Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Trotz der unbestrittenen Vorz\u00fcge der elektrischen K\u00fchlmittelpumpe wird diese nur bei einem OEM, BMW, eingesetzt. Wir wollen durch ein innovatives Konzept den Einsatzbereich dieser Pumpe erweitern und erwarten eine Kraftstoffersparnis von 0,2 l \/ 100 km oder 4,8 g CO2 \/ 100 km bezogen auf eine mechanisch angetriebene K\u00fchlmittelpumpe und auf den europ\u00e4ischen Fahrzyklus.
\nDar\u00fcber hinaus sollen durch Umstellung des Generators auf Wasserk\u00fchlung die L\u00fcfterr\u00e4der entfallen, was zu einer zus\u00e4tzlichen Kraftstoffersparnis f\u00fchrt. Sch\u00e4tzung 0,1 l \/ 100 km oder 2,4 g CO2 \/ 100 km.
\nUnser innovatives Konzept ist weltweit einsetzbar und f\u00fcr PKW und NKW nutzbar.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnsere Recherche ergab, dass Kostengr\u00fcnde, Baugr\u00f6\u00dfe und gro\u00dfe Wirkungsgradverluste des Generators (um 1 Watt elektrische Leistung zu erhalten, muss der Generator mehr als 2 Watt mechanische Leistung aufnehmen) bei der Bereitstellung der elektrischen Leistung f\u00fcr die Pumpe einer gr\u00f6\u00dferen Verbreitung im Wege stehen. Parallel dazu gibt es einen Trend in der Automobilindustrie immer mehr elektrische Verbraucher ins Fahrzeug einzubauen, die alle vom Generator mit elektrischer Energie versorgt werden m\u00fcssen. Durch immer h\u00f6here Leistungsanforderungen an den Generator wird auch dessen Verlustleistung in Form von W\u00e4rme immer gr\u00f6\u00dfer. Die W\u00e4rmeabfuhr gestaltet sich zunehmend schwieriger und st\u00f6\u00dft an ihre Grenzen.
\nMit unserem Konzept wollen wir die geschilderte Problematik l\u00f6sen. Wir wollen eine kombinierte K\u00fchlmittelpumpe entwickeln, die je nach Bedarfsfall elektrisch oder mechanisch angetrieben werden kann. Die Pumpe soll in das Generatorgeh\u00e4use integriert werden. Der Generator wird von Luftk\u00fchlung auf Wasserk\u00fchlung umgestellt. Die K\u00fchlung des Generators erfolgt durch einen ihn umgebenden K\u00fchlwassermantel.
\nMit unserem Konzept erwarten wir eine Verbrauchsreduzierung von 0,3 l \/ 100 km bzw. eine Verringerung des CO2 Aussto\u00dfes um 7,2 g CO2 \/ 100 km (Benzin) bezogen auf den europ\u00e4ischen Fahrzyklus. 0,2 l \/ 100 km ergeben sich durch die elektrische K\u00fchlmittelpumpe und 0,1 l \/ 100 km durch die Umstellung des Generators auf Wasserk\u00fchlung (Entfall L\u00fcfterr\u00e4der). Da unser Konzept weltweit f\u00fcr PKW und NKW (LKW und Busse) einsetzbar ist, ergeben sich gro\u00dfe CO2 Einsparm\u00f6glichkeiten.
\nZum Ende des Projektes soll den OEMs ein funktionsf\u00e4higer Prototyp einer kombinierten elektrisch-mechanischen K\u00fchlmittelpumpe vorgestellt werden. Diese soll umweltfreundlicher und kosteng\u00fcnstiger als eine rein elektrische Pumpe sein. Weiterhin wird die Effizienz des Generators gesteigert und seine K\u00fchlung verbessert.<\/p>\n
Zur Erreichung des Projektzieles, n\u00e4mlich die Entwicklung eines funktionsf\u00e4higen Prototypen, haben wir den Entwicklungsprozess in drei Hauptbaugruppen unterteilt. Die erste Hauptbaugruppe beinhaltet die rechnerische und konstruktive Auslegung der Pumpe, die zweite umfasst die Integration des Generators und der Kupplung und die dritte schlie\u00dflich die Integration des Prototypen ins Fahrzeug. Jede Hauptbaugruppe besteht wiederum aus einer Vielzahl von Einzelschritten. Detaillierte Informationen sind im Ent-wicklungsplan dargestellt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Angeregt durch Beitr\u00e4ge in der Motortechnischen Zeitschrift (MTZ) im Jahre 2005 entstand eine Diskussion, warum sich die elektrische Wasserpumpe (im Weiteren als E-Wapu bezeichnet) als Hauptk\u00fchlmittelpumpe nicht durchsetzt, obwohl sie unbestrittene funktionale Vorteile hat. Gegen ihre weitere Verbreitung sprechen vor allem Kosten, Gewicht und Bauraum. Generatoren in Kraftfahrzeugen sto\u00dfen durch immer h\u00f6here Leistungsanforderungen an ihre Leistungsgrenzen. Durch zunehmende Packagedichte im Motorraum steigt die Anforderung an die K\u00fchlung. Das f\u00fchrte zum Ansatz, die Vorteile der E-Wapu beizubehalten, sie aber kosteng\u00fcnstiger auszulegen und gleichzeitig die K\u00fchlung des Generators zu verbessern. Dieser Ansatz wurde in drei aufeinander aufbauende Baustufen umgesetzt.
\nIn der Baustufe 1 stand die Auslegung des Pumpenrades im Vordergrund. \u00dcber mehrere Iterationsschleifen wurden der Durchmesser und die Blattanzahl rechnerisch festgelegt. Eine gro\u00dfe Herausforderung dabei ist die Drehzahlspreizung. Auf einem station\u00e4ren Pr\u00fcfstand wurden die Berechnungsergebnisse best\u00e4tigt. In der nachfolgenden Baustufe 2 wurden ein wassergek\u00fchlter Generator und eine Magnetkupplung integriert. Hauptaugenmerk lag auf dem Zusammenspiel von Generator und Kupplung sowie auf dem Verhalten des Gesamtsystems bei hohen Drehzahlen. Durch die Zwangskopplung des Generators an die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors mit einer ca. 2,8fachen \u00dcbersetzung, wird das Pumpenrad mit f\u00fcr Wasserpumpen un\u00fcblich hohen Drehzahlen betrieben. Dadurch kommt es zu Kavitation mit entsprechenden Auswirkungen auf den Durchfluss.
\nIn der Baustufe 3 wurde das Gesamtsystem in ein repr\u00e4sentatives Serienfahrzeug integriert. Herausfordernd dabei war, die vorhandene Packagedichte und die Einbindung des Gesamtsystems in das K\u00fchlsystem – einschlie\u00dflich der zu Versuchszwecken erforderlichen Messausr\u00fcstung. Durch das bewusste Weglassen einiger nicht zwingend ben\u00f6tigter Aggregate wurde dies realisiert. Parallel dazu wurden erste Vermarktungsaktivit\u00e4ten gestartet.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
W\u00e4hrend des Projektes, wurde im Rahmen der Fahrzeugbeschaffung das Konzept indirekt einem OEM vorgestellt. Konsequenz daraus war, dass wir nicht mehr direkt einen OEM ansprechen werden, weil wir nicht Serienhersteller werden wollen. Vielmehr konzentrieren wir uns auf gr\u00f6\u00dfere Systemlieferanten, um denen diese Technologie anzubieten. Wir orientieren uns auch international.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Projektziel wurde erreicht. Die drei Baustufen wurden erfolgreich abgeschlossen. Es wurde ein funktionsf\u00e4higer Prototyp in einem Fahrzeug eingebaut. W\u00e4hrend des Projektes, wurde im Rahmen der Fahrzeugbeschaffung das Konzept indirekt einem OEM vorgestellt. Konsequenz daraus war, dass wir nicht mehr direkt einen OEM ansprechen werden, weil wir nicht Serienhersteller werden wollen. Vielmehr konzentrieren wir uns auf gr\u00f6\u00dfere Systemlieferanten, um denen diese Technologie anzubieten. Wir orientieren uns auch international.
\nEine direkte Messung \u00fcber eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches ist nicht m\u00f6glich, da das Fahrzeug bereits \u00fcber eine serienm\u00e4\u00dfige E-Wapu verf\u00fcgt und die technische Basis durch den Umbau ver\u00e4ndert wurde. Der Riementrieb ist geometrisch anders, der Klimakompressor fehlt und es gibt eine zus\u00e4tzliche Umlenkrolle. Damit ist eine Messung mit dem Serienstand nicht vergleichbar. Gegen\u00fcber den herk\u00f6mmlichen mechanisch angetriebenen Wasserpumpen wird es eine Kraftstoffeinsparung geben, gerade wegen der unterschiedlichen Leistungsaufnahmen und Betriebsstrategien. Wir nehmen hier die Argumentation bei der Einf\u00fchrung der serienm\u00e4\u00dfigen E-Wapu auf. Verbrauchpotentiale erschlie\u00dfen sich beim Warmlauf und bei der Steuerung der Motortemperatur in den verschiedenen Betriebsarten des Verbrennungsmotors.
\nUm unser Konzept beispielhaft zu best\u00e4tigen, haben wir die Leistungsaufnahme im E-Wapu Betrieb auf 100 Watt begrenzt. Das ergibt station\u00e4r auf dem Pr\u00fcfstand einen Volumenstrom von 3.000 l\/h. Im Fahr-zeug erreichen wir diesen Wert wegen des h\u00f6heren Druckverlustes nicht ganz. Die Durchflussmessung f\u00fcr das serienm\u00e4\u00dfige K\u00fchlsystem auf dem Rollenpr\u00fcfstand ergab bei 3000 l\/h eine Geschwindigkeit von ca. 145 km\/h (erhofft waren 160 bis 170 km\/h). Damit liegt die Geschwindigkeit etwas niedriger als erwartet. Beim Vergleich der gemessenen und berechneten Kurven aus Abbildung 37 (rote Kurven entsprechen der 100 Watt Leistungsaufnahme) f\u00e4llt auf, dass bei einem Volumenstrom von 3.000 l\/h eine Differenz vorhanden ist, die auf geometrische Abweichungen beim Pumpenrad zur\u00fcckgef\u00fchrt wird.
\nBasierend auf dem jetzigen Stand des Prototypen gibt es noch Potentiale zur Steigerung der Leistungsf\u00e4higkeit der Pumpe im E-Wapubetrieb. Die Geometrie des Pumpenrades wurde bis zum jetzigen Stand beibehalten (Durchmesser und Anzahl der Schaufeln). Ein anderes Fertigungsverfahren, welches das CAD-Modell genauer abbildet, bringt eine Verbesserung. Bedingt durch das jetzige Herstellverfahren m\u00fcssen wir eine Schaufeldicke von 2mm vorhalten. D\u00fcnner kann nicht gegossen werden. Eine Verringerung der Schaufeldicke f\u00fchrt zur Vergr\u00f6\u00dferung des Wasserraumes des Pumpenrades und damit zu einer Leistungssteigerung. Eine Optimierung der Anstr\u00f6mung des Pumpenrades kann durch Detailarbeit im Bereich der Gleitringdichtung gel\u00f6st werden. Beim Au\u00dfengeh\u00e4use ist es denkbar, den Innenfl\u00e4chen (Wassermantel) eine spiralf\u00f6rmige Kontur zugeben, die das K\u00fchlmittel in einen Drall versetzen.
\nEine optimale Auslegung des E-Motors f\u00fcr die Leistungsaufnahme in Abstimmung mit der Auslegung des Pumpenrades bringt weiteres Potential. Erw\u00e4hnt werden muss auch, dass die jetzige Verschlauchung im Fahrzeug zu einem erh\u00f6hten Druckverlust im K\u00fchlsystem f\u00fchrt. Wir sind \u00fcberzeugt, dass die aufgezeigten Verbesserungspotentiale zu einer sp\u00fcrbaren Leistungssteigerung f\u00fchren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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