ATZonline ist Teil von Springer Professional, der Kombination aus einer digitalen Fachbibliothek und aktuellen redaktionellen Beiträgen.
Springer Science + Business Media Deutschland GmbH
Um die Effizienz von aufgeladenen Verbrennungsmotoren zu steigern, haben die beiden Automobilzulieferer Mahle und Behr an einem 1,2-l-Dreizylinder-Ottomotor das Prinzip der kaskadierter Ladeluftkühlung erprobt und als Prototypen auf Motorenprüfständen getestet. Sie wollen damit die Auswirkungen der Ladelufttemperatur vor Eintritt in den Zylinder auf die Verbrennung untersuchen und Lösungen für eine effektive Ladeluftkühlung erarbeiten.
Denn die Temperatur der Ladeluft hat einen wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung und somit auf die Effizienz des Motors. Nach der Kompression erreicht sie bei hoch aufgeladenen Motoren im Volllastbereich Werte von deutlich über 200 Grad Celsius. Damit sinkt die Dichte des Luftstroms während die thermische Belastung der Motorkomponenten zunimmt. Diese Effekte verhindern eine effiziente Ladeluftkühlung. Und mit steigendem Aufladegrad wächst die Notwendigkeit, die komprimierte Luft zu kühlen. Der Ladeluftkühlung kommt daher zunehmend eine Schlüsselrolle zu.
Indirekte Ladeluftkühlung
Ein großes Potenzial bei der Ladeluftkühlung birgt die Minderung der Druckverluste der Ladeluft über das Kühlsystem. Bei einer indirekten Kühlung der Ladeluft über einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf kann der Kühler motornah zwischen Verdichter und Drosselklappe angebracht werden. Die großvolumigen Ladeluftschläuche der direkten Ladeluftkühlung entfallen dadurch und werden durch wesentlich dünnere Kühlmittelleitungen ersetzt und so die Integration des Systems in verschiedene Motorarchitekturen vereinfacht. Insbesondere wird aber der Druckverlust um rund 50 Prozent im Vergleich zum direkten System gesenkt. Darüber hinaus steht dem Motor bei einem plötzlichen Lastsprung deutlich länger kühlere Luft zur Verfügung.
Deutlich verstärkt werden die Vorteile durch eine Integration des indirekten Ladeluftkühlers in das Luftansaugmodul (i2LLK). Das Packaging verbessert sich nochmals deutlich und der Druckabfall verbessert sich gegenüber der direkten Ladeluftkühlung sogar um bis zu 80 Prozent.
Die wesentlichen Auswirkungen hat nun Mahle an einem 1,2-l-Dreizylinder-Ottomotor untersucht. So führt die Kühlung der Ladeluft zu einem größeren Massenvolumenstrom auf der Einlassseite. Die Verbrennung wird dadurch erheblich verbessert, die Klopfneigung nimmt ab und der Zündzeitpunkt kann vorverlegt werden. Analog erhöht sich auch die Dichte des Volumenstroms im Abgas, wodurch der Turbolader besser anspricht. Bei niedrigen Drehzahlen führt das zu einer verbesserten Dynamik und zu einem erhöhten Drehmoment. Bei hoher Drehzahl und Last senkt die gekühlte Ladeluft den Anfettungsbedarf.
Am Versuchsmotor wurde bei einer Umgebungstemperatur von 24 Grad Celsius eine Temperaturabsenkung der Ladeluft schrittweise von 60 auf 30 Grad Celsius untersucht. Die größten Verbesserungen ergaben sich dabei zwischen 45 bis 30 Grad Celsius. Als maximales Potenzial beim 1,2-l-Dreizylinder ergab sich unter Volllast bei konstantem Drehmoment eine Kraftstoffeinsparung von bis zu rund 5 Prozent durch die Vorverlegung des Zündzeitpunkts. Der positive Effekt verstärkt sich bei leistungsstärkeren und größeren Motoren nochmals erheblich.
Ein alternativer Ansatz wäre, die geringere Ladelufttemperatur zu nutzen, um bei gleichem Verbrauch das Drehmoment zu erhöhen. Das Resultat: 7 Prozent mehr Drehmoment bei Volllast im niedrigen Drehzahlbereich. Die niedrige Ladelufttemperatur kann also auf zwei Arten genutzt werden: entweder zur Absenkung des Verbrauchs oder zur Steigerung des Drehmoments. Das niedrige Temperaturniveau der Ladeluft ist dabei allerdings mit einer herkömmlichen Kühlung nicht zu erreichen.
Kühlungskonzepte für die kaskadierte Ladeluftkühlung
Je größer der Motor und höher die Leistung, desto größer wird die abzuführende Wärmemenge auf die Ladeluft. Das tiefste zu erreichende Temperaturniveau ist theoretisch die Umgebungstemperatur. Ebenfalls gesetzt ist, dass die gesamte Wärmemenge über einen oder mehrere Wärmeübertrager abgeführt werden muss. Als limitierendes Element steht am Ende der Kette also immer ein Luft/Luft- oder Luft/Kühlmittelkühler.
Um bei den zunehmend hohen Leistungsanforderungen ein ideales Temperaturniveau der Ladeluft zu erreichen, wird eine Kühlung in zwei Stufen erforderlich. Bei dieser "kaskadierten" Ladeluftkühlung kann die Ladeluft in einer ersten Stufe in einem indirekten Ladeluftkühler ("Pre-Cooler") über den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf des Motors vorgekühlt werden. In der Simulation am Dreizylindermotor mit einer Außentemperatur von 24 Grad Celsius trifft hier die Luft mit circa 170 Grad Celsius auf etwa 90 bis 100 Grad Celsius warmes Kühlwasser und wird dadurch auf etwa 120 Grad Celsius abgekühlt.
Diese vorgekühlte Ladeluft wird anschließend in einer zweiten Stufe in einem zweiten indirekten Ladeluftkühler durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf weiter abgekühlt. Im Betriebspunkt Volllast bei 4000/min beispielsweise erreicht die kaskadierte Kühlung eine Ladelufttemperatur von 38 Grad Celsius. Zum Vergleich: Eine bereits optimierte einstufige indirekte Ladeluftkühlung kommt hier nur auf 44 Grad Celsius. Im Betriebspunkt Volllast bei 6000/min erreicht die kaskadierte Ladeluftkühlung sogar ein Temperaturniveau von 32 Grad Celsius.
Zwei mögliche Auslegungen bieten sich bei der kaskadierten Ladeluftkühlung an:
- Der Pre-Cooler wird als indirekter Ladeluftkühler motornah verbaut, der zweite Ladeluftkühler wird als i2LLK in das Ansaugmodul integriert. Dieser modulare Aufbau ermöglicht es beispielweise bei einer Motorenbaureihe mit mehreren Leistungsstufen, eine Variante mit "einfacher" indirekter Ladeluftkühlung und eine andere Variante mit kaskadierter Ladeluftkühlung zu nutzen.
- Beide Kühlstufen werden als i2LLK in das Luftansaugmodul integriert und so die Vorteile der i2LLK auf die kaskadierte Ladeluftkühlung übertragen: geringer Druckverlust, sehr gutes Ansprechverhalten und verbessertes Packaging.