Vor dem Hintergrund der kontinuierlich strenger werdenden Abgasvorschriften müssen die Strategien zur Schadstoffreduzierung stetig verbessert werden. Beim Dieselmotor - sei es im PKW- oder NFZ- Bereich - gilt dies insbesondere für die weitere Reduzierung von Stickoxiden (NOx). Eine besondere Bedeutung kommt hier der gekühlten Abgasrückführung zu, denn dadurch kann der NOx-Ausstoß deutlich vermindert werden. Aufbauend auf ihrer langjährigen Kompetenz in der Entwicklung und Herstellung von Abgasrückführsystemen (AGR) hat Pierburg ein Modul aus Aluminium entwickelt, das sowohl eine gezielte Kühlung als auch die Steuerung der AGR-Masse erlaubt.
Mit dem neuen Kühlermodul hat das Pierburg-Entwicklungsteam eine Produktinnovation für Diesel-Fahrzeuge konzipiert, die sich durch eine hervorragende Langzeitkühlleistung auszeichnet. Dies wird durch eine neuartige Abgasführung über speziell geformte, Lamellen-Rippen erzielt. Das neuartige Kühlerkonzept eignet sich für Nieder- als auch für Hochdrucksysteme und kann bei entsprechenden Motorkonzepten ins Saugrohr integriert werden.
Der Abgaskühler wird komplett in Aluminiumdruckguss ausgeführt und gibt die Wärme an das Kühlmittel ab. Er senkt die Abgastemperatur je nach Betriebspunkt um über 600 Grad Celsius und trägt damit nicht nur wesentlich zur Reduzierung der Verbrennungstemperatur und der Stickoxid-Emissionen bei, sondern senkt auch die Temperaturbelastung der nachfolgenden Motorkomponenten.
Aluminium als innovativer Werkstoff
Bisher bestanden Kühler vornehmlich aus zusammen geschweißten Edelstahlblechen, was vergleichsweise hohe Fertigungskosten zur Folge hatte. Ein weiterer Vorteil von Aluminium als Werkstoff liegt darin, dass Aluminium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl besitzt. Zum Vergleich: Edelstahl besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 15 W/mK (Watt pro Meter und Kelvin), während Aluminiumdruckguss mit rund 150 W/mK den zehnfachen Wert erreicht. Durch diese hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Aluminium lässt sich bei relativ kleinem Bauraum eine sehr hohe Kühlleistung erzielen.
Auch die neu entwickelte Kühlergeometrie mit Lamellen-Rippen reduziert nicht nur die Neigung zur Verrußung bzw. Versottung des Kühlers, sondern verbessert nachhaltig die Kühlleistung über die gesamte Kühlerlebensdauer.
Die spezielle, patentierte Bauform mit unterbrochener Lamellen-Rippenstruktur ist auch deshalb optimal, weil die turbulente Durchmischung der Abgasströmung
gefördert wird. Die Lamellenstruktur wirkt einer direkten Versottung entgegen, fördert den konvektiven Wärmeaustausch und ermöglicht den Stoff-, Druck- und Wärmeaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung, was zu einem Selbstreinigungseffekt führt. Man macht sich hier die so genannten Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten zunutze. Dabei entstehen Verwirbelungen an der Scherschicht zweier paralleler Strömungsschichten mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Ein anschauliches Beispiel hierfür liefern die Wirbelstraßen, die in einem Bachlauf stromab eines Steins zu beobachten sind.
Bypassklappen für die Leitung der Abgase
Um den Motor möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, verfügt der neue Abgaskühler über eine wahlweise elektrisch oder pneumatisch geschaltete Bypassklappe. Über diese werden die Abgase solange am Kühler vorbei über den so genannten Bypasskanal geleitet, bis die notwendige Betriebstemperatur des Motors erreicht ist. Beim betriebswarmen Motor wird der Bypass geschlossen, so dass der Kühler seine eigentliche Funktion aufnehmen kann, nämlich die Temperaturabsenkung der zurückgeführten Abgase. Durch die hiermit hervorgerufene, gezielte Absenkung der Verbrennungstemperatur in Kombination mit der entsprechenden Sauerstoffreduktion wird die maximale Stickoxidreduzierung erreicht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen AGR-Kühlers besteht darin, dass es sich hier um ein so genanntes integriertes Bauteil handelt, bei dem die einzelnen Komponenten - also der kühlwasserdurchströmte AGR-Kühler, die Bypassklappe, die bedarfsgerecht zwischen Kühler- und Bypassbetrieb umschaltet, und das AGR-Ventil zur Steuerung der AGR-Rate - sinnvoll zu einem AGR-Modul zusammengefasst werden konnten. Zudem erlaubt der Werkstoff Aluminium, das AGR-Modul und das Saugrohr in einem einzigen Bauteil zu verbauen. Das Ergebnis: ein integriertes Saugrohrmodul mit Abgasrückführ- und Abgaskühlsystem.
Durch die gezielte Weiterentwicklung eines neuen Schweißverfahrens für Aluminium-Druckgussteile können alle internen Schnittstellen des Moduls geschweißt werden, für die bisher temperaturbeständige Dichtungen und ergänzende Schrauben eingesetzt werden mussten.
Hohe Anforderungen erfüllt
Zusätzlich zur Erfüllung der bereits genannten hohen Anforderungen - wie beispielsweise die hohe Kühlleistung, minimale Versottung und Temperaturbeständigkeit gegenüber hohen Abgastemperaturen - ergibt sich beim neuen AGR-Kühler durch die Wahl von Aluminiumdruckguss als Werkstoff ein Gewichtsvorteil. Die Werkstoffwahl und der konstruktive Korrosionsschutz erfüllen zudem alle Anforderungen in Bezug auf eine lange Haltbarkeit.
Mit dem Aluminium-Kühler hat Pierburg für die Automobilhersteller eine kostengünstige Alternative zu den heute üblichen Edelstahlkühlern entwickelt, so dass die Marktperspektiven für die Systemneuheit viel versprechend sind und bereits erste Serienproduktionen laufen. Sowohl Diesel- als auch mager betriebene Otto-Motoren sind aufgrund der stetig steigenden Anforderungen durch die Abgasgesetzgebung ohne AGR-Kühlung zukünftig nicht mehr denkbar.
Auszeichnung beim Aluminium-Druckguss-Wettbewerb
Der neue Abgaskühler aus Aluminium hat auch beim Internationalen Aluminium-Druckguss-Wettbewerb 2008 überzeugt und den ersten Preis erhalten. Der Wettbewerb wurde vom Verband der Aluminiumrecycling-Industrie (VAR) und der Organisation of European Aluminium Refiners and Remelters (OEA) ausgeschrieben. Unterstützt wurden die Organisationen vom Verband Deutscher Druckgießereien und dem Verein Deutscher Gießereifachleute. Die Gewinner wurden am 10. März 2008 im Rahmen der Eröffnungsfeier der Euroguss 2008 in Nürnberg bekannt gegeben.
Für die Nominierung war neben dem innovativen Druckguss-Kühlerkonzept und der hohen Gussqualität das neue Rührreib-Schweißverfahren ausschlaggebend. Besonders positiv bewertete die Jury, dass es sich bei dem Abgaskühler um ein Gesamtkonzept aus Aluminium mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit handelt.
Mit dem neuen Kühlermodul hat das Pierburg-Entwicklungsteam eine Produktinnovation für Diesel-Fahrzeuge konzipiert, die sich durch eine hervorragende Langzeitkühlleistung auszeichnet. Dies wird durch eine neuartige Abgasführung über speziell geformte, Lamellen-Rippen erzielt. Das neuartige Kühlerkonzept eignet sich für Nieder- als auch für Hochdrucksysteme und kann bei entsprechenden Motorkonzepten ins Saugrohr integriert werden.
Der Abgaskühler wird komplett in Aluminiumdruckguss ausgeführt und gibt die Wärme an das Kühlmittel ab. Er senkt die Abgastemperatur je nach Betriebspunkt um über 600 Grad Celsius und trägt damit nicht nur wesentlich zur Reduzierung der Verbrennungstemperatur und der Stickoxid-Emissionen bei, sondern senkt auch die Temperaturbelastung der nachfolgenden Motorkomponenten.
Aluminium als innovativer Werkstoff
Bisher bestanden Kühler vornehmlich aus zusammen geschweißten Edelstahlblechen, was vergleichsweise hohe Fertigungskosten zur Folge hatte. Ein weiterer Vorteil von Aluminium als Werkstoff liegt darin, dass Aluminium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl besitzt. Zum Vergleich: Edelstahl besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 15 W/mK (Watt pro Meter und Kelvin), während Aluminiumdruckguss mit rund 150 W/mK den zehnfachen Wert erreicht. Durch diese hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Aluminium lässt sich bei relativ kleinem Bauraum eine sehr hohe Kühlleistung erzielen.
Auch die neu entwickelte Kühlergeometrie mit Lamellen-Rippen reduziert nicht nur die Neigung zur Verrußung bzw. Versottung des Kühlers, sondern verbessert nachhaltig die Kühlleistung über die gesamte Kühlerlebensdauer.
Die spezielle, patentierte Bauform mit unterbrochener Lamellen-Rippenstruktur ist auch deshalb optimal, weil die turbulente Durchmischung der Abgasströmung
gefördert wird. Die Lamellenstruktur wirkt einer direkten Versottung entgegen, fördert den konvektiven Wärmeaustausch und ermöglicht den Stoff-, Druck- und Wärmeaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung, was zu einem Selbstreinigungseffekt führt. Man macht sich hier die so genannten Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten zunutze. Dabei entstehen Verwirbelungen an der Scherschicht zweier paralleler Strömungsschichten mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Ein anschauliches Beispiel hierfür liefern die Wirbelstraßen, die in einem Bachlauf stromab eines Steins zu beobachten sind.
Bypassklappen für die Leitung der Abgase
Um den Motor möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, verfügt der neue Abgaskühler über eine wahlweise elektrisch oder pneumatisch geschaltete Bypassklappe. Über diese werden die Abgase solange am Kühler vorbei über den so genannten Bypasskanal geleitet, bis die notwendige Betriebstemperatur des Motors erreicht ist. Beim betriebswarmen Motor wird der Bypass geschlossen, so dass der Kühler seine eigentliche Funktion aufnehmen kann, nämlich die Temperaturabsenkung der zurückgeführten Abgase. Durch die hiermit hervorgerufene, gezielte Absenkung der Verbrennungstemperatur in Kombination mit der entsprechenden Sauerstoffreduktion wird die maximale Stickoxidreduzierung erreicht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen AGR-Kühlers besteht darin, dass es sich hier um ein so genanntes integriertes Bauteil handelt, bei dem die einzelnen Komponenten - also der kühlwasserdurchströmte AGR-Kühler, die Bypassklappe, die bedarfsgerecht zwischen Kühler- und Bypassbetrieb umschaltet, und das AGR-Ventil zur Steuerung der AGR-Rate - sinnvoll zu einem AGR-Modul zusammengefasst werden konnten. Zudem erlaubt der Werkstoff Aluminium, das AGR-Modul und das Saugrohr in einem einzigen Bauteil zu verbauen. Das Ergebnis: ein integriertes Saugrohrmodul mit Abgasrückführ- und Abgaskühlsystem.
Durch die gezielte Weiterentwicklung eines neuen Schweißverfahrens für Aluminium-Druckgussteile können alle internen Schnittstellen des Moduls geschweißt werden, für die bisher temperaturbeständige Dichtungen und ergänzende Schrauben eingesetzt werden mussten.
Hohe Anforderungen erfüllt
Zusätzlich zur Erfüllung der bereits genannten hohen Anforderungen - wie beispielsweise die hohe Kühlleistung, minimale Versottung und Temperaturbeständigkeit gegenüber hohen Abgastemperaturen - ergibt sich beim neuen AGR-Kühler durch die Wahl von Aluminiumdruckguss als Werkstoff ein Gewichtsvorteil. Die Werkstoffwahl und der konstruktive Korrosionsschutz erfüllen zudem alle Anforderungen in Bezug auf eine lange Haltbarkeit.
Mit dem Aluminium-Kühler hat Pierburg für die Automobilhersteller eine kostengünstige Alternative zu den heute üblichen Edelstahlkühlern entwickelt, so dass die Marktperspektiven für die Systemneuheit viel versprechend sind und bereits erste Serienproduktionen laufen. Sowohl Diesel- als auch mager betriebene Otto-Motoren sind aufgrund der stetig steigenden Anforderungen durch die Abgasgesetzgebung ohne AGR-Kühlung zukünftig nicht mehr denkbar.
Auszeichnung beim Aluminium-Druckguss-Wettbewerb
Der neue Abgaskühler aus Aluminium hat auch beim Internationalen Aluminium-Druckguss-Wettbewerb 2008 überzeugt und den ersten Preis erhalten. Der Wettbewerb wurde vom Verband der Aluminiumrecycling-Industrie (VAR) und der Organisation of European Aluminium Refiners and Remelters (OEA) ausgeschrieben. Unterstützt wurden die Organisationen vom Verband Deutscher Druckgießereien und dem Verein Deutscher Gießereifachleute. Die Gewinner wurden am 10. März 2008 im Rahmen der Eröffnungsfeier der Euroguss 2008 in Nürnberg bekannt gegeben.
Für die Nominierung war neben dem innovativen Druckguss-Kühlerkonzept und der hohen Gussqualität das neue Rührreib-Schweißverfahren ausschlaggebend. Besonders positiv bewertete die Jury, dass es sich bei dem Abgaskühler um ein Gesamtkonzept aus Aluminium mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit handelt.
