöhen, ohne einen nennenswerten Mehrwert für diese Fragestellung zu bringen.

Uns ging es bei dieser Auswertung hauptsächlich darum, die Strömung vor und nach dem Filter sowie die Auswirkungen der Gehäusegeometrie zu bewerten.

Der Druckverlust des Filters selbst ist also bereits Bestandteil der Simulation – dargestellt wird lediglich das Gehäuse bzw. die Strömung darin.

Gruß

Robin