Integrierte kaskadierte Ladeluftkühlung

Die Anhebung der spezifischen Leistung bei aufgeladenen Motoren mit reduziertem Hubraum ist ein gängiger Weg, um niedrige Verbrauchs- und Emissionswerte ohne Einbußen bei den Fahrleistungen zu erzielen. Allerdings ergeben sich für den Verbrennungsvorgang, den Motor und seine Komponenten sowie die Motorperipherie erhebliche Auswirkungen. Einerseits steigt der technologische Aufwand, andererseits verschärfen sich thermische und mechanische Belastungen.

Durch die zunehmend höheren Ladedrücke und die damit einhergehenden steigenden Ladelufttemperaturen einerseits sowie die schärferen Emissionsgesetze andererseits sind effizientere Ladeluftkühlsysteme erforderlich, die eine weitere Absenkung der Ladelufttemperatur ermöglichen. MAHLE hat zuletzt die im Luftansaugmodul integrierte kaskadierte Ladeluftkühlung für Ottomotoren entwickelt und vorgestellt. Das System kühlt die Ladeluft in zwei Stufen zunächst über den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf des Motors und anschließend über den Niedertemperaturkreislauf der indirekten Ladeluftkühlung. Die Ergebnisse aus dem Motorenversuch belegten, dass die kaskadierte Ladeluftkühlung ein „Enabler“ für weitere Schritte im Downsizing und höhere Aufladegrade ist. Auch die heute noch mit einem hohen Aufladegrad verbundenen Nachteile (zum Beispiel Zündzeitpunktverschiebung, Anfettung an der Volllastkurve) werden durch die integrierte kaskadierte Ladeluftkühlung aufgehoben. Die kühlere Ladeluft setzt hier schon an der Ursache, also an der Verbrennung, an und vermeidet nachgelagerte Maßnahmen. Darüber hinaus bietet sie höhere Freiheitsgrade bei der Wahl des Verdichtungsverhältnisses. Daraus resultieren Verbrauchsvorteile in den zyklusrelevanten Lastbereichen.

Motiviert durch die positiven Resultate wurden im nächsten Schritt die Potenziale der integrierten kaskadierten Ladeluftkühlung am Dieselmotor untersucht. Die Motorenversuche zeigten, dass sich grundsätzlich durch eine Absenkung der Ladelufttemperaturen auch Vorteile für den Dieselmotor ergeben. In der Teillast können Emissionen gesenkt werden, in der Volllast kann der Effekt wahlweise bei gleichbleibender Leistung zur Verbrauchsreduzierung oder umgekehrt bei konstantem Verbrauch zur Leistungssteigerung genutzt werden. Darüber hinaus erhöht der größere Massenstrom die Laderdrehzahl und verbessert damit auch das Ansprechverhalten des Motors.

Die von MAHLE am Prüfstand ermittelten Vorteile müssen bei einer Betrachtung der Umsetzbarkeit beziehungsweise des Aufwands unterteilt werden. Wird eine direkte Ladeluftkühlung als Ausgangsbasis zugrunde gelegt, bietet der Umstieg auf eine indirekte, im Luftansaugmodul integrierte Lösung bereits erhebliches Potenzial durch die höhere Kühlleistung sowie die Möglichkeit, die Kühlleistung zu regulieren. Darüber hinaus werden bei dieser Variante die Druckverluste im Luftpfad erheblich reduziert.

Die kaskadierte Ladeluftkühlung, ebenfalls im Luftansaugmodul integriert, erzielt darüber hinaus neben ihrer vollen Regelflexibilität eine nochmals stark gesteigerte Kühlleistung und wird benötigt, wenn die Wärmeabfuhr ausschließlich über den Niedertemperaturkreislauf nicht mehr ausreichend ist.

Alle aufgeführten Vorteile der Prüfstandsmessungen in der Voll- und Teillast können auch im Fahrzeug umgesetzt werden: Die Emissionsvorteile in der Teillast bereits über eine einstufige, konventionelle indirekte, integrierte Ladeluftkühlung, die zusätzlichen Verbrauchsvorteile in der Volllast bei der kaskadierten Variante. Dies ist das Ergebnis einer Berechnung der Fahrzeugkreisläufe für alle Varianten. Voraussetzung ist in beiden Fällen ein vollflächiger Niedertemperaturkühler im Front-End, bei der kaskadierten Ladeluftkühlung ist die Leistungsfähigkeit des Hochtemperaturkühlers zu prüfen. Am untersuchten Motor war diese Leistungsreserve ausreichend, um auch unter Volllast die Beaufschlagung durch die kaskadierte Ladeluftkühlung zu kompensieren, ohne konstruktive Eingriffe am Kühler umzusetzen. Eine weitere Erhöhung der thermischen Last durch parallele Volllast-AGR erfordert eine Anpassung des Hochtemperaturkühlers. Das Kondensatmanagement ist aufgrund der Regelbarkeit bei beiden Varianten mit einfachen Mitteln beherrschbar.

Aufgrund der sehr guten Emissions-Ergebnisse im Teillastbetrieb sowie der Kraftstoffeinsparungen unter Volllast ist sowohl bei Otto- als auch Dieselmotoren ein zunehmender Einsatz der indirekten integrierten Ladeluftkühlung mit großen Marktanteilen absehbar. Mittelfristig wird darüber hinaus auch die kaskadierte Ladeluftkühlung mit der Reihenschaltung mehrerer Kühlkreisläufe zur weiteren deutlichen Ladelufttemperatur-Absenkung eine zunehmend breitere Markteinführung erfahren.