Ökologische fortschritte bei der motorkühlung

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Ökologie bei der Motorkühlung kann man in zwei Bereiche glie-dern: Schonung von Ressourcen und Senkung von Emissionen.Die Ressourcen-Schonung lässt sich unterteilen in Senkung desMaterialverbrauchs bei der Produktherstellung, Steigerung derRezyklierbarkeit der Produkte sowie Senkung des Kraftstoffver-brauchs. Die Entwicklungstätigkeiten bei Behr stehen in vielfäl-tiger Beziehung zu diesen Zielen. Im Folgenden werden dreiaktuelle Entwicklungsprojekte des Unternehmens zur Reduzie-rung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen vorgestellt: dieindirekte Ladeluftkühlung, die Abgaskühlung bei Ottomotoren mitDirekteinspritzung und das Thermomanagement des Fahrzeugs.

Ökologische Fortschritte bei der Motorkühlung

SUPPLEMENT Thermomanagement bei Behr

1 Einleitung

Einige Beispiele für Ressourcenschonung

und Senkung des Kraftstoffverbrauchs

sind:

■ Leichtbau durch den Einsatz von Halb-

zeugen mit geringerer Materialdicke,

Ersatz von Edelstahl durch Aluminium

oder Aluminium-Guss durch Kunststoff –

Maßnahmen, die das Gewicht der Wär-

meübertrager reduzieren und so Ver-

brauch und Emissionen senken

■ Einsatz von vollständig rezyklierbaren

Ganz-Aluminium-Wärmeübertragern

■ Kühlung von Prozessluft, zum Beispiel

der Ladeluft, was die Leistung steigert oder

den Kraftstoffverbrauch reduziert

■ Erhöhung des Wirkungsgrads von Lüf-

tern zur Senkung der notwendigen An-

triebsenergie und somit des Kraftstoffver-

brauchs

■ bedarfsgerechte Regelung des Kühlsys-

tems zur Erhöhung des Wirkungsgrads.

2 Indirekte Ladeluftkühlung

Für die Ladeluftkühlung gilt generell: Die

abnehmende Temperatur der Ladeluft

kann bei konstantem NOx genutzt werden

zur Verbrauchssenkung oder umgekehrt

bei konstantem Verbrauch für eine NOx-

Reduzierung, Bild 1.

Bei der indirekten Ladeluftkühlung,

Titelbild, wird die Ladeluft nicht mit Luft,

wie heute üblich, sondern mit dem nor-

malen Motorkühlmittel (einer Wasser-

Glykol-Mischung) in einem Niedertempe-

ratur-Kreislauf gekühlt. Die vom Kühlmit-

tel im Ladeluft/Kühlmittel-Kühler aufge-

nommene Ladeluftwärme wird vom Nie-

dertemperatur-Kühlmittelkühler an die

Umgebungsluft abgeführt.

Die Ladeluft kann so gleich oder etwas

stärker gekühlt werden als mit Luft, aber

mit deutlich geringerem Druckabfall auf

der Ladeluftseite. Durch die erhöhte Luft-

dichte steht eine größere Luftmasse für die

Verbrennung im Motor zur Verfügung.

Dieser zunächst leistungssteigernde Effekt

kann umgekehrt genutzt werden zur

Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und

Emissionen, da eine vorgegebene Leistung

mit einem kleineren, sparsameren Motor

erreicht werden kann.

Auch durch die heutige Ladeluftküh-

lung mit Luft werden Kraftstoffverbrauch

und Emissionen gesenkt, aber weniger

stark als bei der indirekten, kühlmittel-

gekühlten Ladeluftkühlung. Zurückzu-

führen ist das auf die technischen Vorteile

dieses Systems.

Es wird ein 40 bis 65 % geringerer

Druckverlust erreicht. Jeder Druckverlust

reduziert die Luftmenge, die in die Zylin-

der gefördert werden kann, Bild 2, ent-

sprechend geringer ist die Motorleistung.

Der geringere Druckabfall bei der indirek-

ten Ladeluftkühlung ergibt sich durch

einen strömungsgünstigeren Aufbau des

Ladeluftkühlers, der aufgrund der effizien-

teren Wärmeübertragung durch das Kühl-

mittel möglich ist, sowie durch deutlich

kürzere Ladeluftleitungen, da der Ladeluft-

kühler motornah angeordnet werden

kann.

2.1 Funktionsweise derindirekten LadeluftkühlungDer Ladeluftkühler kann, da unabhängig

vom Kühlluftstrom, nahe am Motor zwi-

schen Turbolader und Zylindereinlass

platziert werden. Die Leitungen zwischen

Turbolader, Ladeluftkühler und Motor

sind dadurch sehr kurz. Außerdem kann

die Ladeluftkühlung mit Hilfe des Kühl-

mitteldurchsatzes geregelt werden. Das

bedeutet, dass die Ladeluft beim Kaltstart

im Winter sogar angewärmt werden

kann. Die in der Warmlaufphase hohen

HC-Emissionen können so verringert wer-

den. Die vom Kühlmittel aufgenommene

Ladeluftwärme wird in einem zweiten

Kühler an die Kühlluft abgegeben.

Die Ladeluftkühlung erfolgt entweder

mit einem separaten Kühlmittelkreislauf

(vorzugsweise in Pkw) oder mit einem in

den Hauptkühlkreislauf integrierten

Kreislauf. Beim letzteren (vorzugsweise in

Lkw) wird ein Teil des Kühlmittels vom

Motorkühlkreislauf abgezweigt und nach

der Kühlung der Ladeluft diesem wieder

zugegeben. In beiden Fällen wird ein klei-

ner Kühlmittelstrom (zirka 5 bis 10 % des

Volumenstroms des Hauptkreislaufs) auf

eine Temperatur nahe der Umgebungs-

temperatur abgekühlt, um damit die Lade-

luft auf ihre tiefen Zieltemperaturen

abzukühlen. Der Kühlmittelkühler, der die

im Ladeluftkühler aufgenommene Wärme

der Ladeluft an die Umgebungsluft ab-

führt, wird vor oder unter dem Kühlmittel-

kühler für die Motorkühlung eingebaut.

Beide Kühler lassen sich mit Trennwän-

den zu einer kompakten, Platz sparenden

Einheit verbinden.

2.2 Vorteile gegenüber derheutigen Ladeluftkühlung Die indirekte Ladeluftkühlung scheint

zunächst aufwändiger als die direkte.

Zusätzlich zum Ladeluftkühler ist ein wei-

terer Kühler und eine elektrische Kühlmit-

telpumpe erforderlich. Neben den oben

schon genannten ökologischen Vorteilen

ergeben sich aber – trotz des aufwändige-

ren Systems – Vorteile hinsichtlich der

Unterbringung im Motorraum und des

Ansprechverhaltens des Motors:

■ Platzersparnis in der Fahrzeugfront,

besonders in der Längsrichtung

■ deutlich kürzere Ladeluftleitungen und

kompaktere Bauweise des Ladeluftkühlers

■ schnelleres Ansprechen des Motors

infolge des geringeren Luftvolumens im

System

■ effizientere Ladeluftkühlung bei Be-

schleunigung nach Teillastfahrt. In die-

sem Fall befindet sich genug kaltes Kühl-

mittel im System (Umlaufzeit bis zu 1

Minute), um die Ladeluft sofort und stark

abzukühlen. Beim Überholen ist dieser

Leistungsgewinn sicherheitsrelevant.

2.3 Kühlerbauarten undEinsatzgebietAufgrund der vielen möglichen Einbauva-

rianten des motornahen Ladeluftkühlers

sind unterschiedliche Kühlerbauarten

nötig. Bei Behr werden zwei Bauarten zur

Serienreife entwickelt: eine Scheiben-Aus-

führung, Bild 3, und eine rohrbündelähnli-

che Ausführung. Beide Kühler haben ein

um 40 bis 60 % kleineres Blockvolumen

als herkömmliche Ladeluftkühler (Lade-

luft/Luft-Kühler). Mit diesen Kühlern, die

kostengünstig in großen Stückzahlen

gefertigt werden können, soll die indirekte

Ladeluftkühlung, die bisher hauptsächlich

in der Oberklasse eingesetzt wird, Bild 4,

auch für die mittleren und kleineren Klas-

sen verfügbar gemacht werden.

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Dipl.-Ing. MichaelSchmidt ist Projektleiterfür Abgaskühlung in derVorentwicklung Motor-kühlung bei der BehrGmbH & Co, Stuttgart.

Dipl.-Ing. Daniel Hendrixist Projektleiter für Lade-luftkühlung in der Vorent-wicklung Motorkühlungbei der Behr GmbH & Co,Stuttgart.

Dipl.-Ing. Matthias Banz-haf ist Leiter der Abtei-lung Wärmeübertrager in der VorentwicklungMotorkühlung bei derBehr GmbH & Co, Stuttgart.

Die Autoren

Dr.-Ing. Eberhard Pantow ist Leiter desEngineerings in der Produktlinie Kühl-systeme im Bereich Motorkühlung bei derBehr GmbH & Co, Stuttgart.

3 Abgaskühler für DI-Ottomotoren

Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung

entsteht im Zylinder eine magere Atmos-

phäre, das heißt der Motor wird mit Luft-

überschuss betrieben. Das ist – darüber

sind sich alle Fachleute einig – der wich-

tigste Weg zu weniger Verbrauch und CO2-

Emissionen. Allerdings können die Stick-

oxide bei Luftüberschuss im 3-Wege-Kata-

lysator nicht mehr unschädlich gemacht

werden. Die Lösung des Problems liegt in

einer neuen Technologie: dem NOx-Spei-

cherkatalysator in Verbindung mit einem

Abgaskühler. Der Abgaskühler wird benö-

tigt, um den Speicherkat in dem Tempera-

turfenster zu halten, in dem allein eine

hohe NOx-Umwandlungsrate erzielt wird

– zwischen 250 und 400 °C, Bild 5. Die von

Behr entwickelten, durch das Motorkühl-

mittel gekühlten Abgaskühler können

dafür vorteilhaft eingesetzt werden.

3.1 Vorteile der Abgaskühlung Die Abgaskühlung bietet den Vorteil, dass

der magere Betriebsbereich des Motors

ausgeweitet werden kann. Bei Betriebszu-

ständen mit hoher Abgastemperatur, zum

Beispiel bei hohen Fahrgeschwindigkeiten

(Überlandfahrten) und Bergfahrten unter

Last, wird die Abgastemperatur im Fenster

der hohen NOx-Umwandlungsrate gehal-

ten, Bild 6. Durch die Übertragung von

Abgaswärme auf das Kühlmittel erreicht

der Motor beim Start schneller als bisher

seine Betriebstemperatur; entsprechend

früher kann auf mageren Betrieb umge-

schaltet werden.

3.2 Der NOx-SpeicherkatalysatorIm herkömmlichen 3-Wege-Katalysator

werden gegen das NOx zwei Mittel einge-

setzt: HC und CO, die anderen Schadstoffe

im Abgas, denn die nehmen dem NOx Sau-

erstoff weg. Auf diese Weise werden alle

Schadstoffe umgewandelt: NOx durch Ent-

zug, HC und CO durch Aufnahme von Sau-

erstoff. Das funktioniert bei einer Verbren-

nung mit Luftüberschuss allerdings nicht,

denn HC und CO können jetzt Sauerstoff


Bild 2: Einfluss der Ladeluftabkühlungund des ladeluftseitigen Druckabfallsauf den Füllungsgrad bei einemmodernen Nkw-Motor bei Volllast Figure 2: Influence of charge-aircooling and the charge-air-sidepressure drop on the volumetricefficiency of a modern truck engine at full load

Bild 1: Einfluss der Ladeluftkühlung aufKraftstoffverbrauch und Emissionenbei einem modernen Nkw-Motor beiHalblastFigure 1: Influence of charge-aircooling and fuel consumption andemissions in a modern truck engine at half load.

2 Indirekte Ladeluftkühlung


aus dem großen Angebot von Restsauer-

stoff im Abgas aufnehmen: die Stickoxide

werden somit nicht umgewandelt. Eine

andere Lösung wurde also nötig.

Jetzt gibt es neuartige Katalysatoren,

von denen der NOx-Speicherkatalysator

zurzeit die besten Ergebnisse bringt. Die-

ser Kat lagert die Stickoxide ein. Wenn der

Speicher voll ist, schaltet das Motormana-

gement kurzzeitig auf fetten Betrieb.

Durch den Luftmangel entsteht mehr HC,

das die Stickoxide umwandelt. Die Einla-

gerung beginnt danach von vorn.

Der NOx-Speicherkat ist ähnlich wie ein

3-Wege-Kat aufgebaut und ebenfalls in

der Lage, bei einer stöchiometrischen Ver-

brennung (Kraftstoff-Luft-Verhältnis

1:14,7) die drei Schadstoffe HC, CO und NOx

zu vermindern. Für diese Funktionen ent-

hält der Katalysator die katalytisch wirk-

samen Edelmetalle Platin, Rhodium und

Palladium. Für die Speicherung der Sticko-

xide im Magerbetrieb enthält er zusätzlich

ein basisches Material, zum Beispiel

Bariumoxid (BaO), das die Stickoxide als

Nitrat einlagert. Ist die Speicherkapazität

dieses Materials erschöpft, wird es regene-

riert. Das geschieht durch ein kurzzeitiges

Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemisches

auf Werte Lambda gleich oder kleiner 1.

Dabei wird das gespeicherte NOx frei gege-

ben und – wie im 3-Wege-Katalysator – in

Stickstoff und Wasserdampf umgewan-

delt.

Eine hohe NOx-Konvertierung hat der

Speicherkatalysator nur in dem erwähn-

ten Temperaturfenster. Außerdem ist er

empfindlich gegen Überhitzung. Eine be-

stimmte Temperatur des Abgases darf

nicht überschritten werden, sonst verliert

der Katalysator seine Wirksamkeit. Des-

halb müssen zu hohe und zu niedrige

Temperaturen unbedingt vermieden wer-

den.

3.3 Temperierung des AbgasesBei geringer Last, wenn nur ein kleiner

Abgasstrom mit relativ niedriger Tempe-

ratur entsteht, sollte sich das Abgas in der

Zuleitung zum Katalysator möglichst

wenig abkühlen, damit es für eine Um-

wandlung der Stickoxide heiß genug ist.

Ein großer Abgasstrom mit hoher Tempe-

ratur hingegen muss deutlich abgekühlt

werden, damit der Kat nicht beschädigt

wird. Das Abgas muss deshalb temperiert

werden können. Dazu wird im Abgas-

strang vor dem Katalysator ein Abgas-

kühler mit Bypass eingebaut, Bild 7.

Der Bypass, mit einer vorgeschalteten

Klappe, erlaubt die stufenlose Regelung

der Abgastemperatur vor dem Speicher-

Katalysator. Hierzu wird ein bestimmter

Anteil des Abgasmassenstroms im Abgas-


Bild 3: Ladeluft/Kühlmittelkühler in Scheibenbauweise (vorderer Luftkastenweggeklappt, Kühlmittelanschlüsse oben). Figure 3: Plate-type charge-air/coolant cooler (front air tank folded back,coolant connections at the top)

2.3 Kühlerbauarten und Einsatzgebiet

3 Abgaskühler für DI-Ottomotoren

Bild 4: Indirekte Ladeluftkühlung mit Ladeluft/Kühlmittel-Kühler,ausgeführte Variante Audi V8 Figure 4: Indirect charge-air cooling with charge-air/coolant cooler, version for Audi V8

Bild 5: Temperaturfenster für eine hohe NOx-UmwandlungFigure 5: Temperature window for high NOx conversion

kühler gekühlt und danach mit dem

heißen Abgas aus dem Bypass vermischt.

Der Speicherkatalysator kann dadurch

immer – bis auf den Kaltstart – im Tempe-

raturfenster mit optimaler NOx-Reduktion

gehalten werden. Die Kühlflüssigkeit, die

im Abgaskühler aufgeheizt wird, sorgt an

kalten Tagen für eine schnellere Aufhei-

zung der Fahrzeugkabine und erhöht so

den Fahrkomfort.

3.4 Bauweise desAbgaskühlersDer Abgaskühler für DI-Motoren ist im

Prinzip aufgebaut wie der seit einiger Zeit

bei Behr hergestellte Abgaskühler für die

Abgasrückführung. Er besteht aus einem

Gehäuse und einem Rohrbündel, Bild 8.

Zur besseren Wärmeübertragung und zur

Verhinderung von Verschmutzung sind

die Rohre mit so genannten „Winglets“

ausgestattet, Bild 7.

4 Thermomanagement

Der Begriff „Thermomanagement“ hat

sich durchgesetzt. Zuerst wurde darunter

die Betrachtung von Motorkühlung und

Fahrzeugklimatisierung als komplette,

aber separate Systeme verstanden. Heute

werden bei Behr beide Systeme mit ihren

Wechselwirkungen zusammen betrachtet

– als Thermomanagement des Fahrzeugs.

Das heißt, die Komponenten der beiden

Systeme arbeiten über die Grenze Küh-

lung/Klima hinweg miteinander, um eine

optimale Kühlung und Klimatisierung bei

einem Minimum an Verbrauch und Emis-

sionen zu erreichen. Dieses Thermomana-

gement beinhaltet nicht nur die Hardware

zur Übertragung und Verteilung der ver-

schiedenen Stoff- und Wärmeströme, son-

dern auch die Regelalgorithmen und die

Regelungs-Software, die von Behr selbst

entwickelt wird.

Allein im Bereich der Motorkühlung

kann eine Einsparung beim Kraftstoffver-

brauch von 3 % bis maximal 5 % erzielt

werden. Einsparungen, die sich durch das

Thermomanagement im Bereich der Kli-

matisierung ergeben, werden hier nicht

aufgeführt.

Erreicht wird diese Einsparung durch:

■ Erhöhung des Motorwirkungsgrads

■ Verkürzung der Warmlaufphase des

Motors

■ Verringerung des Energiebedarfs der

Nebenaggregate

■ Reduzierung thermisch kritischer

Betriebszustände des Motors.

Die Kraftstoffeinsparung von 3 % bis

maximal 5 % wurde beim Betrieb eines

von Behr ausgerüsteten Thermomanage-

ment-Versuchsfahrzeugs gemessen. Sie

ergab sich in allen Betriebszuständen:

beim Kaltstart ebenso wie beim Warm-

start, bei schneller Fahrt ebenso wie bei

Stop-and-Go.

Im Einzelnen ergaben sich beim Betrieb

des Versuchsfahrzeugs die nachfolgend

beschriebenen Effekte.

4.1 Erhöhte KühlleistungDas Versuchsfahrzeug ist mit einer von

der Motordrehzahl unabhängigen elektri-

schen Kühlmittelpumpe ausgerüstet. Mit

ihr kann die Leistung der Kühler erhöht

werden, vor allem bei Bergfahrten und

Stop-and-Go. Dadurch kommt der Motor

seltener in kritische Temperaturbereiche.

Neben einer Verringerung der Bauteilbela-

stung werden dadurch auch NOx-Emissio-

nen vermindert, da diese bei hohen Tem-

peraturen verstärkt auftreten. Als Folge

davon kann der Motor in einem günstige-

ren Wirkungsgradbereich gefahren wer-

den.

4.2 Kürzere Warmlaufphase Erreicht wird die Verkürzung durch eine

Begrenzung der Wärmeverluste: Ein dich-

tes Thermostat verhindert Leckströme

über den Kühlmittelkühler; die Regelung

der Kühlmittelpumpe begrenzt die Kühl-

mittel-Umlaufmenge und reduziert damit

den Wärmeabfluss vom Motor; eine

Kühlerjalousie schützt das Kühlmittel vor

Wärmeverlusten; was besonders bei nied-

rigen Außentemperaturen wichtig ist.

Beim Versuchsfahrzeug wurde der

Motor durch die Begrenzung der Wärme-

verluste deutlich schneller betriebswarm

als im Serienzustand. Die HC-Emissionen,

die bei kaltem Motor durch unvollständi-

ge Verbrennung des Kraftstoffs entstehen,

wurden beträchtlich reduziert. Das schnel-

lere Erreichen der Betriebstemperatur

hatte zudem einen besseren Motorwir-

kungsgrad zur Folge, da weniger Energie

durch Wärmeabgabe nach außen verloren

ging. Schließlich erreichten das Motor-

und vor allem das Getriebeöl schneller die

optimale Betriebstemperatur, bei der die

Reibungsverluste und der Kraftstoffver-

brauch deutlich geringer sind als bei

einem kalten Antriebsstrang.

4.3 Reduzierung desEnergiebedarfs derNebenaggregateZum Beispiel durch die regelungstechni-

sche Verknüpfung von Kühlerlüfter und

Kompressor; sie ermöglicht es, den im Hin-

blick auf den Verbrauch günstigsten

Regelpunkt für beide Komponenten zu

bestimmen. Die Motorkühlung wird

dadurch nicht beeinträchtigt. Auch die

regelbare elektrische Kühlmittelpumpe

trägt zur Kraftstoffeinsparung bei, etwa

durch die Verringerung des Kühlmittel-

stroms bei hohen Drehzahlen.

4.4 Entkopplung von Leistungund VerbrauchEin wichtiges Ergebnis des Projekts Ther-

momanagement ist die Erkenntnis, dass

die Höhe der installierten Antriebslei-

stung für Pumpen und Lüfter nicht zwin-

gend mit dem Verbrauch korreliert, ein

höheres Kühlleistungspotenzial also nicht


Bild 6: Abgastemperatur und NOx-Umwandlung im Europäischen Fahrzyklusfür Pkw, mit und ohne AbgaskühlerFigure 6: Exhaust temperature and NOx conversion in NEDC for passengercars, with and without exhaust gas cooler

3.1 Vorteile der Abgaskühlung


mit einen Mehrverbrauch erkauft werden

muss. Durch eine intelligente Regelung

kann der Verbrauch beim Thermomana-

gement über die meiste Zeit des Betriebs

geringer gehalten werden als bei konven-

tionellen Systemen. Die Regelung der

Hauptverbraucher Kühlerlüfter, Kühlmit-

telpumpe und Kompressor wird dabei so

aufeinander abgestimmt, dass die jeweili-

ge Kühlleistung immer mit der in der

Summe minimalen Antriebsenergie

erreicht wird. Bei Belastungsspitzen steht

aber stets eine hohe, maximale Kühllei-

stung zur Verfügung, wodurch der Motor

geschont und Emissionen gesenkt wer-

den.

4.5 Ausstattung desVersuchsfahrzeugsDas oben erwähnte Versuchsfahrzeug

wurde mit allen erforderlichen System-

komponenten für das Thermomanage-

ment ausgestattet. Damit können alle

Stoff- und Wärmeströme in weiten Gren-

zen beeinflusst werden. Eine elektrisch

angetriebene Kühlmittelpumpe ermög-

licht die vollständige Regelbarkeit des

Kühlmitteldurchsatzes; ein elektrisch

angesteuertes Thermostat die vollständi-

ge Regelbarkeit der Kühlmittelstromver-

teilung; eine Kühlerjalousie plus regelba-

rem Lüfter die ebenso vollständige Regel-

barkeit des Kühlluftstromes. Und mit

einer Verdampfer-Temperaturregelung

wird der Kältemitteldurchsatz des Ver-

dampfers geregelt.

Im Hinblick auf die zukünftige Ent-

wicklung im Automobil werden alle

großen Verbraucher im Versuchsfahrzeug

mit 42-V-Bordnetzpannung betrieben. Zu

diesem Zweck wurde ein zweiter Genera-

tor im Riementrieb eingebaut; der 14-V-

Generator wurde beibehalten. ■


3.4 Bauweise des Abgaskühlers

3 Temperierung des Abgases

Bild 7: Abgaskühler mit Bypass zur Regelung der AbgastemperaturFigure 7: Exhaust gas cooler with bypass to control exhaust temperature

Bild 8: Abgaskühler mit Winglet-RohrenFigure 8: Exhaust gas cooler with winglet pipes

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Ökologische fortschritte bei der motorkühlung

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