Technische WeiTerenTWicklungen bei der MoTorkühlungZunehmend strengere Abgasnormen und die damit verbundene Notwendigkeit zur Verbesserung des

Kraftstoffverbrauchs sind auch im Bereich der Motorkühlung die wesentlichen Innovationstreiber.

Visteon löst die Herausforderungen der zunehmend komplexeren und anspruchsvollen Spezifikationen

in der Motorkühlung durch PTC-Technologien, um das Thermomanagement im Motor und die

Widerstandsfähigkeit von Wärmetauschern zu verbessern.

IndustrIe KüHluNg

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Anforderungen

Die Fahrzeughersteller setzen sich inten-siv mit der Untersuchung von Möglich-keiten auseinander, wie etwa die Moto-rengröße durch den Einsatz von Turbola-dern und neuer Verbrennungs motor- Technologie reduziert werden könnte. Dazu werden Technologien der Abgas-rückführung und Ladeluftkühlung in grö-ßerem Umfang als bisher genutzt, um Kraftstoff zu sparen und Emissionswerte verbessern zu können. Es sind diese Trends, welche den echten Bedarf an neuen Produkten zur Antriebsstrangküh-lung und neuen Konzepten des Thermo-managements für Motoren und Antriebs-stränge antreiben.

Darüber hinaus führen neue fahrzeug-spezifische Sicherheitsvorgaben in den Bereichen Fußgängeraufprallschutz und Kollisionsverhalten bei niedrigen Fahrzeug-geschwindigkeiten, wie auch der anhal-tende Trend zur Reduzierung des Fahrzeug-gesamtgewichts, zu Modifikationen in der Auslegung der Fahrzeugfront. Der verfüg-bare Platz für Kühlaggregate und -kompo-nenten schrumpft dadurch zunehmend, was den Bedarf an immer effektiveren und kompakteren Wärmetauscherlösungen an -treibt, die auch bei beschränktem Raum-angebot die geforderte Leistung bereitstel-len können.

Automobilzulieferer stellt dies vor komplexe Herausforderungen der Kom-ponentenintegration. Visteon hat sich diesem industriellen Trend mit Verfahren und Technologien angenommen, die den thermischen Wirkungsgrad verbessern und die gleiche oder gar bessere Leistung bei noch kompakterer Konstruktion ermöglichen können.

Weltweit werden die Emissionsvor-schriften immer strenger, denn Treibhaus-effekt und globale Erwärmung verlangen nach einer weiteren Drosselung der Abgas-belastung. In den Industrieländern, die als Vorreiter für die Reduzierung der Abgas-emissionen gelten, treiben die neuen um -welttechnischen Anforderungen die Ent-wicklung neuer Motorentechnologien voran, während die Schwellenländer der Emissionszeitplanung hinterherhinken und sich erst einmal älteren technischen Lösungen zuwenden.

Die hohen Treibstoffkosten bleiben auch weiterhin bestimmender Faktor der Ver-braucherforderung nach besserem Wir-kungsgrad der Motoren und geringerem Kraftstoffverbrauch. Als Antwort setzen Fahrzeughersteller in zunehmendem Maße auf Motorladetechnologie und hocheffek-tive Motorverbrennung, was wiederum einen neuen und erhöhten Bedarf an Lade-luftkühlern und Abgasrückführungstech-nologie (AGR) erzeugt. Die leistungsgestei-gerten Motoren machen es dabei zu einer neuen Herausforderung, sicherstellen zu können, dass noch genügend Wärme zur Beheizung der Fahrgastzelle bereitgestellt werden kann, ❶.

Visteon entwickelt Wärmetauscher-lösungen für die wichtigsten Komponen-ten innerhalb des Motorkühlsystems und konzentriert sich dabei auf drei Bereiche der Antriebsstrangkühlung, ❷: : Ladeluftkühler : Kühlertechnik : Abgasthermomanagement.

Lösungen für LAdeLuftkühLer

Die Automobilindustrie steht vor der He rausforderung, die Motoren mit dem

dr. stojAn CuCuz ist Associate Director Climate Control

Systems bei Visteon in Kerpen.

stephen joyCe ist Manager Powertrain Cooling

Systems bei Visteon in Chelmsford (großbritannien).

AuToreN

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100

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250

300

1,05 1,26 1,47 1,68 1,89 2,11 2,32 2,53 2,74 2,95 3,16 3,37 3,58 3,79 4,00 4,21Ladeverhältnis

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20

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100Auslasstemperatur Turbolader [°C]

Ladedruck [kW/l]

Aus

lass

tem

pera

tur

Turb

olad

er [

°C]

Ladedruck [kW/l]

❶ Beispiel der Auswirkung des Turboladeverhältnisses zur Abgasauslasstemperatur

20503I2011 72. Jahrgang

Ziel eines geringeren Kraftstoffverbrauchs immer kleiner auszulegen. Als Folge hat sich der erforderliche Luftladedruck bei Benzinmotoren um 30 % und bei Diesel-

motoren um über 100 % erhöht, wobei moderne Dieselmotoren heute einen Lade-druck von über 2,5 bar aufweisen. Um den höheren Druckzyklen und den gestiegenen Anforderungen an die Wärmeableitung ent-sprechen zu können, ist eine signifikante Modifizierung der Ladeluftkühlerkonstruk-tion erforderlich. Visteon hat verschiedene Rohr/Lamellen-Systeme entwickelt, mit denen die Visteon Ladeluftkühler bessere Wärmeableitungswerte erzielen und höhe-rem Druck standhalten können.

WAssergekühLte LAdeLuftkühLer

Bei der Verdichtung größerer Luftvolumina sind zwei besondere Herausforderungen zu meistern. Zum einen benötigen Fahr-zeughersteller eine Lösung zur Minimie-rung des Einlassvolumens der verdichte-ten Luft, weil große Volumina eine Turbo-verzögerung auslösen und damit einen Leistungsmangel beim Fahrverhalten er -zeugen. Des Weiteren stellt sich die Frage der geeigneten Wärmeabführung in Situa-tionen, wo es aufgrund des verfügbaren Platzangebots nicht möglich ist, einen Ladeluftkühler entsprechender Größe zu platzieren. Visteons auf wassergekühltem Ladeluftkühler beruhende Kühltechnik

wurde als flexible Lösung und leistungs-starke Alternative zu luftgekühlten Wärme-tauschern konzipiert, ❸.

Die Bauart der wassergekühlten Visteon Ladeluftkühler ist so beschaffen, dass diese sowohl als selbstständige Baugruppe einge-setzt, aber auch in den Ansaugkrümmer in -tegriert verwendet werden können. Visteon erreicht im Vergleich zu herkömm lichen wassergekühlten Ladeluftkühlern ein gerin-geres Packvolumen durch Nutzung innova-tiver Rohr/Lamellen-Systeme in Kombina-tion mit verbesserter Kühlmittelverwirbe-lung zur Optimierung des Wirkungsgrads.

Ein gutes Beispiel für die wassergekühlte Ladeluftkühltechnologie von Visteon kann man bei 5-l-Motoren mit Turbolader, wie von Jaguar und Land Rover verwendet, finden, ❹. Diese Technik erlaubt es Jaguar und Land Rover, hohe Motorleistung bei präzise vordefiniertem und sehr begrenz-tem Bauraum zu erzielen.

WIrkungsgrAd des WärmetAusChers beI der motorkühLung

Moderne Motoren zeichnen sich nicht nur durch einen hohen Wirkungsgrad aus, sondern auch durch hohe Leistungsfähig-

❷ Visteons Portfolio für die Antriebsstrangkühlung

❸ Wassergekühlter ladeluftkühler von Visteon

❹ Visteon-ladeluftkühler, integriert in das Jaguar-lufteinlasssystem

Herkömmliche Verbindung

Hohe lokaleSpannungen

Spannungen überlappen die Übergangslinie

VerbesserteWiderstandsfähigkeitgegen Spannungenund thermischeBelastung

Trapezförmige Verbindung

GeringeSpannungen,gleichmäßigverteilt

Spannungen von derÜbergangslinie abgekoppelt

❺ Vergleich flacher und trapezförmiger rohrboden

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keit. Bei Volllastbetrieb steigen damit die Anforderungen an eine effiziente Wärme-ableitung. Der für Wärmetauscheraggre-gate vorhandene Platz unter der Motor-haube wird jedoch durch neue gesetzliche Sicherheitsvorgaben hinsichtlich Fußgän-geraufprallschutz, Rückprallelastizität bei Kollisionen im niedrigen Geschwindig-keitsbereich und durch die allgemeinen Bestrebungen der Begrenzung des Gesamt-gewichts von Fahrzeugen ständig kleiner. Benötigt werden daher Wärmetauscher, die bei kleinerem Montagevolumen, mehr Wärme effektiv ableiten können.

Um den diesbezüglich gewünschten höheren Wirkungsgrad und verbesserte Wärmeableitungsfähigkeiten realisieren zu können, hat Visteon neuartige Rohr/Lamellen-Systeme entwickelt, die als Grundlage für ein effektives Kühlsystem dienen. Darunter befinden sich auch zwei patentierte technische Entwicklungen, durch die sich Visteon entscheidend von seinen Mitbewerbern abzusetzen vermag.

Die erste technische Entwicklung wird „trapezförmiges Rohrbodenprofil“ genannt. Die Verbindung zwischen Rohrboden und Rohr ist allgemein als die Schwachstelle – sowohl bei Druck- als auch bei Tempera-turwechselprüfungen – bekannt. In ❺ ist ein normaler flacher Rohrboden dargestellt, bei dem sich die größten Spannungen um die Nase des Rohres herum konzentrieren. Die Trapezform verlagert dieses Spannungs-

feld weg von der Rohrnase und verteilt die Spannung gleichmäßiger auf die Verbin-dung zwischen Rohr und Sammlerplatte, wodurch die Spannungsspitzen in diesem Bereich signifikant reduziert werden kön-nen. Die robustere Verbindung verlängert so die Funktionsdauer der Komponente.

Bei der zweiten technischen Entwick-lung handelt es sich um die „robuste Lamelle“, ❻. Sie steht für verbesserte

❻ Beispiel mit ausgeprägtem lamellen-Design

Druckbeständigkeit. Sie unterstützt das Rohr, indem die robusten Lamellen die Kräfteableitung am Rohr verringern und dadurch die auftretenden Spannungen reduzieren. Die besondere Stärke der La -mellen ist in der zusätzlichen Formung der einzelnen Elemente begründet. Das zusätzliche Ausformen eines flachen Ele-ments erhöht dessen Beständigkeit gegen Druckkräfte wesentlich – dies ist auch die Grundlage dieses technologischen Konzepts.

Die neuen leistungsoptimierten Rohr- und Lamellenlösungen erlauben es, fla-chere Kühler zu installieren, als noch vor kurzem möglich. Die Reduzierung der Einbautiefe führt aber nicht nur zur Ver-ringerung des Einbaugewichts und des benötigten Einbauraums, sondern kann auch zu einem geringeren, ansaugluftsei-tigen Druckgefälle führen, was wiederum erlaubt, Kühlventilator und damit die elektrische Leistung, geringer auslegen zu können. Dies sind alles entscheidende Fak -toren bei der Reduzierung des Fahrzeug-gesamtgewichts, wodurch sich Kraftstoff-verbrauch und der Schadstoffausstoß reduzieren lassen. Ein Beispiel ist hier die Kühlerverkleinerung, die Visteon mit sei-nem 10-mm-Kühlerkern im Ford Fiesta vorgenommen hat. Der schmale Wasser-

kühler ersetzt das mit 13 mm wesentlich dickere Vorgängermodell, wodurch Einbau-raum und Komponentengewicht signifikant reduziert werden konnten. Der Kühler weist die geringste Einbautiefe aus, die derzeit in Serien-Pkw Anwendung findet, er ist bis zu 25 % leichter als vergleichbare Produkte.

nIederdruCk-AbgAsrüCkführung

Die steigende Zahl an Dieselmotoren und Magermischmotoren treibt die Nachfrage nach Abgasrückführungskühlern (AGR) an. Zur Wirkungsgradsteigerung der Verbren-nung und Reduzierung der Abgasemis-si onen setzen immer mehr Fahrzeugher-steller auf die Integration von AGR-Syste-men in ihre Motoren.

Visteon hat sowohl Hochdruck- als auch Niederdruck-Abgasrückführungslö-sungen entwickelt, um dem neuen Bedarf gerecht zu werden. Hochdruck-AGR-Küh-ler sind in I- und U-Strömungs Ausfüh-rung verfügbar, damit die Anforderungen aller Motorpakete erfüllt werden können. Alle AGR-Kühlerversionen lassen sich mit einer Bypass-Funktion kombinieren; diese Lösung enthält eine robuste Abgas-Bypass-Klappe (EBV).

Der U-Strömungs-Kühler, ❼, ermöglicht sehr hohe Wärmetauschkapazität bei kleins-ter Dimensionierung und bietet Wirkungs-gradverbesserungen von bis zu 20 %. Die AGR-Kühler im U-Bogen-Design verwen-den die speziellen U-förmig spiralisierten Wärmetauscher-Rohre, welche die Nutzung alternativer und kostengünstiger Materia-lien für das Kühlergehäuse erlauben. Ein

Schwingungsdämpfungssystem sowie neue Verfahren in Fertigung und Endmontage sind ebenso Teil der geschützten Elemente.

nIederdruCk-Agr

Um auch zukünftige Emissionsziele erfüllen zu können, müssen sich Fahrzeughersteller in zunehmendem Maße mit immer kom-plexeren AGR-Systemen beschäftigen, die eine Kombination aus Nieder- und Hoch-druck-Abgasrückführung darstellen. Bei Niederdruck-AGR-Anwendungen wird das Abgas erst nach dem Partikelfilter abge-nommen. Die so „gesäuberten“ Abgase werden dann zum Einlass des Turboladers zurückgeführt. Die Abgasrückführung bei niedrigen Temperaturen weist eine höhere Dichte auf, wodurch es möglich ist, mit höherem Abgas-Anteil und durch bessere Vermischung mit frischer Ladeluft auch zu -künftige, noch striktere Abgasnormen er -füllen zu können. Für die Verwendung von Niederdruck-AGR-Systemen hat Visteon Ladeluftkühler entwickelt, die über eine integrierte Antikorrosionsfunktion ver fü-gen, mit der einer Zersetzung der Alumi-niumrohre durch die aggressiven Abgase effektiv entgegengewirkt werden kann.

AbgAsWärme-rüCkgeWInnungs-systeme (ehrs)

In kälteren Klimazonen geben Motoren heute schon nicht mehr genügend Wärme an das Kühlmedium ab, um eine ange-nehme Fahrzeugbeheizung gewährleisten zu können. Herkömmliche Technik ver-

❽ Abgaswärme-rückgewinnungs-system

❼ Agr-Kühler für die neue Abgasnorm euro V: der u-Bogen-Agr-Kühler

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doWnLoAd des beItrAgs www.MTZonline.de

reAd the engLIsh e-mAgAzIne order your test issue now: SpringerAutomotive@abo-service.info

wendet elektrische PTC-Heizelemente, die Strom und damit Motorleistung benötigen. Als Alternative nutzt das EHRS-System die Abgaswärme und führt diese zurück zu Motor, Getriebe und Fahrgastzelle, ❽. Auf-grund des schnelleren Aufwärmprozesses kann das EHRS-System zur schnelleren Fahrzeugbeheizung und/oder Motorerwär -mung eingesetzt werden. Bei schnellerer Motor-Erwärmung erreicht dieser seine optimale Betriebstemperatur eher, der Katalysator springt früher an und erlaubt ein schnelleres Verlassen der wenig effek-tiven Warmlaufphase. Eine verkürzte Warm-laufzeit verbessert darüber hinaus auch den Kraftstoffverbrauch, weil Schmierstoffe ihre Betriebstemperatur ebenfalls schneller er -reichen, und die Reibungsverluste in Motor und Getriebe damit reduziert werden.

zusAmmenfAssung

Visteon setzt auf die Entwicklung von Lösungen für Ladeluftkühler, Wärmetau-scher und das Abgas-Thermomanagement, die es erlauben, auch zukünftigen Anfor-derungen an noch geringeren Kraftstoffver-brauch, höhere Motorleistung und noch strengere Abgasnormen entsprechen zu können.

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