Ladeluftkühlung

Hier finden Sie nützliches Grundlagenwissen und wertvolle Tipps zum Thema Ladeluftkühlung bei Fahrzeugen.

Abgasturbolader bringen zwar mehr Verbrennungsluft in die Zylinder. Allerdings wird die Luft beim Verdichten erwärmt und das hat auch Nachteile. Deshalb sind heute alle aufgeladenen Motoren mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet. Entecken Sie auf dieser Seite die Funktionsweise dieses Systems und mit welchen technischen Kniffen die Entwicklungsingenieure aktuelle und künftige Anforderungen im Bereich der Ladeluftkühlung meistern. Zudem finden Sie hier Praxis-Tipps zum Austausch eines Ladeluftkühlers.

Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildeten Fachpersonal genutzt werden.

 

LADELUFTKÜHLKREISLAUF: GRUNDLAGEN

Die Trends zur Steigerung der Motorleistung und zum Downsizing führen bei Pkw zu einem zunehmenden Anteil aufgeladener Motoren, wobei die Aufladung heute grundsätzlich mit gekühlter Ladeluft erfolgt. Durch die damit erzielte höhere Ladeluftdichte steigen Leistung und Wirkungsgrad des Motors. Aber nicht nur der Anteil aufgeladener Motoren nimmt zu, sondern - bedingt durch weiterhin erforderliche Verbrauchs- und Emissions-Senkungen - auch die Anforderungen an die Ladeluft-Kühlleistung. Diese können durch eine Kühlung der Ladeluft, mit Kühlmittel anstelle von Luft, erfüllt werden.

 

Wegen der Systemkosten war diese Technologie bislang jedoch dem oberen Pkw-Preissegment vorbehalten. Neue Entwicklungen lassen auch eine Regelung der Ladeluftkühlung zu. Dies erlaubt neben den NOx-, auch die HC-Emissionen zu senken und die Wirkung der Abgasnachbehandlung zu erhöhen.

 

Neben der Erhöhung der Kühlleistung kommt eine weitere Anforderung auf die Ladeluftkühlung zu: die Temperierung der Motorprozessluft durch die Regelung der Ladeluftkühlung.

 

Erforderlich wird die Temperierung durch die sich ständig erhöhenden Anforderungen an die Abgasnachbehandlung. Dabei kommt der Temperatur der Ladeluft eine wichtige Rolle zu. Damit bietet die Kühlung der Ladeluft mit Kühlmittel auch im Nkw entscheidende Vorteile.

 

Arten:
Luftgekühlt und kühlmittelgekühlt sowie direkt und indirekt.

 

Aufgabe:
Leistungssteigerung des Motors durch Erhöhung der Ladeluftdichte (mehr Verbrennungsluft, höherer Sauerstoffanteil).

 

Eigenschaften:

  • erhöhte dynamische Kühlleistung
  • verbesserter Motorwirkungsgrad durch die Steigerung der Ladeluftdichte
  • abgesenkte Verbrennungstemperatur, dadurch verbesserte Abgaswerte
  • weniger Stickoxide
  • Temperaturbeständigkeit von -40 °C bis 160 °C
  • Prüfdruck = 20 bar mit einem Berstdruck von 50 bar

ABGASTURBOLADER: GRUNDLAGEN

Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt von der verbrannten Kraftstoffmenge ab. Bei Ottomotoren benötigt 1 kg Kraftstoff 14,7 kg Luft zur vollständigen Verbrennung. Das ist das sogenannte stöchiometrische Verhältnis. Ein wirksames Mittel der Leistungssteigerung ist die Aufladung von Verbrennungsmotoren.

Abgasturboaufladung
VIDEO ZUM THEMA

Austausch des LLK nach Turboladerschaden

Austausch des Ladeluftkühlers nach einem Turboladerschaden.

 

00:57 min

DIREKTE UND INDIREKTE LADELUFTKÜHLUNG: FUNKTION

Bei Pkw trifft der steigende Bedarf an Kühlleistung auf zunehmende Beschränkungen des Bauraums im Vorderwagen. Heute dominieren noch kompakte Ladeluftkühler. Eine Lösung des Problems der geringen Bautiefe bietet die Vergrößerung des kompakten Ladeluftkühlers zu einem flächigen, vor dem Kühlmittelkühler montierten Ladeluftkühler, wie er bei schweren Nutzfahrzeugen Standard ist. Entsprechend nimmt die Verwendung dieser Bauform zu. Allerdings ist das in vielen Fahrzeugen nicht möglich, da der dafür benötigte Bauraum bereits vergeben ist oder auf Grund anderer Anforderungen – wie dem Fußgängerschutz – nicht mehr zur Verfügung steht. Mit zwei neuen Systemen kann der Konflikt zwischen Bauraum und Leistungsbedarf gelöst werden: der Ladeluft-Vorkühlung und der indirekten Ladeluftkühlung.

Direkte Ladeluftkühlung

Durch den Einsatz des neuen Ladeluft-Vorkühlers, der mit Kühlmittel aus dem Motorkreislauf gespeist wird, wird ein Teil der Ladeluft-Abwärme vom Ladeluftkühler zum Kühlmittelkühler verschoben. Da somit die zusätzliche Ladeluftabwärme, die infolge der Leistungssteigerung anfällt, durch den Vorkühler abgeführt wird, kann das Konzept eines blockförmigen Ladeluftkühlers beibehalten werden. Der Ladeluft-Vorkühler, ebenfalls ein Kompakt-Kühler, wird zwischen Turbolader und Ladeluft / Luft-Kühler platziert. Durch die Ladeluft-Vorkühlung lässt sich die Leistung eines bestehenden Konzeptes deutlich steigern. Das erforderliche Bauvolumen eines Ladeluft-/Kühlmittel-Kühlers liegt bei 40 - 60 % eines Ladeluft-/Luft-Kühlers.

Die zweite Möglichkeit, den Konflikt zwischen Bauraum und Leistungsbedarf zu lösen, besteht im Einsatz der indirekten Ladeluftkühlung.

Indirekte Ladeluftkühlung

Beim Pkw besteht dieses Kühlsystem in der Regel aus einem kompletten, vom Motorkühlkreislauf unabhängigen Kühlmittelkreislauf. Eingebunden in diesen Kreislauf sind ein Niedertemperatur-Kühlmittelkühler und ein Ladeluft / Kühlmittel-Kühler. Die Ladeluftabwärme wird zuerst auf das Kühlmittel übertragen und danach im Niedertemperatur-Kühlmittelkühler an die Umgebungsluft abgeführt. Dieser Kühler ist im Frontend des Fahrzeugs untergebracht, wo sich bei der herkömmlichen, luftgekühlten Ladeluftkühlung der Ladeluft/ Luft-Kühler befindet.

Da der Niedertemperaturkühler deutlich weniger Platz als ein vergleichbarer Ladeluft / Luft-Kühler benötigt, wird Raum im Frontend frei. Außerdem entfallen die voluminösen Ladeluftleitungen vom Fahrzeug-Frontend zum Motor. Insgesamt wird das Packaging im Frontend deutlich vereinfacht, was die Kühlluftströmung durch den Motorraum entsprechend verbessert.

 

Im Vergleich zur Ladeluft-Vorkühlung (Direkt) ergeben sich durch die indirekte Ladeluftkühlung folgende positive Effekte:

  • deutlich reduzierter Ladeluft-Druckabfall
  • verbesserte Motordynamik durch ein geringeres Ladeluftvolumen
  • erhöhte dynamische Kühlleistung
  • verbesserter Motorwirkungsgrad durch die Steigerung der Ladeluftdichte

TEMPERIERUNG DER LUFT FÜR DEN VERBRENNUNGSVORGANG IM MOTOR

Nach einem Kaltstart und auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen während der Fahrt ist es sinnvoll, die Ladeluftkühlung auszusetzen. Motor und Katalysator erreichen dann schneller ihre optimale Betriebstemperatur, wodurch weniger Kaltstart-Emissionen, hauptsächlich Kohlenwasserstoffe (HC), entstehen. Bei einem Ladeluft / Luft-Kühler ist dies nur mit großem Aufwand durch einen ladeluftseitigen Bypass möglich. Bei der indirekten Ladeluftkühlung hingegen kann durch eine einfache Regelung des Kühlmittel-Volumenstroms die Kühlung der Ladeluft nicht nur ausgesetzt, sondern auch ihre Temperatur geregelt werden. Durch eine Verknüpfung des Kühlmittelkreislaufs für die Ladeluftkühlung mit dem für die Motorkühlung und eine intelligente Regelung der Kühlmitteldurchsätze, kann die indirekte Ladeluftkühlung zur Ladeluft-Temperierung ausgebaut werden. Der Ladeluftkühler kann dabei entweder vom heißen Kühlmittel des Motorkreislaufs oder vom kalten Kühlmittel des Niedertemperaturkreislaufes durchströmt werden.

 

Die Regelung der Ladeluft-Temperatur ist für die Abgasnachbehandlung durch Partikelfilter und Katalysatoren wichtig. Beide benötigen eine bestimmte Mindest-Abgastemperatur für einen optimalen Betrieb. Beim Katalysator ist diese Mindesttemperatur identisch mit seiner Anspringtemperatur, beim Partikelfilter mit der Regenerationstemperatur, die für eine Verbrennung des eingelagerten Rußes erforderlich ist. Im Teillastbetrieb des Fahrzeugs (Stadtverkehr, Stop-and-Go) werden diese Abgastemperaturen nicht immer erreicht. Auch in diesen Fällen können die Emissionen durch ein Aussetzen der Kühlung oder sogar eine Erwärmung der Ladeluft reduziert werden, denn in jedem Falle wird die Temperatur des Abgases dadurch erhöht. Beide Optionen sind am einfachsten durch die indirekte Ladeluftkühlung zu realisieren.

LADELUFTKÜHLER WECHSELN: VIDEO

Austausch des Ladeluftkühlers

Austausch des Ladeluftkühlers inkl. Aus- und Einbau.

 

01:27 min

MODERNES DESIGN FÜR HOHE ANSPRÜCHE: WISSENSWERTES

Leistungsvergleich der neuen Konzepte

Der erzielbare Leistungsvorteil der neuen Konzepte Ladeluft-Vorkühlung und indirekte Ladeluftkühlung zeigt sich im Vergleich mit den heute vorherrschenden kompakten Ladeluftkühlern sowie den leistungsfähigeren flächigen Ladeluftkühlern:

  • Die Ladeluftkühlung wird erheblich verbessert;
  • bei der indirekten Ladeluftkühlung wird außerdem der Ladeluft-Druckabfall signifikant reduziert.

Ladeluftkühler für höhere Festigkeitsanforderungen

Steigende Belastungen der Ladeluftkühler hinsichtlich Drücke und Temperaturen erfordern ein neues Design und neue Materialien für die Kühlermatrix und die Luftkästen. Bei Pkw hat die Ladeluft beim Eintritt in den Kühler heute eine Temperatur von bis zu 150 °C und einen Druck von 2,2 bar. In Zukunft werden Temperaturen und Drücke auf etwa 200 °C und bis zu 3 bar ansteigen. Um diesen Anforderungen zu genügen, werden die Luftkästen aus warmfesten Kunststoffen hergestellt. Oder der Ladeluftkühler, einschließlich der Luftkästen, wird komplett aus Aluminium gefertigt.

 

Bei Nutzfahrzeugen werden noch höhere Belastungen erwartet. Gegenüber heute 200 °C und 3 bar werden infolge der niedrigeren EURO-5-Emissionsgrenzwerte 260 °C und bis zu 4 bar erwartet. Durch Änderungen der Konstruktion der Ladeluftkühler wird das Spannungsniveau, das sich aufgrund der Druckbelastung einstellt, soweit gesenkt, dass die höheren Belastungen ohne weiteres verkraftet werden. Weiteres Potential für Festigkeitssteigerung bietet der Kühlmittel-Ladeluftkühler durch seine kompakte Bauform.