Einfluss der Ladeluftkühlung auf die Leistung eines Verbrennungsmotors

Beitrag vom 31.03.2016

Die Forderung von Markt und Gesetzgeber nach immer effizienteren Motoren mit niedrigem spezifischen Verbrauch  und geringen Emissionswerten haben den Trend zu kleineren Motoren (Downsizing) verstärkt und den Anteil an  aufgeladenen Motoren deutlich erhöht.

Diese Entwicklung hat dieLadeluftkühlung  stärker in den Fokus der Ingenieure gerückt und zu einem wesentlichen Bestandteil moderner  Motoren-Konzepte gemacht.

Im Zuge der Entwicklung unserer Leistungsstufen „EX 460“ und „EX 500“ haben wir zahlreiche thermodynamische Berechnungen und anschließende Ergebniskontrollen auf dem Prüfstand durchgeführt.

Dabei sind wir zu einigen interessanten Ergebnissen gekommen, die wir Ihnen nachstehend kurz vorstellen möchten.

 

Bekanntlich hängen Drehmoment und Leistung eines Verbrennungs-Motors direkt von der Masse der einströmenden Luft ab

 

Gleichzeitig gilt:

  • Die polytrope Zustandsänderung der verdichteten Lade-Luft führt zu deren Temperaturerhöhung.
  • Das Maß der Temperaturerhöhung hängt im wesentlichen von der Größe des Ladedrucks ab.
  • Die Temperaturerhöhung verringert die Dichte der einströmenden Luft und damit deren Masse.

Die nachstehende Grafik zeigt den Anstieg der Ladeluft-Temperaturin Abhängigkeit von der Höhe des Ladedrucks.

(Basierend auf dem effektiven isotropen Wirkungsgrad des untersuchten Laders)

Ladeluft

 

Der Vergleich der einströmenden Luftmassen von 3 Varianten des gleichen Motors zeigt den großen Einfluss der Ladeluft-Kühlung auf die Leistung:

 

Variante 1

Saugmotor

Ansaugtemperatur = 20°C                       Luftmasse = 1,19 kg/m       =          100%

 

Variante 2

Motor mit Verdichter

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 88°C               Luftmasse = 1,73 kg/m       =          145%

 

Variante 3

Motor mit Verdichter und Ladeluft-Kühler

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 50°C               Luftmasse = 1,95 kg/m       =          163%


Die Reduzierung der Ladeluft-Temperatur um 38°C bringt also einen Leistungszuwachs

von 18%

 

Resultat:

Ohne Ladeluftkühlung müsste der Ladedruck von 0,8 bar auf 1,1 bar erhöht werden, um die gleiche Leistung zu erzielen.

Dabei handelt es sich allerdings um einen rechnerischen Wert, der folgende Einflussgrößen nicht berücksichtigt:

  • Höhere erforderliche Antriebsleistung des Verdichters um den erhöhten Ladedruck zu liefern.
  • Höhere Prozesstemperaturen, die eine Reduzierung des Vorzündwertes erforderlich machen.
  • Verlassen der Insel mit dem höchsten Wirkungsgrad im Verdichterkennfeld und damit eine Verschlechterung der thermischen Effizienz des Laders.

 

In der Praxis müsste der Ladedruck damit auf etwa 1,2 bar, also um 50%  steigen.


Ausblick

Die aktuellen Entwicklungsarbeiten an den Komo-Tec Leistungsstufen „EX 460“ und

„EX 500“ konzentrieren sich also auf die weitere Optimierung des Gesamtsystems der Ladeluft –Kühlung.

  • Weitere Reduzierung des luftseitigen Druckverlusts des Ladeluft-Kühlers durch strömungsoptimierte Kühlernetze
  • Reduzierung der Strömungsverluste im gesamten Ansaugtrakt.

„ Auch aufgeladene Motoren reagieren negativ auf  eine Drosselung im Ansaugsystem“

und als langfristige Studie

  • „chargeairsubcooling“ durch partielle Integration der Klimaanlage  in das Ladeluft-Kühlsystem, mit dem Ziel, die Ansaugtemperatur bis unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.

 

 


Tech talk