Ladeluftkühler: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 13. Juli 2020, 22:21 Uhr

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 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