Die Kühlung der Ladeluft ist ein zentraler Punkt bei der Leistungssteigerung von Turbomotoren.
Wenn der Turbolader das Herz ist, ist Ansaugbereich und Ladeluftkühler die Lunge.
Grundsätzliche Funktion eines LLK
Die (Turbo-)Aufladung hat das Ziel, dem Motor mehr Luftmasse bzw. eine höhere Luftdichte zur Verfügung zu stellen, um diese in mehr Leistung umzusetzen. Dies erfolgt zunächst durch Verdichtung bzw. Erhöhung des Druckes der Ansaugluft.
Durch die Druckerhöhung der Ansaugluft im Verdichter erhöht sich zwangsläufig auch die Temperatur der Ladeluft. Die gewünschte Dichtesteigerung wird damit nur teilweise erreicht. Ein Teil des Druckgewinns wird quasi wieder verschenkt, da heisse Luft eine geringere Dichte hat als kalte Luft. Außerdem erhöht sich die Klopfneigung des Motors durch die heisse Ansaugluft. Beide Effekte führen zu geringerer Motorleistung.
Um dies zu verbessern werden heute bei den meisten Turbo-Fahrzeugen Ladeluftkühler (LLK) eingebaut.
Im Ergebnis kann ein Motor die gleiche Leistung mit niedrigerem Ladedruck und geringerer thermischer Belastung erreichen oder mit demselben Ladedruck wesentlich höhere Leistungen erzielen.
Schließlich wird sogar der Weg zu weiterer Ladedruckerhöhung und damit Leistungssteigerung bereitet.
Zustand ohne LLK
Die Aufladung des Motors sieht am Rechenbeispiel (ohne reale Druckverluste) ohne LLK so aus:
Umgebungsluft mit einem Druck P1 = 1000 mbar (1 bar absolut) und Temperatur T1 = 20 Grad C (293 K)
wird als Basis mit 100% angenommen. Diese wird auf P2 = 2 bar absolut verdichtet.
Bei mittlerem Verdichterwirkungsgrad erwärmt sich die Luft dabei auf etwa T2 = 110 Grad C (383 K).
Obwohl der Druck verdoppelt wurde, ist die Dichte der Luft nur auf (P2/P1 x T1/T2) = 153% erhöht.
Die Werte sind real noch schlechter, da die Druckverluste vor dem Verdichtereingang und in der Ladeluft-strecke ein höheres Druckverhältnis mit höheren Temperaturen für einen Ladedruck von 2 bar erfordern.
Wirkung des LLK
Ein theoretisch idealer Ladeluftkühler würde die Ladeluft bis auf die Umgebungstemperatur, d.h. T2 = T1 abkühlen. Dies zudem ohne Druckverlust. Damit wäre die Dichte auf (P2/P1 x T1/T1) = 200% erhöht.
Diese theoretischen Werte sind praktisch nicht erreichbar.
Real kann ein LLK die Temperatur nur der Umgebung annähern. Außerdem erfolgt dies mit Druckverlust.
Als mäßiges Beispiel wird 1. ein OEM-LLK angenommen, der ab Werk klein ausgelegt wurde oder durch Tuningmaßnahmen stärker belastet ist. Dieser habe 60 % Temperaturabsenkung mit 0,1 bar Druckverlust.
Dann ergibt sich T2 mit 56 Grad C (329 K) und P2 mit 1,9 bar. Die Dichte wird damit auf 169% erhöht.
Dagegen wird 2. ein größerer LLK gesetzt, der mit weniger Belastung und Druckverlust besser abkühlt.
Dieser halbiere die verbleibende Temperaturdifferenz (Absenkung 80 %) und den Druckverlust auf 0,05 bar.
Dadurch ergibt sich T2 mit 38 Grad C (311 K) und P2 mit 1,95 bar. Damit wird die Dichte auf 184% erhöht.
Die konkreten Werte sind stark vom Kühler und der durchgesetzten Leistung abhängig.
Bei höherem Leistungsdurchsatz verschlechtern sich die Kühlerwerte drastisch.
Der vorhandene OEM-LLK wird durch steigende Leistung quasi zu klein für den Motor.
Temperaturabsenkung
Die nunmehr kühlere Temperatur der Ladeluft erhöht die Dichte und damit die Luftmasse für den Motor.
Außerdem wird die Klopfneigung reduziert, so dass mehr Vorzündung gefahren oder die Grundverdichtung des Motors erhöht werden kann. Beides verbessert die motorische Effizienz und reduziert die kritische Abgastemperatur.
Für eine gute Temperaturabsenkung ist eine große Stirnfläche mit guter Kühlluft-Durchströmung wichtig. Eine Verbesserung erfolgt idealerweise über einen grösseren Ladeluftkühler.
Durch enge Verrippung oder geschlitzte Turbolatoren kann die Kühlwirkung weiter gesteigert werden.
Dies zieht jedoch höheren Druckverlust nach sich.
Druckverlust
Der im LLK auftretende Druckverlust kann nicht vollständig durch die Erhöhung des Verdichterdruckes kompensiert werden. Durch die Erhöhung des Druckverhältnisses im Verdichter erhöht sich wiederum die Temperatur der Luft und die zur Verdichtung notwendige Arbeit. Dies erhöht den Abgasgegendruck etwa in gleichem Maße wie das Verdichter-Druckverhältnis. Die Folgen sind schlechterer Gaswechsel und erhöhte Abgastemperatur.
Umgekehrt verbessert ein geringer Druckverlust die Eingangsparameter vor dem LLK und verbessert das sog. Spülgefälle und die Leistung insbesondere in höheren Bereichen.
Der Druckverlust kann durch größere innere Querschnitte reduziert werden. Bei gegebener Stirnfläche kann die Kühlertiefe bzw. -dicke und damit gleichzeitig das Netzvolumen erhöht werden. Weniger oder glatte Turbolatoren reduzieren den Druckverlust, verschlechtern jedoch die Temperaturabsenkung.
Gütegrad des LLK
Die Werte für die relative (prozentuale) Temperaturabsenkung und den sich zusammen mit dem Druck-verlust ergebenden Dichtegewinn (relativ zur maximal möglichen Dichte) eines Ladeluftkühlers bei konkreten Betriebsbedingungen werden gewichtet und im sog. Gütegrad zusammengefasst.
Bei gleicher Gewichtung ergibt sich für den theoretisch idealen LLK ein Gütegrad von 1,00.
Beim ersten realen Beispiel resultiert ein Gütegrad von lediglich 0,645.
Das zweite reale Beispiel hat einen sehr guten Gütegrad von 0,82.
Um beide relevanten Parameter und damit den Gütegrad insgesamt zu verbessern, ist die Vergrösserung der Kühlfläche bzw. der Stirnfläche und des LLK-Netzvolumens erforderlich.
Dies kann teils mit besseren Netzen oder idealerweise durch insgesamt größere Kühler erfolgen.
Die Verbesserung von Beispiel 1 zu Beispiel 2 kann konkret etwa dadurch erreicht werden, dass das Netzvolumen und die Stirnfläche des vorhandenen Kühlers jeweils um etwa die Hälfte vergrössert werden.
Dies setzt selbstverständlich ausreichend vorhandenen Einbauraum voraus.
Fazit
Für hohe Leistungssteigerungen ist eine Vergrösserung des Ladeluftkühlers unumgänglich.
Im Porsche 951 ist der Einbauraum für den LLK beengt, weshalb die damaligen Anforderungen werksseitig nur mit einem kompakten und vergleichsweise tiefen LLK gelöst werden konnten.
Der serienmäßige LLK war ursprünglich für eine Leistung bzw. einen Durchsatz von 220 PS ausgelegt.
Bei diesem Durchsatz erzielt der Kühler auch recht gute Gütegrade. Mit zunehmender Leistung nimmt der Druckverlust überproportional zu. Gleichzeitig verschlechtern sich Temperaturabsenkung und Gütegrad.
Bei einem Durchsatz von rund 310 PS sind sowohl die verbleibende Temperaturdifferenz hinter dem LLK als auch der Druckverlust gegenüber 220 Serien-PS bereits etwa verdoppelt.
So sind schon bei einem 951-Motor mit nur moderatem Tuning durch die Verbesserung der Ladeluftkühlung merkliche Leistungssteigerungen zu erzielen. Bei einem Motor mit 400 PS oder höherer Leistung ist ein grösserer Ladeluftkühler für ein sinnvolles Gesamtkonzept ein klares Muss.
Auf konkrete Leistungsangaben wurde hier verzichtet, da der Zuwachs von der Ausgangsleistung, dem jeweiligen Turbolader bzw. dessen Betriebspunkt, dem Ansaugumfeld und der Abgasanlage abhängt.
Grundsätzlich ist allein durch eine Absenkung der Ladelufttemperatur um 20 Grad C bei gleichem Ladedruck und gleichzeitig reduziertem Druckverlust ein Potential zwischen 5 und 8% Mehrleistung vorhanden.
Durch die damit verbesserten Motorparameter kann die Leistung merklich gesteigert werden.
Lösungsmöglichkeiten LLK beim 951
Das Problem: Für grössere Kühler sind die Platzverhältnisse in der Karosserie extrem eng.
Das Ziel: Ein deutlich grösserer Kühler, d.h. mehr Netzvolumen und mehr Kühlluft bzw. Stirnfläche.
Insgesamt ein Top-Kühler, der ohne Eingriffe in die Serienkarosserie oder Optik passt.
Der Weg: Weltweite Suche nach besseren Ladeluftkühlern (LLK), die bereits zu kaufen sind.
Wenn keine ausreichend besseren LLK erhältlich sind, einen LLK selbst entwickeln.
Der Markt: Die am internationalen Tuning-Markt erhältlichen LLKs haben als typische Merkmale:
- meist nur mäßige Verbesserung der Kühlleistung bzw. des Kühler-Gütegrades,
- teilweise anderes Frontblech (Optik) oder erhebliche Arbeit am Fahrzeug erforderlich.
Die besten derzeit angebotenen Tuning-LLKs haben nur 15% (17%) mehr Netzvolumen
und 1/4 (2/3) mehr Stirnfläche (ein Anbieter hat 12% weniger) als der Serien-LLK.
Ein Ladeluftkühler, der sämtliche Zielvorgaben erfüllt, ist derzeit nicht auf dem Markt.
Die Lösung: Berechnung verschiedener Modelle und Systeme, die baulich möglich sind.
Entscheidender Schritt war die Kombination und Verbindung von 2 LLKs.
Das Ergebnis ist ein Systemsprung: Der ETG DIC Double-Inter-Cooler!
Der vorhandene Raum des OEM-Ladeluftkühlers wird optimal genutzt und mit einem
zweiten Hochleistungs-Ladeluftkühler kombiniert. Das Netzvolumen wird um 2/3 größer!
und die für die Kühlluft und Effizienz wichtige Stirnfläche wird mehr als verdoppelt!
Diese Spitzenwerte sind mit weitem Abstand unerreicht bei allen !
derzeit weltweit handelsüblichen Tuning-LLKs für den 951!
Der ETG DIC Double-Inter-Cooler ist ein hochwirksames und rundum überzeugendes Ladeluft-Kühlsystem speziell für den Porsche 951. Es passt auch bei Fahrzeugen mit Klimaanlage in die serienmäßige Karosserie ohne Änderung des Frontbleches oder der Quertraverse. Die serienmäßigen Rohre können ebenfalls weiter verwendet werden, so dass die gesamte Optik des Motorraumes original bleibt.
Die technischen Werte sind absolut herausragend:
Die OEM-LLK-Werte werden für denDruckverlust halbiert und die Temperatur deutlich gesenkt!
Die Verbesserung ist damit deutlich grösser als der Unterschied von Beispiel 1 zu Beispiel 2.
Beide Werte ergeben zusammen einen überragenden Gütegrad, der von keinem derzeit weltweit handelsüblichen Tuning-Ladeluftkühler für den Serien-951 erreicht wird!
Vergleich des OEM-LLK (entspr. Basis = 100%) mit angebotenen Tuning-Alternativen