Vorteile des indirekten Kühlsystems bei schweren Nutzfahrzeugen


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Die Einführung eines indirekten Kühlsystems im Nfz bietet hohes Potenzial zur Effizienzsteigerung und Komplexitätsreduzierung.

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Hannover, September 2014 – Indirekte Kühlsysteme finden sich bislang überwiegend im Pkw-Sektor. Beim Nutzfahrzeug kommt heute noch verbreitet die direkte Kühlung zum Einsatz, lediglich in Kombination mit zweistufigen Aufladekonzepten finden sich indirekte Ladeluftkühler. MAHLE hat das Potenzial der höheren Kühlleistung sowie der Komplexitätsreduzierung bei der Integration zusätzlicher Kühlanforderungen am Nutzfahrzeug untersucht.

Mit Einführung der Euro-VI-Abgasnorm wurden zahlreiche Innovationen im Kühlsystem und seinen Komponenten notwendig, um den zusätzlichen Kühlleistungsbedarf verbrauchsneutral darzustellen. Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler und AGR-Kühler mit hoher Leistungsdichte, Lüfterantriebe mit hoher Regelgüte und erstmalig ein Visco®-Antrieb für die Kühlmittelpumpe sind wesentliche Beispiele. Während die Komponenten und ihr Zusammenspiel optimiert wurden, blieb allerdings – bis auf wenige Ausnahmen – die seit 1980 etablierte direkte Kühlsystemarchitektur unberührt. Bei der direkten Kühlung werden die wesentlichen Kühlungsaufgaben durch einzelne Komponenten im Kühlmodul direkt luftgekühlt vorgenommen. Üblicherweise sind dies der Klimakondensator, der Ladeluftkühler und der Kühlmittelkühler. Eine weitere signifikante Verbesserung des Fahrzeugkühlsystems verspricht der Wechsel zu einem indirekten Kühlsystem, dessen Kernstück die indirekte Ladeluftkühlung darstellt. Sie etabliert sich bei Pkw-Anwendungen inzwischen zunehmend zum Standard, wurde im Nutzfahrzeugbereich bislang aber nur bei der zweistufigen Aufladung eingesetzt. Ein solches indirektes Kühlsystem bietet auch für Nutzfahrzeuge mit einstufigem Aufladesystem deutliche Vorteile. Potenziale bestehen bei der Verbrauchsreduzierung, der Erhöhung der installierten Kühlleistung und der erheblichen Reduzierung der Komplexität bei der Fahrzeugintegration zukünftiger Kühlungsaufgaben.

Energieeffizientes Zweikreis-Kühlsystem

In heutigen Nutzfahrzeugen besteht das Kühlmodul im Wesentlichen aus dem Klimakondensator, dem Ladeluftkühler und dem Kühlmittelkühler. Dazu kommen je nach Ausstattungsgrad verschiedene Kühlungsaufgaben hinzu, wie zum Beispiel die Kühlung von Getriebeöl, Lenkhilfeöl, Druckluft oder zukünftig auch der E-Maschine, der Leistungselektronik und der Batterie eines Hybriden Antriebsstrangs. Beim konventionellen direkten Kühlsystem werden diese Aufgaben durch zusätzliche luftgekühlte Kühler übernommen, teilweise sogar mit eigenen Lüftern. Der Ansatz des indirekten Kühlsystems ist es, die Wärmesenke und damit das Kühlmodul deutlich zu vereinfachen. Es besteht dann nur noch aus einem Niedertemperaturkühlmittelkühler (NT-KMK) und dem bisherigen Hochtemperaturkühlmittelkühler (HT-KMK). Der fahrzeugseitige Vorteil ist neben der Vereinfachung des Kühlmoduls, dass die Kühlleistung des NT-KMK bedarfsgerecht auf die einzelnen Kühlungsaufgaben verteilt werden kann. Dies führt zu einem besseren Verhältnis aus installierter Kühlleistung und Druckverlust der Kühlluftströmung. Bei den zu kühlenden Aggregaten und Medien ergibt sich der Vorteil, dass die Kühlung vor Ort funktionelle Vorteile hat, da Leitungen kürzer ausfallen sowie Füllmengen reduziert werden können und die Regelung der Kühlleistung kühlmittelseitig einfacher erfolgen kann.

Herzstück des indirekten Systems ist die indirekte Ladeluftkühlung. Bei der indirekten Ladeluftkühlung wird Kühlmittel über einen Niedertemperaturkühlmittelkühler nahe an die Umgebungstemperatur abgekühlt. Mit diesem Kühlmittel wird die Ladeluft in einem Ladeluft/Kühlmittelkühler abgekühlt. Der Ladeluft/Kühlmittelkühler ist dabei motorfest verbaut. Als Ausbaustufen sind ein indirekt gekühlter Kondensator, die Niedertemperatur-AGR-Kühlung und die Kühlung eines potenziellen Hybrid-Antriebstrangs denkbar.

Komplexitätsreduzierung

Neben der Ladeluftkühlung und der Klimatisierung gibt es zusätzliche Kühlungsaufgaben, die ein niedriges Temperaturniveau erfordern. Diese werden in der Zukunft weiter zunehmen, zum Beispiel durch die Kühlung eines hybriden Antriebsstrangs mit Leistungselektronik, E-Maschine und Batterie, die Zwischenkühlung einer zweistufigen Aufladung – besonders im Hinblick auf weiteres Downspeeding –, die Rückkühlung einer Abwärme getriebenen Klimatisierung oder die Niedertemperatur-AGR-Kühlung. Beim indirekten System erfordert dies keine Änderung der Kühlmodularchitektur, die zusätzlichen Wärmequellen werden in den bestehenden NT-Kreislauf eingebunden. Dies funktioniert deshalb, weil die Maxima der Wärmemengen nicht gleichzeitig anfallen. Auch die beim Nutzfahrzeug ausgeprägte Variantenvielfalt lässt sich mit dem indirekten System einfach darstellen. Bei einem direkten System ist jeweils ein erheblicher Zusatzaufwand erforderlich.

Einfluss auf die Kühlleistung

Durch den Ersatz des Ladeluftkühlers durch einen NT-KMK reduziert sich die Bautiefe des Kühlmoduls, was für eine bessere Durchströmung genutzt werden kann. Wird zusätzlich der direkte Kondensator durch einen indirekten ersetzt, wird die Kühlluftströmung weiter entdrosselt.

Durch die Entdrosselung lässt sich die Kühlluftmenge um über 10 Prozent erhöhen. Dies ermöglicht die Verschiebung der Lüfterzuschaltung zu höheren Drehmomenten und die Reduzierung der installierten Lüfterleistung. Dieser Vorteil lässt sich aber auch für die Installation höherer Motorleistungen oder für zukünftigen zusätzlichen Kühlleistungsbedarf nutzen. Durch die höhere thermische Trägheit des Gesamtsystems werden Lüfterzuschaltungen nach kurzzeitigen Belastungen reduziert.

Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch

Um zu verstehen, wie sich die positiven Eigenschaften der indirekten Ladeluftkühlung auf Emission, Kraftstoffverbrauch und Drehmoment auswirken, wurde das System an einem repräsentativen Euro-VI-Motor untersucht. Da die konventionelle Ladeluftkühlung zur fahrzeugseitigen Kühlanlage gehört und luftgekühlt ist, war es notwendig, diese Verhältnisse auch am Motorprüfstand darzustellen, um sie mit einer indirekten Ladeluftkühlung vergleichen zu können. Dazu wurden verschiedene transiente Fahrprofile betrachtet. Im Ergebnis ist ein Verbrauchspotenzial durch die verbesserte Kühlleistung sowie die transienten Effekte von zirka ein Prozent ermittelt worden.

Im Motorenversuch wurden auch die Möglichkeiten der indirekten Ladeluftkühlung für das Thermomanagement untersucht. In der unteren Teillast, die für den Katalysatorwirkungsgrad kritisch ist, liegen die Turboladeraustrittstemperaturen unterhalb von 100 °C, sodass kein Sieden auftreten kann. Das Abschalten der Kühlmittelströmung und somit der Ladeluftkühlung ist dadurch möglich. Damit lassen sich die Abgastemperaturen um über 20 K anheben. Auf verbrauchsintensive Maßnahmen zum Kat-Heizen kann auf diese Weise auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen länger verzichtet werden.

Für Euro-V-AGR-Lösungen konnte im Motorenversuch nachgewiesen werden, dass sich der Kraftstoffverbrauch durch eine Niedertemperatur-AGR-Kühlung, die im Niedertemperaturkreislauf zusammen mit der Ladeluftkühlung realisierbar ist, um zwei Prozent reduzieren lässt. Unter Euro-VI-Randbedingungen hat sich dieses Potenzial durch die Kombination mit SCR und die damit reduzierten AGR-Raten verringert, liegt aber entsprechend der bekannten Trade-off-Linien immer noch bei zirka ein Prozent. In Summe bietet damit das indirekte Kühlsystem neben den Vorteilen der Fahrzeugintegration auch noch einen Verbrauchsvorteil von zwei Prozent im Fernverkehrsbetrieb.

Zusammenfassung

Das indirekte Kühlsystem bietet Vorteile bei der Fahrzeugintegration, da sich Varianten einfacher darstellen und zukünftige Aufgaben einfacher integrieren lassen. Durch den Bauraumvorteil im Kühlmodul und die bessere Durchströmung lassen sich höhere Kühlleistungen realisieren, was für eine bessere Kühlung oder höhere Motorleistungen genutzt werden kann. Die Vorteile bei Kühlleistung, Druckverlust, transientem Verhalten und Thermomanagement ermöglichen eine Verbrauchsreduzierung von zirka ein Prozent. Mit der Niedertemperatur-AGR-Kühlung sind insgesamt zwei Prozent möglich. Darüber hinaus ermöglicht das indirekte System die einfache Rückkühlung weitere zukünftiger verbrauchreduzierender Maßnahmen wie Hybridisierung oder Klimatisierung aus Abwärme. Damit ist das indirekte Kühlsystem für Nutzfahrzeuge ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und eine zukunftssichere Weichenstellung.

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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