Bremsscheibe und Abgasstrang sind die heißesten Bauteile eines Fahrzeugs. Die Frage an die thermische Analyse hat meist zwei Ebenen: Übersteht das Bauteil selbst, und überstehen die Teile um es herum?
Bremsen: kurze Dauer, sehr hohe Leistung
Eine Bremse wandelt die kinetische Energie des Fahrzeugs in Sekunden in Wärme um. Die Leistungsdichte ist sehr hoch, die Dauer aber kurz, deshalb bestimmt nicht der stationäre Zustand das Geschehen, sondern die Wärmekapazität und das instationäre Verhalten.
Bei wiederholtem Bremsen staut sich die Wärme, und die Scheibentemperatur steigt stufenweise an. Das kritische Szenario ist nicht eine einzelne Bremsung, sondern wiederholtes Bremsen im Gefälle oder ein Rennzyklus.
Die Kühlkanäle einer belüfteten Scheibe sind ein Problem der Strömungsmaschinen: Die Scheibe ist ihre eigene Pumpe, die Steggeometrie bestimmt den Volumenstrom, und dieser Volumenstrom ändert sich mit der Drehzahl.
Abgasanlage: dauerhaft heiß, Strahlung beherrschend
Der Abgasstrang läuft dauerhaft auf hoher Temperatur. Hier ist die Wärmestrahlung der Hauptmechanismus, und die Wärme erreicht die benachbarten Teile — Kraftstoffleitungen, Kabelbäume, Karosserieteile, Gummiteile — weitgehend durch Strahlung. Siehe die Notiz zur Wärmestrahlung.
Genau dafür gibt es Hitzeschilde, und ihre Wirksamkeit hängt vom Emissionsgrad der Oberflächen und vom Luftspalt dazwischen ab. Die Auslegung eines Schilds ist ein Sichtfaktorproblem.
Das kritische Szenario: Wärmestau nach dem Abstellen
Wenn das Fahrzeug steht, hört die Luftströmung auf, die heiße Masse ist aber noch da. Die Temperatur steigt kurzzeitig an (Heat Soak), und für viele Bauteile ist das der kritische Moment — nicht während der Fahrt, sondern ein paar Minuten nach dem Parken.
Das ist definitionsgemäß ein instationäres, konjugiertes Problem, und eine stationäre Analyse verfehlt es vollständig. Auf der Strömungsseite handelt es sich jetzt um natürliche Konvektion.
Referenzen
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4