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Gegen den Strom

Effizienzsteigerung durch optimiertes Kühlluftmanagement
Gegen den Strom

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Auf der IAA wurden alternative Antriebskonzepte vorgestellt, die das Autofahren klimafreundlicher gestalten. Daneben sind aber Entwicklungslösungen gefragt, die bereits heute die CO2-Bilanz der Fahrzeuge nachhaltig verbessern. Potenzial bietet hierfür die Optimierung der Motorkühlung. Leistungsoptimierte Kühlerlüfter- module und die Verbesserung der Fahrzeugaerodynamik tragen zur Kraftstoffeinsparung bei.

Es wird noch einige Zeit vergehen, bis sich eine der alternativen Antriebs-Technologien auf dem breiten Markt durchsetzen kann. Der klassische Verbrennungsmotor wird noch mehrere Jahrzehnte die individuelle Mobilität bestimmen. Als führender Anbieter von Kühlerlüftermodulen in Europa treibt der internationale Automobilzulieferer Brose die Weiterentwicklung der Komponenten des Kühlluftmanagements permanent voran. Ergebnisse sind eine neue Generation effizienzsteigernder und geräuschoptimierter Kühlerlüftermodule in Leistungsbereichen von 200 bis 1000 W elektrisch sowie das „Airgate“, ein System zur Steuerung der Kühlluftzufuhr, das erstmals auf der IAA 2009 vorgestellt wurde. Im Zusammenspiel der leistungsoptimierten Kühlerlüftermodule und des Airgates können rund 7 g CO2 /km gespart werden.

Verbesserung der Aerodynamik
Das Prinzip ist ebenso einfach wie wirkungsvoll: Zwischen Kühlergrill und Kühlereinheit wird ein Kunststoffgitter eingesetzt. Dies ist längsseitig halbiert, sodass die beiden Hälften gegeneinander verschoben werden können und so 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. So kann bei konstanter Geschwindigkeit von 130 km/h dank verbesserter Aerodynamik eine CO2-Reduzierung von bis zu 4 g/km 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 Konstruk- tion 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 sich durch 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 zudem einen hohen Wirkungsgrad: Das Profil verringert den Luftvolumenstrom nur um rund 5 %.
Leistungs- und geräuschoptimierte Module
Brose vereint die gesamte Entwicklungs- und Fertigungskompetenz für die einzelnen Komponenten – Motor mit integrierter Elektronik, Lüfterrad und Zarge – im eigenen Haus und kann damit die konsequente Weiterentwicklung der Einzelkomponenten unter Berücksichtigung des Gesamtsystems sicherstellen. Die neue Generation der Kühlerlüftermodule überzeugt durch geringes Gewicht, flache Bauweise, weniger Geräuschemission, einen besonders niedrigen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet das hauseigene Kompetenzcenter für Airflow und Akustik: Hier sorgen die Entwickler mithilfe modernster Messtechnik und Simula- tionstools für die permanente Verbesserung des Wirkungsgrads und des Geräuschpegels von Zarge und Lüfterrad.
Durch systematische experimentelle Untersuchungen konnten für das Lüfterrad spezielle aeroakustische Blattgeometrien 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 Automobilhersteller werden bereits in sehr frühen Entwicklungsphasen numerische Simulationen durchgeführt, um zu prüfen, welche Auswirkung eine bauliche Veränderungen auf das Strömungsverhalten und die Geräuschentwicklung hat. So können die negativen Einflüsse konstruktiver Maßnahmen auch ohne aufwändigen Prototypenbau frühzeitig erkannt und korrigiert werden. Bei den immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten ist dies ein entscheidender Vorteil und die wirtschaftlichste Lösung zugleich.
Dabei wird das Lüfterrad 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 mittels der „Finite Elemente Methode“ durch eine Festigkeitsberechnung abgesichert. Dies ermöglicht es, Gewicht einzusparen, indem die Materialstärken optimal auf die Anforderungen ausgelegt werden.
CO2-Bilanz verbessert
Die neuen Brose-Antriebe mit bürstenlosen Motoren steigern die Effizienz, denn sie 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. Der Einsatz der bürstenlosen Motoren mit integrierter Elektronik in Kühlerlüftermodulen erwirkt eine Gewichtsreduzierung um etwa 400 g. Bei Volllast-Betrieb können so etwa 3 g CO2 /km eingespart werden.
Alle Antriebe – von 200 bis 1000 W elektrisch – können ohne jeglichen Anpassungsaufwand an der Zarge eingesetzt werden, was den Automobilherstellern Kosten für den Werkzeugbau spart und die Variantenbildung vereinfacht.
Brose; Telefon: 09561 21 1957;
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