Projekt 25987/01

Entwicklung einer energieeffizienten Kühlmittelpumpe mit kombinierter Wirkung

Projektträger

IGEL Ingenieurgemeinschaft Erich Leitner AG
Gewerbepark Nord-Ost 7
85560 Ebersberg
Telefon: 08092/85258-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Trotz der unbestrittenen Vorzüge der elektrischen Kühlmittelpumpe 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 Kühlmittelpumpe und auf den europäischen Fahrzyklus.
Darüber hinaus sollen durch Umstellung des Generators auf Wasserkühlung die Lüfterräder entfallen, was zu einer zusätzlichen Kraftstoffersparnis führt. Schätzung 0,1 l / 100 km oder 2,4 g CO2 / 100 km.
Unser innovatives Konzept ist weltweit einsetzbar und für PKW und NKW nutzbar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnsere Recherche ergab, dass Kostengründe, Baugröße und große 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 für die Pumpe einer größeren 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 müssen. Durch immer höhere Leistungsanforderungen an den Generator wird auch dessen Verlustleistung in Form von Wärme immer größer. Die Wärmeabfuhr gestaltet sich zunehmend schwieriger und stößt an ihre Grenzen.
Mit unserem Konzept wollen wir die geschilderte Problematik lösen. Wir wollen eine kombinierte Kühlmittelpumpe entwickeln, die je nach Bedarfsfall elektrisch oder mechanisch angetrieben werden kann. Die Pumpe soll in das Generatorgehäuse integriert werden. Der Generator wird von Luftkühlung auf Wasserkühlung umgestellt. Die Kühlung des Generators erfolgt durch einen ihn umgebenden Kühlwassermantel.
Mit unserem Konzept erwarten wir eine Verbrauchsreduzierung von 0,3 l / 100 km bzw. eine Verringerung des CO2 Ausstoßes um 7,2 g CO2 / 100 km (Benzin) bezogen auf den europäischen Fahrzyklus. 0,2 l / 100 km ergeben sich durch die elektrische Kühlmittelpumpe und 0,1 l / 100 km durch die Umstellung des Generators auf Wasserkühlung (Entfall Lüfterräder). Da unser Konzept weltweit für PKW und NKW (LKW und Busse) einsetzbar ist, ergeben sich große CO2 Einsparmöglichkeiten.
Zum Ende des Projektes soll den OEMs ein funktionsfähiger Prototyp einer kombinierten elektrisch-mechanischen Kühlmittelpumpe vorgestellt werden. Diese soll umweltfreundlicher und kostengünstiger als eine rein elektrische Pumpe sein. Weiterhin wird die Effizienz des Generators gesteigert und seine Kühlung verbessert.

Zur Erreichung des Projektzieles, nämlich die Entwicklung eines funktionsfähigen 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 schließlich die Integration des Prototypen ins Fahrzeug. Jede Hauptbaugruppe besteht wiederum aus einer Vielzahl von Einzelschritten. Detaillierte Informationen sind im Ent-wicklungsplan dargestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Angeregt durch Beiträge in der Motortechnischen Zeitschrift (MTZ) im Jahre 2005 entstand eine Diskussion, warum sich die elektrische Wasserpumpe (im Weiteren als E-Wapu bezeichnet) als Hauptkühlmittelpumpe nicht durchsetzt, obwohl sie unbestrittene funktionale Vorteile hat. Gegen ihre weitere Verbreitung sprechen vor allem Kosten, Gewicht und Bauraum. Generatoren in Kraftfahrzeugen stoßen durch immer höhere Leistungsanforderungen an ihre Leistungsgrenzen. Durch zunehmende Packagedichte im Motorraum steigt die Anforderung an die Kühlung. Das führte zum Ansatz, die Vorteile der E-Wapu beizubehalten, sie aber kostengünstiger auszulegen und gleichzeitig die Kühlung des Generators zu verbessern. Dieser Ansatz wurde in drei aufeinander aufbauende Baustufen umgesetzt.
In der Baustufe 1 stand die Auslegung des Pumpenrades im Vordergrund. Über mehrere Iterationsschleifen wurden der Durchmesser und die Blattanzahl rechnerisch festgelegt. Eine große Herausforderung dabei ist die Drehzahlspreizung. Auf einem stationären Prüfstand wurden die Berechnungsergebnisse bestätigt. In der nachfolgenden Baustufe 2 wurden ein wassergekühlter 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 Übersetzung, wird das Pumpenrad mit für Wasserpumpen unüblich hohen Drehzahlen betrieben. Dadurch kommt es zu Kavitation mit entsprechenden Auswirkungen auf den Durchfluss.
In der Baustufe 3 wurde das Gesamtsystem in ein repräsentatives Serienfahrzeug integriert. Herausfordernd dabei war, die vorhandene Packagedichte und die Einbindung des Gesamtsystems in das Kühlsystem - einschließlich der zu Versuchszwecken erforderlichen Messausrüstung. Durch das bewusste Weglassen einiger nicht zwingend benötigter Aggregate wurde dies realisiert. Parallel dazu wurden erste Vermarktungsaktivitäten gestartet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während 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 größere Systemlieferanten, um denen diese Technologie anzubieten. Wir orientieren uns auch international.


Fazit

Das Projektziel wurde erreicht. Die drei Baustufen wurden erfolgreich abgeschlossen. Es wurde ein funktionsfähiger Prototyp in einem Fahrzeug eingebaut. Während 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 größere Systemlieferanten, um denen diese Technologie anzubieten. Wir orientieren uns auch international.
Eine direkte Messung über eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches ist nicht möglich, da das Fahrzeug bereits über eine serienmäßige E-Wapu verfügt und die technische Basis durch den Umbau verändert wurde. Der Riementrieb ist geometrisch anders, der Klimakompressor fehlt und es gibt eine zusätzliche Umlenkrolle. Damit ist eine Messung mit dem Serienstand nicht vergleichbar. Gegenüber den herkömmlichen mechanisch angetriebenen Wasserpumpen wird es eine Kraftstoffeinsparung geben, gerade wegen der unterschiedlichen Leistungsaufnahmen und Betriebsstrategien. Wir nehmen hier die Argumentation bei der Einführung der serienmäßigen E-Wapu auf. Verbrauchpotentiale erschließen sich beim Warmlauf und bei der Steuerung der Motortemperatur in den verschiedenen Betriebsarten des Verbrennungsmotors.
Um unser Konzept beispielhaft zu bestätigen, haben wir die Leistungsaufnahme im E-Wapu Betrieb auf 100 Watt begrenzt. Das ergibt stationär auf dem Prüfstand einen Volumenstrom von 3.000 l/h. Im Fahr-zeug erreichen wir diesen Wert wegen des höheren Druckverlustes nicht ganz. Die Durchflussmessung für das serienmäßige Kühlsystem auf dem Rollenprüfstand 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) fällt auf, dass bei einem Volumenstrom von 3.000 l/h eine Differenz vorhanden ist, die auf geometrische Abweichungen beim Pumpenrad zurückgeführt wird.
Basierend auf dem jetzigen Stand des Prototypen gibt es noch Potentiale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit 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 müssen wir eine Schaufeldicke von 2mm vorhalten. Dünner kann nicht gegossen werden. Eine Verringerung der Schaufeldicke führt zur Vergrößerung des Wasserraumes des Pumpenrades und damit zu einer Leistungssteigerung. Eine Optimierung der Anströmung des Pumpenrades kann durch Detailarbeit im Bereich der Gleitringdichtung gelöst werden. Beim Außengehäuse ist es denkbar, den Innenflächen (Wassermantel) eine spiralförmige Kontur zugeben, die das Kühlmittel in einen Drall versetzen.
Eine optimale Auslegung des E-Motors für die Leistungsaufnahme in Abstimmung mit der Auslegung des Pumpenrades bringt weiteres Potential. Erwähnt werden muss auch, dass die jetzige Verschlauchung im Fahrzeug zu einem erhöhten Druckverlust im Kühlsystem führt. Wir sind überzeugt, dass die aufgezeigten Verbesserungspotentiale zu einer spürbaren Leistungssteigerung führen.