Gut gelüftet! Effizienzsteigerung durch optimales Kühlmanagement
Von Reinhard Kretschmer, Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG, Würzburg
Der klassische Verbrennungsmotor wird noch mehrere Jahrzehnte die individuelle Mobilität bestimmen – darin sind sich die Experten einig. Daher sind neben der Entwicklungsarbeit für alternative Antriebskonzepte Produkte gefragt, die bereits heute die CO2-Bilanz der Fahrzeuge nachhaltig verbessern. Potenzial bietet hierbei die Optimierung der Motorkühlung, denn leistungsoptimierte Kühlerlüftermodule und die Verbesserung der Fahrzeugaerodynamik tragen erheblich zur Kraftstoffeinsparung bei. Als Marktführer in Europa bei Kühlerlüftermodulen treibt Brose die Weiterentwicklung der Komponenten des Kühlluftmanagements permanent voran. Mit einer neuen Generation effizienzsteigernder und geräuschoptimierter Kühlerlüftermodule in Leistungsbereichen von 200 bis 1000 Watt in Kombination mit dem neuartigen System zur Steuerung der Külhlluftzufuhr Airgate®, können etwa sieben Gramm CO2 pro Kilometer eingespart werden.
Airgate®: Verbesserung der Aerodynamik
Das Prinzip ist ebenso einfach wie wirkungsvoll: Zwischen Kühlergrill und Kühlereinheit wird ein Kunststoffgitter eingesetzt. Dieses ist längsseitig halbiert, sodass die beiden Hälften gegeneinander verschoben werden können und eine luftdichte Fläche bilden. Angetrieben durch einen Aktuator, der von Sensoren aus dem zentralen Motorsteuergerät des Fahrzeugs Rückmeldung über die Temperatur im Motorraum erhält, schließen sich die Gitterstege und sorgen für eine optimale Umströmung des Fahrzeugs. Dies senkt den Luftwiderstandsbeiwert (CW-Wert) – insbesondere bei schneller Fahrt. Dank verbesserter Aerodynamik kann bei konstanter Geschwindigkeit von 130 km/h eine CO2-Reduzierung von bis zu vier Gramm pro Kilometer erwirkt werden. Der Kraftstoffverbrauch wird bereits ab dem ersten Kilometer verringert, da sich der Motor schneller erwärmt. Gegenüber marktüblichen Lösungen, bei denen Lamellen die Kühlluftzufuhr steuern, ist die Gittersteg-Variante mehrfach überlegen: Sie besteht aus einer geringeren Anzahl an Bauteilen, ist damit kostengünstiger und robuster. Zudem werden Lamellen-Lösungen bei hohen Geschwindigkeiten häufig instabil und müssen geöffnet werden – die Stege des Airgates® können dank einer biegesteifen Konstruktion aus glasfaserverstärktem Polypropylen geschlossen bleiben. Als willkommener Nebeneffekt steigert der Einsatz des Airgates® den Fahrkomfort: Die Heizleistung im Innenraum wird aufgrund des geringeren Wärmeverlustes bei geschlossenem Gitter verbessert. Zudem verringert sich der Geräuschpegel des Fahrzeugs, da das Verschließen des Kühllufteinlasses die Schallabstrahlung reduziert. Benötigt der Motor Kühlung, wird das Airgate® wieder geöffnet und das Kühlerlüftermodul über das Motorsteuergerät zugeschaltet. Dank ihrer aerodynamischen Tropfenform (NACA-Strömungsprofil) haben die Gitterstege im geöffneten Zustand einen hohen Wirkungsgrad: Das Profil verringert den Luftvolumenstrom nur um etwa fünf Prozent.
Leistungs- und geräuschoptimierte Kühlerlüftermodule
Die neue Generation der Kühlerlüftermodule überzeugt durch geringes Gewicht, flache Bauweise, weniger Geräuschemission, einen besonders niedrigen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer. Brose vereint die gesamte Entwicklungs- und Fertigungskompetenz für die einzelnen Komponenten (Motor mit integrierter Elektronik, Lüfterrad und Zarge) in einem Haus und kann damit die konsequente Weiterentwicklung der Einzelkomponenten unter Berücksichtigung des Gesamtsystems sicherstellen. Im firmeneigenen Kompetenzcenter für Airflow und Akustik sorgen die Entwickler mithilfe modernster Messtechnik und Simulationstools für die permanente Verbesserung des Wirkungsgrads und des Geräuschpegels von Zarge und Lüfterrad. Durch systematische experimentelle Untersuchungen konnten für das Lüfterrad aeroakustische Geometrien mit sogenannten Low-Reynolds-Number-Profilen
entwickelt werden. Entscheidend für die Luftleistungs-Steigerung im Motorraum ist die gekrümmte Form der Blätter (Sichelung): Im Vergleich zu Ventilatoren mit radial ausgerichteten Blättern erhöht die Sichelung in Drehrichtung die Effektivität des Kühlerlüftermoduls, insbesondere bei beengten Bauraumverhältnissen. Bei der Anpassung von Lüfterrad und Zarge an die fahrzeugspezifischen Anforderungen der OEM werden bereits in sehr frühen Entwicklungsphasen numerische Simulationen durchgeführt, um zu prüfen, welche Auswirkung bauliche Veränderungen auf das Strömungsverhalten und die Geräuschentwicklung haben. So können die negativen Einflüsse konstruktiver Maßnahmen auch ohne aufwendigen Prototypenbau frühzeitig erkannt und korrigiert werden. In Anbetracht der immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten ist dies ein entscheidender Vorteil und die wirtschaftlichste Lösung zugleich. Das Lüfterrad wird stets in Kombination mit der Zarge entwickelt, um zu gewährleisten, dass die direkt im Luftstrom stehenden Strebengitter der Zarge den Wirkungsgrad nicht beeinträchtigen. Konstruktive Veränderungen an der Zarge
sowie die Materialwahl werden mit der Finite Elemente Methode durch eine Festigkeitsberechnung abgesichert. Dies ermöglicht es, Gewicht einzusparen, indem die Materialstärken optimal auf die Anforderungen ausgelegt werden.
Bürstenlose Antriebe sparen Gewicht und erhöhen den Wirkungsgrad
Angetrieben durch bürstenlose Motoren mit integrierter Elektronik wird das Gewicht der Kühlerlüftermodule um etwa 400 Gramm verringert. Bei Volllast-Betrieb können so etwa drei Gramm CO2 pro Kilometer eingespart werden. Hintergrund: Die neuen Brose Antriebe mit bürstenlosen Motoren sind kleiner, leichter und leistungsfähiger
als konventionelle. Die elektronische Steuerung ist vollständig in die Motoren integriert und ein intelligentes Schaltungsdesign optimiert die Antriebe im Lastpunkt. Alle Antriebe – von 200 Watt bis 1000 Watt elektrischer Leistung – können ohne jeglichen Anpassungsaufwand an der Zarge eingesetzt werden, was den OEM Kosten für den Werkzeugbau spart und die Variantenbildung vereinfacht.
