Heiß und kalt: Schaeffler Thermomanagement für bis zu 4% CO2

302
303
Heiß und kalt
Schaeffler Thermomanagement
für bis zu 4 % CO2-Reduktion
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21
304
Thermomanagement
Einleitung
Um Emissionen zu reduzieren, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken und den Klimakomfort im Pkw zu steigern, ist eine verbesserte, variable Nutzung der vorhandenen
Wärmeströme im Fahrzeug erforderlich. So
stellen die immer häufiger eingesetzten integrierten Turbolader (ITL) erhöhte Anforderungen an das Kühlsystem. ITL benötigen statt
einer auf verschiedene Betriebszustände reagierenden, eine möglichst vorausschauende Kühlung. Diese Anforderung kann mit
klassischen Thermostaten nicht erfüllt werden, da Thermostate mit Verzug auf Energieeinträge ins Kühlsystem reagieren und zudem Druckverluste aufweisen.
Für die vorausschauende Berechnung
der Kühlungsanforderungen aus der anliegenden Last und Drehzahl des Aggregats
sind innovative mechatronische Komponenten erforderlich. Thermomanagementmodule (TMM) von Schaeffler sind beispielsweise
in der Lage, einen Nullvolumenstrom einzustellen, um eine beschleunigte Aggregateerwärmung zu erreichen. Gleichzeitig können
sie thermische Massen abkoppeln und so
gezielt hohe Energiemengen über die Restmasse an andere Komponenten wie Motoröl, Getriebeöl, Heizung oder Traktionsbatterie abgeben. Anders als klassische
Kühlwasserregler (Bild 1), werden TMM über
ein lastbasiertes Berechnungsmodell gesteuert. Dies erlaubt die Integration einer
Vielzahl von angeschlossenen Komponenten sowie einen engen Temperaturkorridor
im Bereich von +/-2 °C.
Der erste Serienmotor, der mit einem multifunktionalen Kühlwasserregler ausgestattet
wurde, ist der 1,8-l-TFSI-Motor von Audi
(Vierzylinder-Reihenmotor EA888Gen.3).
Das Modul wurde gemeinsam von Audi und
Schaeffler entwickelt (Bild 2).
zum Kühler
vom Motor
Kühlwasserregler (Wellrohrbalgregler)
Bild 1
Früher Kühlwasserregler auf Basis einer
Wellrohrbalgsteuerung
Drehschieber 2 für
Nullvolumenstrom
Anschlussfläche
Wasserpumpe
Fail-Safe-Thermostat
Zwischenrad mit
Arretierfunktion
Anschluss
Motorölkühler
Kühlerzulauf
Sensordeckel mit
integriertem
Drehwinkelsensor
Anschluss Getriebeölkühler
und Heizung
Drehschieber 1
Kühlerrücklauf
etwa 1922
zur Pumpe
305
Motoranschlüsse
DC Stellmotor
mit Umsetzungsgetriebe
Das erste multifunktionale
Thermomanagementmodul
in Serie
21
Bild 2
Thermomanagementmodul im 1,8-l-R4TFSI-Motor von Audi
Bild 3
Aufbau des TMM für den 1,8-l-R4-TFSI-Motor von Audi
In der Warmlaufphase des Motors ist es in
der Lage, den Kühlmitteleintritt in den Motor
komplett abzusperren oder einen Minimalvolumenstrom einzustellen. Im betriebswarmen Zustand kann die Kühlmitteltemperatur
je nach Lastanforderung und äußeren Randbedingungen schnell und vollvariabel auf
verschiedene Temperaturniveaus eingeregelt werden [1]. Das Bauteil verfügt über
zwei gekoppelte Drehschieber, die mit nur
einem Antrieb auskommen. Davon ist einer
auf der Druckseite der Wasserpumpe als
Sperrdrehschieber ausgestaltet. Der zweite
Drehschieber dient auf der Saugseite als
Verteilerdrehschieber. Zusätzlich verfügt
der gesamte Kühlkreislauf über Schaltventile, um die Durchströmung der Heizung und
des Getriebeölwärmetauschers gezielt zuoder abschalten zu können.
Im Inneren des Drehschiebermoduls regeln zwei mechanisch gekoppelte Drehschieber den Kühlmittelfluss. Ein Elektromotor treibt über ein stark untersetztes
Schneckengetriebe den Drehschieber 1 an.
Dieser wiederum ist über eine Triebstockverzahnung mit dem Drehschieber 2 verbunden. Der Drehschieber 1 ersetzt den
klassischen Wachsthermostat und kann – je
nach Anforderung – sehr schnell die Kühlmitteltemperatur vollvariabel zwischen 80 °C
und 110 °C einstellen. Darüber hinaus
schaltet der Drehschieber 1 den Kühlmittelrücklauf vom Motorölkühler (Bild 3). Die Erwärmung des Kühlwassers wird so – im
Vergleich zum Vorgängermotor mit Wachsthermostat – um 30 % beschleunigt. Die
Zeitspanne bis zum Erreichen der Ölzieltemperatur reduziert sich sogar um 50 %.
Das Modul besteht im Wesentlichen aus
Hochleistungskunststoffen. Die Kühlwasser
führenden Teile bestehen aus Polyphenylensulfid (PPS) mit extremen Füllgraden. Damit
erreicht der Werkstoff annähernd die Festigkeit von Aluminium, ist unempfindlich gegenüber Medien und temperaturstabil. Zur Gestaltung der Dichtungswerkstoffe wurde eine
Alternative für Polytetrafluorethylen (PTFE)
gesucht, da der unter dem Handelsnamen
306
Thermomanagement
Bild 5
Kompaktmodul mit zwei bis drei
geregelten Ausgängen
Schaeffler-Lösungen von
kompakt bis umfassend
Bild 4
Drehschiebermodul zur vollelektronischen Regelung der Wärmeströme in
Motor und Fahrzeug
Teflon bekannte Kunststoff teuer ist und unter Temperatureinfluss zum Kriechen neigt.
Der Alternativwerkstoff wurde auf Basis von
Polyvinylidenfluorid (PVDF) entwickelt.
Bei den Getriebewerkstoffen handelt es
sich um Eigenentwicklungen von Schaeffler.
Dabei galt ein besonderes Augenmerk der Auswahl der Faserwerkstoffe. Das Getriebe läuft
trocken, da Schmierstoffe über die Lebensdauer ausgetrieben würden und nicht mehr wirksam wären. Die Dichtungen sind nicht druckabhängig und aufgrund einer integrierten
Vorspannfeder anstatt eines O-Rings in der
Lage, Winkelversätze auszugleichen (Bild 4).
Die hochgenaue Fertigung von Drehschieber und Dichtungspaket ermöglicht
Leckageraten von < 1 l/h. Ein Hilfsthermostat sorgt für die erforderliche Ausfallsicherheit. So kann auf eine Rückstellfeder am
Antriebsmotor verzichtet werden und die
Energieaufnahme des TMM minimiert sich.
pakte Lösung bietet zum Beispiel bis zu drei
geregelte Kanäle und passt in den Bauraum
gängiger Thermostatgehäuse (Bild 5). Auch
die Integration eines Temperatursensors ist
möglich. Standardisierte Aktuatoren ermöglichen eine effiziente Entwicklung. Die
Verwendung von im Serieneinsatz validierten Technologien und Werkstoffen sind eine
hervorragende Basis für eine robuste Neuentwicklung.
In eine andere Richtung geht die Entwicklung eines Multifunktionsmoduls mit
separaten Kreisläufen für den Motorblock
und den Zylinderkopf („Split cooling“). Es
verfügt über bis zu fünf gesteuerte Kanäle
sowie eine Zulauf- und Ablaufsteuerung.
Zu den Vorteilen des Multifunktionsmoduls
zählt ein hoher Integrationsgrad. Darüber
hinaus ist nur eine Schnittstelle zum Steuergerät erforderlich (Bild 6).
Temperierung des Motoröls
Je nach Kundenanforderung und verfügbarem Bauraum können die Thermomanagementmodule von Schaeffler unterschiedlich
ausgelegt werden. Eine besonders komKühlerzulauf
Zylinderkopf
Heizung
Zylinderblock
Bypass
(Turbo)
Bild 6
Multifunktionsmodul mit integriertem split
cooling
Bild 7
21
307
Aufbau eines Plattenwärmetauschers
gert. Verbesserte Partikelemissionen sind
die Folge. Ebenso kann das Öl im Motorbetrieb hohe Temperaturen erreichen. Diese Wärme kann das Öl dann über den
Wärmetauscher an das Kühlmittel abgeben. Die Möglichkeit, das Öl in engen Temperaturgrenzen temperieren zu können,
wirkt sich vorteilhaft auf den Verschleiß
des Schmierstoffs aus.
Modellverifizierung
Für die indirekte Kühlung mit Kühlmittel werden häufig Plattenkühler in Stapelscheibenbauweise verwendet. Um den Wärmeübergang zwischen den Medien zu verbessern,
werden die Platten mit Turbulenzeinlagen
versehen. Der Aufbau eines Plattenwärmetauschers besteht aus mehreren gewellten
Platten. Zwischen den Platten entstehen
Zwischenräume, in denen das Heizfluid und
das zu beheizende Fluid fließen. Auf einen
Zwischenraum mit Heizfluid folgt durch eine
Platte getrennt ein im Gegenstrom fließendes beheiztes Fluid (Bild 7).
Die Verwendung eines Öl-/KühlmittelWärmetauschers hat zwei Vorteile: Das
Kühlmittel, das beim Kaltstart schneller
warm wird als das Motoröl, kann dazu benutzt werden, das Öl schneller auf Zieltemperatur zu erwärmen. Zudem wird die
Erwärmung des Kolbens unterstützt, wodurch sich das Kolbenspiel schnell verrin-
Das Ölaufwärmverhalten bei verschiedenen
Wassertemperaturniveaus an einem Ölkühler wurde bei Schaeffler experimentell nachgewiesen. An einem speziellen Versuchsaufbau (Bild 8) beträgt die Öltemperatur zu
Beginn 20 °C. Die Wassereintrittstemperatur soll konstant bei 40, 60, 80 oder 100 °C
gehalten werden. Für jede Kühlmitteltemperatur werden vier Messungen mit unterschiedlichen Ölpumpendrehzahlen, Öldurchflüssen und Wasserdurchflüssen
eingestellt.
Die Ergebnisse der Messungen sind
beispielhaft in Bild 9 dargestellt.
Generell zeigen die Messungen, dass
mit einem frühen Durchströmen von Wasser durch den Ölkühler eine höhere Reibungsminderung erzielt werden kann als
bei späterem Wasserdurchfluss. Um eine
CO2-Reduzierung und Kraftstoffeinsparung
308
Wärmetauscher (Prüfteil)
Drossel
Zulauf Kühlmittel
Ölpumpe
4
NEFZ
Durchflusssensor
3
Bypass
2
Rücklauf Kühlmittel
Temperatur- und
Druckmessstellen:
Wärmetauscher zum Abkühlen
des Öls zwischen den Messungen
Ölaustrittstemperatur in °C
Bild 8
Versuchsaufbau zur Bestimmung des Ölaufwärmverhaltens
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
0
200
400
600
800 1.000 1.200
Messzeit in s
Parameter 1
Parameter 2
Drehzahl
Ölpumpe
in min-1
Parameter 1
Parameter 2
Parameter 3
Parameter 4
Bild 9
1. Eintritt Wärmetauscher (Kühlmittel)
2. Austritt Wärmetauscher (Kühlmittel)
3. Eintritt Wärmetauscher (Öl)
4. Austritt Wärmetauscher (Öl)
640
1.290
1.950
2.470
Parameter 3
Parameter 4
Öldurch- Kühlmittelfluss
durchfluss
in l/min
in l/min
8
16
24
32
4
8
12
16
Ölaustrittstemperatur über der Messzeit
bei 60 °C Kühlmitteltemperatur bei
verschiedenen Volumenströmen
zu erreichen, sollte deshalb möglichst bald
das Kühlmittel zur Ölheizung verwendet
werden. Darüber hinaus muss der Ölkühler
im Ölkreislauf beachtet werden, da der Wärmetauscher bei niedrigen Temperaturen
eine Drosselstelle darstellt.
Der NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) wird bei kaltem Motor gestartet. Das
bedeutet, dass das Öl in einem hochviskosen Zustand vorliegt und der Wärmetauscher nur schwer durchströmt wird. Wenn
der Öl/Wasser-Wärmetauscher (ÖWWT) zu
Beginn noch nicht von erwärmtem Kühlmittel durchströmt wird, ist es sinnvoll, auch
das Öl noch nicht über den ÖWWT zu leiten. Ebenso kann der Kühler umgangen
werden, bis sich das Öl in einem Temperaturbereich befindet, in dem es gekühlt werden muss. Die Wärme des Öls wird somit
nicht über den Kühler an die Umgebung
oder über den Wärmetauscher an das Kühlmittel abgegeben. In beiden Fällen ist ein
Sammeln der Wärme im Ölkreislauf die Folge, wodurch wiederum die Betriebstempe-
Bei der Bestimmung des Normverbrauchs
muss berücksichtigt werden, dass der Verbrauch stark von der Fahrweise des Fahrers
beeinflusst wird. Heute werden deshalb normierte Fahrzyklen gefahren, um vergleichbare Werte zu erreichen. Für Europa wurde ein
synthetischer Geschwindigkeitsverlauf, der
Neue Europäische Fahrzyklus, festgelegt. In
diesem Rahmen werden Phasen konstanter
Beschleunigung, konstante Geschwindigkeiten, konstante Verzögerungen und Leerlaufphasen bei Geschwindigkeit Null durchfahren. Da auch die Drehzahl einen großen
Einfluss auf den Verbrauch hat, wurden auch
die Schaltpunkte für Fahrzeuge im NEFZ
festgelegt. Der NEFZ ist eine Abfolge von
fünf Zyklen, vier gleichen innerstädtischen
Zyklen mit einer maximalen Geschwindigkeit
von 50 km/h und einem außerstädtischen
Zyklus mit einer maximalen Geschwindigkeit
von 120 km/h. Wie sich dabei die Kühlmittelund Öltemperatur auf den Kraftstoffverbrauch auswirken, zeigt Bild 10.
Kraftstoffverbrauch in g/s
1
ratur schneller erreicht werden kann. Infolgedessen wäre ein Regelventil auch im
Ölkreislauf eine denkbare Lösung. Mit diesem wäre dann ein schnelleres und bedarfsgerechteres Steuern des Öls möglich.
0,76
0,75
0,74
0,73
0,72
0,71
0,70
0,69
0,68
0,67
2 bar, 2.000 min-1
40 50 60 70 80 90 100 110120
Öl- bzw. Kühlmitteltemperatur in °C
TÖl = 60 °C
TKM = 110 °C
Bild 10 Einfluss der Kühlmittel- und Öltemperatur
auf den Kraftstoffverbrauch
Geschwindigkeit in km/h
Thermomanagement
21
309
140
120
100
80
60
40
20
0
0
200
400
600 800 1.000 1.200
Zeit in s
Bild 11 Geschwindigkeitsverlauf des NEFZ
Bild 11 zeigt daneben den Geschwindigkeitsverlauf über die Zeit. Wie zu sehen ist,
werden dem Motor anfangs nur geringe
Lasten abgefordert. Umso wichtiger ist es,
in dieser frühen Phase keine Energie zu
verlieren und den Motor schnell auf Temperatur zu bringen.
Innenraumtemperierung
Nach dem Kaltstart eines Pkw soll möglichst schnell ein optimales Klima im Fahrgastraum erreicht werden. Dabei wird für
ein behagliches Innenraumklima eine bestimmte Innenraumlufttemperatur empfohlen. Um diese zu erreichen, gilt es, die zuund abgeführten Wärmeströme auszulegen
und abzustimmen.
Die behagliche mittlere Lufttemperatur
beträgt nach DIN 1946-2 in geschlossenen
Räumen von Gebäuden etwa 22 °C. Die mittlere Innenraumlufttemperatur im Pkw errechnet sich aus dem arithmetischen Mittel der
mittleren Lufttemperatur im Fußraum und der
mittleren Lufttemperatur im Kopfraum. Die für
die Behaglichkeit in Pkw-Innenräumen notwendige mittlere Innenraumlufttemperatur ist
nicht konstant. Sie ist von den physikalischen,
physiologischen und intermediären Einflussfaktoren abhängig, siehe Tabelle 1.
310
21
Thermomanagement
Einflussfaktoren des thermischen Behaglichkeitsempfindens
physikalisch
physiologisch
intermediär
• Umschließungsflächen
• Sonneneinstrahlung
• Lufttemperatur
• Luftströmung
• Luftfeuchtigkeit
• Aktivitätszustand
• Status
• Hautfeuchtigkeit
• Bekleidung
• Raumbesetzung
Im Rahmen von Messungen wurde für eine
von Schaeffler betreute Masterarbeit geprüft, welche Strategie den Motor und das
Kühlmittel schneller erwärmt als die Standardstrategie und welchen Einfluss die unterschiedlichen Strategien auf die Erwärmung des Fahrgastraums haben. Für die
Messungen wurde ein Pkw auf dem Rollenprüfstand unter vorgegebenen Lasten gefahren.
Dabei wurden Messungen am Motor mit
unterschiedlichen Strategien für die Kühlmittelpumpe (KP) durchgeführt. Dazu zählten
–– die standardmäßig betriebene Kühlmittelpumpe, die permanent zugeschaltet
ist,
Last
5 kW**
Standard (getaktete KP)
15 min
x
2
Standard (SE öffnet in den Taktzeiten wie in 1)
15 min
x
3
Kühlmittelpumpe ein ab Motorstart
15 min
x
4
Kühlmittelpumpe abgekoppelt (einschalten KP
nach Erreichen von 50 °C Kühlmitteltemperatur)
15 min
x
5
Kühlmittelpumpe abgekoppelt (einschalten KP
nach Erreichen von 80 °C Kühlmitteltemperatur)
15 min
x
6
Sperrelement verschlossen (öffnen SE nach Zeit wie in 4)
15 min
x
7
Sperrelement verschlossen (öffnen SE nach Zeit wie in 5)
15 min
x
** 5 kW bei 2.000 min-1 Kurbelwelle
25
Tabelle 2Versuchsszenarien
20
15
-20
-10
0
10
20
30
Außentemperatur in °C
40
Bild 12 Mittlere Lufttemperatur im Fahrzeuginnenraum in Abhängigkeit von der
Außenlufttemperatur
–– eine zuschaltbare Kühlmittelpumpe,
die gemäß der Kaltstartstrategie des
Automobilherstellers angesteuert wird,
–– eine abgekoppelte Kühlmittelpumpe in
der Warmlaufphase, die erst beim Erreichen einer festgelegten Kühlmitteltemperatur zugeschaltet wird und
–– ein Sperrelement (SE), das den Thermosiphoneffekt verhindert.
Um die verschiedenen Kühlmittelpumpenstrategien bewerten zu können, wurde der
Motor zunächst mit abgekoppelter Kühlmittelpumpe (Thermosiphoneffekt zugelassen) und anschließend mit einem aktiv
abgesperrten Kühlmittelkreis (Thermosiphoneffekt unterbunden) betrieben. Einzelheiten zu den Versuchsszenarien zeigt
Tabelle 2.
Zum Umfang der Messungen zählten
–– die Kühlmitteltemperatur vor und nach
dem Heizungswärmeübertrager (HWT),
–– die Temperatur des Kühlmittels nach
der Absperrung beziehungsweise nach
der Kühlmittelpumpe,
• Drehzahl Kurbelwelle
• Temperatur Kühlmittel
• Pedalweg
• Drosselklappe
• Lambda
• Temperatur Ansaugluft
• Temperatur Motoröl
–– die Temperatur der Luft nach dem Heizungswärmeübertrager sowie
–– die Lufttemperatur im Innenraum.
Bild 13 zeigt ein Schema des Versuchsaufbaus.
Messung an der Rolle:
• Drehmoment
• Geschwindigkeit
Temperatur an der
Lüftung Mittelkonsole
Steuer- Pkw
gerät
Kühlmittel
SE
Temperatur des
Kühlmittels nach
Sperrelement bzw.
Wasserpumpe
KP
Heizungswärmeübertrager
Komforteinfluss verschiedener
Sperrsysteme
30
Messzeit
1
Motor
Die als behaglich empfundene Innenraumlufttemperatur hängt stark von der Außenlufttemperatur ab (Bild 12). Bei einer Außenlufttemperatur von 20 °C beträgt die als
angenehm empfundene Lufttemperatur
22 °C. Bei tieferen Außenlufttemperaturen
liegt die als behaglich empfundene Innenraumtemperatur höher als 22 °C. Diese höhere Innenraumtemperatur ist erforderlich,
um zum Beispiel die an die Umschließungsflächen abgegebene Wärmestrahlung zu
kompensieren. Auch bei hohen Außenlufttemperaturen liegt die Wohlfühltemperatur
über 22 °C, da zum Beispiel eine leichtere
Bekleidung getragen wird.
Mittlere Lufttemperatur
im Fahrzeuginnenraum in °C
Tabelle 1Einflussfaktoren des thermischen Behaglichkeitsempfindens
311
Kühlmitteltemperatur vor
und nach Wärmeübertrager
und Volumenstrom
Kühlmittel
Drehzahl Wasserpumpe
Bild 13 Schema des Versuchsaufbaus
Luft
PkwInnenraum
Lufttemperatur vor
und nach Wärmeübertrager
und Luftgeschwindigkeit
KP-Wasserpumpe
SE-Sperrelement
Umgebungstemperatur
312
Temperatur in °C
Die Messstelle für die Innenraumtemperatur
lag auf Höhe der Kopfstütze der Beifahrerseite (Bild 14 links). Die Messung der Luftgeschwindigkeit nach dem Heizungswärmeübertrager erfolgt nach dem Lüfter (Bild 14
rechts unten). Rechts oben zeigt Bild 14 die
Messstelle vor der Kühlmittelpumpe.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Zeit in s
KP ein ab Motorstart
KP mit SE ab 124 s ein
KP mit SE ab 215 s ein
getaktete KP mit SE
Bild 15 Kühlmitteltemperaturen bei unterschiedlichen Kühlmittelpumpenstrategien
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Zeit in s
KP ein ab Motorstart
KP mit SE ab 124 s ein
KP mit SE ab 215 s ein
getaktete KP mit SE
Bild 16 Lufttemperaturen bei unterschiedlichen
Kühlmittelpumpenstrategien nach dem
Heizungswärmetauscher
Nach dem Zuschalten der Pumpe bei 124 s
und 215 s ergibt sich zunächst ein kurzer
Temperaturabfall, weil kühleres Kühlmittel
aus dem HWT und den Leitungen zur
Messstelle zugeführt wird. Danach folgt
eine starke Temperaturerhöhung durch das
warme Kühlmittel, das im Motor erhitzt wurde und nun zur Messstelle gelangt.
Bei der getakteten Kühlmittelpumpenstrategie finden die Temperatursprünge mit zeitlicher Verzögerung nach dem Zuschalten der
Kühlmittelpumpe statt. Zunächst wird das warme Kühlmittel von der Pumpe durch den Kreis
bewegt, bis es am Motoreintritt ankommt.
Während der Zeiten der abgeschalteten Kühlmittelpumpe fällt die Kühlmitteltemperatur nur
leicht ab. Das Kühlmittel verliert nur langsam an
Wärme, da durch die Wärmeleitung im Kühlmittel weiterhin Wärme aus dem Motor zur
Messstelle gelangt. Nach dem vierten Zuschalten der Pumpe holen die Kurven mit der getakteten Kühlmittelpumpenstrategie die anderen
ein. Nach dem dauerhaften Zuschalten der
Kühlmittelpumpe haben die Kurven aller Strategien den gleichen Verlauf, wobei die Kurve
mit der Strategie der getakteten Kühlmittelpumpe geringfügig höher liegt. Die Strategie
der getakteten Kühlmittelpumpe hat die längs-
21
313
ten Abschaltzeiten der Kühlmittelpumpe. Das
bedeutet, dass die geringste Wärmemenge
aus dem Motor abgeführt wird, weshalb Motor
und Kühlmittel minimal schneller erwärmt werden.
Das Aufheizverhalten der Lufttemperatur nach dem Austritt aus dem Heizungswärmetauscher durch die verschiedenen
Aufheizstrategien ist in Bild 16 zu sehen.
Dabei zeigt sich, dass der Verlauf der Lufttemperatur bei permanent zugeschalteter
Kühlmittelpumpe von keinem Lufttemperaturverlauf der anderen Strategien überholt
werden kann. Ab 550 s liegen die Kurven
aller Kühlmittelpumpenstrategien übereinander. Das Aufheizen der Luft benötigt je
nach Strategie unterschiedlich lange. Je früher also die Wärme im HWT übergeht, desto früher wird die Luft aufgeheizt. Je mehr
Wärme aber im HWT übergeht, desto
schneller wird die Luft aufgeheizt.
In Bild 17 ist die gemessene Temperatur
des Innenraums in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Aufheizstrategien aufgetragen. Diese Kurven folgen dem Verlauf der
Lufttemperatur nach dem Heizungswärmetauscher, allerdings nicht mit der gleichen
70
60
Temperatur in °C
Bild 14 Messstellen im Versuchsaufbau
Bild 15 zeigt den Verlauf der Kühlmitteltemperatur je nach
Schaltstrategie an
der Messstelle vor
der Kühlmittelpumpe. Dieser Kurvenverlauf ähnelt dem
Verlauf der Kühlmitte l te m p e r a t u r e n
nach dem Heizungswärmeübertrager. So
ist bereits ein Temperaturanstieg während
der Phase des „stehenden Kühlmittels“
zu erkennen. Für die
Kurven mit der Strategie „getaktete Kühlmittelpumpe“ und
der ab einer Kühlmitteltemperatur von 50 °C zugeschalteten Kühlmittelpumpe ist der Effekt vor Zuschalten der
Kühlmittelpumpe nur gering. Für die Strategie
mit Zuschalten der Kühlmittelpumpe ab 80 °C
Kühlmitteltemperatur ist eine deutliche Erhöhung der Kühlmitteltemperatur vor dem Zuschalten der Kühlmittelpumpe zu erkennen.
Der Anstieg ist für die Messungen mit Sperrung deutlich stärker als für die Messungen
ohne Sperrung.
Für die Messungen an der Messstelle
vor der Kühlmittelpumpe ist bei abgeschalteter Kühlmittelpumpe nur ein Wärmetransport durch Wärmeleitung im Kühlmittel
möglich. Die Wärmeleitung für die Messung
ohne Sperrelement setzt sich in der Leitung
immer weiter fort. Das Kühlmittel in den
Messungen mit Sperrelement kann nur bis
zum Sperrelement selbst aufgeheizt werden. Durch das Absperren der Leitung erwärmt sich das Kühlmittel an der Messstelle
vor Motoreintritt immer weiter, ohne dass
Wärme abgeführt wird. Deshalb liegt die
gemessene Kühlmitteltemperatur an dieser
Stelle höher als die Kühlmitteltemperatur im
Versuch ohne Sperrelement.
Temperatur in °C
Thermomanagement
50
40
30
20
10
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Zeit in s
KP ein ab Motorstart
KP mit SE ab 124 s ein
KP mit SE ab 215 s ein
getaktete KP mit SE
Bild 17 Vergleich der Lufttemperatur im
Innenraum
314
Temperatur Kühlmittel in °C
Geschwindigkeit in km/h
Steigung. Die Luft,
Kühlmittel-Temperaturdie aus dem HeiSensor 1,
zungswärmetauangbracht an
Zylinderkopf-Auslauf
scher austritt, mischt
sich, nach dem Austritt aus den Düsen,
mit der Luft in der
Fa h r ze u g k a b i n e.
Durch die große
Luftmenge im Fahrzeuginnenraum ist
für eine Änderung
der Temperatur deshalb mehr Zeit nötig. Die Strategie mit
TMM für
der der Innenraum
Bypass
am schnellsten aufgeheizt wird, ist die
Strategie mit permanent zugeschalteter
Kühlmittelpumpe. Je weniger
die Kühlmittelpumpe
TMM 2 für
in der Aufheizphase
Kühler
zugeschaltet ist, desto langsamer wird
der Innenraum erwärmt.
Bild 18 Modifizierter Saugmotor mit TMM
Die durchgeführten Messungen zur Bestimmung der KühlKaltstartstrategien
mittel- und der Lufttemperaturen an unterschiedlichen Messstellen in der Warmlaufphase des Motors zeigen, dass für einen
möglichst schnell aufgeheizten Pkw-InnenUm die Wirkungen eines Thermomanageraum weiterhin die Strategie mit permanent
mentmoduls auf den Kaltstart zu verifizieren,
zugeschalteter Kühlmittelpumpe am sinnmodifizierte Schaeffler einen konventionellen
vollsten ist. Andere KühlmittelpumpenstrateSaugmotor und ersetzte die Thermostatgien mit Abschaltphasen zeigen zwar nach
steuerung durch ein TMM (Bild 18).
dem Zuschalten der Kühlmittelpumpe eine
Durch die Kombination von Kühlmittelschnellere Aufheizphase, überholen aber die
pumpe und zwei Ventilen anstatt KühlmittelKurve mit der permanent zugeschalteten
pumpe und Thermostat ist das System in der
Kühlmittelpumpe nicht. Diese Ergebnisse
Lage, wahlweise zu verteilen oder zu sperren.
zeigen, dass sofort auf die Strategie mit perDabei ist die Sperrfunktion vor allem für die
manent zugeschalteter Kühlmittelpumpe
Kaltstartstrategie interessant. Diese hat einen
umgeschaltet werden sollte, sobald ein Fahrgroßen Einfluss auf die Verbrauchswerte im
zeuginsasse die Heizung betätigt – KundenNEFZ. Mit dem Aufbau untersuchte Schaeffler
zufriedenheit hat höchste Priorität.
zwei verschiedene Betriebsstrategien für das
Thermomanagement
Schneller
Wärmeanstieg
wegen
Null-Fluss
130 °C
Mit TMM kann die
Anwärmphase (25 °C – 90 °C)
um 130 s im Vergleich zum
Basismotor reduziert werden
Unter Teillast ist die
Temperatur des
Kühlmittels fast 15 °C
höher als beim
Basismotor
21
315
Schnelle Anpassung
an jede Kühlmitteltemperatur
Durchschnittl. Temperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf (Basismotor)
Durchschnittl. Temperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf mit TMM
Temperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf bei unterschiedlichen TMM Contoll Modes
Fahrzeuggeschwindigkeit
Bild 19 Lastbasierte Temperaturregelung an einem modifizierten Saugmotor
TMM: einen Nullvolumenstrom zur schnellen
Aufheizung sowie lastbasierte Temperaturvariationen (Teillast 110 °C, Volllast 85 °C) (Bild 19).
Der Temperaturverlauf in Bild 19 entspricht
nicht den realen Werten, da es erst ab 100 s zu
einer Wasserbewegung und zu einer Änderung der Kühlmitteltemperatur kommt. Über
ein einfaches Berechnungsmodell kann die
Temperatur anschließend auf +/- 2 °C konstant
Verbesserung der Emissionen
20 %
15 %
gehalten werden. Bei Lastanforderungen des
Fahrers kann sofort reagiert und die Temperatur signifikant abgesenkt werden. Allein durch
die Nullvolumenstrategie ergab sich eine Verbrauchsreduzierung in Höhe von 1,2 %. Durch
die höhere Abgastemperatur und das schnellere Einsetzen des Katalysators konnten zudem deutliche Reduzierungen der sekundären
Abgase wie HC, NOx oder CH4 erreicht werden
(Bild 20). Auch wenn diese Ergebnisse auf den
ersten Blick beeindruckend sind, kann das volle Potenzial nur in enger Zusammenarbeit mit
den Thermodynamikern der Automobilhersteller gehoben werden.
10 %
5%
0%
Gasoline Technology Car
HC
Reduzierung
CO
HC CO
8% 6%
NOXX
CO2 HC+NOX CH4
NOX CO2 HC+NOX CH4
18 % 1 % 13 % 8 %
Bild 20 Reduzierung der sekundären Abgase
durch schnelleren Einsatz des Katalysators
Auf Basis eines Ford Focus mit 1,0-l-FoxMotor baute Schaeffler mit weiterentwickelten Komponenten ein Konzeptfahrzeug mit dem Namen Gasoline
316
Thermomanagement
Turbo
Modifikation mit TMM
Ölkühler
Kabinenheizung
Kühlmittelpumpe
Zylinderblock
BlockThermostat
Kühler
Ausgleichsbehälter
Zylinderkopf,
auslassseitig
Zylinderkopf,
einlassseitig
Turbo
Thermostat
mit Bypass
U
Ausgleichsbehälter
Zylinderkopf,
auslassseitig
Zylinderkopf,
einlassseitig
Kühlmittelpumpe
Thermostate ersetzt durch ein Modul:
Ölkühler
Kabinenheizung
TH
Kühler
Original
Zylinderblock
Systemumfang
Continental
EGRKühler
hohe Funktionalität
schnelles Ansprechverhalten
geringer Montageaufwand
Bild 21 Aufbau des GTC mit weiterentwickelten Schaeffler-Komponenten
Temperatur in °C
120
Schieberwinkel in °DS
500
140
400
100
80
Nullvolumenstrom
Erwärmung des Öls
Wärmekontrolle
60
40
20
0
300
200
100
Bypass
offen 0
500
1.000
1.500
Zeit in s
Mechanische Effizienz
Zylinderlaufbuchse Mitte
Motoröl
Thermische Effizienz
Steg Auslaufventil
Zylinderlaufbuchse oben
original
modifiziert
Schnellere Erwärmung bietet Potenziale für
höhere Effizienz und Fahrgastkomfort
Bild 22 Schnellere Aufheizung für mehr Effizienz
und Komfort
Technology Car (GTC) auf. Der Motor verfügt im Original über zwei Thermostate.
Eines davon dient zur Blockregelung,
das zweite bedient den Kühler. Diese
zwei Thermostate wurden im GTC durch
ein TMM ersetzt, das die Funktionen
bündelt und zusätzlich in der Lage ist,
den Ölkühler an- und abzuschalten
(Bild 21).
Im Gegensatz zum Originalmotor ist
es durch die Integration des TMM möglich, einen Nullvolumenstrom darzustellen. Das dazu erforderliche Modul ist so
kompakt, dass es im vorhandenen Bauraum des Hauptthermostats untergebracht werden kann. Bild 22 zeigt als Ergebnis erster Versuche eine deutliche
Steigerung der thermischen und mechanischen Effizienz. Auch beim GTC führt
die deutlich schnellere Temperaturerhöhung im Abgas zu einem schnelleren Ansprechen des Katalysators und reduzierten Nebenabgasen.
Trotz steilerer Aufheizkurve ist die Erwärmung des Öls langsamer, da der Öl-/
Wasser-Wärmetauscher in der ersten Pha-
21
317
se nicht durchströmt wird. Deshalb gilt es,
den optimalen Umschaltpunkt zwischen
thermischer und mechanischer Effizienz zu
erreichen. Dies hängt sowohl von der Aggregatearchitektur als auch von den Parametern des verwendeten Motoröls ab. Je
enger die Kooperation mit dem Automobilhersteller, desto effizienter lassen sich die
Potenziale heben.
Auch wenn es sich bei den gezeigten
Ergebnissen noch um ein grobes Modell
erster Versuche handelt, zeigen die Messungen, dass der Unterschied in den
Temperaturgradienten signifikant ist und
so ein weiterer Freiheitsgrad für die
Motorenkonstruktion angeboten werden
kann. Eine Feinkalibrierung des Motorsteuergeräts bei Continental wird dazu
führen, dass sich die Kurven noch deutlich glätten.
Weiterhin lassen sich hohe Effizienzsteigerungen bei hydraulisch aktuierten Getrieben erzielen. Erste Untersuchungen
wurden bereits an Doppelkupplungsgetrieben durchgeführt.
Bei der Kühlerregelung selbst sollte
möglichst viel thermische Masse abgekoppelt werden. Dadurch kann bei einer normalen oder warmen Umgebungsluft der
Fokus auf die Effizienz und bei einer kalten
Umgebungsluft der Fokus auf den Komfort
gelegt werden. Dabei bietet die Abkehr von
konventionellen An/Aus-Schaltungen hin zu
fein regelnden Systemen erhebliches Potenzial.
Auslegung des Kühlkreislaufs konventioneller
Antriebsstränge
Mechatronische Systeme zur Kühlwassersteuerung sind ein Trend mit dem Potenzial, das Verbrauchs- und Emissionsverhalten von Fahrzeugen zu optimieren und
gleichzeitig den Klimakomfort im Fahrzeuginnenraum zu erhöhen. Je nach Konfiguration des Antriebsstrangs ergeben sich
bei der jeweiligen Auslegung vielfältige
Gestaltungsmöglichkeiten. Schaeffler als
Partner mit einem ganzheitlichen Ansatz in
Entwicklung und Produktion bietet dazu
Konzepte mit zahlreichen Variationsmöglichkeiten.
Aus den dargestellten Erkenntnissen empfiehlt sich für künftige Kühlkreisläufe konventioneller Antriebsstränge eine mehrstufige Auslegung. Dabei sollte eine Nullvolumenstromphase zunächst dafür sorgen,
nur das Innere des Motors zu beheizen, um
eine rasche Reaktion des Katalysators zu
ermöglichen. Ein Bypass mit integriertem
Ölkühler oder Heizung bietet die nötige Flexibilität. Die Abkopplung des ÖWWT vom
Bypass mit variabler Zulaufsteuerung ermöglicht einen weiteren Freiheitsgrad.
Nach der Motorregelung gilt es, sich
mit der Konditionierung des Getriebes zu
beschäftigen. Durch die steigende Zahl
der Fahrstufen und damit von Lagerstellen wird auch dort der Bedarf steigen.
Ausblick
Literatur
[1] Eiser, A.; Doerr, J.; Jung, M.; Adam, S.: Der
neue 1,8-l-TFSI-Motor von Audi. MTZ 6/2011,
S. 466-474