Charge Air Subcooling – Kältemittelunterstützte Ladeluftkühlung zur Steigerung der Fahrdynamik

MAHLE hat mit der indirekten sowie der indirekten kaskadierten Ladeluftkühlung bereits zwei Methoden vorgestellt, um die Ladeluft möglichst effektiv zu kühlen. Physikalisch bedingt ist die dabei erreichbare Temperatur jedoch stets oberhalb der Umgebungstemperatur. Durch die erstmalige Verknüpfung von Kühl- und Kältemittelkreislauf im Ladeluftkühlsystem durchbricht MAHLE diese Grenze und erreicht eine erhebliche Steigerung der Fahrzeugdynamik, ohne den Innenraumkomfort zu beeinträchtigen und ohne Mehrverbrauch.

Die durch die Verdichtung erhitzte Ladeluft bringt für die Verbrennung mehrere Nachteile mit sich: eine höhere Klopfneigung, eine höhere Stickoxidbildung und ganz allgemein eine höhere thermische Belastung der Motorkomponenten. Jedoch nimmt auch die Dichte der Ladeluft mit steigender Temperatur ab und damit die maximal mögliche Sauerstoffmenge im Brennraum. Eine Verdopplung des Ladedrucks ausgehend von 1 bar und 25 °C führt nur zu einer Erhöhung der Ladeluftdichte um 50 Prozent. Die nachgeschaltete Kühlung der Ladeluft auf etwa 15 K über Außentemperatur erhöht die Dichte um weitere 40 Prozent. Eine Unterkühlung der Ladeluft beispielsweise um 15 K unter die Außentemperatur würde die Ladeluftdichte um weitere 21 Prozent erhöhen, was einem Äquivalent von 200 mbar erhöhtem Ladedruck entspräche.

Der Klimakreislauf eines Fahrzeugs ist im Allgemeinen auf schnelle Abkühlung bei hohen Außentemperaturen ausgelegt. Danach arbeitet er im eingeregelten Zustand mit reduzierter Leistungsaufnahme. Entsprechend besteht nach dem ersten „Cool-down“ ein Leistungsüberschuss, der oftmals circa 4 kW beträgt. Schon heute wird bei starken Lastsprüngen die Kompressorleistung zurückgenommen, um Verluste im Antriebsstrang zu minimieren. Aufgrund der großen thermischen Trägheit des Kältekreislaufs wird dies vom Fahrer kaum wahrgenommen. Stattdessen kann die Überschussleistung der Ladeluftunterkühlung zur Verfügung gestellt werden. Das neuartige iCAS-(integrated Charge Air Subcooling-)Saugrohr von MAHLE wird dazu parallel zum Klimaverdampfer über einen Chiller (Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager) mit Expansionsventil verschaltet. Dieser speist den integrierten Wärmeübertrager, den Charge Air Subcooler, mit „unterkühltem“ Kühlmittel. Über eine Bypass-Klappe kann zwischen der Unterkühlfunktion und der regulären, direkten Ladeluftkühlung geschaltet werden.

Das iCAS-System von MAHLE wurde in einem aufgeladenen 1,0-l-Dreizylinder-Ottomotor stationär bei einer Ladelufttemperatur von 10 °C auf dem Prüfstand getestet. Die Abbildung 3: Mehrleistung durch Ladeluftunterkühlung Messungen zeigen im Vergleich mit einer Ladelufttemperatur von 40 °C eine Verbesserung des Drehmoments um 16 bis 19 Prozent im unteren Drehzahlbereich zwischen 1.100 und 1.300 1/min. Der Ladedruck kann dabei um 200 mbar abgesenkt und der Zündwinkel wirkungsgradoptimiert um 3° bis 5° KW nach vorne verlegt werden.

Bei der Bewertung des Kraftstoffverbrauchs muss jedoch auch die zusätzliche Leistungsaufnahme durch den Klimakompressor mit in Betracht gezogen werden. Insbesondere die klimatischen Verhältnisse haben dabei Auswirkungen auf den tatsächlichen Benefi t hinsichtlich des Ansprechverhaltens oder der Kraftstoffeinsparung. Berechnungen zeigen, dass bei einer Außentemperatur von 25 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 Prozent die Leistungsaufnahme des Klimakompressors für iCAS (30 K Unterkühlung) circa 0,85 kW beträgt und damit weniger als einem Viertel der durch iCAS resultierenden Mehrleistung entspricht (bei 1.300 1/min).

Durch ein optimiertes Design und eine geeignete „Beladungsstrategie“ kann das Verhältnis sogar noch weiter verbessert werden. Denn indem das iCAS regenerativ während Bremsphasen konditioniert wird, kann die Leistungsaufnahme des Klimakompressors rechtzeitig vom iCAS entkoppelt werden. Die Leistungsverbesserung bei 1.300 1/min durch iCAS kann so auf über 22 Prozent verbessert werden.

Das MAHLE iCAS wurde in ein Demonstratorfahrzeug der Kompaktklasse appliziert, um die dynamischen Verbesserungen zu verifizieren und die Beladungsstrategie beispielsweise durch die Rekuperation der Bremsenergie zu untersuchen. In einem ersten Versuch wurde bei 30 °C Außentemperatur (800 W/m2 Sonneneinstrahlung) und 50 Prozent Luftfeuchtigkeit eine Beschleunigung von 30 km/h auf 50 km/h (vierter Gang) im Klimawindkanal simuliert. Mit geladenem iCAS und entkoppeltem Kompressor erreicht das Fahrzeug die Zielgeschwindigkeit 0,7 Sekunden früher als die Variante ohne iCAS. Gleichzeitig wird der geforderte Ladedruck wesentlich früher erreicht.

Um insbesondere das Potenzial der Bremsenergie-Rekuperation über den Klimakompressor und damit die energetische Einspeisung in das iCAS zu demonstrieren, wurde ein hypothetischer Fahrverlauf im Klimawindkanal simuliert: Das Fahrzeug beschleunigt aus konstanten 30 km/h heraus auf 130 km/h. Nach einer konstanten Fahrt bei dieser Geschwindigkeit, bremst das Fahrzeug wieder auf 30 km/h herunter. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, dass die über den voll zugeschalteten Klimakompressor rekuperierte Energie während einer moderaten Bremsverzögerung von –2 m/s2 die durch das iCAS-System aufgenommene Energie während der Beschleunigungsphase kompensieren kann. Bei stärkeren Beschleunigungen oder kürzeren, beispielsweise stärkeren Bremsverzögerungen kann diese Energie nur teilweise ausgeglichen werden. Dennoch zeigt der Versuch, dass die Konditionierung des iCAS durch rekuperative Bremsenergie auch innerhalb eines NEDC- oder eines WLPT-Zyklus möglich und zielführend ist.

Eine der Grundvoraussetzungen für die Akzeptanz von iCAS ist, dass der Innenraumkomfort durch dieses System nicht merklich beeinträchtigt wird. Deshalb muss die Regelung beider Systeme – Klimatisierung und Ladeluftkühlung – eng aufeinander abgestimmt werden.

Im Falle eines maximalen Cool-downs bei hohen Außen- und Innentemperaturen hat daher der Innenraumverdampfer Priorität vor iCAS. Erst nach Erreichen der nötigen Ausblastemperatur der Klimaanlage wird der iCAS-Chiller für kurze Zeit zugeschaltet, um die Verdampfertemperatur nicht zu beeinflussen. Die Zuschaltung des Chillers wiederholt sich in der Folge fortlaufend in Abhängigkeit der Ausblastemperatur. So können zum einen die Ausschläge in der Verdampfertemperatur in einem für den Fahrer nicht wahrnehmbaren Bereich von ±3 °C gehalten und zum anderen das iCAS-System dennoch innerhalb von zwei bis vier Minuten innerhalb des Cool-downs vollständig geladen werden. Nach dieser Zeitspanne haben beide Kreisläufe ihre jeweilige Zieltemperatur erreicht. Um die Innenraumtemperatur zu erhalten, kann der Klimakompressor dann entsprechend gedrosselt werden.

In diesem eingeregelten Betriebszustand wiederum macht sich MAHLE die thermische Trägheit des Kältekreislaufs zunutze, um die unterschiedlichen Anforderungen von iCAS und Innenraumklimatisierung miteinander in Einklang zu bringen: auf der einen Seite die konstant erfolgende Kühlung des Innenraums und auf der anderen Seite die von der aktuell angeforderten Fahrleistung abhängende Leistungsaufnahme durch die iCAS-Kühlung. Aufgrund der thermischen Trägheit kann der Klimakompressor für circa 15 bis 20 Sekunden vom Kältekreislauf entkoppelt werden, ohne messbare Nachteile in der Innenraumklimatisierung zu bewirken. Diese Zeitspanne reicht im mitteleuropäischen Klima in der Regel für die Beladung von iCAS aus.

Durch die Verknüpfung der bislang autarken Systeme Klimatisierung und Motorkühlung gelingt es MAHLE, die Leistungsfähigkeit von Ottomotoren mit Turboaufladung noch weiter zu verbessern. Insbesondere die Fahrbarkeit bei niedrigen Drehzahlen – das sogenannte Low-end torque – kann massiv gesteigert werden. Durch die Nutzung von Überschussenergie aus dem Klimasystem erhöht sich die Kraftstoffeffizienz: Das iCAS-System bewirkt insbesondere durch die Möglichkeit der rekuperativen Vorkonditionierung in Bremsphasen trotz Mehrleistung keinen Mehrverbrauch. Der Klimatisierungskomfort im Fahrzeuginnenraum wird dabei nicht spürbar beeinträchtigt.

  • Die Systeme Klimatisierung und Motorkühlung werden miteinander verknüpft, um die Leistungsfähigkeit von aufgeladenen Ottomotoren ohne Nachteile beim Innenraumkomfort weiter zu verbessern.
  • Dabei wird insbesondere das Low-end torque bei erhöhter Kraftstoffeffizienz massiv gesteigert.
  • Besonders durch die rekuperative Vorkonditionierung in Bremsphasen verbessert sich die Leistungsfähigkeit des Systems.