22 22 Thermomanagement Thermomanagement Thermomanagement 22 Thermomanagement bei Schaeffler Wie viel Wasser braucht ein Motor? Elmar Mause Eduard Golovatai-Schmidt Markus Popp Sebastian Hurst 22 302 Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 303 Thermomanagement Thermomanagement 50 40 30 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 Las tL in % 5000 6000 Ein ideales Thermomanagementsystem soll die gewünschte Temperatur des Kühlmittels entsprechend der oben aufgeführten Forderungen einstellen können. 1000 2000 n 3000 /mi in 1 4000 l n ot hzah M Dre geringe Last und geringe Drehzahl: hohe KühlmiƩeltemperatur hohe Last: geringe KühlmiƩeltemperatur hohe Drehzahl: geringe KühlmiƩeltemperatur Bild 1 304 Gewünschte Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von Last und Drehzahl aus [1] Durch Thermomanagementmaßnahmen sind im NEFZ Kraftstoffeinsparungen bis zu 4 % erreichbar (Bild 2). Die Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 0,6 6 0,5 5 0,4 4 0,3 3 0,2 2 0,1 1 120 240 360 480 600 720 Zeit t in s 840 Verbrauchsreduzierung Vred in % Kumulierter Verbrauch V in kg 7 0 1080 1180 960 Geschwindigkeit v in km/h kumulierter Verbrauch ohne Thermomanagement kumulierter Verbrauch mit Thermomanagement Einsparungen durch Thermomanagement 120 40 100 80 60 40 5000 20 3000 0 Öltemperat ur T Ö l in °C Bild 3 1000 Reibmoment M ges in % 60 0,7 M ot or d M ot in reh 1/ zah m l in 70 8 n 80 0,8 0 110 90 angepasste, bedarfsgerechte Kühlung 0 140 100 KühlmiƩeltemperatur T in °C 110 Zwischen den beiden Grenzwerten der Kühlmitteltemperatur müssen Zwischenstufen definiert werden. Diese sind je nach Verbrennungsmotor unterschiedlich und können sich an verschiedensten Zielen orientieren (Reibungsreduzierung, optimierte Verbrennung, geringere Rohemissionen, erhöhter Komfort, etc.). keine Kühlung 22 Einen Eindruck von der 60 möglichen Reduzierung der Motorreibung 0 vermittelt Bild 3. Bei 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1180 Zeit t in s einer Erhöhung der ÖlNEFZ temperatur von 20 °C auf 80 °C sinkt das geBild 2 Einsparungen durch Thermomanagement aus [2] samte Reibmoment im Motor um 75 % bei einer Öltemperatur von 110 °C sogar um 85 %. Hiermöglichst hoher Temperatur, einen signifikanten aus ist erkennbar, dass eine schnelle Aufheizung Beitrag zur Reibungs- und somit zur Verbrauchsredes Motoröls und das Betreiben des Motors bei duzierung leisten. 80 Um Klopfen am Ottomotor zu verhindern sowie die Anfettung des Gemisches zu reduzieren soll die Kühlmitteltemperatur bei hoher Last und hohen Drehzahlen möglichst abgesenkt werden (ca. 80 °C). 20 Idealerweise sollte je nach Betriebszustand des Motors die Temperatur des Kühlmittels angepasst werden (Bild 1). Am Dieselmotor kann, neben den zuvor erwähnten Vorteilen, die Akustik durch Verkürzung des Zündverzugs verbessert werden. Durch geschicktes Thermomanagement ist eine Beeinflussung der Verdampfungsgeschwindigkeit und somit des Zündverzuges möglich. 50 Der Begriff Thermomanagement bezeichnet die bedarfsgerechte und effiziente Lenkung der thermischen Energieströme im Fahrzeug entsprechend dem jeweils vorherrschenden Betriebs- bzw. Lastzustand. Dadurch können die Fahrzeugemissionen reduziert und der thermodynamische und mechanische Motorwirkungsgrad verbessert werden. Niedrigere Kraftstoffverbräuche, eine erhöhte Motorlebensdauer und ein verbesserter Klimakomfort sind die Folge. Bei geringer und mittlerer Last sind zur weiteren Absenkung der Motorreibung hohe Kühlmitteltemperaturen (ca. 110 °C) erwünscht. blaue Kurve stellt den kumulierten Verbrauch eines Referenzmotors dar, die rote Kurve den eines Motors mit Thermomanagementmaßnahmen. Mit der grünen Kurve sind die Einsparungen durch das Thermomanagementsystem prozentual im NEFZ aufgetragen. Auffällig ist, dass vor allem im Kurzstrekkenbetrieb sogar Einsparpotenziale weit über 4 % zu erwarten sind. Dies ist vor allem durch eine schnellere Aufheizung des Motors und damit verbundener Reibungsreduktion erklärbar. -40 Thermomanagement Beim Kaltstart soll eine schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors erreicht werden, wodurch die Reibung deutlich reduziert wird. Entscheidend ist, dass sich das Motoröl schnell erwärmt und somit die Ölviskosität abnimmt. Hierzu darf die vom Motor erzeugte Wärme nicht durch das Kühlmedium abgeführt werden, sondern muss zum Aufheizen des Motoröls genutzt werden. -10 Thermomanagement ist ein wichtiges Thema zur CO2-Reduzierung. Im Folgenden werden Gründe für den Einsatz eines Thermomanagementsystems aufgeführt, die Anforderungen analysiert und ein Ansatz zur Realisierung eines solchen Systems vorgestellt. Reibmoment M ges in % 22 22 3500 1/min 30 20 75 % 85 % 10 0 - 10 20 50 80 Öltemperatur T in °C 110 Öl Reduzierung der Motorreibung aus [3] Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 305 Thermomanagement Sämtliche Komponenten im Kühlkreislauf, in Bild 4 dargestellt, sind prinzipiell in das Thermomanagement einzubeziehen – Kühler, Ventilator, Jalousien, Thermostat, Steuergerät und Wasserpumpe. Zurzeit weisen diese Komponenten eine begrenzte Variabilität auf. So sind beispielsweise Thermostate bekannt, die über Wachselemente gesteuert werden. Weiterhin sind bereits schaltbare oder elektrisch angetriebene Wasserpumpen im Einsatz. Der Kühler kann durch Teilung oder Abdeckung durch Jalousien den Kühlluftstrom begrenzen. Beim Ventilator ergeben sich ähnliche Ansätze wie bei der Wasserpumpe (elektrisch angetriebener Ventilator, Viscokupplung, etc.). In fast allen Fahrzeugen werden heute allerdings noch ungeregelte, mechanisch angetriebene Wasserpumpen eingesetzt. Diese sind über den Riementrieb fest an die Drehzahl des Motors gekoppelt und besitzen somit keinerlei Variabilität. Im Folgenden wird eine regelbare Wasserpumpe vorgestellt, welche die geforderte Variabilität zur Verfügung stellt. Der variabel einstellbare Volumenstrom liefert einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Kühlsystem. Regelbare Kühlmittelpumpe Pumpe offen Riemenscheibe Leitblech Schaufelrad Deckscheibe Schubstange Gleitringdichtung Wasserpumpenlager Rückstellfeder Um die Fail-Safe-Funktion bei Ausfall des Magneten zu gewährleisten, wird das Leitblech durch eine Druckfeder in der vollständig geöffneten Pumpenposition gehalten. Die Druckfeder ist so ausgelegt, dass bei maximal herrschenden Strömungskräften eine vollständige Öffnung der Wasserpumpe gewährleistet ist. Elektromagnet (schemaƟsch) Dichtung Pumpe geschlossen blech, wie in Bild 5 dargestellt. Durch axiales Verschieben des Leitblechs wird eine gewisse Breite des Rotors freigegeben. Hierdurch kann der Förderstrom eingestellt werden. Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 30 20 10 0 0 Bild 7 40 20 Bild 6 Aufbau regelbare Wasserpumpe 40 10 20 30 40 50 60 Durchfluss Q in l/min 70 80 0 % geschlossen 25 % geschlossen 50 % geschlossen 75 % geschlossen 20 40 60 Schließgrad S in % 80 1500 1/min 3000 1/min 4500 1/min Bild 5 50 60 0 22 2500 1/min 60 80 0 Befindet sich das Leitblech in der linken Position (Bild 5 oben) ist die Rotorbreite vollständig freigeDie regelbare Kühlmittelpumpe ist eine Zentrifugeben, der geförderte Volumenstrom ist maximal. galpumpe mit einem im Rotor integriertem LeitHierbei ist der ElektroKühler magnet, der auf der linken Seite sitzt und als Aktuator dient, unbestromt. Soll der VoluSteuergerät menstrom verringert Jalousien werden, wird der ElekThermostat tromagnet mit einem bestimmten Strom beaufschlagt. Der Anker wird entsprechend nach rechts geschoben, VenƟlator Pumpe drückt auf die Schubstange und bewegt somit das Leitblech nach rechts. Die effektive Breite des StrömungsBild 4 Komponenten des Thermomanagements aus [1] 306 kanals verringert sich hierdurch und schnürt den Durchfluss ab (Bild 5 unten). Wirkungsgrad η in % Komponenten für Thermomanagement Thermomanagement Durchfluss Q in % 22 Durchfluss über Pumpenschließgrad und Drehzahl 100 Pumpenwirkungsgrad über Durchfluss und Schließgraden tenden Rückströmungen und Verwirbelungen außerhalb des Auslegungspunktes zurückzuführen (Bild 8). Bei Nenndrehzahl wird die komplette Rotorbreite zur Förderung des Mediums genutzt. Bei niedrigen Drehzahlen treten Rückströmungen in der ungeregelten Pumpe auf (Bild 8 linke Spalte) und reduzieren dadurch den Wirkungsgrad. Durch den Einsatz des Leitbleches wird die Rotorbreite immer dem geforderten Volumenstrom angepasst (Bild 8 rechte Spalte). Dadurch treten keine Rückströmungen auf die einen Energieverlust darstellen, d. h. der Wirkungsgrad der Pumpe steigt. Bild 6 zeigt das Durchflussverhalten der Pumpe bei verschiedenen Schließgraden und Drehzahlen. Ein Schließgrad von 0 % entspricht der vollständig geöffneten Pumpe, bei 100 % ist die Pumpe geschlossen. Es ist erkennbar, dass der ungeregelte Pumpe Durchfluss zu höheren Schließgraden hin signifikant abnimmt. Der Durchfluss ist somit durch die Stellung Nenndrehzahl des Leitbleches einstellbar. In Bild 7 ist der Pumpenwirkungsgrad über dem Durchfluss bei einer Drehzahl von 2500 1/min abgebildet. Erkennbar ist, dass bei dieser Drehzahl der maximale Wirkungsgrad bei ca. 50 % geöffneter Pumpe erreicht wird. Dies ist auf die teilweise auftre- regelbare Pumpe 22 niedrige Drehzahlen Bild 8 Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 Vergleich zwischen ungeregelter und regelbarer Wasserpumpe 307 Thermomanagement LeitblechkraŌ F Leitblech in N 22 stellt die optimale Rotorbreite entsprechend der Drehzahl dar. Unterhalb dieser Breite kann der Volumenstrom abgeregelt werden. 40 30 20 10 0 -10 -20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schließgrad S in % 4000 1/min 3500 1/min 3000 1/min 2500 1/min Bild 9 Thermomanagement Leitblechkräfte über Schließgrad und Drehzahlen Aktuator Bild 9 zeigt die am Leitblech angreifenden Axialkräfte über dem Pumpenschließgrad bei verschiedenen Drehzahlen. Die aus der Strömung resultierenden negativen Axialkräfte bewegen das Leitblech in Richtung „Geschlossen“, positive dagegen in Richtung „Geöffnet“, (Bild 5). Man erkennt, dass bei verschiedenen Drehzahlen die Kraft auf das Leitblech, bei verschiedenen Schließgraden, die Richtung wechselt. Dieser Punkt Aufgrund seines physikalischen Funktionsprinzips wirken die Kräfte des elektromagnetischen Aktuators nur in einer Richtung (Druckmagnet). Um immer ein positives Kraftniveau zu gewährleisten wird eine Druckfeder zur Kompensation eingesetzt. Dies stellt sicher, dass das Leitblech in allen Betriebszuständen in Position „Geöffnet“ gehalten wird und vom Druckmagneten in Richtung „Geschlossen“ bewegt wird. Um die Rotorbreite und somit den Volumenstrom je nach Drehzahl zu regeln, bedarf es eines Aktuators mit welchem definierte Kräfte einstellbar sind. Die einfachste Möglichkeit dies zu realisieren ist ein Puls-Weiten modulierter Hubmagnet mit Kennlinienbeeinflussung. Durch die Puls-Weiten-Modulation der Spannung lassen sich definierte Ströme einstellen welche die benötigten Kräfte erzeugen. In Bild 10 ist der Elektromagnet der regelbaren Wasserpumpe im Vollschnitt abgebildet. In Bild 11 sind die vom Magneten ausgeübten Kräfte in Abhängigkeit von Durchflutung (Stromstärke) und Magnethub sowie die Axialkräfte auf das Leitblech dargestellt. Man erkennt, dass sich für verschiedene Stromstärken bzw. Durchflutungen die Magnetkraft ändert und somit das Kräftegleichgewicht in verschiedenen Leitblechpositionen erreicht wird. Letztlich kann so die Leitblechposition gezielt eingestellt und eine Reduzierung des Volumenstroms bis hin zu Null erreicht werden. Berücksichtigt man, dass die Leitblechkräfte sich sowohl mit der Drehzahl als auch mit der Leitblechposition verändern so benötigt man pro Betriebszustand eine entsprechende Stromstärke welche über Pulsweitenmodulation realisiert werden kann. Zusammenfassung und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wurde eine variable Kühlmittelpumpe zur bedarfsgerechten Regelung der Motortemperatur vorgestellt. Wesentliche Entwicklungsziele des Thermomanagements sind die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, die Erhöhung der Motorlebensdauer und des Komforts. Durch die vorgestellte regelbare Wasserpumpe kann der Kühlmittelvolumenstrom je nach aktuellem Betriebszustand des Motors geregelt werden, und weiterhin noch der Wirkungsgrad je nach Fahrsituation, durch Anpassung der Rotorbreite, erhöht werden. Das Entwicklungsziel wurde in diesem Fall 22 durch die sinnvolle Modifikation und Kombination bereits bestehender Komponenten erreicht. Eine Integration dieser regelbaren Wasserpumpe mit anderen variablen Komponenten zu einem Thermomanagementsystem ist ein weiterer vielversprechender Ansatz für die Zukunft. Literatur [1] Behr Thermot-tronik GmbH: Kennfeldthermostate – Höchstleistung für den Kühlkreislauf, http://www.behrthermottronik. de/produkte/automobil/kennfeldthermostat.pdf, November 2009 [2] Maassen, F.-J.; Dohmen, J.; Pischinger, S.; Schwaderlapp, M.: Reibleistungsreduktion – Konstruktive Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung, MTZ – Motortechnische Zeitschrift, Juli 2005 [3] Brinker, M.: Thermomanagement und Motorkühlung aus Sicht von Opel / GMPT, CTI Forum: Thermomanagement im Automobil, Februar 2008 Drehzahl 4000 1/min 80 70 KraŌ F in N 60 50 22 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schließgrad S in % Durchflutung 100 % 60 % 90 % 50 % 80 % 40 % 70 % LeitblechaxialkraŌ Bild 10 Elektromagnet 308 Bild 11 Magnetkräfte und Strömungskräfte über Schließgrad S und Durchflutung Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 Schaeffler KOLLOQUIUM 2010 309
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