Elektrische Kühlmittelpumpen –

Elektrische Kühlmittelpumpen –
Immer richtig temperiert
Elektrische Kühlmittelpumpen
Konventionelle Kühlmittelpumpen zur Motorkühlung werden über Zahnriemen angetrieben – mit fester Kopplung
an die Motordrehzahl. Um eine ausreichende Kühlung auch
bei niedrigen Motordrehzahlen mit hoher Last und hohen
Außentemperaturen zu gewährleisten, werden die Pumpen
für diesen Betriebspunkt ausgelegt und sind für den Normalbetrieb (höhere Drehzahl und geringe Last) überdimensioniert. Der Einsatz der elektrischen Kühlmittelpumpe in
Verbindung mit einem modernen Thermomanagement des
Verbrennungsmotors ergibt messbare Vorteile. Die bedarfsgerechte Kühlung führt, besonders in der Kaltstartphase, zu
Kraftstoffeinsparung (ca. 3 %) und zu einer entsprechenden
Reduzierung der Abgasemissionen. Darüber hinaus kann ein
erhöhter Komfort im Fahrgastraum durch verbesserte Klimatisierung erreicht werden. Durch die Unabhängigkeit von einem mechanischen Antrieb gewinnt man für das Packaging
im Motorraum erhebliche Freiheiten.
Das Produktprogramm der Pierburg Pump Technology deckt
den kompletten Anwendungsbereich an elektrischen Wasser-
umwälz- und Kühlmittelpumpen in der Automobilindustrie
ab. Das Spektrum reicht von Wasserumwälzpumpen für die
Standklimatisierung sowie Nachlauf- und Nebenaggregatekühlung über elektrische Kühlmittelpumpen für die Ladeluft- und Motorkühlung. Auf dem Gebiet der elektrischen
Wasserpumpen verfügt unser Unternehmen über große Erfahrung, insbesondere im Hinblick auf die EC-Motorentechnologie und die Hydraulik. Heute werden pro Jahr neben
mehr als 6 Mio. mechanischen Kühlmittelpumpen auch über
6 Mio. elektrische Wasserumwälzpumpen und elektrische
Kühlmittelpumpen mit elektronisch kommutiertem Motor
produziert.
Anwendungsbereiche
Nach den Anwendungsbereichen werden die Pumpen in
zwei Leistungsbereiche unterteilt: Die elektrische Wasserumwälzpumpe mit einer Gesamtleistung von 15 W bis 30 W
und die elektrische Kühlmittelpumpe mit einer Leistung von
50 W bis 400 W.
Abb. 1: CWA 50
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Typische Anwendungsfälle sind:
Technologie
15 W
Zusatz- und Nebenaggregatekühlung, Klimatisierung
im Pkw-Bereich, Nachlaufkühlung für Turbolader,
AGR-Kühlung und Einsatz in Elektrofahrzeugen
Bei der Entwicklung der elektronisch geregelten Wasserumwälz- und Kühlmittelpumpen wurden neue Technologien in
den Bereichen Motor- und Elektronikauslegung sowie Hydraulik innovativ umgesetzt.
50 W –100 W
Ladeluftkühlung im Pkw-Bereich
Klimatisierung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen
Batteriekühlung
DC – DC Wandler und Power Elektronik Kühlung
Um den hohen Anforderungen an Betriebssicherheit und Lebensdauer gerecht zu werden, wurde das Konzept des Spaltrohrmotors gewählt. Bei diesem speziellen Motorprinzip
wird in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor zusätzlich
ein Spaltrohr eingebracht, das den Stator gegenüber dem im
Fördermedium laufenden Rotor statisch abdichtet. Da dieses
Antriebssystem keine dynamischen und somit verschleißenden Dichtelemente (Gleitringdichtungen) erfordert, sind die
Wasserumwälz- und Kühlmittelpumpen besonders betriebssicher und verschleißfrei. Darüber hinaus benötigt der in den
Pumpen eingesetzte EC-Motor keine Kollektoren (Bürsten).
200 W – 400 W
Motorkühlung im Pkw-Bereich (inklusive Zusatz- und
Nebenaggregatekühlung, Klimatisierung)
Ladeluftkühlung im Nfz-Bereich
Durch den Wegfall des mechanischen Kommutierungssystems wird die Lebensdauer praktisch nur noch durch die
Abb. 2: Schnittmodell der elektrischen Kühlmittelpumpe (CWA 200)
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Abb. 3: CWA 200
Standzeit der Läuferlagerung begrenzt. Zudem reduziert die
geringe Zahl der bewegten Teile die Geräuschentwicklung
deutlich.
Die an das Motorgehäuse integrierte Elektronik ist eine Eigenentwicklung. Sie erfasst die RotorsteIlung des Motors
sensorlos und bestromt – je nach dessen Lage – die Ständerwicklungen. Die Regelung der elektrischen Kühlmittelpumpe erfolgt über die als Hybrid aufgebaute Elektronik,
welche vom Motor-Management-System entsprechende Informationen übermittelt bekommt und damit den jeweils
benötigten Kühlmittelstrom einstellt. Dabei können sowohl
PWM-Signale als auch digitale Schnittstellen wie der LIN-Bus
verwendet werden.
Die kompakte Pumpenkonstruktion und der modulare Aufbau der elektrischen Kühlmittelpumpe (Hydraulik, Spaltrohrmotor, Elektronik) sowie der Verzicht auf aufwendige Kupplungsmechanismen zur leckagefreien Abdichtung des Antriebs ermöglichen eine platz- und gewichtssparende Bauweise. Beispielsweise fördert die Wasserumwälzpumpe im
Bestpunkt bei einem Gewicht von lediglich 260 Gramm mehr
als 800 Liter Kühlflüssigkeit pro Stunde bei einem Gegendruck von 100 mbar und die Kühlmittelpumpe (CWA 400)
bei einem Gewicht von ca. 2.000 g mehr als 9.000 Liter Kühlmittel pro Stunde bei einem Gegendruck von 800 mbar.
Vorteile der elektrischen Wasserumwälz- und Kühlmittelpumpen
Kraftstoffeinsparung und Verringerung der Abgas­
emission
Durch die Anpassung an den tatsächlichen Kühlleistungsbedarf des Verbrennungsmotors durch die elektrische
Kühlmittelpumpe können der Kraftstoffverbrauch und die
Abgasemission reduziert werden. Statt ca. 2,0 kW Aufnahmeleistung herkömmlicher mechanischer Pumpen
kann zukünftig eine elektrische Pumpe mit ca. 0,2 kW im
Pkw-Bereich bis 200 kW Motorleistung verwendet werden. Besonders bei zukünftigen Abgastests unter Kaltstartbedingungen von T = -7°C sind die Verbesserungen
in Bezug auf die Abgasrohemissionen erheblich.
Abb. 4: CWA 100
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Kühlung auch ohne Betrieb des Verbrennungsmotors
Möglichkeit des Nachlaufens der Pumpe nach Abschalten des Motors zur Vermeidung von „hot spots“ oder im
Winter zur Nutzung der „Nachwärme“, um den Komfort
der Fahrgäste zu steigern.
Nutzung unterschiedlicher Regelgrößen
Die Elektronik der Pumpe ermöglicht es, außer der Kühlmitteltemperatur, auch weitere Regelgrößen des Motors
zu nutzen. So kann die Drehzahlregelung der Pumpe beeinflusst werden, wodurch eine gleichmäßigere BauteilTemperatur erreicht und je nach Lastzustand des Motors
das Temperaturniveau gesichert angehoben oder abgesenkt werden kann.
Schnellere Wirkung der Heizung
Die elektrische Kühlmittelpumpe erlaubt ein schnelleres
Ansprechen der Heizung nach dem Kaltstart des Motors
und liefert somit einen zusätzlichen Beitrag zu mehr
Sicherheit und Komfort.
Abb. 5: CWA 400
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Einbaufreiheit
Mit der elektrischen Kühlmittelpumpe ist der Konstrukteur nicht mehr an den Einbauort „Riemenebene Verbrennungsmotor“ gebunden, sondern kann die Kühlmittelpumpe an beliebiger Stelle innerhalb des Motorraums
positionieren. Somit wird eine Integration in andere
Bestandteile des Kühlmittelkreislaufes (z.B. Kühler) ermöglicht.
Modulare Verbindung der Kühlmittelpumpe mit dem
Thermostatventil
Die Integration des Wasserventils an die Kühlmittelpumpe führt zur Verknüpfung der Funktionen und zu Vorteilen
in der Montage beim Kunden.
Technologie für die Zukunft „Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge“
Bei den zukünftigen Antriebskonzepten wie Hybrid- oder
Brennstoffzellentechnologie ist der Einsatz einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe unumgänglich. Hier
steht ein mechanischer Antrieb über die Kurbelwelle und
Riemen nur noch eingeschränkt bzw. überhaupt nicht
mehr zur Verfügung.
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