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21

303302

Heiß und kaltSchaeffler Thermomanagement für bis zu 4 % CO2-Reduktion

Michael Weiss

304 30521Thermomanagement

Einleitung

Um Emissionen zu reduzieren, den Kraft-stoffverbrauch weiter zu senken und den Kli-makomfort im Pkw zu steigern, ist eine ver-besserte, variable Nutzung der vorhandenen Wärmeströme im Fahrzeug erforderlich. So stellen die immer häufiger eingesetzten inte-grierten Turbolader (ITL) erhöhte Anforderun-gen an das Kühlsystem. ITL benötigen statt einer auf verschiedene Betriebszustände re-agierenden, eine möglichst vorausschauen-de Kühlung. Diese Anforderung kann mit klassischen Thermostaten nicht erfüllt wer-den, da Thermostate mit Verzug auf Energie-einträge ins Kühlsystem reagieren und zu-dem Druckverluste aufweisen.

Für die vorausschauende Berechnung der Kühlungsanforderungen aus der anlie-genden Last und Drehzahl des Aggregats sind innovative mechatronische Komponen-ten erforderlich. Thermomanagementmodu-le (TMM) von Schaeffler sind beispielsweise in der Lage, einen Nullvolumenstrom einzu-stellen, um eine beschleunigte Aggregate-erwärmung zu erreichen. Gleichzeitig können

sie thermische Massen abkoppeln und so gezielt hohe Energiemengen über die Rest-masse an andere Komponenten wie Motor-öl, Getriebeöl, Heizung oder Traktions- batterie abgeben. Anders als klassische Kühlwasserregler (Bild 1), werden TMM über ein lastbasiertes Berechnungsmodell ge-steuert. Dies erlaubt die Integration einer Vielzahl von angeschlossenen Komponen-ten sowie einen engen Temperaturkorridor im Bereich von +/-2 °C.

Das erste multifunktionale Thermomanagementmodul in Serie

Der erste Serienmotor, der mit einem multi-funktionalen 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).

In der Warmlaufphase des Motors ist es in der Lage, den Kühlmitteleintritt in den Motor komplett abzusperren oder einen Minimal-volumenstrom einzustellen. Im betriebswar-men Zustand kann die Kühlmitteltemperatur je nach Lastanforderung und äußeren Rand- bedingungen schnell und vollvariabel auf verschiedene Temperaturniveaus eingere-gelt 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 Schaltventi-le, um die Durchströmung der Heizung und des Getriebeölwärmetauschers gezielt zu- oder abschalten zu können.

Im Inneren des Drehschiebermoduls re-geln zwei mechanisch gekoppelte Dreh-schieber den Kühlmittelfluss. Ein Elektro-motor treibt über ein stark untersetztes Schneckengetriebe den Drehschieber 1 an.

Dieser wiederum ist über eine Triebstock-verzahnung mit dem Drehschieber 2 ver-bunden. Der Drehschieber 1 ersetzt den klassischen Wachsthermostat und kann – je nach Anforderung – sehr schnell die Kühl-mitteltemperatur vollvariabel zwischen 80 °C und 110 °C einstellen. Darüber hinaus schaltet der Drehschieber 1 den Kühlmittel-rücklauf vom Motorölkühler (Bild 3). Die Er-wärmung des Kühlwassers wird so – im Vergleich zum Vorgängermotor mit Wachs-thermostat – um 30 % beschleunigt. Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Ölziel-temperatur reduziert sich sogar um 50 %.

Das Modul besteht im Wesentlichen aus Hochleistungskunststoffen. Die Kühlwasser führenden Teile bestehen aus Polyphenylen-sulfid (PPS) mit extremen Füllgraden. Damit erreicht der Werkstoff annähernd die Festig-keit von Aluminium, ist unempfindlich gegen-über Medien und temperaturstabil. Zur Ge-staltung der Dichtungswerkstoffe wurde eine Alternative für Polytetrafluorethylen (PTFE) gesucht, da der unter dem Handelsnamen

etwa 1922

vom Motorzur Pumpe

Kühlwasserregler (Wellrohrbalgregler)

zum Kühler

Bild 1 Früher Kühlwasserregler auf Basis einer Wellrohrbalgsteuerung

Motor-anschlüsse

Fail-Safe-Thermostat

AnschlussMotorölkühler

DC Stellmotormit Umsetzungsgetriebe

Drehschieber 2 fürNullvolumenstrom

AnschlussflächeWasserpumpe

Zwischenrad mitArretierfunktion

Kühlerzulauf

Kühlerrücklauf

Drehschieber 1

Sensordeckel mitintegriertem

DrehwinkelsensorAnschluss Getriebeölkühlerund Heizung

Bild 3 Aufbau des TMM für den 1,8-l-R4-TFSI-Motor von Audi

Bild 2 Thermomanagementmodul im 1,8-l-R4-TFSI-Motor von Audi

306 30721Thermomanagement

Teflon bekannte Kunststoff teuer ist und un-ter 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 Aus-wahl der Faserwerkstoffe. Das Getriebe läuft trocken, da Schmierstoffe über die Lebensdau-er ausgetrieben würden und nicht mehr wirk-sam wären. Die Dichtungen sind nicht druck-abhängig und aufgrund einer integrierten Vorspannfeder anstatt eines O-Rings in der Lage, Winkelversätze auszugleichen (Bild 4).

Die hochgenaue Fertigung von Dreh-schieber und Dichtungspaket ermöglicht Leckageraten von < 1 l/h. Ein Hilfsthermo-stat sorgt für die erforderliche Ausfallsicher-heit. So kann auf eine Rückstellfeder am Antriebsmotor verzichtet werden und die Energieaufnahme des TMM minimiert sich.

Schaeffler-Lösungen von kompakt bis umfassend

Je nach Kundenanforderung und verfügba-rem Bauraum können die Thermomanage-mentmodule von Schaeffler unterschiedlich ausgelegt werden. Eine besonders kom-

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 er-möglichen eine effiziente Entwicklung. Die Verwendung von im Serieneinsatz validier-ten Technologien und Werkstoffen sind eine hervorragende Basis für eine robuste Neu-entwicklung.

In eine andere Richtung geht die Ent-wicklung 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 Steuer-gerät erforderlich (Bild 6).

Temperierung des Motoröls

Für die indirekte Kühlung mit Kühlmittel wer-den häufig Plattenkühler in Stapelscheiben-bauweise verwendet. Um den Wärmeüber-gang zwischen den Medien zu verbessern, werden die Platten mit Turbulenzeinlagen versehen. Der Aufbau eines Plattenwärme-tauschers 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 fließen-des beheiztes Fluid (Bild 7).

Die Verwendung eines Öl-/Kühlmittel-Wärmetauschers hat zwei Vorteile: Das Kühlmittel, das beim Kaltstart schneller warm wird als das Motoröl, kann dazu be-nutzt werden, das Öl schneller auf Zieltem-peratur zu erwärmen. Zudem wird die Erwärmung des Kolbens unterstützt, wo-durch sich das Kolbenspiel schnell verrin-

gert. Verbesserte Partikelemissionen sind die Folge. Ebenso kann das Öl im Motor-betrieb hohe Temperaturen erreichen. Die-se Wärme kann das Öl dann über den Wärmetauscher an das Kühlmittel abge-ben. Die Möglichkeit, das Öl in engen Tem-peraturgrenzen temperieren zu können, wirkt sich vorteilhaft auf den Verschleiß des Schmierstoffs aus.

Modellverifizierung

Das Ölaufwärmverhalten bei verschiedenen Wassertemperaturniveaus an einem Ölküh-ler wurde bei Schaeffler experimentell nach-gewiesen. An einem speziellen Versuchs-aufbau (Bild 8) beträgt die Öltemperatur zu Beginn 20 °C. Die Wassereintrittstempera-tur soll konstant bei 40, 60, 80 oder 100 °C gehalten werden. Für jede Kühlmitteltem-peratur werden vier Messungen mit unter-schiedlichen Ölpumpendrehzahlen, Öl-durchflüssen und Wasserdurchflüssen eingestellt.

Die Ergebnisse der Messungen sind beispielhaft in Bild 9 dargestellt.

Generell zeigen die Messungen, dass mit einem frühen Durchströmen von Was-ser durch den Ölkühler eine höhere Rei-bungsminderung erzielt werden kann als bei späterem Wasserdurchfluss. Um eine CO2-Reduzierung und Kraftstoffeinsparung

Bild 5 Kompaktmodul mit zwei bis drei geregelten Ausgängen

Heizung Zylinder-kopf

Zylinder-block

(Turbo)

Bypass

Kühlerzulauf

Bild 6 Multifunktionsmodul mit integriertem split cooling

Bild 7 Aufbau eines Plattenwärmetauschers

Bild 4 Drehschiebermodul zur vollelektroni-schen Regelung der Wärmeströme in Motor und Fahrzeug

308 30921Thermomanagement

ratur schneller erreicht werden kann. Infol-gedessen wäre ein Regelventil auch im Ölkreislauf eine denkbare Lösung. Mit die-sem wäre dann ein schnelleres und be-darfsgerechteres Steuern des Öls möglich.

NEFZ

Bei der Bestimmung des Normverbrauchs muss berücksichtigt werden, dass der Ver-brauch stark von der Fahrweise des Fahrers beeinflusst wird. Heute werden deshalb nor-mierte Fahrzyklen gefahren, um vergleichba-re Werte zu erreichen. Für Europa wurde ein synthetischer Geschwindigkeitsverlauf, der Neue Europäische Fahrzyklus, festgelegt. In diesem Rahmen werden Phasen konstanter Beschleunigung, konstante Geschwindigkei-ten, konstante Verzögerungen und Leerlauf-phasen bei Geschwindigkeit Null durchfah-ren. 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 Kühlmittel- und Öltemperatur auf den Kraftstoffver-brauch auswirken, zeigt Bild 10.

Bild 11 zeigt daneben den Geschwindig-keitsverlauf 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 Tempe-ratur zu bringen.

Innenraumtemperierung

Nach dem Kaltstart eines Pkw soll mög-lichst schnell ein optimales Klima im Fahr-gastraum erreicht werden. Dabei wird für ein behagliches Innenraumklima eine be-stimmte Innenraumlufttemperatur empfoh-len. Um diese zu erreichen, gilt es, die zu- und abgeführten Wärmeströme auszulegen und abzustimmen.

Die behagliche mittlere Lufttemperatur beträgt nach DIN 1946-2 in geschlossenen Räumen von Gebäuden etwa 22 °C. Die mitt-lere Innenraumlufttemperatur im Pkw errech-net sich aus dem arithmetischen Mittel der mittleren Lufttemperatur im Fußraum und der mittleren Lufttemperatur im Kopfraum. Die für die Behaglichkeit in Pkw-Innenräumen not-wendige mittlere Innenraumlufttemperatur ist nicht konstant. Sie ist von den physikalischen, physiologischen und intermediären Einfluss-faktoren abhängig, siehe Tabelle 1.

zu erreichen, sollte deshalb möglichst bald das Kühlmittel zur Ölheizung verwendet werden. Darüber hinaus muss der Ölkühler im Ölkreislauf beachtet werden, da der Wär-metauscher bei niedrigen Temperaturen eine Drosselstelle darstellt.

Der NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyk-lus) wird bei kaltem Motor gestartet. Das bedeutet, dass das Öl in einem hochvisko-sen Zustand vorliegt und der Wärmetau-scher nur schwer durchströmt wird. Wenn der Öl/Wasser-Wärmetauscher (ÖWWT) zu Beginn noch nicht von erwärmtem Kühlmit-tel durchströmt wird, ist es sinnvoll, auch das Öl noch nicht über den ÖWWT zu lei-ten. Ebenso kann der Kühler umgangen werden, bis sich das Öl in einem Tempera-turbereich befindet, in dem es gekühlt wer-den muss. Die Wärme des Öls wird somit nicht über den Kühler an die Umgebung oder über den Wärmetauscher an das Kühl-mittel abgegeben. In beiden Fällen ist ein Sammeln der Wärme im Ölkreislauf die Fol-ge, wodurch wiederum die Betriebstempe-

20253035404550556065

Öla

ustr

itts

tem

per

atur

in °

C

0 200 400 600 800 1.000 1.200

Parameter 1Parameter 2

Parameter 3Parameter 4

Messzeit in s

Parameter 1 640 8 4Parameter 2 1.290 16 8Parameter 3 1.950 24 12Parameter 4 2.470 32 16

Drehzahl Ölpumpein min-1

Öldurch-fluss

in l/min

Kühlmittel-durchfluss

in l/min

Bild 9 Ölaustrittstemperatur über der Messzeit bei 60 °C Kühlmitteltemperatur bei verschiedenen Volumenströmen

TÖl = 60 °C

2 bar, 2.000 min-1

TKM = 110 °C

400,670,680,690,700,710,720,730,740,750,76

50Öl- bzw. Kühlmitteltemperatur in °C

Kra

ftst

off

verb

rauc

h in

g/s

60 70 80 90 100 110120

Bild 10 Einfluss der Kühlmittel- und Öltemperatur auf den Kraftstoffverbrauch

0 200 400 600 800 1.000 1.200Zeit in s

0

20

40

60

80

100

120

140

Ges

chw

ind

igke

it in

km

/h

Bild 11 Geschwindigkeitsverlauf des NEFZ

Temperatur- und Druckmessstellen:1. Eintritt Wärmetauscher (Kühlmittel)2. Austritt Wärmetauscher (Kühlmittel)3. Eintritt Wärmetauscher (Öl)4. Austritt Wärmetauscher (Öl)

Drossel

Wärmetauscher (Prüfteil)

Zulauf Kühlmittel

1

2

3

4

Rücklauf Kühlmittel

Bypass

Wärmetauscher zum Abkühlendes Öls zwischen den Messungen

Durchflusssensor

Ölpumpe

Bild 8 Versuchsaufbau zur Bestimmung des Ölaufwärmverhaltens

310 31121Thermomanagement

Die als behaglich empfundene Innenraum-lufttemperatur hängt stark von der Außen-lufttemperatur ab (Bild 12). Bei einer Außen-lufttemperatur von 20 °C beträgt die als angenehm empfundene Lufttemperatur 22 °C. Bei tieferen Außenlufttemperaturen liegt die als behaglich empfundene Innen-raumtemperatur höher als 22 °C. Diese hö-here Innenraumtemperatur ist erforderlich, um zum Beispiel die an die Umschließungs-flächen abgegebene Wärmestrahlung zu kompensieren. Auch bei hohen Außenluft-temperaturen liegt die Wohlfühltemperatur über 22  °C, da zum Beispiel eine leichtere Bekleidung getragen wird.

Komforteinfluss verschiedener Sperrsysteme

Im Rahmen von Messungen wurde für eine von Schaeffler betreute Masterarbeit ge-prüft, welche Strategie den Motor und das Kühlmittel schneller erwärmt als die Stan-dardstrategie und welchen Einfluss die un-terschiedlichen Strategien auf die Erwär-mung des Fahrgastraums haben. Für die Messungen wurde ein Pkw auf dem Rollen-prüfstand unter vorgegebenen Lasten ge-fahren.

Dabei wurden Messungen am Motor mit unterschiedlichen Strategien für die Kühl-mittelpumpe (KP) durchgeführt. Dazu zählten – die standardmäßig betriebene Kühlmit-

telpumpe, die permanent zugeschaltet ist,

– eine zuschaltbare Kühlmittelpumpe, die gemäß der Kaltstartstrategie des Automobilherstellers angesteuert wird,

– eine abgekoppelte Kühlmittelpumpe in der Warmlaufphase, die erst beim Er-reichen einer festgelegten Kühlmittel-temperatur zugeschaltet wird und

– ein Sperrelement (SE), das den Ther-mosiphoneffekt verhindert.

Um die verschiedenen Kühlmittelpumpen-strategien bewerten zu können, wurde der Motor zunächst mit abgekoppelter Kühl-mittelpumpe (Thermosiphoneffekt zuge-lassen) und anschließend mit einem aktiv abgesperrten Kühlmittelkreis (Thermosi-phoneffekt unterbunden) betrieben. Einzel-heiten 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,

– die Temperatur der Luft nach dem Hei-zungswärmeübertrager sowie

– die Lufttemperatur im Innenraum.

Bild 13 zeigt ein Schema des Versuchsauf-baus.

-20 -10 0 10 20 30 4015

20

30

25

Außentemperatur in °C

Mit

tler

e Lu

ftte

mp

erat

urim

Fah

rzeu

gin

nenr

aum

in °

C

Bild 12 Mittlere Lufttemperatur im Fahrzeugin-nenraum in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur

Steuer-gerät

Mo

tor

SEKP

Kühlmittel

Luft

Hei

zung

s-w

ärm

e-üb

ertr

ager

Pkw

Temperatur desKühlmittels nachSperrelement bzw.Wasserpumpe

Kühlmitteltemperatur vorund nach Wärmeübertragerund VolumenstromKühlmittel

Umgebungs-temperatur

KP-WasserpumpeSE-Sperrelement

Lufttemperatur vorund nach Wärmeübertragerund Luftgeschwindigkeit

Drehzahl Wasserpumpe

• Drehzahl Kurbelwelle• Temperatur Kühlmittel• Pedalweg• Drosselklappe• Lambda• Temperatur Ansaugluft• Temperatur Motoröl

Messung an der Rolle:• Drehmoment• Geschwindigkeit

Temperatur an derLüftung Mittelkonsole

Pkw-Innenraum

Bild 13 Schema des Versuchsaufbaus

Einflussfaktoren des thermischen Behaglichkeitsempfindens

physikalisch physiologisch intermediär

• Umschließungsflächen• Sonneneinstrahlung• Lufttemperatur• Luftströmung• Luftfeuchtigkeit

• Aktivitätszustand• Status• Hautfeuchtigkeit

• Bekleidung• Raumbesetzung

Tabelle 1 Einflussfaktoren des thermischen Behaglichkeitsempfindens

Messzeit

Standard (getaktete KP)

Standard (SE öffnet in den Taktzeiten wie in 1)

Kühlmittelpumpe ein ab Motorstart

Kühlmittelpumpe abgekoppelt (einschalten KP nach Erreichen von 50 °C Kühlmitteltemperatur)

Kühlmittelpumpe abgekoppelt (einschalten KP nach Erreichen von 80 °C Kühlmitteltemperatur)

Sperrelement verschlossen (öffnen SE nach Zeit wie in 4)

Sperrelement verschlossen (öffnen SE nach Zeit wie in 5)

15 min x

15 min x

15 min x

15 min x

15 min x

15 min x

15 min x

1

2

3

4

5

6

7

** 5 kW bei 2.000 min-1 Kurbelwelle

Last5 kW**

Tabelle 2 Versuchsszenarien

312 31321Thermomanagement

Die Messstelle für die Innenraumtemperatur lag auf Höhe der Kopfstütze der Beifahrer-seite (Bild 14 links). Die Messung der Luft-geschwindigkeit nach dem Heizungswärme-übertrager erfolgt nach dem Lüfter (Bild 14 rechts unten). Rechts oben zeigt Bild 14 die Messstelle vor der Kühlmittelpumpe.

Bild 15 zeigt den Ver-lauf der Kühlmittel-temperatur je nach Schaltstrategie an der Messstelle vor der Kühlmittelpum-pe. Dieser Kurven-verlauf ähnelt dem Verlauf der Kühlmit-te l temperatu ren nach dem Heizungs-wärmeübertrager. So ist bereits ein Tempe-raturanstieg während der Phase des „ste-henden Kühlmittels“ zu erkennen. Für die Kurven mit der Stra-tegie „getaktete Kühl-mittelpumpe“ und der ab einer Kühlmit-

teltemperatur von 50 °C zugeschalteten Kühl-mittelpumpe ist der Effekt vor Zuschalten der Kühlmittelpumpe nur gering. Für die Strategie mit Zuschalten der Kühlmittelpumpe ab 80 °C Kühlmitteltemperatur ist eine deutliche Erhö-hung der Kühlmitteltemperatur vor dem Zu-schalten der Kühlmittelpumpe zu erkennen. Der Anstieg ist für die Messungen mit Sper-rung deutlich stärker als für die Messungen ohne Sperrung.

Für die Messungen an der Messstelle vor der Kühlmittelpumpe ist bei abgeschal-teter Kühlmittelpumpe nur ein Wärmetrans-port 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 wer-den. Durch das Absperren der Leitung er-wärmt 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.

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 wur-de und nun zur Messstelle gelangt.

Bei der getakteten Kühlmittelpumpenstra-tegie finden die Temperatursprünge mit zeitli-cher Verzögerung nach dem Zuschalten der Kühlmittelpumpe statt. Zunächst wird das war-me Kühlmittel von der Pumpe durch den Kreis bewegt, bis es am Motoreintritt ankommt. Während der Zeiten der abgeschalteten Kühl-mittelpumpe fällt die Kühlmitteltemperatur nur leicht ab. Das Kühlmittel verliert nur langsam an Wärme, da durch die Wärmeleitung im Kühl-mittel weiterhin Wärme aus dem Motor zur Messstelle gelangt. Nach dem vierten Zuschal-ten der Pumpe holen die Kurven mit der getak-teten Kühlmittelpumpenstrategie die anderen ein. Nach dem dauerhaften Zuschalten der Kühlmittelpumpe haben die Kurven aller Stra-tegien den gleichen Verlauf, wobei die Kurve mit der Strategie der getakteten Kühlmittel-pumpe geringfügig höher liegt. Die Strategie der getakteten Kühlmittelpumpe hat die längs-

ten Abschaltzeiten der Kühlmittelpumpe. Das bedeutet, dass die geringste Wärmemenge aus dem Motor abgeführt wird, weshalb Motor und Kühlmittel minimal schneller erwärmt wer-den.

Das Aufheizverhalten der Lufttempera-tur nach dem Austritt aus dem Heizungs-wärmetauscher durch die verschiedenen Aufheizstrategien ist in Bild 16 zu sehen. Dabei zeigt sich, dass der Verlauf der Luft-temperatur bei permanent zugeschalteter Kühlmittelpumpe von keinem Lufttempera-turverlauf der anderen Strategien überholt werden kann. Ab 550 s liegen die Kurven aller Kühlmittelpumpenstrategien überein-ander. Das Aufheizen der Luft benötigt je nach Strategie unterschiedlich lange. Je frü-her also die Wärme im HWT übergeht, des-to 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 un-terschiedlichen Aufheizstrategien aufgetra-gen. Diese Kurven folgen dem Verlauf der Lufttemperatur nach dem Heizungswärme-tauscher, allerdings nicht mit der gleichen

102030405060708090

100

Tem

pera

tur

in °

C

0 100 200 300 400 500 600 700 800Zeit in s

KP ein ab MotorstartKP mit SE ab 124 s einKP mit SE ab 215 s eingetaktete KP mit SE

Bild 15 Kühlmitteltemperaturen bei unterschied-lichen Kühlmittelpumpenstrategien

102030405060708090

Tem

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in °

C

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KP ein ab MotorstartKP mit SE ab 124 s einKP mit SE ab 215 s eingetaktete KP mit SE

Bild 16 Lufttemperaturen bei unterschiedlichen Kühlmittelpumpenstrategien nach dem Heizungswärmetauscher

KP ein ab MotorstartKP mit SE ab 124 s einKP mit SE ab 215 s eingetaktete KP mit SE

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50

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in °

C

0 100 200 300 400 500 600 700 800Zeit in s

Bild 17 Vergleich der Lufttemperatur im Innenraum

Bild 14 Messstellen im Versuchsaufbau

314 31521Thermomanagement

Steigung. Die Luft, die aus dem Hei-zungswärmetau-scher austritt, mischt sich, nach dem Aus-tritt aus den Düsen, mit der Luft in der Fahrzeugkab ine. Durch die große Luftmenge im Fahr-zeuginnenraum ist für eine Änderung der Temperatur des-halb mehr Zeit nö-tig. Die Strategie mit der der Innenraum am schnellsten auf-geheizt wird, ist die Strategie mit per-manent zugeschal-teter Kühlmittel-pumpe. Je weniger die Kühlmittelpumpe in der Aufheizphase zugeschaltet ist, des-to langsamer wird der Innenraum er-wärmt.

Die durchgeführ-ten Messungen zur Bestimmung der Kühl-mittel- und der Lufttemperaturen an unter-schiedlichen Messstellen in der Warmlauf- phase des Motors zeigen, dass für einen möglichst schnell aufgeheizten Pkw-Innen-raum weiterhin die Strategie mit permanent zugeschalteter Kühlmittelpumpe am sinn-vollsten ist. Andere Kühlmittelpumpenstrate-gien mit Abschaltphasen zeigen zwar nach dem Zuschalten der Kühlmittelpumpe eine schnellere Aufheizphase, überholen aber die Kurve mit der permanent zugeschalteten Kühlmittelpumpe nicht. Diese Ergebnisse zeigen, dass sofort auf die Strategie mit per-manent zugeschalteter Kühlmittelpumpe umgeschaltet werden sollte, sobald ein Fahr-zeuginsasse die Heizung betätigt – Kunden-zufriedenheit hat höchste Priorität.

Kaltstartstrategien

Um die Wirkungen eines Thermomanage-mentmoduls auf den Kaltstart zu verifizieren, modifizierte Schaeffler einen konventionellen Saugmotor und ersetzte die Thermostat-steuerung durch ein TMM (Bild 18).

Durch die Kombination von Kühlmittel-pumpe und zwei Ventilen anstatt Kühlmittel-pumpe und Thermostat ist das System in der Lage, wahlweise zu verteilen oder zu sperren. Dabei ist die Sperrfunktion vor allem für die Kaltstartstrategie interessant. Diese hat einen großen Einfluss auf die Verbrauchswerte im NEFZ. Mit dem Aufbau untersuchte Schaeffler zwei verschiedene Betriebsstrategien für das

TMM: einen Nullvolumenstrom zur schnellen Aufheizung sowie lastbasierte Temperaturvari-ationen (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 Ände-rung der Kühlmitteltemperatur kommt. Über ein einfaches Berechnungsmodell kann die Temperatur anschließend auf +/- 2 °C konstant

gehalten werden. Bei Lastanforderungen des Fahrers kann sofort reagiert und die Tempera-tur signifikant abgesenkt werden. Allein durch die Nullvolumenstrategie ergab sich eine Ver-brauchsreduzierung in Höhe von 1,2 %. Durch die höhere Abgastemperatur und das schnel-lere Einsetzen des Katalysators konnten zu-dem 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 vol-le Potenzial nur in enger Zusammenarbeit mit den Thermodynamikern der Automobilherstel-ler gehoben werden.

Gasoline Technology Car

Auf Basis eines Ford Focus mit 1,0-l-Fox-Motor baute Schaeffler mit weiterent- wickelten Komponenten ein Konzept-fahrzeug mit dem Namen Gasoline

Fahrzeuggeschwindigkeit

Durchschnittl. Temperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf (Basismotor)Durchschnittl. Temperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf mit TMMTemperatur des Kühlmittels am Zylinderkopf bei unterschiedlichen TMM Contoll Modes

Ges

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l in

°C

Schneller Wärmeanstieg

wegen Null-Fluss

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

Schnelle Anpassungan jede Kühlmittel-

temperatur130 °C

Bild 19 Lastbasierte Temperaturregelung an einem modifizierten Saugmotor

0 %

5 %

10 %

15 %

20 %

HC CO NOXX CO2 HC+NOX CH4

HC CO NOX CO2 HC+NOX CH4

Reduzierung

Verbesserung der Emissionen

8 % 6 % 18 % 1 % 13 % 8 %

Bild 20 Reduzierung der sekundären Abgase durch schnelleren Einsatz des Katalysators

Kühlmittel-Temperatur-Sensor 1,angbracht an Zylinderkopf-Auslauf

TMM fürBypass

TMM 2 fürKühler

Bild 18 Modifizierter Saugmotor mit TMM

316 31721Thermomanagement

Technology Car (GTC) auf. Der Motor ver-fügt 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 mög-lich, einen Nullvolumenstrom darzustel-len. Das dazu erforderliche Modul ist so kompakt, dass es im vorhandenen Bau-raum des Hauptthermostats unterge-bracht werden kann. Bild 22 zeigt als Er-gebnis erster Versuche eine deutliche Steigerung der thermischen und mecha-nischen Effizienz. Auch beim GTC führt die deutlich schnellere Temperaturerhö-hung im Abgas zu einem schnelleren An-sprechen des Katalysators und reduzier-ten Nebenabgasen.

Trotz steilerer Aufheizkurve ist die Er-wärmung des Öls langsamer, da der Öl-/Wasser-Wärmetauscher in der ersten Pha-

se nicht durchströmt wird. Deshalb gilt es, den optimalen Umschaltpunkt zwischen thermischer und mechanischer Effizienz zu erreichen. Dies hängt sowohl von der Ag-gregatearchitektur als auch von den Para-metern des verwendeten Motoröls ab. Je enger die Kooperation mit dem Automobil-hersteller, 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 Mes-sungen, dass der Unterschied in den Temperaturgradienten signifikant ist und so ein weiterer Freiheitsgrad für die Motorenkonstruktion angeboten werden kann. Eine Feinkalibrierung des Motor-steuergeräts bei Continental wird dazu führen, dass sich die Kurven noch deut-lich glätten.

Auslegung des Kühl- kreislaufs konventioneller Antriebsstränge

Aus den dargestellten Erkenntnissen emp-fiehlt sich für künftige Kühlkreisläufe kon-ventioneller Antriebsstränge eine mehr-stufige Auslegung. Dabei sollte eine Null- volumenstromphase 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 Fle-xibilität. Die Abkopplung des ÖWWT vom Bypass mit variabler Zulaufsteuerung er-möglicht 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 Lagerstel-len wird auch dort der Bedarf steigen.

Weiterhin lassen sich hohe Effizienzstei-gerungen bei hydraulisch aktuierten Ge-trieben erzielen. Erste Untersuchungen wurden bereits an Doppelkupplungsge-trieben durchgeführt.

Bei der Kühlerregelung selbst sollte möglichst viel thermische Masse abgekop-pelt werden. Dadurch kann bei einer nor-malen 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 Po-tenzial.

Ausblick

Mechatronische Systeme zur Kühlwasser-steuerung sind ein Trend mit dem Potenzi-al, das Verbrauchs- und Emissionsverhal-ten von Fahrzeugen zu optimieren und gleichzeitig den Klimakomfort im Fahrzeug- innenraum zu erhöhen. Je nach Konfigura-tion 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 Variationsmög-lichkeiten.

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

Schnellere Erwärmung bietet Potenziale fürhöhere Effizienz und Fahrgastkomfort

Steg AuslaufventilZylinderlaufbuchse oben

Thermische Effizienz

Mechanische EffizienzZylinderlaufbuchse MitteMotoröl

originalmodifiziert

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0 500 1.000 1.500

Bypassoffen

Wärmekontrolle

NullvolumenstromErwärmung des Öls

NullvolumenstromErwärmung des Öls

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Bild 22 Schnellere Aufheizung für mehr Effizienz und Komfort

U

Thermostate ersetzt durch ein Modul: hohe Funktionalitätschnelles Ansprechverhaltengeringer Montageaufwand

Ausgleichs-behälter

Turbo

Original Modifikation mit TMM

Zylinderkopf, auslassseitigZylinderkopf, einlassseitig

Zylinderkopf, auslassseitigZylinderkopf, einlassseitig

Ölkühler

Küh

ler

ZylinderblockBlock-Thermostat

Thermostatmit Bypass

Kühl-mittel-pumpe

EGR-Kühler

SystemumfangContinental

TH

Kabinen-heizung

Ausgleichs-behälter

Turbo Ölkühler

Küh

ler

ZylinderblockKühl-mittel-pumpe

Kabinen-heizung

Bild 21 Aufbau des GTC mit weiterentwickelten Schaeffler-Komponenten