HYBRID-KÜHLMITTELPUMPE MIT ELEKTRISCHEM UND MECHANISCHEM ANTRIEBDie neue Hybrid-Kühlmittelpumpe von BorgWarner vereint die Vorteile elektrisch und mechanisch

angetriebener Pumpen in einem System: Im elektrischen Modus ist sie flexibel regelbar, im

mechanischen Modus arbeitet sie mit hohem Wirkungsgrad. Umfangreiche Simulationen von

BorgWarner zeigen das Potenzial der Hybridpumpe zur weiteren Verbrauchseinsparung auf.

INDUSTRIE THERMOMANAGEMENT

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VARIABLE KÜHLMITTELPUMPEN VERBESSERN WIRKUNGSGRAD

Aufgrund steigender Anforderungen zur Reduzierung von CO2-Emissionen kommt dem Thermomanagement von Verbren-nungsmotoren eine immer größere Bedeu-tung zu. Verbesserte Kom ponenten im Kühlsystem, insbesondere variable Kühlmit-telpumpen, reduzieren direkt Verluste und erlauben gleichzeitig, die Motortemperatur aktiv zu regeln, um bessere Wirkungsgrade zu erzielen. Umfassende 1D-Simulation sind notwendig, um solche neuen, komple-xeren Kühlsystemkonzepte zu unter suchen und ihre Auswirkungen auf den Kraftstoff-verbrauch zu beurteilen [1, 2].

KONZEPT DER HYBRID-KÜHLMITTELPUMPE

Variable Kühlmittelpumpen sind eine we sentliche Komponente zum optimalen Thermomanagement des Motors. Die einfachste Ausführung ist eine Pumpe mit Abschaltfunktion, die insbesondere wäh-rend des Warmlaufs zu einer Verbrauchs-reduktion führt. Solche Pumpen sind bereits bei verschiedenen Herstellern in Serie. Vollvariable elektrische Pumpen bieten deutlich höheres Potenzial für ein effektives Thermomanagement, außerdem erlauben sie eine Nachkühlung nach Ab -stellen des Motors und unterstützen Start-Stopp-Anwendungen. Auch solche Pumpen sind bereits in Serie, doch sind sie im 12 / 24-V-Bordnetz in ihrer Leistung be -grenzt und haben den entscheidenden Nachteil, bei höheren Pumpenleistungen aufgrund der langen Wirkungsgradkette schlechtere Wirkungsgrade im Vergleich zur konventionellen Pumpe aufzuweisen.

Die kombinierte Kühlmittelpumpe oder Hybridpumpe (Hybrid Coolant Pump – HCP), eine Kombination aus elekt rischer und mechanischer Pumpe, ver einbart die Vorteile beider vorab be schriebener Pum-penkonzepte: Im elekt rischen Modus wird optimiertes Ther momanagement aufgrund der bedarfsgerechten Regelung des Kühlmit-telstroms möglich, und die uneingeschränkte Un terstützung von Start-Stopp-Systemen so wie das Nach kühlen kritischer Komponen-ten nach Motorstopp sind ebenfalls ge währ-leistet. Bei hohen Lasten weist die Pum pe im Vergleich zur mechanischen Pumpe auf-grund des direkten Antriebs mittels Riemen praktisch keinen Wirkungsgradnachteil auf.

ANFORDERUNGEN DES KÜHLSYSTEMS

Pumpen aktueller Kühlsysteme benötigen bei Volllast eine Antriebsleistung von bis zu 2 kW. Komplexere Kühlsysteme, die neuen Anforderungen gerecht werden, und die Einbindung weiterer Komponenten, wie gekühlte Abgaskrümmer, Turbolader und Niederdruck-AGR-Kühler, lassen die nötigen Pumpenleistungen in der Zukunft eher ansteigen und fordern eine höhere Variabilität, [3, 4, 5]. Außerdem benötigen solche Konzepte zur Kühlung nach Motor-stopp einen Nachlauf der Pumpe. Schließ-lich bringt auch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs neue Anforderungen an das Kühlsystem mit sich.

Untersuchungen unterschiedlichster Fahrzeuge und Fahrzustände bei Borg-Warner haben ergeben, dass eine Wasser-pumpe im Wesentlichen in zwei Leis-tungsbereichen betrieben wird, einer im eher niedrigen und einer im hohen Last-bereich. Diese Erkenntnis war ebenfalls eine wichtige Basis für die Entwicklung des HCP-Konzepts, nämlich den Teillast-bereich im variablen elektrischen Betrieb abzudecken und hohe Lasten im effizien-teren mechanischen Betrieb.

FUNKTIONSWEISE

Für die erste HCP-Entwicklung wurde als Basis die Kühlmittelpumpe eines 3,0-l-V6-Dieselmotors aus einem leichten Nfz (zirka 2000 kg Nutzlast) herangezo-gen. Die HCP wurde dabei so ausgelegt, dass ihre Eckdaten (Drehzahlbereich von 0 bis 7000/min und maximale Leistung zirka 2 kW) denen der Originalpumpe entsprechen.

Während die Pumpendrehzahl im elekt rischen Betrieb zwischen Pumpen-stopp und der Drehzahl bei maximaler elekt ri scher Leistung frei wählbar ist, korreliert sie im mechanischen Betrieb fest mit der Motordrehzahl. Der mecha-nische Betrieb ist gleichzeitig der Notbe-trieb. Bei einer Fehlfunktion im elektri-schen System des Fahrzeugs beziehungs-weise der Pumpe funktioniert die HCP wie eine konventi o nelle mechanische Pumpe.

❶ zeigt die wichtigsten Komponenten der HCP. Auf der in blau dargestellten Pum-penwelle sitzt der Impeller der Ori ginal-pumpe. Das Gehäuse zum Anbau an den

DR. PHILIP KELLERist Technischer Spezialist für

Numerische Simulation bei der BorgWarner Engine Systems Group

in Auburn Hills (USA).

DR. WOLFGANG WENZEList Program Manager bei der

BorgWarner Engine Systems Group in Ludwigsburg.

DR. MICHAEL BECKERist Director Advanced R&D bei der

BorgWarner Inc. und Leiter der Engine Systems Group

in Ludwigsburg.

JOSHUA ROBYist Lead Engineer für

Innovationsprogramme bei BorgWarner Thermal Systems

in Marshall (USA).

AUTOREN

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Motor (grau) entspricht vom Anschluss -maß her ebenfalls dem des Originalbau-teils. Im elektrischen Betrieb treibt der E-Motor, bestehend aus dem auf der Welle befestigten Rotor und dem gehäuse-festen Stator (rot), den Impeller an. Die trockene Reibkupplung (grün) ist in die-sem Zustand gegen die Feder (grün) geöff-net, da der Magnet (rot) bestromt ist. Im mechanischen Betrieb ist die Kupplung geschlossen, damit ist die Pumpenwelle über die Kupplungsplatte mit dem Pum-pengehäuse (gelb) kraftschlüssig verbun-den. Das Pumpengehäuse fungiert gleich-zeitig als Riemenscheibe. Die Welle läuft nun entsprechend der Riemenübersetzung synchron zur Motordrehzahl, der E-Motor ist abgeschaltet. Da der Magnet nicht bestromt ist, entstehen annähernd keine weiteren elekt rischen Verluste. Dieser Modus ga rantiert auch den Notbetrieb der Pumpe bei Ausfall des elektrischen Systems.

Bauraum und Kosten waren wichtige Faktoren bei der Entwicklung der Pumpe. So ist es möglich, die HCP am gewählten Zielmotor ohne weitere Änderungen gegen die mechanische Originalpumpe auszutau-schen, wobei die Zielkosten unter denen einer vollelektrischen Variante liegen. Die gegenüber der elekt ri schen Pumpe redu-zierten Kosten ergeben sich aus dem klei-ner ausgelegten E-Motor, dem wesentli-chen Kostentreiber, sowie einer geeigneten kosten- und platzsparen den Konstruktion des Schaltmechanismus.

BETRIEBSMODI

Anhand ❷, wo die Pumpendrehzahl über der Motordrehzahl aufgetragen ist, lassen sich die Betriebsmodi der HCP wie folgt beschreiben: : Modus 1: Stillstand der Pumpe für

Motor kaltstart und Warmlauf : Modus 2: Elektrischer Betrieb, der Kühl-

mittelstrom ist unabhängig von der Motordrehzahl, damit ergibt sich Poten-zial zum optimierten Thermomanage-ment. Die maximale Pumpendrehzahl wird von der in der Pumpe installierten elektrischen Motorleitung begrenzt, die also einen wichtigen Auslegungsparame-

ter darstellt. Die maximale Drehzahl ist keine feste Grenze; sie ändert sich unter anderem durch die temperaturabhängige Viskosität des Kühlmittels und dem je nach Betriebszustand (Ventil- beziehungs-weise Thermostatstellung) resultieren-den Gegendruck des Kühlsystems.

: Modus 3: Ab einer bestimmten Pumpen-leistung hat der mechanische Antrieb einen höheren Wirkungsgrad als der elektrische Antrieb. Sinnvol ler weise wird die Pumpe ab dieser Schwel le (in ② als dicke schwarze Linie dargestellt und mit der Ziffer 3 markiert) mechanisch ange-trieben, da im mechanischen Betrieb nur Riemen- und Lagerreibung anfallen. Dies ist auch der Modus für den Pumpennot-lauf. In dem mit Pfeilen angedeuteten Überschneidungbereich können je nach Betriebsstrategie beide Pumpenmodi sinnvoll sein.

: Modus 4: Bei Bedarf kann die Pumpen-leistung bei niedrigen Drehzahlen über die mechanisch mögliche Leistung an gehoben werden. Sinnvoll ist dies bei-spielsweise zur schnelleren Aufheizung des Fahrzeuginnenraums. Damit ergibt sich auch ein größerer Freiheitsgrad bei der Auslegung der Riemenübersetzung.

: Modus 5: Pumpennachlauf bei abge-stelltem Motor.

Die Leistung des E-Motors ist der wesentli-che Faktor für die Kosten, das Gewicht und die Abmaße der Pumpe. Die Leistung sollte groß genug sein, um einen aus rei chend großen elektrischen Betrieb zu gewährleis-ten. Außerdem muss im Aufheizbetrieb bei geschlossenem Thermostat und kaltem

❶ Aufbau der HCP

❷ Betriebsmodi der HCP

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Kühlmedium ein ausreichend großer Kühl-mittelstrom zum Aufheizen des Fahrzeug-innenraums zur Verfügung stehen. Schließ-lich muss bei Bedarf nach Abstellen des Motors genügend Leistung zum Nachküh-len (Modus 5 in ②) verfügbar sein. Nach oben wird die E-Motorleistung nur durch Kosten und Bauraum begrenzt.

Grundsätzlich erfolgt die Abgrenzung des elektrischen gegenüber dem mechani-schen Betriebsbereich anhand der Betrach-tung der Wirkungsgrade. Die Effizienz des elektrischen Betriebs ist aufgrund der län-geren Wirkungsgradkette (elektrische Ver-luste, insbesondere von Generator und E-Motor zusätzlich zu den mechanischen Verlusten) geringer als im mechanischen

Betrieb. Dafür erfolgt der Betrieb bedarfs-geregelt. Ein sehr effizientes Bordnetz sowie beispielsweise Rekuperation von Bremsenergie sind bei der Auslegung eben-falls in Betracht zu ziehen, helfen sie doch dabei, den sinnvollen Betriebsbereich im elektrischen Modus auszuweiten.

Neben der Anpassung der mechani-schen Parameter der HCP muss auch die Schaltstrategie optimiert werden. Die Pumpe wird durch einen Regler angesteu-ert, der separat angeordnet oder auch Teil des Motorsteuergeräts sein kann. In jedem Fall ist die HCP in das Thermoma-nagementkonzept (falls vorhanden) des Fahrzeugs einzubinden, damit die ver-schiedenen installierten Regler (beispiels-

weise für einen elektrischen Thermostat und Lüfter) sich nicht ungünstig gegen-seitig beeinflussen.

SIMULATIONSMODELL

Die Bewertung der HCP im Zusammenspiel mit dem Kühlkreislauf erfolgte anhand eines in der Software „GT-Suite“ von Gamma Technologies entwickelten Simu-lationsmodells. Das Modell ist im Detail in [2] beschrieben. Es setzt sich zusammen aus Teilmodellen für Fahrzeug, Kühlkreis-lauf, Kühlerpaket, Motor und einem verein-fachten Ölkreislauf. Das Motormodell ist ein Mittelwert-Modell, welches auf einem neuronalen Netzwerk basiert, um die Simu-lationsdauer zu verkürzen.

Die Motorlast ist durch den Zyklus und den Fahrwiderstand des Fahrzeugs defi-niert. Das Fahrzeugmodell ist ein leichter Lieferwagen. Die Anströmung des Wasser-kühlers in der Fahrzeugfront wurde in einer Quasi-3D-Umgebung dargestellt. Alle Modelle sind miteinander gekoppelt, was Interaktionen zwischen den Teilsyste-men wie in der Realität ermöglicht. Die gesamte Modellstruktur ist in ❸ zu sehen.

Im Gegensatz zur nicht variablen Pumpe benötigt die HCP einen Regler, der die Pumpgeschwindigkeit und den Betriebs-modus als Funktion des Motorbetriebs-zustands berechnet. Der Lüfter wird wie im Originalfall über eine Hydraulikkupp-lung drehzahlgeregelt von der Kurbelwelle angetrieben. Der HCP-Regler im Simula-tions modell berechnet anhand der Motor-eingangsdaten die erforderliche Pumpen-geschwindigkeit und entscheidet in einem zweiten Schritt, welche Pum penbetriebsart (elektrisch beziehungsweise mechanisch) gewählt werden soll.

PARAMETEROPTIMIERUNG

Zur Parameteroptimierung und zur Beur-teilung des Einflusses auf den Kraftstoff-verbrauch wurde der US06-Emissionszyk-lus, ❹, gewählt. Mit einer Durchschnitts-geschwindigkeit von 77,3 km/h und einer maximalen Geschwindigkeit von 129 km/h ist er als vergleichsweise anspruchsvoll anzusehen. Für den Zyklus wurden zwei Anfangsbedingungen für die Temperaturen betrachtet, ein kalter Zustand mit allen Temperaturen bei 25 °C und ein warmer Zustand mit der Motortemperatur (inklu-sive Kühlmedium und Öl) bei 85 °C.

❸ Aufbau des Simulationsmodells

❹ Fahrgeschwindigkeit (unten) und Ergebnis der Simulation mit einem E-Motor mit 200 W Leistung (oben) für den US06-Emissionszyklus

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Wie bereits beschrieben, ist die Größe des Elektromotors einer der wichtigsten Auslegungsparameter der HCP. Wesentli-che Randbedingung zur Auslegung ist der Strömungswiderstand des Kühlkreislaufs in den verschiedenen Betriebszuständen. Mithilfe von Simulationen auf Basis des US06-Emissionszyklus wurden verschie-dene E-Motorleistungen von 150 W bis 350 W untersucht. Die Simulationen zei-gen, dass eine Leistung von 200 W unter den gegebenen Randbedingungen die beste Auslegung darstellt. Dieses Ergebnis wirkt sich auch sehr positiv auf Bauraum-bedarf und Kosten der Pumpe aus. Das Verhalten der Pumpe im Zyklus mit dieser Auslegung ist in ④ dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass der Wechsel des Betriebs-modus dreimal stattfindet. Während der erste und letzte Schaltvorgang der Pumpe wegen Erreichen der Grenzdrehzahl erfolgt, wird der zweite Modenwechsel vom Regler zur Effizienzsteigerung angefordert.

Wenn das Fahrzeug mit einer zusätzli-chen Masse von 1000 kg beladen wird, steigt die durchschnittliche Pumpen-leistung (beziehungsweise die Pumpen-arbeit), dennoch findet kein häufigerer Wechsel in den mechanischen Modus statt. Bei einem Start im warmen Zustand ist die durchschnittliche Leistung wiede-rum höher, doch ist ein häufigerer Moden-wechsel ebenfalls nicht zu beobachten. Auch für einen solchen Fahr betrieb ist also die moderate elektrische Leistung von 200 W ausreichend. Es bleibt schließ-lich nur zu untersuchen, ob diese Leis-tung auch bei extrem niedrigen Tempera-turen für schnelles Innenraumheizen (Modus 4) genügend hoch ist.

VERGLEICH DER PUMPENKONZEPTE IM FAHRZYKLUS

Für eine Leistungsbewertung wurde die HCP mit einer mechanischen, riemenge-triebenen Pumpe (MCP) verglichen, ❺. Dabei wurde ebenfalls der US06-Zyklus mit kalten und warmen Umgebungsbedin-gungen simuliert.

Einer der Hauptvorteile der HCP ist aus dem Vergleich des Leistungsbedarfs der beiden Pumpen zu erkennen. Insgesamt ist der mittlere Leistungsbedarf der HCP mit 0,22 kW deutlich niedriger als der der MCP mit 0,49 kW. Dies führt bereits zu einer direkten Kraftstoffersparnis, die sich

für diesen Zyklus auf 0,7 % beläuft. Zu diesem Wert addieren sich im realen Betrieb noch die Einsparungen aus verrin-gerter Reibung und geringerer Einspritz-menge durch schnelleres Aufheizen des Motors, die hier nicht weiter quantifiziert werden sollen, aber sicher den Großteil der gesamten potenziellen Einsparung ausmachen. Auch für den warmen Zustand ergibt sich mit Werten von 0,31 kW für die HCP und 0,49 kW für die MCP ein klarer Vorteil für die HCP.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Die HCP verbindet die Vorteile von rein elektrischen und mechanischen Kühlmit-telpumpen und liegt in den Kosten je nach Ausführung sogar unterhalb der rein elektrischen Pumpe. Dank des geringen Bauraumbedarfs kann sie bei vielen Anwendungen ohne weitere Modifikatio-nen am Motor gegen eine mechanische Pumpe ausgetauscht werden.

Umfangreiche Simulationen zur Opti-mie rung der Pumpe zeigen, dass bei ge eigneter Auslegung der HCP erhebliches Potenzial zur Verbrauchseinsparung im gesamten Motorkennfeld, insbesondere im Warmlauf, existiert. Außerdem ermöglicht die HCP Start-Stopp-Betrieb und Nachküh-len nach Abstellen des Motors. Um die vol-len Potenziale zu erschließen, muss sie in ein umfassendes Konzept zum Thermo-manage ment des Fahrzeugs eingebunden sein.

LITERATURHINWEISE[1] Morel, T.: Integrated Simulation of Engine, Vehicle and Cooling for System Analysis and Component Selection. Tagung Virtual Powertrain Creation 2008, MTZ International Congress, October 2008[2] Keller, P.; Wenzel, W.; Becker, M.; Roby, J.: Coupled Thermal-Engine Simulation for a Light Duty Application. SAE Paper No. 2010-01-0806, 2010[3] Ito, N.; Ohta, T.; Kono, R.; Arikawa, S.; Matsu-moto, T.: Development of a 4-Cylinder Gasoline Engine with a Variable Flow Turbo-charger. SAE Paper No. 2007-01-0263, 2007[4] Kuhlbach, K.; Mehring, J.; Borrmann, D.; Friedfeld, R.: Zylinderkopf mit integriertem Abgas-krümmer für Downsizing-Konzepte. In: MTZ 70 (2009) Nr. 4[5] Roth, D.; Sauerstein, R.; Becker, M.; Meilinger, R.: Applikation einer Hybrid-Abgasrückführung bei aufgeladenen DI-Ottomotoren. In: MTZ 71 (2010) Nr. 4

❺ Pumpenkonzepte im Vergleich, kalter und warmer Zustand

Die Autoren danken Thomas Buchholz,

Jürgen Roth, Timm Kiener sowie Thomas

Kritzinger für ihre Unterstützung bei der

Entwicklung der HCP.

DANKE

DOWNLOAD DES BEITRAGS www.MTZonline.de

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