Ladeluftkühler: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 13. Juli 2020, 23:23 Uhr

Physikalische und thermodynamische Grundlagen

Turbomotoren wie JX, AAZ, 1Z, AFN oder mechanische TDIs unterscheiden sich von Saugmotoren darin, dass dem Motor Frischluft mit erhöhtem Druck bereitgestellt wird. Mit dem Druck steigt die Frischluftmasse, die während dem Öffnungshub der Einlassventile in die Zylinder strömt. Je mehr Frischluftmasse bereit steht, desto mehr Kraftstoff kann eingespritzt und verbrannt werden. Mehr Kraftstoff -> mehr Drehmoment -> mehr Leistung.

Die Bereitstellung der Frischluft bei erhöhtem Druck besorgt der Turbolader: Eine Abgasturbine, die zwangsweise einen Verdichter antreibt, denn sie sitzen starr auf derselben Welle. Im JX wird standardmäßig maximal auf ca. 0.7 bar Überdruck verdichtet. Es entspricht der Alltagserfahrung an der Fahrradpumpe, dass Luft beim Verdichten warm wird. Aber wie warm? Das lässt sich in zwei Schritten einfach abschätzen:

1) mit der Formel für reversible, adiabatische Zustandsänderungen (Verdichter mit Wirkungsgrad 100 % und keine Abgabe von Wärme an die Umgebung):

Gleichung

2) einer Korrektur für die Tatsache, dass der Verdichter einen Wirkungsgrad < 100% hat. Wärmeabgabe an die Umgebung ignorieren wir weiterhin.

Gleichung

Die Größen bezeichnen dabei die Temperatur (T) den Druck (P). Die Indizes 1 und 2 stehen für den Ausgangszustand und den verdichteten und γ kennzeichnet den ‚Isentropenkoeffizient‘ (γLuft=1.4).

Jetzt mit Zahlen: Wir nehmen an, 20 °C = 293 Kelvin warme Umgebungsluft werde von 1.0 bar absolut auf 1.7 bar absolut verdichtet:

Gleichung

Wird ein Wirkungsgrad von 75 % unterstellt erhöht sich dieser Wert noch geringfügig auf:

Gleichung

Bei 30 °C Umgebungsluft wird daraus

Gleichung

Erhöhen wir den Ladedruck auf 0.9 bar bekommen wir bei 20° C Umgebungstemperatur bereits eine Ladelufttemperatur von 99 °C und bei 30 °C Umgebungstemperatur ganze 125 °C. Die Ladeluft aufgeladener Motoren erreicht also leicht 100 °C und mehr, wenn sie in den Zylinderkopf einströmt und variiert in Abhängigkeit von Ladedruck, Umgebungstemperatur und Wirkungsgrad.

Was ist das Problem mit diesen Temperaturen?

1) Dem Zylinderkopf ist eh schon meistens heiß (man denke an die Risse zwischen den Ventilen), je Kühler die einströmende Frischluft, desto besser. Das kommt natürlich auch den Kolben zugute.

2) Die Dichte der Luft nimmt mit der Temperatur ab. Das heißt, bereits bei dem konservativen Beispiel 0.7 bar Überdruck und 83 °C Ladelufttemperatur haben wir nicht etwa 1.7 mal so viel Luft wie ohne Turbolader im Zylinder („Aufladefaktor“), sondern nur 1.4 mal. Das ergibt sich aus der universellen Gasgleichung (p*V = m*R*T):

Gleichung

Je stärker die Luft nach der Verdichtung also wieder runtergekühlt wird, desto mehr Frischluftmasse gelangt in den Zylinder. Und dann gilt wieder: Mehr Kraftstoff -> mehr Drehmoment -> mehr Leistung

Welche Leistungssteigerungen lassen sich erzielen?

Gute Ladeluftkühler schaffen es, die Luft auf 30 °C Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebung herabzukühlen, in unserem Beispiel also auf 50 °C. Damit hätten wir mit obiger Gleichung bereits 1.55 so viel Frischluftmasse wie ohne Turbolader. Oder 1.54 / 1.4 = 1.1 -> d.h. 10 % mehr Frischluftmasse als ohne Ladeluftkühlung.

-> 10 % Leistungssteigerung nur durch die Ladeluftkühlung (Turbo 0.7 bar / 20 °C Umgebung). Vorausgesetzt, die Kraftstoffmenge wird entsprechend erhöht.

-> 15 % Leistungssteigerung nur durch die Ladeluftkühlung im „Tuning-Beispiel“ (Turbo 0.9 bar / 20 °C Umgebung). Vorausgesetzt, die Kraftstoffmenge wird entsprechend erhöht.

Der reine Leistungsgewinn durch die kühlere & dichtere Luft ist also nicht exorbitant, entscheidend ist aber, dass der nun etwas kühler laufende Motor höhere Leistungen besser verträgt. Welche höheren Leistungen genau?

Vergleichen wir 0.7 bar / 83 °C (kein LLK) mit 0.9 bar / 50 °C (mit LLK), kommen wir auf 23 % Mehrleistung (oder 85 PS statt 69 PS) durch Ladeluftkühlung + Druckerhöhung, sofern die Kraftstoffmenge angepasst wird:

Gleichung

Aus den Zusammenhängen folgt auch, dass der potentielle Gewinn durch einen LLK steigt, je größer die Außentemperatur ist. Auch die erforderliche Kühlleistung lässt sich exemplarisch quantifizieren, wenn Beispielsweise von 1.6 L Hubraum und 4000 Umdrehungen pro Minute ausgegangen wird. Standard-Beispiel: 0.7 bar Ladedruck, 20 °C Umgebung, 83 °C am Verdichterausgang, Herunterkühlen auf 50 °C. Hier beträgt der Luftmassenstrom (mit Dichte ~ 1 Kg/m³ bei 83 °C):

Gleichung

Wird dieser Luftmassenstrom von 83 °C auf 50 °C herunterkühlt, braucht es:

Gleichung

Im „Tuningbeispiel“ 0.9 bar Ladedruck, 20 °C Umgebung, 99 °C Verdichterausgang sind es 4.5 kW.

Zusammenfassung

Die Ausführungen dienen dazu die wesentlichen Zusammenhänge und Wirkung von LLK-Systemen zu illustrieren. Die Wirkung eines Ladeluftkühlers auf die Motorleistung hängt in der Praxis allerdings nicht nur von der Kühlleistung des LLKs und dem eingestellten Ladedruck sondern auch von der Einstellung der Einspritzpumpe ab. Sie ist damit nicht pauschalisierbar. Die dargestellten Größenordnungen sind allerdings plausibel und deckungsgleich mit den Systemen kommerzielle Anbieter wie Motorsport Notter oder Bernd Jäger, die bei Ihren Systemen mit einer Leistungssteigerung von ca. 20 % und einer Drehmomentsteigerung von ca. 15 % werben. Eine exakte Bestimmung der Leistungssteigerung ist nur möglich, wenn Leistungsgutachten vor und nach dem Umbau vorhanden sind. Ein erster, für selbstgebaute Systeme vergleichsweise einfacher Ansatz zur Quantifizierung der Güte eines LLK-Systems ist die Messung der Ladelufttemperatur am Ansaugkrümmer vor dem Eintritt in den Motor. Effektive Systeme sollten Kühlleistungen bzw. Ladelufttemperaturen von 20-30° über Umgebungstemperatur erreichen.

Zusammengefasst gilt: Ladeluftkühler holen aus aufgeladenen Motoren mehr raus: Drehmoment- und Leistungssteigerung, Reduktion der thermische Belastung der Kolben und geringe Klopfneigung, geringere NOx-Emissionen, höherer Wirkungsgrad des Motors. An allen modernen Fahrzeugen mit turboaufgeladenen Dieselmotoren sind Ladeluftkühler heute daher praktisch unverzichtbar, nicht nur zum downsizing sondern auch um die geforderten Verbrauchs- und Abgaswerte zu erreichen.

Konstruktive Ausführungen bzw. grundsätzliches zu Luft- und Wasser-Ladeluftkühlern

Mit Ausnahme von wenigen Tuningmodellen wie Öttingers GTI gab es zur Produktionszeiten keine T3 mit LLK. Aufgrund der Vorzüge ist die Nachrüstung bei TD und TDI-Fahrern heute beliebet, aufgrund fehlender Serienstandards ist das Spektrum konstruktiver Lösungen jedoch enorm breit.

Entscheidend für die Effizienz eines LLK ist in erster Linie die Kühlleistung des Wärmetauschers. Technisch wird dabei die heiße, komprimierte Ansaugluft zwischen Turbo und Motoreinlass durch viele kleine Kanäle geleitet, über die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Effizienz des Wärmetauschers wird von der Kontaktfläche des Wärmetauschers und der Temperatur des Kühlmediums bestimmt wird. Theoretisch kann die Ansaugluft dabei maximal bis auf die Temperatur des Kühlmediums runter gekühlt werden. Allgemein gilt: Je größer die Kontaktfläche des Wärmetauschers, die von der Netzdichte und –fläche bestimmt wird, desto effektiver die Kühlung. Gleiches gilt für die Temperatur des Kühlmediums. Je größer der Temperaturunterschied zwischen heißer, komprimierten Ansaugluft und Kühlmedium, desto effizienter die Kühlung.

Je nach Kühlmedium werden Luft-Ladeluftkühler (L-LLKs) und Wasser-Ladeluftkühler (W-LLKs) unterschieden. Bei L-LLKs ist die Umgebungsluft das Kühlmedium, bei W-LLKs wird Wasser verwendet (welches in einem zusätzlichen Kühlkreis zirkulieren muss).

Luft-Ladeluftkühler (L-LLK)

Hier wird die Ladeluft durch Umgebungsluft bzw. durch den Fahrtwind gekühlt. Beim T3 muss also die heiße, komprimierte Ladeluft zwischen Turbo und Ansaugkrümmer umgeleitet und durch einen von der Umgebungsluft durchströmten Wärmetauscher (ähnlich dem Hauptkühler) geführt werden.

Vorteile:

• Einfach und preiswert da vielfach Großserienkühler verwendet werden können
• Einfacher Systemaufbau aus wenigen Komponenten und folglich kaum anfällig für Störungen

Nachteile:

• Der Kühler eines L-LLK System heizt sich schnell auf wenn er ungenügend vom Fahrtwind gekühlt wird (z. B. bei langsamer Fahrt auf steilen Bergetappen oder im Gelände). Problematisch z.B. bei TDI´s die ab einer definierten Temperatur von etwa 80 Grad abregeln.
• Eine effektive Durchströmung des Wärmetausches durch Umgebungsluft ist im T3 durch die Platzierung des Motors im Heck nur schwer realisierbar. Zur Platzierung des Wärmetauschers bei LLKs im Heck existieren daher zahlreiche sehr unterschiedliche Ansätze wie z.B. am Unterboden, über dem Getriebe, im (linken) Ohr oder hinter dem Rücklicht. Um eine effektive Durchströmung mit Umgebungsluft zu erreichen werden dabei häufig Luftleitbleche eingesetzt oder Karosseriearbeiten (z.B. Durchbohrung des X-Blechs) fällig, größere Lufthutzen oder besonders häufig eine Zwangsbelüftung über einen manuellen oder temperaturgesteuerten Lüfter verbaut (was den Systemaufbau wieder komplizierter macht). Je nach Platzierung des Wärmetauschers entstehen ggf. auch lange Luftwege. Letztere können sich nachteilig auswirken, da mit zunehmender Länge das Volumen der Luftwege steigt und der Druckaufbau aus niedrigem Drehzahlbereich heraus in Folge länger dauert (je größer das Luftwegevolumen zwischen Turbo und Motor, je träger der Druckaufbau, desto größer das Turboloch).

Wasser-Ladeluftkühler (W-LLK)

Bei W-LLKs wird die Ladeluft durch wasserdurchströmte Kühlernetze geführt. Dazu wird der Wärmetauscher in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht, das von der Ladeluft durchströmt wird. Der Kühler verfügt daher Anschlüsse für Ladeluftein- und –ausgang sowie über Kühlwasserzu- und –ablauf. Zur Realisierung einer effektiven Kühlung muss ein zusätzlicher Kühlkreis installiert werden. Bei diesem System wird die Wärme der Ladeluft über den Wärmetauscher im W-LLK an das Wasser im Kühlkreis und von dort über einen weiteren Wärmetauscher, idealerweise an der Fahrzeugfront an die Umgebung abgegeben. Das so gekühlte Wasser fließt zurück zum Wärmetauscher und der Kreislauf beginnt von vorne. Eine Sonderform von W-LLKs sind integrierte, indirekte Ladeluftkühler (i2LLK), wo der Wärmetauscher in die Ansaugbrücke integriert ist. Hier reduzieren sich der Platzbedarf und damit der Druckabfall gegenüber konventionellen Systemen.

Vorteile:

• optimale Platzierung des Kühlwasserwärmetauschers im Fahrtwind an der Fahrzeugfront möglich
• kurze Ladeluftwege realisierbar
• das Wasser stellt durch sein Volumen einen Speicher dar, der auch bei langsamer Fahrt oder im Gelände nicht unverzüglich aufgewärmt wird und somit als großer (aber natürlich endlicher) Puffer fungiert.

Nachteile:

• Durch den zusätzlichen Kühlkreis und die konstruktiven Anforderungen an den Kühler sind W-LLKs im Aufbau aufwendiger und teurer
• kaum geeignete Großserienteile verfügbar
• bei sehr langer, langsamer Fahrt oder erschwertem Geländeeinsatz (4WD) heizt sich das Wasser durch den unzureichenden Fahrtwind ggf soweit auf, dass nur noch wenig Wärme aus der Ladeluft abgegeben werden kann. Bei TDIs kann es auch hier dazu kommen, das dieser in den Notlauf geht.

Rechtliches und Eintragung

Unabhängig von der konstruktiven Ausführung gilt: LLKs verändern Abgasemissionen, Geräuschkulisse und die Leistung des Fahrzeugs. Sie sind daher generell eintragungspflichtig. Durch nicht eingetragene LLKs verfällt die Allgemeine Betriebserlaubnis (ABE). Für die Eintragung ist in der Regel ein Leistungsgutachten erforderlich. Kommerzielle Anbieter werben damit, dass ihre Ladeluftkühler auch bei Fahrzeugen mit H-Zulassung eintragungsfähig sind (beim AAZ wird dazu zusätzlich ein Partikelfilter benötigt). Selbstgebaute Systeme sind vor allem in Kombination mit einem H-Kennzeichen nur in Ausnahmefällen eintragungsfähig, da Gutachten und Nachweise in der Regel fehlen.

Luft-Ladeluftkühler - Beispiele und konstruktive Lösungen

Es werden weitere konstruktive Lösungen gesucht: Wer schöne Bilder und eine Teileliste hat möge sich bitte melden bei T3details[ät]posteo.org

Wasser-Ladeluftkühler - Beispiele und konstruktive Lösungen

Es gibt zahlreiche konstruktive W-LLK Lösungen für den T3. Im Folgenden werden die Ansätze von Virat-Mechanik und der Vinreeb W-LLK vorgestellt. Beide sind unter www.bulliforum.com beschrieben. Für alle W-LLK Lösungen gilt, dass ein zusätzlicher Kühlkreis installiert werden muss. Eine mögliche Lösung ist im Anschluss an die beiden Systeme beschrieben. Skizzen und Dokumentationen zu weiteren Lösungen können gerne ergänzt werden [mailto: T3details[ät]posteo.de]

W-LLK von Virat Mechanik

Vinreeb W-LLK

Zusätzlicher Kühlkreislaufs

Die Installation eines zusätzlichen Kühlkreises ist bei allen W-LLK Lösungen zwingend nötig und weitgehend unabhängig vom verwendeten W-LLK. Der Konzeption des Kühlkreises sollte besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da sie über Teilebedarf, Einbauaufwand, die Leistung des W-LLK-Systems und ggf. auch über die Wartung bestimmt.

Für eine optimale Durchströmung durch den Fahrtwind bietet sich ein zusätzlicher Wasserkühler vorne vor dem Hauptkühler an. Als Kühler sollte idealerweise ein Wasser- und kein Ölkühler verwendet werden, da Wasserkühler üblicherweise eine höhere Netzdichte (und damit größere Kontaktfläche) sowie einen geringen Durchströmungswiderstand als Ölkühler aufweisen. Letztere sind aufgrund des höheren Drucks und der geringeren Viskosität robuster gebaut. Zusätzlich ist die bei Ölkühlern häufig verwendete Banjo Verschraubung auf hohe Drücke und nicht für optimale Durchströmung optimiert. Wird ein Ölkühler als Gegenkühler verwendet sollte er möglichst groß sein. Mögliche Abmessungen oben vor dem Hauptkühler sind: 4,5 x 55 x 14 mm (Tiefe, Breite, Höhe). Unten ist Platz für folgende Abmessungen (XXX).

Die folgenden Informationen zu Kühlkreis und Pumpe wurden an einem AAZ mit Vinreeb W-LLK verbaut und getestet, sie sind prinzipiell aber für alle W-LLKs und Motoren geeignet. Die Doku gliedert sich in:

1. Skizze und Konzeption des Kühlkreises
2. Einbau eines Cinquecento Kühlers und Smart-Ausgleichsbehälters vorne neben dem Kühler
3. Anschließen der Pumpe und Entlüftung des Systems

Die Peripherie wurde zwischendrin verlegt und wird nicht gesondert beschrieben. Eine Teileliste des hier skizzierten Systems befindet sich am Ende der Dokumentation. Wie immer gilt, es führen unterschiedliche Wege nach Rom und Kühlkreise können aus sehr vielen verschiedenen Teilen aufgebaut werden. Der nachfolgend beschriebene Ansatz wurde mehrfach umgesetzt, ist weitgehend wartungsfrei und im Bulliforum beschrieben und hat sich im mehrjährigen Einsatz als praxistauglich erwiesen.

Aufbau und Konzeption des Kühlkreises

• Durchströmung des Kühlers von unten nach oben. Das stellt sicher, dass alle Luft aus dem Kühler entweichen und er vollständig durchflossen werden kann.
• Ausgleichsbehälter an höchster Stelle. Damit entsteht ein sich selbst entlüftendes System. Als Montageort für den AGB bietet sich z.B. der Raum hinter dem oberen Grill an, zumindest bei runden Lichtern (passt er auch dort auch mit eckigen Scheinwerfern hin?). Ggf. k nbann der AGB auch oben im Motorraum oder hinter den Lufteinlässen im Ohr platziert werden.
• Pumpe an tiefster Stelle. Dadurch wird sichergestellt, dass die Pumpe immer im Wasser steht (viele Pumpen haben einen Trockenlaufschutz). Als Montageort bietet sich z.B. der Raum vorne neben der Hupe an. Das hat den Vorteil, dass die Befüllung zum Kinderspiel wird und kurze Kabelwege zur Zentralelektrik möglich sind. Alternativ bietet sich der Einbau der Pumpe im Motorraum an.
• Möglichst wenige Querschnittsänderungen. Jedes W-LLK System muss zwangsläufig aus unterschiedlichen Komponenten zusammengebastelt werden, wodurch sich unterschiedliche Querschnitte selten vermeiden lassen. Die Anzahl der Querschnittsänderungen hängt davon ab welcher Kühler, welcher AGB und welcher W-LLK verwendet werden. Zur Optimierung der Durchströmung sollte versucht werden die Anzahl der Querschnittsänderungen zu minimieren und möglichst kontinuierliche statt abrupte Reduzierungen zu verwenden.

Nachfolgend ist eine (von vielen möglichen) Strömungsskizze eines Kühlkreises dargestellt, bei dem versucht wurde diese Punkte zu berücksichtigen. Die Zahlen kennzeichnen die Innendurchmesser der jeweiligen Abschnitte und sind Beispielhaft für den Vinreeb W-LLK, der 16er Ein- und Ausgänge hat.