Mentor Graphics – eine Siemens-Tochter Optimiertes Thermo-Management für effizientere Antriebsstränge

Bild 1: Thermomanagement-System für ein Automobil und typische 1D-Komponenten, wie sie vom CFD-Simulations-Tool FloMASTER verwendet werden (CFD = Computational Fluid Dynamics) Grafiken: Mentor Graphics

Verbrennungsmotoren gehören zu den wichtigsten Erfindungen des 19. Jahrhunderts und haben die zivilisatorische Entwicklung im 20. Jahrhundert wesentlich beeinflusst. Jetzt nach etwa 100 Jahren bekommt man die Rechnung für die gewonnene Mobilität.

Nach einem Bericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) von 2014 entfallen etwa 14 Prozent der in die Atmosphäre gelangten Treibhausgase auf den Straßenverkehr. Das entspricht etwa 1,8 Mrd. Kubikmeter an Kohlendioxid - davon 42 Prozent von Pkws, 13 Prozent von mittleren und schweren Lkws sowie 18 Prozent von leichteren Lkws. Dies alles vor dem Hintergrund von begrenzten fossilen Ressourcen.

Um diese Problematik in den Griff zu bekommen, haben weltweit Regierungen und Behörden Vorschriften erarbeitet, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und effizientere Fahrzeuge zu entwickeln. Ein Beispiel ist die „Corporate Average Fuel Economy“ oder kurz der CAFE-Standard in den USA. Er fordert, dass Fahrzeughersteller bis 2025 einen Flottenverbrauchsmittelwert von nur noch 54,5 mpg (miles per gallon, oder 4,3 l / 100 km) erreichen sollen. Entsprechende europäische Vorschriften verlangen bis dahin, dass neue Fahrzeuge nur noch 95 g/km CO2 ausstoßen, das ist 40 Prozent weniger im Vergleich zu 2007.

Aus Sicht der Hersteller können innovative Strategien für das Strömungs- und Thermomanagement helfen, um effizientere Designs verschiedener Fahrzeugsysteme zu realisieren. Beispiele sind die Kühlung des Motors, Schmiersysteme, Klimaanlagen, Kraftstoff- und Abgas-Anlagen (Bilder 1 und 2). Die Strömungs-Optimierung für Heizung/Kühlung und Belüftung sowie das thermische Management der Komponenten ist ein wichtiger Aspekt für eine hohe Zuverlässigkeit und den Leistungsanstieg, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert werden können. Daher haben Automobilhersteller und Zulieferer in den letzten Jahren einen besonderen Fokus auf die Antriebsstränge und das Thermomanagement gelegt, um einerseits die Emissionen zu reduzieren und andererseits den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Das luftseitige Motorsystem kann die Leistungsfähigkeit signifikant beeinflussen. Darüber hinaus wird die Aerodynamik dank neuer Technologien wie aktive Luftklappensysteme und das Stapeln von Wärmetauschern positiv beeinflusst. Das Kühlsystem des Motors ist der nächste Schritt im Thermomanagement, mit der Wärmeabfuhr zwischen dem Motor und dem Kühlungssystem. Um hier die Performance zu optimieren, muss das System in einem engen Temperaturbereich arbeiten. Daher sind Wärmetransfer bei stehendem Fluid und optimal gesteuerter Kühlmittelstrom entscheidend, um eine bestmögliche Effizienz zu erreichen. Meist wird das Abgassystem als Bestandteil des Antriebsstrangs betrachtet, da es wesentlich zur Leistungsfähigkeit des Motors mit Turboladern, Abgasrückführung (EGR) und Wärmerückgewinnung beiträgt. Eine optimierte Strömung und reduzierte Druckverluste im System zusammen mit der Leistung der Komponenten wie Katalysatoren und Schalldämpfer sind wichtig für das Design des Abgassystems.

Das Kraftstoffsystem reicht vom Tank bis hin zu den Einspritzdüsen, mit einigen Komponenten dazwischen, die alle die Leistung des Fahrzeugs bestimmen. So haben Komponenten wie die Diesel-Vorheizung, Kraftstoffpumpen und die Einspritzdüsen Auswirkungen auf die Fahrzeugleistung. Eine optimierte Strömung und Temperaturregelung können für einen geringeren Treibstoffbedarf, weniger Emissionen und eine höhere Leistung sorgen.

Letztendlich ist Bewegung für jedes Fahrzeug entscheidend. Insbesondere gibt es im Antriebsstrang viele bewegliche Teile - daher sind Reibungsverluste ein wichtiges Kriterium. Um diese Reibungsverluste zu minimieren, benötigt man ein Schmiersystem, das allen Anforderungen angesichts wechselnder Motor- und Getriebelast gerecht wird. Dabei gilt ein besonderes Augenmerk der Anlaufschmierung und Erwärmung des Schmiermittels, um eine bestmögliche Leistung des Antriebsstrangs bei reduziertem Kraftstoffverbrauch zu erreichen.