Mehr Freiheitsgrade beim Thermomanagement

Die Reduzierung der thermischen Verluste im Verbrennungsmotor ist ein zielführender Weg, um die Emissionen weiter zu verringern. Eine von IAV entwickelte Phasenwechselkühlung ermöglicht es, die Wandtemperatur im Brennraum je nach Lastpunkt in einem weiten Bereich einzustellen. Bei Ottomotoren sinkt dadurch der Kraftstoffverbrauch im WLTC um sieben Prozent.

Konventionelle Konvektionskühlsysteme sind durch die einstellbare Kühlmitteltemperatur von etwa 80 bis 130 Grad Celsius in ihrer Anpassbarkeit an die Bedürfnisse des Verbrennungsprozesses eingeschränkt. „Insbesondere im Teillastbetrieb ist es wünschenswert, eine möglichst genau einstellbare Brennraum- Wandtemperatur von etwa 220 bis 230 Grad Celsius zu erreichen, um die Wandwärmeverluste zu minimieren. Weiterhin ist es vorteilhaft, im Volllastbetrieb die Brennraum-Wandtemperatur auf unter 150 °C zu senken, um beispielsweise den Aufladegrad oder das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen“, erklärt Thomas Arnold, Teamleiter Konstruktion und Versuch Future Combustion Engine bei IAV. „Mit der klassischen Flüssigkeitskühlung erreichen wir aktuell aber genau das Gegenteil; hohe Bauteiltemperaturen in der Volllast und niedrige Bauteiltemperaturen in der Teillast.“

Aus diesem Grund hat IAV im Rahmen eines Eigenentwicklungsprojektes ein Zweiphasenkühlsystem entwickelt, bei dem sich die Kühlmitteltemperatur unabhängig vom Betriebspunkt zwischen 80 und 260 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 pumpt das Medium mit einem Druck zwischen einem und 25 Bar in den Motor. „Je höher der Druck ist, desto höher ist auch die Temperatur im Kreislauf“, sagt Arnold. „So können wir je nach Betriebspunkt des Motors den optimalen Druck und damit auch die günstigste Wandtemperatur für die Verbrennung einstellen.“ Und zwar mit hoher Genauigkeit: Der Temperaturunterschied zwischen Wand und Kühlmittel liegt zwischen 5 und maximal 20 Kelvin.

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 turboaufgeladenen 1,4-Liter-Ottomotor mit der neuen Technologie ausgestattet. Versuche zeigen, dass der Kraftstoffverbrauch im WLTC dadurch um bis zu sieben Prozent sinkt. Dazu trägt der geringere Kühlmittelmassenstrom bei: Er beträgt je nach Betriebspunkt nur ein bis zwei Prozent einer konventionellen Flüssigkeitskühlung, sodass die Kühlmittelpumpe deutlich weniger Antriebsleistung benötigt.

„Ein Ottomotor profitiert zwar mehr von der Zweiphasenkühlung als ein Diesel, aber auch dort lohnt sich ihr Einsatz: Die Abgastemperaturen in der Teillast steigen, was zu einem besseren Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlungsanlage führt“, berichtet Arnold. „Außerdem eignet sich die neue Technik für die Kühlung von Komponenten in Elektrofahrzeugen.“ Derzeit laufen bei IAV mehrere Kundenprojekte zur Zweiphasenkühlung – nicht nur für künftige Pkw, sondern auch für den Einsatz in Lkw-Dieselmotoren.