EinlEitung

Der Verbrennungsmotor bleibt auf abseh­bare Zeit der dominierende Antrieb für Fahrzeuge. Das bedeutet aber auch, dass seine Weiterentwicklung den nächsten Stufen der Emissionsgesetzgebung stand­halten muss. Neben den messbaren Ab ­gaswerten bleibt der Erhalt von Fahrspaß, Fahrdynamik und ­komfort weiterhin eine wichtige Zielgröße. Eine Möglich­keit, diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Anhebung der spezi­fischen Leistung bei Motoren mit redu­ziertem Hubraum. Ein wesentlicher Schlüssel dazu ist die Aufladung. Prob­lematisch werden dabei die steigenden Ladelufttemperaturen. Daher haben Mahle und Behr ein neues Ladeluftkühl­

system entwickelt, mit dem auch dieser nächste Entwicklungsschritt des Verbrennungsmotors bewältigt werden kann. Um das System Lade­luftkühlung vollständig zu verstehen und erfolgreich weiterentwickeln zu können, ist Fachwissen aus verschiede­nen Bereichen notwendig. Mit ihren Kernkompetenzen in den Bereichen Kühlsysteme, Luftmanagement und innermotorische Zusammenhänge sind beide dafür die idealen Partner. Die Zusammenarbeit bringt zu dem alle not­wendigen Entwicklungswerkzeuge und ­einrichtungen zusammen. Die gemein­sam entwickelte zweistufige Ladeluft­kühlung wird als kaskadierte Ladeluft­kühlung bezeichnet.

Im Vorfeld der Arbeiten

haben die Vorent­wicklungsabteilun­

gen die Auswirkun­gen der Ladelufttem­

peratur auf den Kraftstoffverbrauch quantifiziert und als signifikant einge­stuft: Durch die Kühlung der Ladeluft wird die Verbrennung er heblich verbes­sert, die Klopfneigung nimmt ab. Unter hoher Last kann so der Zündzeitpunkt früher liegen und die Verbrennung mit einem höheren Wirkungsgrad stattfin­den. Durch den hö heren Massenstrom spricht zudem der Turbolader besser an. Bei niedrigen Drehzahlen führt das zu einer verbes serten Dynamik und zu erhöhtem Drehmoment. Bei hoher Dreh­

Autoren

JürgEn StEhlig ist Leiter des Produktentwicklungs­

segments Luftansaugmodule bei der Mahle Filtersysteme GmbH

in Stuttgart.

rEnE DingElStaDt ist Projektleiter in der Voraus­

entwicklung bei der Mahle International GmbH in Stuttgart.

rolf MüllEr war bis november 2012 entwick­

lungsingenieur in der Vorentwicklung Motorkühlung bei der Behr GmbH &

Co. KG in Stuttgart.

JaMES taylorist Projektleiter im Bereich thermo­

dynamik und Applikation bei der Mahle Powertrain Ltd. in

northampton (Großbritannien).

Entwicklung AuFLAdunG

218

LuftansaugmoduLe mit integrierter kaskadierter LadeLuftkühLungSteigende Ladedrücke bei turboaufgeladenen Motoren führen zu immer höheren Ladelufttemperaturen. damit

steigen nicht nur die thermischen Belastungen für Ladeluftkühler und Luftansaugmodul. die immer höheren

temperaturen wirken sich auch negativ auf die Verbrennung aus. Als Folge verschlechtern sich bei steigendem

Verbrauch das Ansprech verhalten und die drehmomentabgabe des Motors. Als wesentliche Weiterentwicklung

der integrierten indirekten Ladeluftkühlung haben Mahle und Behr die kaskadierte Ladeluftkühlung entwickelt

und untersucht.

Bauart – reihen­dreizylindermotor

huBrauM cm3 1200

Bohrung mm 83

huB mm 73,9

VErDichtungSVErhältniS – 9,3:1

aBgaSturBolaDEr – BMtS 2011

nEnnlEiStung kW bei 1/min 120 bei 5000 bis 6000

SpEzifiSchE lEiStung kW/l 100

MaxiMalES DrEhMoMEnt nm bei 1/min 286 bei 1600 bis 3500

SpEzifiSchES DrEhMoMEnt nm/l 238

MotorStEuErung – Mahle Flexible eCu (MFe)

kaliBriErung – AFt_nCod_2011­04­07A

EinSpritzung – Bosch­Mehrlochdüse (Siebenloch)

zünDkErzE – Bosch M10

MotorgEwicht kg 125

kraftStoff ron 98

Öl – 0W40 Mobil 1

kühlMittEl – 50/50 G12+

❶ Technische Daten des Versuchsmotors

zahl und Last senkt die gekühlte Lade­luft zudem den Anfettungsbedarf und damit den Kraftstoffverbrauch.

EinfluSS DEr laDElufttEMpEratur

Der Wirkungsgrad von Ottomotoren ist unter anderem abhängig von der Schwer­punktlage der Verbrennung. Aus physi­kalischen Gründen liegt ein Wirkungs­gradoptimum vor, wenn 50 % des Kraft­stoffs bei 8 bis 10 °KW nach OT verbrannt sind. Um Klopfen bei höheren Lasten zu vermeiden, muss der Zündzeitpunkt auf einen späteren Punkt verschoben wer­den. Damit ist die optimale Schwerpunkt­lage nicht mehr möglich, der Motor ver­liert an Effizienz. Die Abgastemperatu­ren steigen hierbei an, im Bereich der Nennleistung erhöhen sie sich auf kriti­sche Werte. Um Bauteilschädigungen im Auslassbereich oder an der Turbine zu vermeiden, wird üblicherweise zusätz­lich Kraftstoff zur Kühlung eingespritzt. Hohe Aufladegrade und Verdichtungs­verhältnisse verschärfen diese Proble­matik. Die Temperatur der Ladeluft hat unmittelbaren Einfluss auf die Klopf­neigung und den Anfettungsbedarf. Durch Absenkung der Ladelufttempera­tur erweitert sich der effizient nutzbare Betriebsbereich des Motors.

ErgEBniSSE auS DEM MotorEnVErSuch

Das neue kaskadierte Ladeluftkühl­system wurde exemplarisch an einem modernen hochaufgeladenen 1,2­l­Drei­zylinder­Ottomotor untersucht. Aus­schlaggebend für die Wahl des Motors war die hohe spezifische Leistung von 100 kW/l beziehungsweise der hohe Aufladegrad von 2,7 bar (absolut), ❶,

bei dem sich die Auswirkungen einer geänderten Ladelufttemperatur ideal beobachten lassen. Im Fokus des Moto­renversuchs lagen insbesondere Kraft­stoffverbrauch, Motordynamik sowie Leistungs­ und Drehmomententfaltung. Die stationär angefahrenen Messpunkte verteilen sich auf die Bereiche Klopfbe­grenzung und Anfettung, ❷. Außerdem wurde das dynamische Verhalten anhand eines Lastsprungs bei 2000/min beur­

03I2013 74. Jahrgang 219

teilt. Für die Messungen wurden die Temperaturen der Ladeluft im Verteiler­kanal nach Kühleraustritt zwischen 70 und 30 °C variiert.

VolllaSt BEi niEDrigEn DrEhzahlEn

Ein Absenken der Ladelufttemperatur von 60 auf beispielsweise 30 °C unter Volllast bei 1400/min bewirkt unter Bei­behaltung des Zündwinkels eine Steige­rung des Drehmoments von 230 auf 265 Nm, ❸. Dieser Effekt erklärt sich durch die höhere Dichte der Ladeluft. Bei angepasster Kraftstoffmenge steigen Drehmoment und Massendurchsatz. Letzteres ergibt über die Rückkopplung mit dem Turbolader einen selbstverstär­kenden Effekt. Der spezifische Verbrauch bleibt dabei konstant.

Alternativ kann die abgesenkte Lade­lufttemperatur zur Reduzierung des spezifischen Verbrauchs genutzt werden. Das wird durch ein Vorverlegen des Zündwinkels in Richtung Wirkungsgrad­optimum erreicht. Um in diesem Betriebs­punkt das Drehmomentniveau konstant zu halten, ist weniger Kraftstoffgemisch notwendig. Dazu werden die Einspritz­dauer verkürzt und die Luftmenge ange­passt, indem über ein leichtes Öffnen des Waste gates der Aufladegrad abgesenkt wird. Das führt zu einer weiteren Absen­kung der Ladelufttemperatur.

VolllaSt BEi hohEn DrEhzahlEn

Bei hohen Drehzahlen und hoher Last erreicht die Abgastemperatur häufig kritische Werte. Eine kühlere Ladeluft reduziert die Verbrennungs­ beziehungs­weise Abgastemperatur. Dadurch kann das Einspritzen von zusätzlichem Kraft­stoff zur Kühlung zurückgenommen und der Verbrauch abgesenkt werden. Messungen im Betriebspunkt 5000/min haben ergeben, dass auch hier durch die kältere Ladeluft ein Vorverlegen des Zündwinkels positiven Einfluss auf den Verbrauch hat. Der wesentliche Nutzen in diesem Betriebspunkt ergibt sich allerdings durch die Rücknahme der Anfettung, ❹. In Sum me ergibt sich beim betrachteten Temperaturunter­schied ein Verbrauchsvorteil von bis zu 10 %. Vergleichbare Ergebnisse haben auch unabhängige Messungen bei einem Fahrzeughersteller ergeben.

❷ Klopfgrenze und Anfettungsbereich des 1,2-l-Dreizylindermotors

❸ Drehmoment in Abhängigkeit der Ladelufttemperatur (bei 1400/min, Volllast)

Entwicklung AuFLAdunG

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laStSprung

Der in Folge der niedrigeren Ladelufttem­peratur größere Luftmassenstrom bewirkt ein verbessertes Ansprechverhalten und eine größere Dynamik des Abgasturbo­laders. Messungen eines Lastsprungs bei 2000/min haben im transienten Bereich Vorteile gezeigt. In ❺ wurde die Ladeluft­

temperatur von 60 auf 40 °C abgesenkt. Daraus ergab sich ein Zeitvorteil von 12 % bis zum Erreichen des Zieldrehmoments. Neben der höheren Dynamik des Turbo­laders ist dafür die effizientere Verbren­nung ausschlaggebend, die mit geringe­rem Aufladegrad und somit niedrigeren Drehzahlen des Laders das Zieldrehmo­ment erfüllt.

laDEluftkühlSyStEME

Die heute am Markt befindlichen Ladeluft­kühlsysteme unterteilen sich in die direkte (Luft­Luft­) und die indirekte (Luft­Kühl­mittel­)Ladeluftkühlung. Mit einem globa­len Marktanteil von circa 90 % überwiegt derzeit die direkte Ladeluftkühlung bei Otto­ und Dieselmotoren gleichermaßen.

❹ Lufttemperatur im Sammler und Lambda-Wert bei hohen Lasten (5000/min, 24 bar BMEP, Volllast)

❺ Lastsprung zwischen 4 und 25 bar BMEP (2000/min)

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DirEktE laDEluftkühlung

Bei einer direkten Ladeluftkühlung, ❻, wird die vom Verdichter erwärmte Lade­luft über einen Luft­Luft­Kühler direkt im vorderen Fahrzeugbereich gekühlt. Um Druckverluste zu minimieren, muss der Ladeluftkühler einen entsprechenden Strö­mungsquerschnitt auf der Ladeluftseite aufweisen. Der limitierende Faktor für die Leistungsfähigkeit der direkten Ladeluft­kühlung ist daher der vorhandene Bau­raum. Bei üblichen Auslegungen erreicht ein direkter Ladeluftkühler circa 20 bis 30 °C über Umgebungs niveau als Ladeluft­Austrittstemperatur. Wesentliche Vorteile dieses Konzepts sind niedriges Gewicht, wenig Komplexität und geringe Kosten.

inDirEktE laDEluftkühlung

Die indirekte Ladeluftkühlung nutzt zur Absenkung der Temperatur ein flüssiges Kühlmittel. Dieses Kühlmittel zirkuliert in einem eigenständigen Kreislauf. Die Wärmeabfuhr an die Umgebung erfolgt über den Niedertemperatur­Kühlmittel­kühler (NT) im Fahrzeug­Vorderbau. Die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels erlaubt kleinere Strömungsquerschnitte der Rohre und reduziert somit die erfor­derliche Bautiefe der Komponente im Vor­derwagen. Dadurch kann der NT­Kühl­mittelkühler als vollflächiges Bauteil aus­geführt werden. Gegenüber der direkten Ladeluftkühlung ergeben sich so im Frontbereich deutliche Bauraumvorteile. Die Leistungsfähigkeit des Systems erhöht sich um circa 10 °C bei gleichzeitiger Reduzierung des Druckverlusts bei der Luftdurchströmung. Das Leistungsver­mögen und das Ansprechverhalten des Motors können mithilfe der indirekten Ladeluftkühlung gesteigert werden [1, 2].

intEgriErtE laDEluftkühlung

Eine Möglichkeit, das Potenzial der indi­rekten Ladeluftkühlung noch weiter aus­zuschöpfen, ist die Integration des Lade­luftkühlers ins Saugrohr, ❼. Offenkun­digster Vorteil, der sich aus dieser Lösung ergibt, ist der nochmals deutlich redu­zierte Bauraumbedarf des Systems. Das gemeinsame Gehäuse bringt nicht nur Package­Vorteile, sondern spart auch Kosten. Nachgewiesen ist zudem, dass dies die ideale Bauform zur Vermeidung von Druckverlusten (bis zu 80 % weni­ger) darstellt. Daher stellt sie die Grund­

❻ Schematischer Aufbau der direkten Ladeluftkühlung

❼ Schematischer Aufbau des Luftansaugmoduls mit integrierter indirekter Ladeluft kühlung (i2LLK)

❽ Schematischer Aufbau des Luftansaugmoduls mit integrierter kaskadierter Ladeluftkühlung

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lage für das im Folgenden beschriebene kaskadierte System dar.

kaSkaDiErtE laDEluftkühlung

Ein maßgebliches Potenzial zur weiteren Erhöhung der Effizienz von Verbren­nungsmotoren liegt in der Steigerung der spezifischen Leistung. Um diese darstel­len zu können, ist eine Anhebung der Aufladegrade notwendig. Der Kühlbedarf der Ladeluft wächst damit an. Physika­lisch begrenzt wird die Kühlleistung durch den maximalen Wärmeübertrag des NT­Kühlmittelkühlers im Vorderwagen. Je höher dann die absolute Leistung des Motors sein soll, desto schneller sind die physikalischen Grenzen der indirekten Ladeluftkühlung erreicht, die sich auch durch konstruktive Änderungen am bestehenden Ladeluftkühler nicht ver­schieben lassen. Eine Erhöhung der Kühlleistung durch eine Vergrößerung des NT­Kühlmittelkühlers im Vorderwa­gen scheitert am – für die Mehrleistung erforderlichen – zusätzlichen Bauraum.

Der einzig verbleibende Ansatz, um die Kühlleistung weiter zu verbessern, ist das Absenken des Temperaturniveaus im NT­Kühlmittel. Im geschlossenen Sys­tem der indirekten Ladeluftkühlung ist dieses Temperaturniveau ausschließlich von der zu übertragenden Wärmemenge und, je nach Fahr situation und Witte­rung, dem Kühlluftdurchsatz abhängig. Grundsätzlich gibt es zwei mögliche Wege, Einfluss auf das Temperaturni­veau zu nehmen. Die erste, eher theore­tische Variante besteht darin, den Kühl­luftdurchsatz zu erhöhen. In der Praxis ist dies jedoch aufgrund der Bauraum­Randbedingungen sehr schwierig.

Die zweite Möglichkeit ist, dem beste­henden Ladeluftkühlsystem einen zwei­ten Kühlkreislauf vorzuschalten, um be­reits das Eingangstemperaturniveau der Ladeluft zu senken, ❽. Mahle und Behr haben diese Vorkühlung am Versuchsträ­ger über das bestehende Motorkühlsystem (Hochtemperatur­Kühlmittelkühler (HT)) dargestellt. Dabei trifft die circa 200 °C heiße Ladeluft auf einen ersten Ladeluft­kühler, der mit circa 90 °C warmem Kühl­mittel versorgt wird. Dadurch ist bereits eine durchschnittliche Abkühlung der Ladeluft um 80 K auf circa 120 °C dauer­haft darstellbar. Mit dieser nun bereits deutlich niedrigeren Eintrittstemperatur am ursprünglichen Ladeluftkühler wird ein Absenken des Temperaturniveaus im

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NT­Kühlmittel von circa 10 °C erreicht. Diese Differenz lässt sich unmittelbar auf die Ladeluft austrittstemperatur der indirekten Ladeluftkühlung übertragen. Gegenüber der direkten Ladeluftkühlung ergibt sich eine Differenz von 20 °C.

auSwirkungEn auf DEn hochtEMpEratur-kühlkrEiS

Durch die höhere mittlere Wärmestrom­dichte von typischerweise 2 bis 4 kW/dm2 des HT­Kühlmittelkühlers im Vergleich zu circa 0,5 bis 1 kW/dm2 des NT­Kühl­mittelkühlers lässt sich diese zu sätzliche Abwärme effizient an die Um gebung abführen. So zeigt sich in der 1D­Simu­lation, dass für den hier untersuchten Motor mit identischem Kühlmodul eine Anhebung der HT­Kühlmitteltemperatur am Eintritt des Kühlmittelkühlers von circa 2 °C zu erwarten ist. Am Austritt des Kühlmittelkühlers reduziert sich der Unterschied auf lediglich circa 1 °C, was

durch die erhöhte spezifische Leistung des Kühlers aufgrund der größeren trei­benden Temperaturdifferenz zur Umge­bung erklärt werden kann. Um das Tem­peraturniveau der Basiskonfiguration im HT­Kühlkreis wieder zu erreichen, ist eine Vergrößerung der Stirnfläche oder eine Erhöhung der Kühlluftmenge um circa 3 bis 5 % erforderlich. Sofern die Bauraumsituation in der Fahrzeugfront die größere Stirnfläche nicht erlaubt, kann über Aerodynamikmaßnahmen (zum Beispiel Kühlluftführungen) oder eine geringfügige Vergrößerung des Lüfterraddurchmessers die Be reitstellung des benötigten Kühlluft­Massenstroms sichergestellt werden.

Die erforderlichen Maßnahmen am HT­Kühlsystem sind also vergleichsweise gering. Würde man versuchen, dasselbe Ladelufttemperaturniveau ausschließlich über den NT­Kreis zu erreichen, wären unrealistische Dimensionen des NT­Kühlmittelkühlers nötig, ❾ (Mitte) [3].

fazit

Es wurden die Auswirkungen der Lade­lufttemperatur auf die Verbrennung an einem 1,2­l­Dreizylinder­Ottomotor unter­sucht und dabei Verbesserungen bei Ver­brauch, Drehmoment und Dynamik fest­gestellt. Mit steigender spezifischer und absoluter Leistung des Motors verstärken sich diese Potenziale nochmals deutlich.

Die integrierte kaskadierte Ladeluft­kühlung ist ein Wegbereiter weiterer Schritte beim Downsizing und für hö here Aufladegrade. Auch die heute noch mit einem hohen Aufladegrad verbun denen Nachteile (zum Beispiel Zündzeitpunkt­verschiebung, Anfettung) werden durch die integrierte kaskadierte Ladeluftküh­lung aufgehoben. Die kühlere La deluft setzt hier schon an der Ursache an, also an der Verbrennung, und vermeidet nach­gelagerte Maßnahmen. Darüber hinaus bietet sie höhere Freiheitsgrade bei der Wahl des Verdichtungsverhältnisses. Daraus resultieren Verbrauchsvorteile in den zyklusrelevanten Lastbereichen.

litEraturhinwEiSE[1] Zuck, B.: downsizing – Auswirkungen auf das Wärmemanagement – Proceedings Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs VIII. renningen: expert, 2012[2] eilemann, A.; Stehlig, J.: Indirekte Ladeluft kühlung – ein Wegbereiter zur Co2­reduzierung. In: oeM Supplier 2011[3] Stehlig, J.; dingelstadt, r.; ehrmanntraut, J.; Müller, r.; taylor, J.: Air intake modules with integra­ted cascaded charge air coolers. 21. Aachener Kolloquium Fahrzeug­ und Motorentechnik, 2012

❾ Vorteile der integrierten kaskadierten Ladeluftkühlung (KMK: Kühlmittelkühler; iLLK: integrierte Ladeluftkühlung)

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danke

Die Autoren danken Johann Ehrmanntraut von der

Behr GmbH & Co KG, Stuttgart, für seine Unter-

stützung bei der Erstellung dieses Beitrags.

Entwicklung AuFLAdunG

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