Eine verbesserte, variable Nutzung der vorhandenen Wärmeströme im Fahrzeug trägt dazu bei, die Emissionen zu reduzieren, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken und den Klimakomfort im Pkw zu steigern. Da als Nebeneffekt der Verbrauchsoptimierung moderner Motoren weniger Wärme zur Verfügung steht, kommen konventionelle Thermostatregelungen immer öfter an ihre Grenzen, da sie mit Verzug auf Energieeinträge ins Kühlsystem reagieren. Als Alternative werden vermehrt Thermomanagementmodule eingesetzt.
Bei dem Thermomanagementmodul von Schaeffler handelt es sich um eine Temperatursteuereinheit für den kompletten Antriebsstrang. Integriert in ein kompaktes, aus hochfesten Kunststoffen gefertigtes Bauteil vereint es zahlreiche Funktionen. Wurde der Temperaturhaushalt des Motors bislang von einem motornah platzierten Thermostat eher rudimentär geregelt, so steuert das Thermomanagementmodul den Temperaturhaushalt des Fahrzeugs präzise auf Basis der anliegenden Last und ermöglicht den Betrieb im jeweils optimalen Temperaturfenster zum schnellstmöglichen Zeitpunkt. Gerade wenn integrierte Turbolader zum Einsatz kommen, muss vorauseilend gekühlt werden, um die Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten. So wird zum einen die Kaltlaufphase durch Vollsperrung des Motor-Wassermantels deutlich verkürzt. Und zum anderen können die einzelnen Komponenten heißer gefahren werden, als dies im Falle einer Thermostatsteuerung möglich wäre. Zudem kann eine angepasste Motortemperatur bei Volllast Klopfneigung und Volllastanfettung reduzieren.
Temperatursteuerung aus einer Hand
Die Möglichkeiten zur präzisen, effizienzsteigernden Temperatursteuerung mithilfe des Thermomanagementmoduls erstrecken sich sowohl auf den Motor und die Heizung als auch auf das Getriebe und den Turbolader. Und auch die Temperaturregelung von Generatoren, Hybridmodulen und Batterien gehört zum möglichen Leistungsspektrum des sensorgesteuerten Bauteils.
Die präzise Steuerung über Drehschieber erlaubt ein schnelles Erreichen des für Motor und Getriebe idealen Temperaturfensters. Dies wirkt sich sowohl positiv auf die Energieeffizienz als auch auf die Lebensdauer der Bauteile des Antriebsstrangs aus. Im Falle eines Turboladers, der in den vom Thermomanagementmodul geregelten Temperaturhaushalt integriert ist (ITL), lässt sich die Nachlaufkühlung der Abgasturbine individuell steuern.
Eine weitere Funktion ist die Temperierung des Motoröls. Da das Kühlmittel beim Kaltstart schneller warm wird als das Motoröl, kann der Einsatz von Öl-/Kühlmittel-Wärmetauschern dazu beitragen, das Öl schneller auf seine Zieltemperatur zu bringen. Dadurch wird auch die Erwärmung des Kolbens unterstützt, wodurch sich das Kolbenspiel schnell verringert. Verbesserte Partikelemissionen sind die Folge. Ebenso kann das Öl im Motorbetrieb hohe Temperaturen erreichen. Diese Wärme gibt das Öl dann über den Wärmetauscher an das Kühlmittel ab. Die Möglichkeit, das Öl in engen Temperaturgrenzen temperieren zu können, wirkt sich vorteilhaft auf den Verschleiß des Schmierstoffs aus.
Messungen belegen, dass mit einem frühen Durchströmen von Wasser durch den Ölkühler eine höhere Reibungsminderung erzielt werden kann als bei späterem Wasserdurchfluss. Um eine CO2- Reduzierung und Kraftstoffeinsparung zu erreichen, sollte deshalb möglichst bald das Kühlmittel zur Ölheizung verwendet werden. Dafür ist die Schaltstelle zwischen thermischer und mechanischer Effizienz ausschlaggebend. Darüber hinaus muss der Ölkühler im Ölkreislauf beachtet werden, da der Wärmetauscher bei niedrigen Temperaturen eine Drosselstelle darstellt.
Um die Wirkungen eines Thermomanagementmoduls auf den Kaltstart zu verifizieren, modifizierte Schaeffler einen konventionellen Saugmotor und ersetzte die Thermostatsteuerung durch ein Thermomanagementmodul. Durch die Kombination von Kühlmittelpumpe und zwei Ventilen anstatt Kühlmittelpumpe und Thermostat ist das System in der Lage, wahlweise zu verteilen oder zu sperren. Dabei ist die Sperrfunktion vor allem für die Kaltstartstrategie interessant. Diese hat einen großen Einfluss auf die Verbrauchswerte im NEFZ.
Allein durch die Möglichkeit, einen Nullvolumenstrom zu realisieren, ergab sich eine Verbrauchsreduzierung in Höhe von 1,2 Prozent. Durch die höhere Abgastemperatur und das schnellere Einsetzen des Katalysators konnten zudem deutliche Reduzierungen der sekundären Abgase wie HC, NOx oder CH4 erreicht werden.
Behaglicher Innenraum
Nach dem Kaltstart eines Autos soll möglichst schnell ein optimales Klima im Fahrgastraum erreicht werden. Um die gewünschte Innenraumlufttemperatur zu erreichen, gilt es, die zu- und abgeführten Wärmeströme auszulegen und abzustimmen. Eine exakte Regelung dieser Wärmeströme ist auch vor dem Hintergrund zu sehen, dass moderne Motoren vergleichsweise wenig Wärme abgeben und der Wärmebedarf für den Fahrzeuginnenraum in Konkurrenz zum Wärmebedarf der Aggregate im Auto steht. Ein ausgeklügeltes Wärmemanagement kann so gesehen auch zur Mangelverwaltung beitragen.
Im Rahmen von Messungen auf einem Rollenprüfstand untersuchte Schaeffler, mit welcher Strategie der Motor und das Kühlmittel schneller erwärmt werden kann als mit der Standardstrategie und welchen Einfluss die unterschiedlichen Strategien auf die Erwärmung des Fahrgastraums haben. Die durchgeführten Messungen zur Bestimmung der Kühlmittel- und der Lufttemperaturen an unterschiedlichen Messstellen in der Warmlaufphase des Motors zeigten, dass für einen möglichst schnell aufgeheizten Pkw-Innenraum weiterhin die Strategie mit permanent zugeschalteter Kühlmittelpumpe am sinnvollsten ist.
Andere Kühlmittelpumpenstrategien mit Abschaltphasen zeigten zwar nach dem Zuschalten der Kühlmittelpumpe eine schnellere Aufheizphase, überholten aber die Kurve mit der permanent zugeschalteten Kühlmittelpumpe nicht. Dies bedeutet, dass sofort auf die Strategie mit permanent zugeschalteter Kühlmittelpumpe umgeschaltet werden sollte, sobald ein Fahrzeuginsasse die Heizung betätigt. Schließlich hat die Kundenzufriedenheit höchste Priorität.
Der erste Serienmotor, der mit einem multifunktionalen Thermomanagementmodul ausgestattet wurde, ist der 1,8-l-/2,0-l-TFSI-Motor von Audi (Vierzylinder-Reihenmotor EA888, dritte Generation). Das Modul sperrt in der Warmlaufphase den Kühlmitteleintritt in den Motor komplett ab oder stellt einen Minimalvolumenstrom ein. Im betriebswarmen Zustand kann die Kühlmitteltemperatur je nach Lastanforderung und äußeren Randbedingungen schnell und variabel auf verschiedene Temperaturniveaus eingeregelt werden. Die Erwärmung des Kühlwassers wird so – im Vergleich zum Vorgängermotor mit Wachsthermostat – um 30 Prozent beschleunigt. Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Ölzieltemperatur reduziert sich sogar um 50 Prozent.
Auch das Schaeffler-Konzeptfahrzeug Gasoline Technology Car (GTC) auf Basis eines Ford Focus ist mit einem Thermomanagementmodul ausgestattet. Der 1,0-l-Fox-Motor verfügt im Original über zwei Thermostate. Eines davon dient zur Blockregelung, das zweite, um den Kühler zu bedienen. Diese zwei Thermostate wurden im GTC durch ein Thermomanagementmodul ersetzt, das die Funktionen bündelt und zusätzlich in der Lage ist, den Ölkühler an- und abzuschalten. Im Gegensatz zum Originalmotor ist es durch die Integration des Moduls möglich, einen Nullvolumenstrom darzustellen. Das dazu erforderliche Modul ist so kompakt, dass es im vorhandenen Bauraum des Hauptthermostats untergebracht werden kann. Erste Versuche zeigten eine deutliche Steigerung der thermischen und mechanischen Effizienz. Auch beim GTC führt die deutlich schnellere Temperaturerhöhung im Abgas zu einem schnelleren Ansprechen des Katalysators und reduzierten Nebenabgasen.
Je nach Kundenanforderung und verfügbarem Bauraum können die Thermomanagementmodule unterschiedlich ausgelegt werden. Eine kompakte Lösung bietet zum Beispiel bis zu drei geregelte Kanäle und passt in den Bauraum gängiger Thermostatgehäuse. Auch die Integration eines Temperatursensors ist möglich. In eine andere Richtung geht die Entwicklung eines Multifunktionsmoduls mit separaten Kreisläufen für den Motorblock und den Zylinderkopf („Split cooling“). Es verfügt über bis zu fünf gesteuerte Kanäle sowie eine Zulauf- und Ablaufsteuerung. Zu den Vorteilen zählt ein hoher Integrationsgrad. Darüber hinaus ist nur eine Schnittstelle zum Steuergerät erforderlich. Beide Ansätze ermöglichen, mit der Wärme an Bord künftiger Automobile effizient umzugehen.
