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Verdampfungsgekühlter Krümmer für Ottomotoren

Mit Inkrafttreten des RDE-Prüfverfahrens zur Überprüfung der im realen Fahrbetrieb entstehenden Abgasemissionen wird es erforderlich, dass Ottomotoren in jedem Motorbetriebspunkt mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis fahren. Insbesondere bei hohen Lasten übersteigen jedoch derzeit der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid diese Grenzen. Ein neues Kühlsystem von IAV verringert die Abgastemperatur bei hohen Motorlasten und ermöglicht es so permanent, mit einem Verbrennungsluftverhältnis von eins zu fahren.

Das neue Prüfverfahren RDE gibt für gültige Testfahrten lediglich Fahrtstreckenanforderungen sowie Umgebungstemperaturen in einem relativ weiten Fenster vor, um der Vielzahl möglicher Einsatzbedingungen im realen Fahrbetrieb gerecht zu werden. Für die Applikation bedeutet das: Der Ottomotor muss die Emissionsgrenzwerte in allen denkbaren Betriebspunkten einhalten. „Das ist zum Beispiel bei hoher Last auf der Autobahn sehr schwierig“, erklärt Thomas Arnold, Teamleiter Verbrennungsmotoren-Vorentwicklung bei IAV. „Das Abgas wird zu heiß für den Abgasturbolader sowie den Katalysator, was diese beschädigen oder zerstören könnte.“ Heute begegnet man dem Problem, indem man zusätzlichen Kraftstoff einspritzt, der nicht verbrennt, sondern durch Verdampfung das Abgas kühlt.

Dies führt jedoch zu unzulässig hohen Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. IAV hat darum einen neuen verdampfungsgekühlten Abgaskrümmer entwickelt, der die Abgastemperatur auf einem für den Abgasturbolader und Katalysator optimalen Wert hält.

Extrem hoher Wärmestrom durch Verdampfung

Zentraler Bestandteil der Lösung ist ein doppelwandiger Krümmer, in dessen Innerem das Abgas strömt und durch dessen äußeren Kanal eine Mischung aus Wasser und Ethanol als Kühlmedium fließt. Durch den Wärmeeintrag verdampft das Gemisch im Krümmer und kondensiert später wieder in einem Kondensator.

„Der Kondensator kann relativ klein dimensioniert werden, weil wir nicht eine Flüssigkeit abkühlen, sondern Dampf kondensieren“, so Arnold. „Darum müssen wir im Kühlkreislauf auch nur wenig Masse umsetzen – rund zwei Prozent im Vergleich zu einem flüssiggekühlten System.“ So kommt es, dass eine Pumpe mit lediglich 15 Watt Leistung völlig ausreichend ist.

Seit 2014 arbeitet IAV im Rahmen eines Eigenentwicklungsprojektes an dem neuen Kühlsystem, das seine Leistungsfähigkeit bereits auf dem Prüfstand bewiesen hat und auch bei Kunden auf großes Interesse stößt. „Unsere Lösung ist nahezu bauraumneutral“, so Arnold. „Der neue Krümmer ist kaum größer als ein klassischer Gusskrümmer, die mit zwölf Volt betriebene Pumpe ist in etwa so groß wie eine kleine Coladose und der Kühlmitteltank mit einem halben Liter Volumen hat ungefähr die Abmessungen von zwei Tetrapacks.“ Hinzu kommt: Das System ist wartungsfrei – im Gegensatz zu seinem Hauptkonkurrenten, der Wassereinspritzung: Hier muss der Fahrer ständig Wasser nachfüllen.

Alle Emissionsgrenzen wurden eingehalten

„Wir haben an einem 1,4-Liter-Turbomotor nachgewiesen, dass wir mit dem neuen Kühlsystem in allen Betriebspunkten mit einem Verbrennungsluftverhältnis von eins fahren und dabei die Emissionsgrenzwerte einhalten können“, so Arnolds Fazit. „Besonders attraktiv aus Kundensicht: Da es sich um einen separaten Kreislauf handelt, muss man nichts am Motor ändern.“ In Zukunft wäre es sogar möglich, den Ansatz auf die gesamte Motorkühlung auszudehnen. Arnold und sein Team arbeiten schon daran.


Der Artikel erschien in der automotion 02/2019, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.