Warmlauf von Verbrennungsmotoren

Ein intelligentes Thermomanagement optimiert die Wärmeströme im Motor mit dem Ziel, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu senken. Um geeignete Maßnahmen zu identifizieren und einer Kosten-Nutzen-Analyse zu unterziehen, wurde im Rahmen des Projekts ein Simulationsmodell entwickelt. Es ermöglicht die realitätsgetreue Abbildung des Motorwarmlaufs. Das Modell berücksichtigt zudem Wärmeeintragsänderungen innerhalb der Verbrennung, Zuheizquellen, Ladungswechseleinflüsse, tribologische Maßnahmen und eine aktive Kolbenbodenkühlung. Die theoretischen und praktischen Untersuchungen zur Validierung der Simulationsdaten erfolgten an einem 4-Zylinder-Common-Rail-Dieselmotor mit 2,0 l Hubraum. Dabei wurden Maßnahmen mit den höchsten Potenzialen in der Warmlaufphase identifiziert. Durch den Einsatz von Leichtlaufölen kann der Verbrauch in der Warmlaufphase um 3 Prozent gesenkt werden. Da das Simulationsmodell auch auf andere Motoren übertragbar ist, kann es in der Breite der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Motivation

Mithilfe einer optimierten Warmlaufphase lassen sich Verbrennungsmotoren effizienter gestalten. Die Maßnahmen dazu sind unter dem Begriff Thermomanagement zusammengefasst. Ein intelligentes Thermomanagement zielt darauf auf ab, die Verteilung der Wärme im Motor zu optimieren und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu senken. Um wirksame Maßnahmen zu identifizieren, sind Modelle erforderlich, die die Wärmeströme in der Warmlaufphase eines Verbrennungsmotors realitätsgetreu wiedergeben.

Methodik

Die theoretischen und praktischen Arbeiten basierten auf Untersuchungen an einem Referenzmotor, einem 4-Zylinder-Common-Rail-Dieselmotor mit 2,0 Liter Hubraum. Zur Simulation des Motorwarmlaufs diente ein thermisches Netzwerk, das die Wärmeverteilung in den Bauteilen abbildete. Um die Änderungen des Wärmeeintrags aufgrund der Wandwärmeverluste und der Reibung in der Aufheizphase zu berücksichtigen, wurde das thermische Netzwerk mit einem Verbrennungsmodell gekoppelt. In den theoretischen Arbeiten wurden zusätzlich Modelle für eine Kolbenbodenkühlung und einen Nockenwellenphasensteller untersucht. Am Prüfstand erfolgten die Validierung des Gesamtmodells sowie Tests von technischen Maßnahmen mit hohem Kraftstoffeinsparpotenzial. Die Übertragbarkeit des Simulationsmodells wurde mithilfe zweier Vergleichsmotoren getestet.

Ergebnis

Das stehende Kühlwasser – ein sehr kleiner Volumenstrom zur Kühlung des Motors– sowie der Einsatz eines Leichtlauföls als Schmierstoff erbrachten mit 3 Prozent die höchsten Kraftstoffeinsparungen. Aber auch sehr einfache Eingriffe, wie die Wahl eines Kühlmittels mit sehr hohem Ethylenglykolgehalt oder eine Ölreduktion, reduzierten den Verbrauch um bis zu 1,8 Prozent in der Warmlaufphase. Eine variable Kolbenbodenkühlung in Verbindung mit einer regelbaren Ölpumpe ergab neben der Möglichkeit, die Aufheizphase zu optimieren, auch nach dem Erreichen der Betriebstemperatur ein dauerhaftes Einsparpotenzial. Mit dem Simulationsmodell steht ein Tool zur Verfügung, um die Wirksamkeit von Thermomanagementmaßnahmen zu untersuchen. Es ist auch auf andere Motoren mit gleichem Grundprinzip übertragbar, sodass eine vielfältige Anwendung im Bereich des Themomanagements von Motoren möglich ist.

Dokumentation

Motorwärmetausch I | Simulation des Wärmetransportes in Verbrennungsmotoren zur Reduzierung der Reibung und CO2-Emission unter Warmlaufbedingungen | Vorhaben-Nr. 1034 | AiF-Fördernummer 16349 BR

Motorwärmetausch II | Nachweis der Prognosefähigkeit des thermischen Motormodells zur Bewertung konstruktiver Maßnahmen in Bezug auf ein verbessertes Warmlaufverhalten | Vorhaben-Nr. 1111 | Eigenmittel

Motorwärmetausch III | Simulation des Wärmetransportes in Verbrennungsmotoren zur Reduzierung der Reibung und CO2-Emissionen unter Warmlaufbedingungen | Vorhaben-Nr. 1147 | Eigenmittel

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