Optimiertes Wärmemanagement durch Elektrifizierung der Kühlschleifen

Aktuatoren helfen, Emissionswerte zu reduzieren

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Das Wärmemanagement gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Automobilhersteller tendieren immer mehr zu einem optimierten Wärmemodell durch die effiziente Steuerung von Temperatur und Energieverlusten. Dieser Trend ist nicht nur eine Folge einer strengeren Regulierung der Schadstoffemissionen durch die Euro-Normen, sondern auch ein Weg der Automobilhersteller, den Kraftstoffverbrauch ihrer künftigen Modelle zu optimieren und sich so von den Mitbewerbern abzuheben. Neue Technologien, wie die Elektrifizierung und Motorisierung der Baugruppen des Wärmemanagements, können dazu beitragen, dieses dynamischer und intelligenter zu machen. Das Schweizer Unternehmen Sonceboz SA bietet dafür mechatronische Aktuatoren, mit deren Hilfe schon heute die Ziele der Emissionsreduzierung für 2020 erreicht werden könnten.

Die Autorin: Nicole Hillmayr für Sonceboz, Schweiz

Zunehmend strengere Regulierungen wie etwa die Euro-Normen und ihre Äquivalente auf weltweiter Ebene machen ein vorausschauendes Temperaturmanagement an den Antriebsbaugruppen zwingend notwendig. Die Tendenz in der Automobilbranche orientiert sich deutlich von der separaten Einzelkühlung hin zu einer strategisch vollständigen Optimierung der Betriebstemperaturen des gesamten Antriebssystems. Um dies zu erreichen, müssen die Wärmeflüsse im Motorraum und im Fahrgastraum geregelt und koordiniert werden. So lässt sich der Energieverbrauch verringern und ein umweltschonenderes Fahren erreichen. Diese Optimierung vervielfacht die Kühlschleifen an Zylinderkopf, Motorblock, Schaltgetriebe oder Batterien. Je nach Situation, beispielsweise beim Starten des Motors, bei Teillast im Leerlauf oder unter Volllast, können diese Schleifen untereinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Die dazu erforderliche Fein- und Dynamiksteuerung lässt sich mit Hilfe von elektrischen Aktuatoren erreichen. Sonceboz hat eine ganze Serie dieser Schlüsselkomponenten entwickelt.
Vor nicht allzu langer Zeit regelten noch konventionelle Thermostate wie Wachsaktuatoren selbstständig und vordefiniert auf Basis der Temperatur der Kühlflüssigkeit des Motors. Heute ermöglicht ein angetriebener Thermostat, der ein Ventil und einen mechatronischen Aktuator kombiniert, ein vielfach genaueres, flexibleres und dynamischeres Management. In der Praxis ist es heute möglich, die Temperatur eines Bauteils direkt zu messen und auf Grundlage dieser und anderer Daten vorausschauend zu agieren: mit Hilfe einer adäquaten Programmierung wird flexibel entsprechend definierter Szenarien schnell und innerhalb weniger Sekunden geregelt. Dies ist die Alternative zur konventionellen Steuerung mit ihrer mehr oder weniger hohen Trägheit durch Abschätzung der Bauteiltemperatur auf Basis des Temperaturwertes der Kühlflüssigkeit.
Dieser Aspekt ist besonders in den Phasen des Temperaturanstiegs interessant. Durch das schnellere Erreichen optimaler Betriebstemperaturen wird eine Verminderung von Verschleiß, Ablagerungen und Schadstoffemissionen erreicht. Mit Hilfe eines Sonceboz-Aktuators der Serie 5810 (Drehbewegung) oder der Serie 7496 (lineare Bewegung) kann die Thermostatsteuerung entsprechend dem geplanten Ventiltyp realisiert werden. Diese intelligenten Aktuatoren wandeln die Steuersignale in genaue und schnelle mechanische Bewegungen um, die eine optimale Regulierung der Ventilöffnung ermöglichen. Eine Steuerung dieser Art erlaube laut Sonceboz eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Motorantriebsgruppe und das Erreichen einer Kraftstoffeinsparung von bis zu 3%.
BLDC-Aktuatoren für die Steuerung von Mehrwegmodulen oder elektrischen Thermostaten
Der Aktuator der Serie 5810 von Sonceboz ist als intelligentes Bauteil für die Elektrifizierung von Anwendungen zum Wärmemanagement, insbesondere für Thermostatfunktionen und zur Betätigung von Wasser- oder Mehrwegventilen bei Nutzfahrzeugen (Lkw, Reisebusse) sowie Personenkraftwagen konzipiert. Dieser Aktuator basiert auf einer Antriebskonstruktion der Technologie MM122, bestehend aus einem Dauermagnetrotor mit fünf Polpaaren sowie einem Dreiphasen-Stator mit Kompaktwicklung.
Mit einer Bauhöhe von 25 mm sind die Aktuatoren der Serie 5810 kompakt und verfügen über ein maximales Drehmoment von 1,5 Nm bei einer Geschwindigkeit von bis zu 20 U/min. Dank ihrer robusten Bauweise sind sie widerstandsfähig gegen Motorvibrationen und Temperaturen von bis zu +140 °C. Sie eignen sich deshalb besonders für Anwendungen im Bereich der Wärmesteuerung. Dank eines LIN-Kommunikationsbusses und ihrer spezifischen Antriebselektronik fügen sich diese Antriebe leicht in allgemeine elektronische Architekturen ein. Die Antriebsart BLDC erlaubt außerdem eine automatische Anpassung der Motorgeschwindigkeit und des Stromverbrauchs je nach Last sowie eine genaue Zwischenpositionierung im geschlossenen Regelkreis mit Hilfe von analogen 2D-Hall-Effekt-Sensoren.
Kompakte BLDC-Linearaktuatoren
Die Antriebe der Serie 7496 sind mechatronische Aktuatoren, die eine leichte Elektrifizierung der Linearbewegungen beim Wärmemanagement des Motors ermöglichen. Sie sind besonders auf die proportionale Flussregelung von Thermostaten als auch auf die On/Off-Schaltung von Ventilen im Allgemeinen zugeschnitten. Dabei ersetzen sie Zylinderspulen oder Druckluftaktuatoren in den Automobilanwendungen etwa für die Split-Cooling-Funktionen oder auch für den AGR-Kühlerbypass. Diese Aktuator-Serie basiert ebenfalls auf einer Konstruktion mit dem kontaktlosen Dreiphasenmotor MM122 mit Dauermagnet. In kompakter Paketbauweise integrieren die Aktuatoren der Serie 7496 eine BLDC-Steuerungselektronik mit Anpassung der Geschwindigkeit und des Stromverbrauchs je nach Last, verschiedene Typen von Positionssensoren und einen LIN-Kommunikationsbus. Sie sind in der Lage, über einen Hub von 15 mm eine Axialkraft von 150 N zu liefern und sind darüber hinaus resistent gegen die harten Bedingungen in der Motorumgebung, etwa Temperatur und Schwingungen. Ihre modulare Bauweise erlaubt außerdem eine einfache Anpassung an unterschiedliche Bedürfnisse des Motor-Wärmemanagements.
Technologien zur Minimierung der Energieverluste
Die gesetzlichen Anforderungen in Bezug auf den CO2– Ausstoß fordern von den Automobilherstellern eine Optimierung der Betriebstemperatur des Motors. Hierzu gibt es unterschiedliche Technologien, welche vom allgemeinen und statischen Management der Kühlungsproblematik zu einem feineren und dynamischeren Management übergehen. Je nach Nutzungsphase geht es darum, die Übergänge zu vorbestimmten Pegelwerten zu beschleunigen, um die unterschiedlich ermittelten Situationen potenziell justieren zu können. Die Herausforderung besteht darin, eine Gesamtheit von optimalen Kombinationen für die unterschiedlichen Systembestandteile zu finden. Unter diesen Bedingungen erreicht man, dass der Motor soweit als möglich im Bereich seines maximalen Wirkungsgrades gehalten wird, die Schadstoffemission minimiert und die Reichweite maximiert wird.
Neben der Optimierung der Betriebstemperaturen des Motors müssen zahlreiche weitere Elemente in das allgemeine Temperaturmanagement integriert werden: Hierzu zählen die Temperaturregelung im Fahrgastraum durch Heizung und Klimaanlage, das Automatikgetriebe, die elektrischen Antriebsmotoren, der Stromumrichter oder die Batterien bei Hybridfahrzeugen. Es geht darum, den Wärmeaustausch zwischen den Bauteilen, die zum betrachteten Zeitpunkt gekühlt bzw. beheizt werden müssen, auf dynamische Weise zu optimieren. So lassen sich die Verluste nach außen minimieren. Um diesen Austausch zu ermöglichen, werden folgende Bauteile von der Elektrifizierung erfasst: variable Wasserpumpen, 2/3-Wege-Wasserventile, Wärmetauscher, Verteiler, Ausdehnungsventile, Kompressoren, Verdampfer, Kondensatoren und weitere Elemente.
IAA: Halle 4.0, Stand C10
Sonceboz SA
Tel: +41 (0) 32 488 11 11
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