Ladeluftkühler

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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

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 des Systems:

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

Nachteile von L-LLKs:

• 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).