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Effizientes Thermomanagement

Auch klassische Verbrennungsmotoren müssen einen Beitrag auf dem Weg zum klimaneutralen Verkehr 2050 leisten. Durch eine Verringerung der thermischen Verluste lassen sich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen weiter senken.

Ausgangspunkt für die IAV-Entwicklung einer klimaschonenden Zweiphasenkühlung im Brennraum ist die Erfahrung unter Motorentwicklern, dass ein Motor nicht besonders effizient arbeitet, wenn nur wenig Leistung abgerufen wird. Im Teillastbetrieb ist der Kraftstoffverbrauch in Relation zur erzeugten Energie höher, was zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt.

Deshalb hat IAV ein Zweiphasenkühlsystem entwickelt, bei dem sich die Kühlmitteltemperatur unabhängig vom Betriebspunkt zwischen 80 und 200 Grad Celsius einstellen lässt. Der geschlossene Kreislauf arbeitet mit einer Mischung aus Wasser und Ethanol als Kühlmittel. Es verdampft im Motor, wird über ein Ventil entspannt und in einem Kühler wieder kondensiert. Eine Hochdruckpumpe leitet das Medium mit einem Druck zwischen einem und 12 bar in den Motor.

«Mit den steigenden Anforderungen an Emissionen müssen sämtliche sinnvollen Einsparpotenziale gehoben werden. Die Zweiphasenkühlung kann in vielen Motoren einen sehr guten Beitrag leisten»

Matthias Krause — Abteilungsleiter Verbrennungsmotor Konstruktion

„Je höher der Druck, desto höher ist auch die Temperatur im Kreislauf“, sagt Thomas Arnold, Teamleiter Verbrennungsmotor Konstruktion und Versuch. „So können wir je nach Betriebspunkt des Motors den optimalen Druck und damit auch die günstigste Wandtemperatur für die Verbrennung einstellen.“ Und das mit hoher Genauigkeit: Der Temperaturunterschied zwischen Wand und Kühlmittel liegt zwischen fünf und maximal 20 Kelvin.

Knapp sechs Prozent weniger Kraftstoffverbrauch im WLTC

Während im Teillastbereich eine möglichst hohe Wandtemperatur erwünscht ist, sollte sie in der Volllast hingegen möglichst niedrig sein, um die Bauteile zu schützen. Auch das ermöglicht die neue Zweiphasenkühlung: „Durch einen verringerten Druck erreichen wir an der Volllast deutlich geringere Temperaturen als konventionelle Kühlsysteme“, so Arnold. „Dadurch steigt auch die Lebensdauer des Motors.“

Um das Potenzial der Zweiphasenkühlung zu demonstrieren, hat IAV einen konventionellen turboaufgeladenen 1,4-Liter-Ottomotor mit der neuen Technologie ausgestattet. Versuche zeigen, dass der Kraftstoffverbrauch im WLTC dadurch um 5,6 Prozent sinkt. Dazu trägt auch der geringere Kühlmittelmassenstrom bei: Er liegt je nach Betriebspunkt bei nur einem bis zwei Prozent im Vergleich zu einer konventionellen Flüssigkeitskühlung, sodass die Kühlmittelpumpe deutlich weniger Antriebsleistung benötigt.

automotion02 zweiphasenkühlung

Erhöhtes Kundeninteresse, neue Abgasregeln

„Mit unserer umfassenden und langjährigen Engineering-Kompetenz sind wir der richtige Partner in der Transformation“, sagt Matthias Krause, Abteilungsleiter Verbrennungsmotor Konstruktion. „Wir stellen unseren Kunden nicht nur die besten Lösungen für ein effizientes und flexibles Thermomanagement bereit, sondern sorgen auch dafür, dass im Gesamtsystem alles optimal funktioniert.“

Einen Schub erhält das Interesse an dem Zweiphasenkühlsystem gegenwärtig durch die weltweit steigenden Anforderungen an Abgasemissionen und CO2-Ausstoß. Im Januar 2021 tritt beispielsweise die zweite Stufe des RDE-Prüfverfahrens zur Messung der im realen Fahrbetrieb entstehenden Schadstoffemissionen (Real Driving Emissions) in Kraft. Bei Einführung der Norm im September 2017 durfte ein Fahrzeug noch das 2,1-fache des gesetzlich festgelegten Grenzwertes emittieren. Im kommenden Januar sinkt dieser Konformitätsfaktor noch einmal auf 1,5.

„Mit den steigenden Anforderungen an Emissionen müssen sämtliche sinnvollen Einsparpotenziale gehoben werden. Die Zweiphasenkühlung kann in vielen Motoren einen sehr guten Beitrag leisten“, so Krause.

Der Artikel erschien in der automotion 02/2020, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die automotion kostenfrei bestellen.

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