Fachartikel vom 23.07.2010

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Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler macht Motoren spritziger

Marco Barbolini, Röchling Automotive AG & Co. KG

Das Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler macht Motoren spritziger, weil über 40 Prozent Luftvolumen entfallen. Entsprechend sinkt der Bauraumbedarf. Ferner spart die Integration über 20 Prozent an Teilen, Gewicht sowie an den entsprechenden Kosten. Die Fehleranfälligkeit geht ebenfalls zurück. Dichtigkeit, Gleichverteilung der Luft, Temperatur- und Berstdruckbeständigkeit sowie die unterschiedliche Temperaturausdehnung von Metall und Kunststoff stellten bei der Realisierung für Röchling Automotive eine große Herausforderungen dar.

Konventionelle Ansaugstrecke mit Ladeluftrohren, heiße und kalte Seite, sowie weit abgesetztem Ladeluftkühler
Konventionelle Ansaugstrecke mit Ladeluftrohren, heiße und kalte Seite, sowie weit abgesetztem Ladeluftkühler
Die Integration des Wärmetauschers in das Saugrohr spart über 40 Prozent Bauraum und Luftvolumen in der Ansaugstrecke. Dadurch verbessert sich das Ansprechverhalten wesentlich. "Die Motoren sind aufgrund der kürzeren Ansaugstrecke merklich spritziger. Für die Aufladung mit dem Abgasturbolader war bisher eine Verzögerung charakteristisch. Diese ist nun weitgehend eliminiert. Neben dem Luftvolumen gehen aber auch Kosten, Gewicht und Teileanzahl jeweils über 20 Prozent zurück", erklärt Marco Barbolini, Produktmanager bei Röchling Automotive. "Immerhin verkürzt sich das Ladeluftrohr auf der heißen Seite um mehr als die Hälfte. Auf der kalten Seite entfällt es völlig. Samt den Verbindungselementen. Beim Ladeluftkühler erübrigt sich der Sammler auf beiden Seiten. Da fallen also eine Menge recht teure Teile weg. Und das bei besserer Fahrdynamik und Motoreffizienz. Schwierig war eben nur die Umsetzung. Mittlerweile gilt aber die Herstellbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Verlässlichkeit dieses Kombinationsmoduls als bewiesen."

Neue Topologie der Ansaugstrecke mit Ladeluftkühler in Saugrohr integriert spart 40 Prozent Luftvolumen und Bauraum sowie 20 Prozent an Teilen, Gewicht und Kosten
Neue Topologie der Ansaugstrecke mit Ladeluftkühler in Saugrohr integriert spart 40 Prozent Luftvolumen und Bauraum sowie 20 Prozent an Teilen, Gewicht und Kosten
Bei einem Zusammenbauteil aus Kunststoff und Metall ist die Verbindungsfläche immer kritisch, besonders wenn sie absolut dicht sein muss. Für die Dichtigkeit bei höchsten Drücken muss der Auflageflansch für den Wärmetauscher völlig plan sein. Beeinflusst von der Ausrichtung und Verteilung der Verstärkungsfasern sowie der Temperaturverteilung können beim Abkühlen innere Spannungen entstehen. In diesem Fall sind Verzug und letztlich unebene Bauteiloberflächen die Folge. "Die bei diesem Bauteil erforderliche Planarität mit geringsten Toleranzen zu beherrschen, erfordert umfangreiche Kenntnisse in Befüllungssimulation, Werkzeugbau und Spritzgussmaschinensteuerung", erläutert Ludwig Huber, Entwicklungsleiter bei Röchling Automotive.

VW Saugrohr mit integriertem Wärmetauscher
VW Saugrohr mit integriertem Wärmetauscher
Die Gleichverteilung der Luft wird bei der Saugrohrentwicklung mit leistungsfähigen CFD-Programmen optimiert. Die Computational-Fluid-Dynamics-Berechnungen sind mit integriertem Wärmetauscher allerdings noch um ein Vielfaches komplexer als bei einem konventionellen Saugrohr. Gleichzeitig ist der Anspruch an die Gleichverteilung höher. Es muss nicht nur eine für alle Zylinder gleiche Luftmenge, sondern auch eine weitgehend übereinstimmende Lufttemperatur erreicht werden. Unabhängig von Umgebungs-, Motor- und Kühlmitteltemperatur.

Gleichverteilungsberechnung mit Computational Fluid Dynamics
Gleichverteilungsberechnung mit Computational Fluid Dynamics
Die hohen Temperaturen gehen mit hohen Drücken einher, beides aber nicht konstant, sondern mit den Lastwechseln veränderlich. Mittels aufwändiger Berechnungsmodelle simulierten die Ingenieure von Röchling Automotive die dynamischen Belastungen. Für Saugrohr und Wärmetauscher gleichermaßen. Druckwechseltests bestätigten die Konstruktion. "Am Ende hatten wir für alle Extremfälle Sicherheit. Ohne Mehrgewicht", erinnert sich Barbolini. "Das zeigt wie viel mit intelligenter Geometrie möglich ist. Verstärkungen und Ausdünnungen folgen möglichst genau den an jedem Punkt vorherrschenden Lastpfaden. Genau wie in der Natur, beispielsweise bei Vogelknochen."

FEM-Simulation zur Optimierung des Berstdruckverhaltens
FEM-Simulation zur Optimierung des Berstdruckverhaltens
Die schnell wechselnden Umgebungs- und Betriebsbedingungen belasten das Kunststoffgehäuse und den Aluminiumwärmetauscher aufgrund ihrer unterschiedlichen, materialspezifischen Temperaturausdehnung zusätzlich. "Wir kompensieren die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten größtenteils mit einem Luftspalt“, erläutert Barbolini. „Aber an den Kontaktflächen bleibt das Problem bestehen. Nachdem sich auch das als beherrschbar erwiesen hat, ist der Trend zu diesem Konstruktionsprinzip überall zu verzeichnen. Das war ein echter Durchbruch."


Röchling Automotive AG & Co. KG

Richard-Wagner Str. 9
68165 Mannheim, Deutschland

Tel.:   +49 (0) 621 44055 0
Fax:   +49 (0) 621 44055-355
Email: marco.barbolini@roechling-automotive.it

Internet: www.roechling.de


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