Leichtbau bei Nfz-Kühlsystemen für Euro-VI-Anwendungen


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Die theoretische Gewichtszunahme aufgrund der erforderlichen höheren Leistung eines Kühlsystems für Euro-VI-Anwendungen konnte MAHLE vollständig durch konstruktiven Leichtbau und Leistungsdichtesteigerung kompensieren.

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Hannover, September 2014 – Mit den anspruchsvollen Grenzwerten der Abgasnorm Euro VI stiegen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems im Nutzfahrzeug. MAHLE ist es durch konstruktiven Leichtbau und Anhebung der spezifischen Leistung von Kühlkomponenten gelungen, das Kühlsystem für diese Ansprüche ohne Mehrgewicht auszulegen. Gleichzeitig bewirken die Entwicklungsmaßnahmen gegenüber Euro-V-Systemen eine verbrauchsneutrale Erhöhung der Kühlleistung.

Im äußerst kostensensiblen Nutzfahrzeugsektor ist die Transporteffizienz ein wesentliches Kaufargument. Neben dem Anschaffungspreis sowie den Betriebskosten eines Fahrzeugs, bemisst sich diese auch über die mögliche Zuladung. Entsprechend hoch ist der Druck auf die Entwicklung, effiziente Antriebe zu vertretbaren Kosten und möglichst ohne Mehrgewicht zu realisieren. Die Einführung der Euro-VI-Abgasnorm stellte eine entsprechend hohe Herausforderung dar, da einerseits die Peripherie der Antriebe komplexer wurde und andererseits die Maßnahmen zur Einhaltung der geforderten NOX- und Partikel-Emissionen kontraproduktiv auf den Verbrauch wirken. Trotzdem fahren die neuen Euro-VI-Fahrzeuge gegenüber den Euro-V-Varianten dank umfangreicher Fortschritte in der Antriebsentwicklung auf ähnlichem oder sogar niedrigerem Verbrauchsniveau. Dass trotz gestiegener Effizienz, Systemkomplexität und höherer Leistungsfähigkeit auch das Gewichtsniveau nicht ansteigen muss, kann MAHLE eindrucksvoll am Kühlsystem für Euro-VI-Anwendungen demonstrieren.

Als eine der motorischen Maßnahmen zur Erfüllung der Euro-VI-Grenzwerte hat sich nahezu flächendeckend die gekühlte Abgasrückführung (AGR) etabliert. Ihr wesentlicher Vorteil ist die Darstellung niedriger spezifischer Kraftstoffverbräuche bei geringen NOX-Emissionen. Allerdings resultiert daraus ein höherer Kühlleistungsbedarf, der ohne Verbrauchsnachteile kompensiert werden muss. Möglich ist das durch eine im Vergleich mit Euro-V-Systemen um bis zu 25 Prozent größere Kühlanlage mit aerodynamischen Optimierungen. Um diese allerdings ohne Mehrgewicht darzustellen, sind umfangreiche Maßnahmen erforderlich. Diese liegen einerseits in konstruktivem Leichtbau und andererseits in der Steigerung der spezifischen Leistung der Komponenten.

Das Herzstück der Motorkühlung ist der Kühlmittelkühler, der die Motorabwärme an die Umgebungsluft abgeben muss. Neben der Leistungssteigerung musste auch eine deutlich höhere Betriebsfestigkeit erzielt werden. Die Druck- und Temperaturwechselbelastungen steigen sowohl in ihrer Intensität, zum Beispiel bedingt durch Systemdrücke und Pumpenleistung, als auch in ihrer Häufigkeit, zum Beispiel durch Reglungseingriffe. Gleichzeitig steigt die Ziellebensdauer der Produkte auf 1,6 Millionen Kilometer. Durch eine deutliche Erhöhung der Leistungsdichte sowie durch Leichtbaumaßnahmen konnte trotz der erhöhten Anforderungen der Gewichtsanstieg durch die größere Kühlerfläche nicht nur vermieden, sondern überkompensiert werden. Für die Leistungssteigerung waren eine Optimierung der Kühlluftrippen und der Kühlmittelrohre erforderlich. Um bei erhöhter Festigkeit das Gewicht zu reduzieren, wurden dünnwandigere druckfeste Mehrkammerrohre entwickelt. Um die für die Festigkeit entscheidende Rohr-Boden-Verbindung zu entlasten, wurden neuartige Rohrdurchzugsgeometrien eingeführt. Für alle diese Einzelteile mussten neue Fertigungsprozesse entwickelt werden. Ergebnis der umfangreichen Entwicklungsarbeiten und Anpassungen der Produktionsverfahren ist ein Motorkühlsystem, das die Einhaltung der Euro-VI-Abgasnorm ermöglicht und trotz seiner erheblich gesteigerten Leistungsfähigkeit kein Mehrgewicht bewirkt.

Der Ladeluftkühler musste durch die Einführung von Euro VI nur geringfügig vergrößert werden, da durch die Verwendung von AGR zwar der Ladedruck und die Turboladeraustrittstemperaturen steigen, die Luftzahl aber abnimmt. Die höheren Temperaturen und Drücke führen in Kombination mit VTG-Turboladern ebenfalls zu einer signifikanten Erhöhung der Belastungen. Ähnlich wie beim Kühlmittelkühler konnte auch hier durch eine Optimierung aller Einzelteile die Leistungsdichte gesteigert und die Wanddicken reduziert werden.

Mit den größeren Kühlmodulen einher geht auch der Bedarf nach größeren Lüftern. CFD-basierte Leistungsdichtesteigerung und FEA (Finite Elemente Analyse)-gestützte Strukturoptimierung ermöglichen auch hier eine Umsetzung der höheren Leistungsanforderungen bei gleichzeitig reduziertem Gewicht.

Der AGR-Kühler schließlich stellt häufig ein zusätzliches, neues Bauteil dar, das zwangsläufig zu Mehrgewicht führt. Die bewährte und robuste Wingletrohrtechnologie von MAHLE konnte auch hier weiterentwickelt werden. Der Druckverlust im verschmutzten Zustand ist eine wichtige Größe, nach der die Kühler dimensioniert werden, damit auch dann noch die für die Emissionsreduzierung erforderlichen AGR-Raten eingehalten werden können. Durch eine Weiterentwicklung der Wingletgeometrie konnte dieser Druckverlust um 25 Prozent reduziert werden. Dies ermöglicht die Reduzierung der Rohrzahl um bis zu 15 Prozent.

In Summe konnte die theoretische Gewichtszunahme auf Grund der höheren Leistung des Kühlsystems vollständig durch konstruktiven Leichtbau und Leistungsdichtesteigerung aller Kühlungskomponenten kompensiert werden. Ebenso können die MAHLE Kühlkomponenten eine theoretische Verbrauchserhöhung um bis zu zwei Prozent gegenüber vorherigen Kühlanlagen in einem Euro-VI-System verhindern. Damit trägt das Gesamtsystem nachhaltig zur Transporteffizienz bei.

Über MAHLE

Mit den drei Geschäftsbereichen Motorsysteme und -komponenten, Filtration und Motorperipherie sowie Thermomanagement zählt MAHLE weltweit zu den Top-3-Systemanbietern im Bereich Automotive. Im Geschäftsbereich Industry sind alle Non-Automotive-Aktivitäten des Konzerns mit Produkten aus den Anwendungsfeldern der Großmotoren, der Filtration und des Thermomanagements für industrielle Einsätze gebündelt. Der Geschäftsbereich Aftermarket bedient den freien Teilehandel mit MAHLE Produkten in Erstausrüstungsqualität.

MAHLE ist auf allen wichtigen Weltmärkten vor Ort präsent. Rund 64.000 Mitarbeiter werden 2014 an über 140 Produktionsstandorten sowie in zehn großen Forschungs- und Entwicklungszentren voraussichtlich einen Umsatz von rund zehn Milliarden Euro erwirtschaften.

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