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H. Holzer:
"Wärmemanagement im Antriebsstrang von Verbrennungskraftmaschinen";
Supervisor, Reviewer: H.-P. Lenz, R. Pischinger; E 315 Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, 2002.

Die Grenzen und Potentiale des Automobilbaus sind heute zunehmend mit der Frage der weltweiten Verfügbarkeit der begrenzten Rohölmengen und Ressourcen verknüpft. Mit der Selbstverpflichtung europäischer Automobilhersteller die CO2- Emission bis zum Jahr 2008 um 25 % gegenüber 1995 zu senken, wird die Entwicklung von Kraftfahrzeugen von der Reduktion des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen dominiert. Die Literaturrecherche zeigt, dass dies zu immer aufwendigeren Lösungen sowohl in der Gemischaufbereitung, im Brennverfahren und in der Abgasnachbehandlung von Otto- und Dieselmotoren als auch in der Getriebeentwicklung führt.
Das Reibungs-, das damit verbundene Temperatur- und Kraftstoffverbrauchsverhalten im Warmlauf eines modernen Antriebsstrangs im Neuen Europäischen Fahrzyklus ohne 40 Sekunden Vorlauf beschreibt ein empirisches Simulationsmodell. Die Messungen am dynamischen Motorenprüfstand bestätigen die durch die Berechnung ermittelten noch ungenützten Kraftstoffverbrauchseinsparungspotentiale von 15 % im. NEFZ- Test.
Bis vor wenigen Jahren war die Analyse der Wärmeströme nach einem Kaltstart und das anschließende Warmlaufverhalten des gesamten Antriebsstrangs von untergeordneter Bedeutung. Die detaillierte Analyse des Wärmehaushaltes der Antriebsstrangkomponenten Ottomotor und Fünfgang-Automatikgetriebe mit geregelter Wandlerüberbrückungskupplung im Zertifizierungstest legt die Grundbausteine einer energetisch optimierten Warmlaufstrategie fest. Bei Fahrzeugen mit wirkungsgradoptimierten Verbrennungsmotoren führt das eingeschränkte Wärmeangebot zu einer signifikanten Verlängerung der Warmlaufphase. Die optimale Nutzung der verfügbaren Wärmemengen und das rasche Erreichen idealer tribologischer und thermodynamischer Betriebsbedingungen erfordert eine Weiterentwicklung heutiger Kühlsysteme. Es ergibt sich die Forderung nach bedarfsgerecht regeIbaren, flexibel einsetzbaren Komponenten und nach Regelstrategien für Motor und Getriebe.
Die Kombination aus Komponenten und Regelstrategie wird durch das Wärmemanagement abgebildet und lässt sich durch folgende Eigenschaften charakterisieren:
Beeinflussung der Wärmeströme und des Wärmetransportes in den Antriebsstrangkomponenten und ihren Kühlkreisläufen.
Reduktion der Reibungsverluste in den Antriebsstrangkomponenten und somit des Kraftstoffverbrauches durch den schnelleren Warmlauf tribologischer und beim Motor auch thermodynamisch relevanter Komponenten.
Verwendung von elektronisch regelbaren Bauteilen, um den Wärmetransport mittels Kühlmittel und Öl zu steuern
Integration der Regelstrategien in die Motorsteuerung
Energetisch optimierter Betrieb der Nebenaggregate.
Das Thermomanagement veranlasst die geeignete Verteilung dieser Wärmeströme im Fahr- zeug und legt Prioritäten abhängig von der Fahrsituation fest. Die Aufteilung der vorhandenen Wärmeenergie im Antriebsstrang muss unter den Prämissen erfolgen,
dass die Rangordnung der durchzuführenden Wärmemanagementmaßnahmen nach den an den jeweiligen Antriebsstrangkomponenten realisierbaren Kraftstoff- verbrauchspotentialen erfolgt, und
dass der mit einem Wärmemanagementkonzept erzielte Nutzen dem gesamten Antriebsstrang zu gute kommt.
Für die Entwicklung der Warmlaufstrategien werden rein passive Wärmemanagementmaßnahmen, die im Gegensatz zu aktiven Maßnahmen keinen Kraftstoffmehrverbrauch verursachen, untersucht. Mit den aus der Literatur vorhandenen Informationen wird eine Beurteilung der Einzel-Maßnahmen nach den Kriterien Kosten, Kraftstoffverbrauchsein- sparungspotential, Fahrkomfort, Entwicklungsstand, Systemintegration und Kundennutzen durchgeführt. Nur mit einer Kombination von Wärmemanagementmaßnahmen kann ein zufriedenstellendes Kraftstoffverbrauchseinsparungspotential von maximal 7 % im NEFZ- Test realisiert werden.
Die Untersuchungen am dynamischen Motorenprüfstand zeigen, dass die vollständige Drosselung des Kühlmittelvolumenstroms momentan die wirksamste Maßnahme zur Verkürzung des Motor-Warmlaufes ist. Durch die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur von 90 auf 110 °C im Teillastbereich, wird das Gesamtmotortemperaturniveau zusätzlich angehoben. Jene Wärmeenergie, die nach dem Erreichen einer Kühlmitteltemperatur von 110 °C durch das Öffnen zum Fahrzeug-Kühlmodul an die Umgebung abgeführt wird, muss im System Antriebsstrang zur weiteren Erwärmung der noch nicht betriebswarmen Komponenten genützt werden. Diese bedarfsgerechte Motor- und Getriebetemperierung wird durch den Einsatz von neuartigen Kühlsystem-Komponenten ermöglichen. Abhängig von der Warmlaufstrategie können Kraftstoffverbrauchseinsparungspotentiale bis zu 5 % im NEFZ- Test realisiert werden. Diese Verbrauchsreduktionen bei einer Starttemperatur von 25 °C sind mit einer Senkung der HC- und CO- Emissionen und einer Zunahme der NOx-Emissionen aufgrund des signifikant höheren Bauteiltemperaturniveaus verbunden.
Mit dem zusätzlichen Wärmeeintrag in den Motor aus einem Kühlmittelwärmespeicher können die Kraftstoffverbrauchseinsparungspotentiale der besten Warmlaufstrategien im NEFZ- Test für den untersuchten Antriebsstrang je nach Entladestrategie des Speichersystems auf fast 8 % ausgeweitet werden. Eine Entladung des Wärmespeichers vor dem Motorstart bewirkt eine signifikante Änderung des Motor-Abgasrohemissionsverhalten. Ohne eine entsprechende Adaptionen des Datenstandes in der Motorsteuerung ist nicht garantiert, dass die Abgasemissionsgrenzwerte auch in den nächsten Jahren eingehalten werden können.
Die Kombination von einzelnen Wärmemanagementmaßnahmen zu Warmlaufstrategien zeigt, dass nur wenige Maßnahmen, wie der Einsatz von Leichtlaufölen für Motor und Automatikgetriebe, additiv wirken und das bereits ausgewiesene Einsparungspotential der Warmlaufstrategien um maximal 2,5 % erhöhen.
Die entwickelten Strategien zur effizienten Verteilung der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie mit Rücksicht auf den jeweiligen Betriebszustand sind die Basis für ein erfolgreiches Wärmemanagement-Konzept eines Antriebsstranges mit Ottomotor. Bei der Umsetzung im Fahrzeug muss berücksichtigt werden, dass es sich bei den am dynamischen Motorenprüfstand aufgezeigten Potentialen um Ideal-Fälle handelt, die in Ihrer Ausführung den jeweiligen Bedingungen angepasst werden müssen.
Diese Dissertation beweist, dass die Potentiale des "Intelligenten Thermomanagements" an einem bestehenden Antriebsstrang vorhanden sind.
Die Kombinationen der effizientesten Wärmemanagementmaßnahmen zu energetisch optimierten Warmlaufstrategien könnten das noch vorhandene Kraftstoffverbrauchseinsparungspotential des untersuchten Antriebsstranges im NEFZ- Test von 15 % um mehr als die Hälfte reduzieren.