Wärmemanagement des Reihensechszylinders
Hallo,
ich bin auf einen interessanten Artikel gestossen, der sich intensiv mit dem Wärmemanagement der neuen BMW-Reihensechszylindermotors beschäftigt. Wer jetzt denkt, dass der Kühlkreislauf aus einer Wasserpumpe und einigen Ventilen besteht, übersieht den Technologiesprung des neuen Kühlsystems.
Das System besteht zentral aus einer elektrischen Wasserpumpe, Kennfeldthermostat, Elektrolüfter und Heizungsventile. Ausserdem ist das Wärmemanagement in die Systemsteuerung des Motor und der Getriebesteuerung integriert.
Die elektrische Wasserpumpe fördert nicht wie eine mechanische Kühlmittelpumpe entsprechend der Motordrehzahl immer die gleiche Menge Kühlflüssigkeit, sondern entsprechend der anliegenden Last. So fördert die elektrische Wasserpumpe bei den sogenannten „Bergwerten“ bei hoher Motorlast und niedriger Drehzahl bereits die maximale Volumenströme, bzw. Kühlleistung. Bei hohen Temperaturen im Standgas ist das System dadurch auch in der Lage, die volle Kühlleistung zu erbringen. Und das alles bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von max. 200 Watt. Bei hohen Drehzahlen wird durch die elektrische WP auch die Leistung des Motors um bis 2 kW gesteigert.
Die Steuerelektronik des Wärmemanagement arbeitet mit vier verschiedenen Kennfeldern die sich alle in den Kühlmitteltemperaturen deutlich unterscheiden.
a) Verbrauchsoptimierter Betrieb (hohe Temperatur)
b) Normalbetrieb
c) Dynamischer Betrieb
d) Hochdynamischer Betrieb (niedrigste Temperatur)
Durch diese Möglichkeiten kann die Wassertemperatur bei kritischen Bedingungen entsprechen gesenkt werden. Dadurch kann die motorische Verdichtung grundsätzlich angehoben (Klopfsensoren) und die Leistung und der Verbrauch immer im optimalen Bereich gehalten werden. In der Betriebsart für höchste Dynamik werden die leistungsoptimierten, niedrigsten Motortemperaturen erreicht. Weitere Funktionalitäten sind für die Restwärmefunktion oder den Nachlauf zur Kühlung des heiss abgestellten Motors vorhanden.
Zur Erzielung eines verbrauchgünstigen Warmlauf wird eine rasche Aufheizung des Motoröls angestrebt. Beim Kaltstart steht das Kühlmittel im Motor, es wird also keine Wärme vorzeitig aus dem Motor abgeleitet. Hat das Kühlwasser eine bestimmte Temperatur erreicht, wird das Wasser durch den Kühlmittelwärmetauscher gepumpt und wobei das Motorenöl und bei Automatikfahrzeugen das Getriebeöl erwärmt wird. Das Motorenöl wird dabei fast ebenso schnell aufgewärmt, wie das Kühlwasser.
44 Antworten
Interessanter Beitrag. Lass nicht zu, dass das Niveau bei MT weiter sinkt (geht das überhaupt noch? 😉 ) und bleib bitte. Ich stimme drmrk alias Michael da voll zu.
Die MTZ ist übrigens das.
Grüße
Kennfeldkühlung gibts schon lange.
Wir nur immer mehr durch mehrer komponenten erweitert.
Erfunden hat es MB, im einsatz hatte es als erster VW für die FSI Motoren. Ganz einfach versionen 97 im Golf. Wobei hier (FSI) die Motortemperatur ja den verschiedenen zuständen angepasst wird, was ja BMW jetzt auch beim 335 mit Direkteinspritzung auch macht.
BMW hat an dem ganzen system jetzt nur die Mechanische Pumpe durch eine Elektrische ersetzt die über PWM (Pulsweitenmodulation) in der Förderleistung geregelt wird.
Es freut mich, dass sich doch einige für technische Beiträge interessieren und mache deshalb weiter.
Natürlich kann man eine mechanische Kühlmittelpumpe einfach durch eine elektrische ersetzten. Aber damit kann weder die Kühlleistung noch die Vorteile eines modernen Wärmemanagements realisiert werden.
Ziel der Entwicklung war es, primär die Bauteilkühlung zu garantieren, dann den Verbrauch des Motors zu senken und eine schnelle Motorerwärmung zu erreichen. In der Warmlaufphase des Motorors zum Beispiel steht die Wasserpumpe still. Allein durch das "stehende" Kühlwasser konnte konnte der Verbrauch um 2 Prozent gesenkt werden.
Durch den Einbau einer elektrischen Wasserpumpe (EWP) mit nur 200 Watt Leistungsaufnahme wurden die dafür notwenigen Voraussetzungen geschaffen. Die Leistung der EWP liegt damit um ein Vielfaches unter der maximalen Antriebsleistung einer mechanischen Pumpe. Aus diesem Grunde musste der Motor (bzw. der Kühlwasserkreislauf) stark entdrosselt werden. Und um die Wassermengen im Grundmotor so klein wie möglich zu halten, wurden 3 Wasserkreisläufe (Motor / Motoröl und/oder Getriebeöl-Wärmetauscher) geschaffen, die parallel geschalten sind. Die geringe Förderleistung der EWP führt auch zu einem niedrigen Systemdruck, wodurch die Siedeerscheinungen im Kühlmittel deutlich früher auftreten. Um lokalen Bauteilüberhitzungen zu verhindern, mussten die Kühlwasserkanäle im Motor strömungstechnisch aufwendig optimiert werden. Jeder Zylinder musste deshalb getrennt abgestimmt werden. Ausserdem musste die Kühlung der Brennraumdächer und die der Auslassventilstege stark modifiziert werden.
Natürlich regelt die EWP auch den Heizungsbedarf zum Aufwärmen des Innenraums. Bei einem Kaltstart im Winter greift das Wärmemanagement sogar in die Motorsteuerung ein. Durch gezielte applikative Eingriffe in die Verbrennungsteuerung wird eine Erhöhung der motorischen Abwärme (Verbrennung) erreicht und damit die Heizleistung erhöht.
Zum Schluss musste das System auch so abgesichert werden, dass dieses auch bei einer Systemstörung eine möglichst grosse Kühlleistung gewährleistet. Wie die Ausführungen zeigen, ist es nicht damit getan “nur“ die mechanische Kühlwasserpumpe gegen eine elektrische auszutauschen. Weder die Kühlleistung noch die Vorteile eines modernen Wärmemanagements können damit realisiert werden.
Wird bei einem bestehenden System einfach die mechanische Kühlwasserpumpe durch eine elektrische ersetzt, muss ein mind. Volumendurchsatz eingehalten werden. Dieser entspricht dem sogenannten "Bergwert" (hohe Last bei wenig Drehzahl).
Gruss Pütz
Zur Valvetronic habe ich auch noch einige interessante Details gefunden.
Die neue Valvetronic die im E 9X eingesetzt wirt, besitzt gegenüber der ersten Generation um 20 Prozent weniger bewegliche Masse.
Die maximale Ventilerhebung bewegt sich im Leerlaufnähe im Bereich von 0,2 - 0,3 mm. Also etwa dem Dreifachen der Dicke eines menschlichen Haares.
Eine Abweichung des Hubes von einem einzigen Ventils von 0,1 mm von diesem Wert führt entweder zum sofortigen Stillstandes des Motors oder würde die Drehzahl um mehrere hundert Umdrehungen erhöhen.
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Hierzu mal die Frage eines Laiens: verkürzt sich dadurch auch die Warmfahrzeit vor schnellen AB-Fahrten? Man hat ja noch so im Kopf "ca. halbe Stunde entspant auf der AB, bevor man den Wagen richtig treten kann". Bei meinem derzeitigen Peugeot habe ich eine Öltermperaturanzeige und weiß, wann ich den Wagen rannehmen kann. Wie ist das bei den Sixpacks mit dem modernen Motor-Management? Kann ich einen 325i nach 5-10min mit 180 bis 200 fahren oder tue ich mir damit - langfristig - keinen Gefallen?
Grüße
Michael
Genau das war ja ein Entwicklungsziel von BMW. In der Warmlaufphase steht das Kühlwasser (zudem sehr kleine Menge) im Motor still. Dadurch wird der Motor sehr viel schneller erwärmt. Hat die Motortemperatur einen gewissen Wert erreicht, wird das Motorenöl mit Hilfe des warmen Kühlwasser (Kühlmittelwärmetauscher) aufgewärmt.
Der Motor wird im Express-Tempo warm. Mit ein Grund, weshalb BMW auf eine Temperaturanzeige im E91 verzichtet.
Zitat:
Original geschrieben von drmrk
Kann ich einen 325i nach 5-10min mit 180 bis 200 fahren oder tue ich mir damit - langfristig - keinen Gefallen?
Ich bin zwar auch Laie, aber es gibt eine Überlegung, die eine Warmfahrphase ratsam erscheinen läßt: es kommt nicht nur auf das Öl und die Öltemperatur an (auf dem Motorenölsektor hat sich ja einiges getan in den letzten Jahren) sondern der ganze Motor muß sich erst erwärmen und dies geschieht ungleichmäßig, d.h. bestimmte Teile erwärmen sich schneller, andere langsamer. Wenn nun durch eine forcierte Fahrweise die Erwärmung beschleunigt wird, dehnen sich die Teile, die sich schneller erwämen, stärker aus als die Teile die länger brauchen und dies führt zu einem erhöhten Verschleiß. D.h. es ist günstiger, nach dem Kaltstart verhalten zu fahren, damit sich der Motor gleichmäßig erwärmt.
Grüße
AB
Ich habe da eine Tabelle wo Wasser- und Oeltemperatur nach einem Kaltstart nach NEFZ gemessen wurde.
Das Fahrzeug wird am Morgen - nachdem es über Nacht abgestellt war, gestartet und anschliessend im Stop-and-Go mit max. 50 km/h (simulierter Stadtbetrieb/12 Mal Anhalten und am Schluss eine kurze Ueberlandfahrt mit max. 120 km/h) gefahren. Die Aussentemperatur beträgt + 20 Grad.
Unter diesen Bedingungen sieht es so aus:
Nach ca. 800 Sekunden hat das Kühlwasser die max. Betriebstemperatur erreicht. Das Motorenöl braucht dafür etwas über 1000 Sekunden.
Durch den Umstand, dass die Wasserpumpe in der Warmlaufphase stillsteht, wird der Grundmotor auch gleichmässiger erwärmt.
Aus der Tabelle ist auch ersichtlich, dass die Wassertemperatur in den ersten 250 Sekunden sehr schnell ansteigt und dann langsam abflacht.
Zitat:
Original geschrieben von Pütz
Nach ca. 800 Sekunden hat das Kühlwasser die max. Betriebstemperatur erreicht. Das Motorenöl braucht dafür etwas über 1000 Sekunden.
Durch den Umstand, dass die Wasserpumpe in der Warmlaufphase stillsteht, wird der Grundmotor auch gleichmässiger erwärmt.
Das hieße, nach gut 15min ist der Motor auf optimaler Temperatur und dann ist es ihm egal, ob ich 120 oder 240 fahre oder mit 3000/min oder 6000/min!?
Grüße
Michael
Ja, wenn du den Motor nach den Kriterien des NEFZ warm fährst. Der Zyklus ist aber sehr hart. Erst wird der Motor gestartet, dann einige Sekunden mit ca. 40 km/H gefahren. Anschlissend wieder einige Sekunden im Leerlauf. Beschleunigen auf ca. 20 km/h wieder Leerlauf ... usw. und das über 750 Sekunden lang. Vielleicht finde ich irgendwo den genauen Zyklus des NEFZ.
Im Normalbetrieb dürfte der Motor um einiges schneller auf Betriebstemperatur kommen.
Allerdings beträgt die Aussentemperatur auch +20°C; d.h. gerade im Winter dauert`s doch noch um einiges länger.
Die gewünschte Betriebstemperatur wird am schnellsten erreicht, wenn man nach dem Starten unverzüglich losfährt und den Motor etwa bei der Drehzahl hält, bei der das Triebwerk sein höchstes Drehmoment abgibt. Drehzahlen jenseits der 4000 U/min sollten nach Möglichkeiten verhindert werden. Anzustreben ist ein zügiges Gleiten, ohne Sprinteinlagen, aber auch nicht eine untertourige Schleichfahrt. Wer mit zuwenig Drehzahl fährt, verlängert die Warmlaufphase unnötig und muss mit erhöhtem Verschleiss rechnen. Unter dem Strich ist es sinnvoller, den Motor unter leichter Last bei mittleren Drehzahlen schnell auf Betriebstemperatur zu bringen als ihn mit untertourigem Fahren am zügigen Warmfahren zu hindern. Erst wenn das Motorenöl eine Temperatur von 80 bis 90 Grad Celsius erreicht hat, nimmt der Verschleiss ab.
Richtiges Warmfahren ist also immer ein Kompromiss. Zuviel vermeintliche Vorsicht kann dem Motor durchaus mehr Schaden als Nützen.
Neuer Europäischer Fahrzyklus
Als o mal so gesehen.
Nach meine brechnungen braucht der Motor 13,3 Min bist er er in Betriebstemperatur ist (Wasser)
Ich fahre mit meinem zweitwagen täglich 17km zur arbeit.
Golf 4 105PS. Die strecke geht überwiegend in der Stadt, ich brauche dazu ca. 30 Minuten.
Im winter hab ich bereits nach ca 10 Minuten 90grad. Wo soll jetzt Bitte hierbei der Vorteil liegen?
Das Öl wird schon seit über 20 Jahren mit den Ölkühler erst Erwärmt und dan gekühlt.
Mit dem Argument das die E-Pumpe weniger Leistung braucht geb ich dir voll recht.
Stehendes Wasser im Motor kann meiner meinung beim Warmlauf im Moror nur schlecht sein.
Der Motor hat verschieden Termikzonen, diese dehnen sich dan schneller aus als der rest. Zylinderkopf wir am schnellsten warm um die Auslassventiele, im Grundmotor erwärem sich die Regionen um die Zylinder schnell. Das ganze wurde grade durch das schon beim Start schnell durch den Motor fliesende Kühlmittel etwas verhindert. Der Motor würde sich bei jedem Start etwas verziehen, gerade bei Aluminium das sich besser deht bei Temperaturschwankungen als Grauguss.
Der Systemdruck wurde etwas herabgesetzt??
Gerade bei den neueren Motoren (bei Direkteispritzer) werden Temperaturen oft um die 110 grad benötigt, dies ist mit einen niedrigerem druck fast unmöglich. Wasser unter Druck läst sich auch nicht schwerer Pumpen als ohne Druck (Also im geschlossenem Kreislauf).
Die Temperaturanzeige aus dem E90 und E60 usw drausen zu lassen hatte ganz andere Gründe. (Geld)
Ich hatte da mal bei BMW angefrag, ich bekamm die Antwort:
Die Tempeaturanzeige würde den Fahrer nur vom Verkehr ablenken und dem Fahrer nicht viel nützen. Ein defektes Thermostat würde beim KD die Motorelektronike melden.
Die Warmlaufphase sei immer nach 15 min beendet.
Hallo Pütz kannst du mir evtl sagen ob bei BMW auch bei den älteren Modellen ein Elektronisches Thermostat verbaut wurde?
Hallo AndyAmbros,
das mit dem niedrigen Systemdruck kannst du mir schon glauben. Die EWP kann nicht den Wasserdruck einer mechanischen Pumpe aufbauen und hat bei weitem nicht deren Förderleistung. Deshalb musste der Grundmotor entdrosselt werden. D.h. die Wasserkanäle bieten dem Volumenstrom so wenig wie möglich Widerstand, wurden also stömungstechnisch optimiert.
Und ach ja, bei deinem Vergleich mit dem VW-Motor übersiehst du doch einige Punkte. Nur einen will ich hier aufzählen. Ich glaube nicht, dass du 6 Liter Motorenöel in deinem VW-Triebwerk aufwärmen musst. Und mein Beispiel der Motorerwärmung bezieht sich auf den NEFZ. Da würde dein VW vermutlich sehr alt aussehen.
Der Bericht aus dem ich die Angaben entnehme, wurde von BMW Entwicklungs-Ingenieuren abgefasst. Unter anderen von Dr. Ing. Gerald Seider, Team-Leiter CAE Wärmemanagement bei BMW München. Dipl. Ing. Peter Riegert, Mitarbeiter in der Motorelektronik bei BMW und noch zwei weitere Mitarbeiter aus der BMW-Group, Abteilung Motorperipherie und Abteilung Integration Antriebe. Schlussendlich noch Dr. Ing. Stephan Neugebauer, Leiter der Abteilung Energiemanagement bei der BMW München.
Gruss Pütz