LLK die 10te: Größen und Leistungsstufen | Beiträge 16+

Hall Ulf!

Zitat:

Bei 2 gleichen parallel geschalteten LLK verringert sich die innere Strömungsgeschwindigkeit theoretisch auf die Hälfte. D.h. die Ladeluft bleibt länger im LLK und hat daher mehr Zeit für die Wärmeabgabe. Und trotzdem soll dabei (pro Masseeinheit Luft) weniger Wärme abgegeben werden icon_eek.gif icon_question.gif Welche (mir offenbar unbekannten) Abläufe sind denn dafür verantwortlich???

Tja, die Zusammenhänge sind im ersten Moment nicht so ganz verständlich.
Verantwortlich für den Wärmeübergang zwischen einem Fluid (in diesem Fall ein Gas) und einer ruhenden Wand (der Wärmetauscher, alias LLK) ist neben dem Temperaturgefälle die Ausbildung einer Grenzschicht und die Art der ausgebildeten Strömung.

Hierzu ein kleines Praxisbeispiel: Die CPU eines Computers konnte früher (386er) noch mittels eines Kühlkörpers und freier Konvektion gekühlt werden. Dieser Fall stellt den schlechtesten Wärmeübergang da, da praktisch keine Strömungsgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Kühlkörper) herrscht. Die Strömung der freien Konvektion ist laminar und besitzt eine ziemlich dicke Grenzschicht, die isolierend wirkt.
Leistungsfähigere CPUs (ab 486er) mussten zusätzlich mit einem Lüfter versehen werden, um den Wärmeübergang zu verbessern. Die Umströmung der Lamellen wird dann stark turbulent, so dass der Wärmeübergang erheblich verbesert wird. Die Grenzschicht ist auch wesentlich dünner.

So ähnlich muss man sich das auch im Inneren des LLK vorstellen. Wenn sich dort nur eine sanfte laminare Strömung ausbildet (parabolisches Geschwindigkeitsprofil über den Querscnitt), dann wirkt die Strömung an sich isolierend und der Wärmeaustausch mit den Wandungen wird behindert.
Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit ist die Strömung stark turbulent. Dadurch ergibt sich ein pfropfenförmiges Geschwindigkeitsprofil, d. h. auch im Randbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich höher. Dadurch wird der Wärmeaustausch mit der Wand begünstigt und die Effizienz des LLK verbessert.
Niemals vergessen, dass Luft ein sehr guter Wärmeisolator ist!!!

Ich hoffe, ich konnte den Sachverhalt etwas veranschaulichen.

Gruß
Alex

donalexo hat folgendes geschrieben:

Die Strömung der freien Konvektion ist laminar und besitzt eine ziemlich dicke Grenzschicht, die isolierend wirkt . . . Die Umströmung der Lamellen wird dann stark turbulent, so dass der Wärmeübergang erheblich verbesert wird. Die Grenzschicht ist auch wesentlich dünner. . . . Ich hoffe, ich konnte den Sachverhalt etwas veranschaulichen.

Hi Alex,

ich habe sehr gut verstanden was Du meinst, danke

Aaaber:
Schon im Leerlauf habe wir ja eine relativ schnelle Strömung in Richtung Motor.
Bei geschätzten 6 cm Rohr-Innendurchmesser = 28 cm² und einem Volumenstrom von 450 * 1,9 l / min komme ich in eine Größenordnung von 5 m /sec.

Da der LLK AFAIK das schlimmste Strömungshindernis auf der Saugseite ist, dürften die Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der inneren Kühllamellen mindestens ebenso hoch sein, eher noch höher.

In einem anderen Thread wurde ein Link gepostet
http://www.sigem-elektronik.de/elektro/glossar.htm#W
(zum Diagramm etwas nach unten scrollen)
wonach der Wärmewiderstand zwischen einem Kühlkörper und der Luft mit der Strömungsgeschwindigkeit sinkt – aber nur bis etwa 6 m/sec, danach geht’s nicht mehr besser.

OK, hier geht die Wärme von der Luft ins Alu, aber ich vermute mal, daß die Aussage auch andersrum gilt.

Daher spekuliere ich, daß parallele 2 LLK spätestens ab ~ 2000 rpm den Einzel-Wärmewiderstand erreichen wie 1 gleicher LLK im Leerlauf, und der Wärmewiderstand darüber nicht mehr weiter sinkt.

Das würde bedeuten, daß 2 parallele LLK ab 2000 rpm tatsächlich doppelt so wirksam sind (bei halbiertem Ladedruckverlust) wie 1 LLK.

Was sagst Du dazu?

so...ich komm eben vom BMW ärgern zurück...

fahrzeug: Skoda Octavia Combi 1,9 TDI ALH Automatik
ladedruck: 0,9bar (1950mbar absolut)
aussentemperatur: 25°
fahrprofil: gaspedal festgespaxt
ladelufttemperatur serienzustand: 63°
ladelufttemperatur LLK luftzufuhr abgedeckt: 93°

mit zugeklebten LLK war schon die ausfahrt aus dem parkplatz merklich träger und im bereich Vmax wird es deutlich zäher. hab dann gleich den nächsten parkplatz angesteuert um den LLK wieder freizumachen. besser ist das

CU Gremlin

Gremlin hat folgendes geschrieben:

fahrzeug: Skoda Octavia Combi 1,9 TDI ALH Automatik ladedruck: 0,9bar (1950mbar absolut) aussentemperatur: 25° fahrprofil: gaspedal festgespaxt ladelufttemperatur serienzustand: 63° ladelufttemperatur LLK luftzufuhr abgedeckt: 93°

Aaah, danke - etwas neuer Input

Also LLT ~ 38K über Außentemperatur.

Zitat:

mit zugeklebten LLK war schon die ausfahrt aus dem parkplatz merklich träger und im bereich Vmax wird es deutlich zäher.

Die Begrenzungen (Luftmasse / Drehmo) hattest Du nicht zufällig mitgeloggt?

Bei mir lag die Rußbegrenzung selbst mit abgeklebtem LLK noch um ~ 5mg über der Drehmo, und ich konnte auch keinen trägeren Antritt bemerken . . .

Die Begrenzungen (Luftmasse / Drehmo) hattest Du nicht zufällig mitgeloggt?


ne, weil drehmo eh festgenagelt ist und die luftmasse mit diode nicht wirklich aussagekräftig ist.
btw: bei 4250rpm steht offenbar Pmax an. bis dahin rennt er hoch und bleibt dann fast wie angenagelt stehen.... allerdings fällt er auch nicht mehr ab wenns leicht bergan geht...

CU Gremlin

@ Ulf:

Nochmal zu unserem Problem des Wärmeübergangs von der Ladeluft auf den LLK.

Im Inneren des LLK bildet sich eine Strömung aus. Der Wärmeübergang von der Ladeluft auf den Alukorpus des LLK ist um so intensiver, je höher die Strömungsgeschwindigkeit und je größer die Temperaturdifferenz zwischen Ladeluft und Oberfläche des LLK ist.
Betrachtet man zunächst nur den inneren Wärmeübergang Ladeluft-LLK, dann führt eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zu einem höheren Turbulenzgrad der Strömung. Die laminare Grenzschicht, die als Isolator wirkt, wird mit steigender Reynoldszahl immer dünner, d.h. der Wärmeübergang immer besser.
Man sich das wie folgt vorstellen: Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit kommen sehr viele Luftmoleküle gar nicht in Kontakt mit den Wandungen, da diese sich auf einem Pfad bewegen können, der immer relativ weit von den Wandungen entfernt ist. Trotz der längeren Verweildauer der Moleküle im LLK haben diese nur eine geringe Chance Wärme an den LLK abzugeben.
Bei einem höheren Turbulenzgrad wird diese Schichtströmung durch sog. "Eddies" (Turbulenzballen) durchbrochen. Diese kleinen "Verwirbelungen" treten chaotisch auf und sorgen für einen hphen Energieaustausch zwischen der Kernzone der Strömung und den Randbereichen, sowohl was die kinetische Energie als auch die Wärmeübertragung angeht.

Damit dieser "Vorteil" beim inneren Wärmeübergang ausgenutzt werden kann, muss natürlich der äußere Wärmeübergang zwischen LLK und Fahrtwind in der Lage sein, den Wärmestrom abzuführen.

Gruß
Alex

donalexo hat folgendes geschrieben:

Man sich das wie folgt vorstellen: Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit kommen sehr viele Luftmoleküle gar nicht in Kontakt mit den Wandungen, da diese sich auf einem Pfad bewegen können, der immer relativ weit von den Wandungen entfernt ist. Trotz der längeren Verweildauer der Moleküle im LLK haben diese nur eine geringe Chance Wärme an den LLK abzugeben. Bei einem höheren Turbulenzgrad wird diese Schichtströmung durch sog. "Eddies" (Turbulenzballen) durchbrochen. Diese kleinen "Verwirbelungen" treten chaotisch auf und sorgen für einen hphen Energieaustausch zwischen der Kernzone der Strömung und den Randbereichen, sowohl was die kinetische Energie als auch die Wärmeübertragung angeht.

Hi Alex,

das sind doch mal gute Erklärungen aus "Randgebieten", die nur die wenigsten kennen, aber die uns manchmal doch weiterbringen können -> danke

Eine Frage dennoch:
Je schneller die Strömung, desto mehr Turbulenzen gibts im LLK und umso mehr Luftmoleküle kommen in "ganz engen" Kontakt mit dem wärmeabführenden Metall. Das habe ich jetzt kapiert

Aber gleichzeitig wird die Verweildauer der einzelnen Molelüle im LLK und damit die Zeit zur Wärmeabgabe immer kürzer. Und eine kürzere Abkühlzeit verringert IMO grundsätzlich den Energieaustausch, was dem "Erfolg" der Turbulenzen entgegensteht.

Denken wir uns einmal einen LLK im Labor: die Fahrtwindseite wird z.B. konstant mit 150 km/h und 20°C angeströmt, und im Ladeluftseite herrschen am LLK-Eingang immer 100°C.
Verändert wird nun die Strömungsgeschwindigkeit der Ladeluft.

Ist es im Ergebnis wirklich so, daß die Ladeluft umso näher an die 20°C der Fahrtwindseite heruntergekühlt wird, je schneller sie duch den LLK strömt?
Und daß man die Geschwindigkeit der Ladeluft "unbegrenzt" erhöhen kann, ohne daß ihre Ausgangstemperatur oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit wieder ansteigt (bei einer konstanten LLK-Eingangstemperatur)?

Das fällt mir irgendwie schwer zu glauben, aber wenn Du jetzt klar "ja" sagst, werde ich mein Bauchgefühl entsprechend umprogrammieren . . .


EDIT / Nachtrag:

Meine Logs scheinen Deine Beschreibungen aber nicht zu bestätigen.

Die LLT steigt in einer Messung im 4. Gang von 2000 bis 4300 rpm gleichmäßig an, und zwar von 24 bis 74°C (bei eingeregeltem Ladedruck um 1,3 bar).

Bei konstantem Ladedruck dürfte IMO auch die LLK-Eingangstemperatur weitestgehend konstant sein (Größenordnung: 75K * Ladedruck in bar plus Ansaugtemperatur, bei 1,3 bar und 13°C also ~ 110°C), so daß im LLK während der Logfahrt nur die Strömungsgeschwindigkeit steigt – und zwar auf der Ladeluft- und der Kühlluftseite.
Die Fahrgeschwindigkeit bewegte sich von ca. 75 bis 170 km/h.

Daß dabei die übertragene Leistung von der Ladeluft zum Fahrtwind steigt, liegt für mich klar auf der Hand.
Aber die Steigerung der Kühlleistung ist im Ergebnis offenbar geringer als der steigende Ladeluft-Massentrom, so daß jedes Ladeluft-Molekül immer weniger Wärmeenergie abgeben kann.

Wie erklärst Du denn das Ergebnis meiner Messungen?

@ Ulf:

Ich habe im Moment leider wenig Zeit, aber ich versuche trotzdem eine kurze Erklärung aus dem Stegreif abzugeben:

Du vergisst bei Deiner Betrachtung die gesamte Kette miteinzubeziehen. Der Verdicheter des Turboladers arbeitet bei höheren Drehzahlen in einem völlig anderen Betriebsbereich als bei niedrigen Drehzahlen. Hinzu kommt, dass die Kompression der Luft im Verdichterrad wesentlich schneller erfolgt, wodurch sich der Polytropenexponent verändert (polytrope Verdichtung). Infolgedessen ist die Luftaustrittstemperautur aus dem Verdichter bei hohen Drehzahlen höher als bei niedrigen Drehzahlen, auch bei gleichem Ladedruck!
Du kannst diese Messung also nicht in dieser Art in Deine Argumentationskette einbeziehen.

Gruß
Alex

Wie erklärst Du denn das Ergebnis meiner Messungen?

vorsicht:

die per diagnose ausgelesene temperatur ist STARK VERZÖGERT !

mach mal poti dran.

CU Gremlin

donalexo hat folgendes geschrieben:

Infolgedessen ist die Luftaustrittstemperautur aus dem Verdichter bei hohen Drehzahlen höher als bei niedrigen Drehzahlen, auch bei gleichem Ladedruck!

Aha
Das erklärt wieder einiges . . . Danke!
Gibts dazu vielleicht eine Faustregel, wieviel man je nach Laderdrehzahl noch auf die 75K / bar draufschlagen muß, um die ungefähre LLK-Eintrittstemperatur zu bekommen?

gremlin hat folgendes geschrieben:

die per diagnose ausgelesene temperatur ist STARK VERZÖGERT !

Du meinst offenbar den "digitalen Tiefpaß" hinter dem Fühlereingang der EDC. Den kenne ich schon vom Aufnehmen der Kennlinien bei Diesel- und Wasserfühereingang.
Ist der LLT-Eingang genauso träge?

Das Temperaturmaximum kommt laut Log im 3. Gang tatsächlich erst ~ 2 sec nach dem Gaswegnehmen @ 4300 rpm.

Im 4. Gang ändert sich aber die Drehzahl und damit die LLK-Eintrittstemperatur nur noch so langsam, daß die Drehzahl- und LLT-Kurven nicht mehr merklich verschoben sind.

Du meinst offenbar den 'digitalen Tiefpaß' hinter dem Fühlereingang der EDC. Den kenne ich schon vom Aufnehmen der Kennlinien bei Diesel- und Wasserfühereingang.
Ist der LLT-Eingang genauso träge?


nicht wirklich: gemessen und ausgewertet wird im bereich 2 - 10msec. nur angezeigt wird halt aufintegriert und langsam.

CU Gremlin

donalexandro ist eindeutig verfahrenstechniker oder maschinenbauer...

*staubwegblas*

donalexo hat folgendes geschrieben:

Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit kommen sehr viele Luftmoleküle gar nicht in Kontakt mit den Wandungen, da diese sich auf einem Pfad bewegen können, der immer relativ weit von den Wandungen entfernt ist. Trotz der längeren Verweildauer der Moleküle im LLK haben diese nur eine geringe Chance Wärme an den LLK abzugeben. Bei einem höheren Turbulenzgrad wird diese Schichtströmung durch sog. "Eddies" (Turbulenzballen) durchbrochen. Diese kleinen "Verwirbelungen" treten chaotisch auf und sorgen für einen hphen Energieaustausch zwischen der Kernzone der Strömung und den Randbereichen, sowohl was die kinetische Energie als auch die Wärmeübertragung angeht. Damit dieser "Vorteil" beim inneren Wärmeübergang ausgenutzt werden kann, muss natürlich der äußere Wärmeübergang zwischen LLK und Fahrtwind in der Lage sein, den Wärmestrom abzuführen.

Hi Alex,

mittlerweile habe ich mal in meinen Serien-LLK reingeschaut. In den LLK-Kanälen gibt es auch eine Art Lamellen, ähnlich der Kühlluftseite.
Die sind offenbar dazu gedacht,
1. die Ladeluft auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu verwirbeln
2. die Berührungsflächen Metall <-> Luft im LLK zu vergrößern,
was den Wärmeübergang im LLK IMO besonders bei langsamer LL-Strömung erheblich verbessern dürfte - allerdings zum Preis eines höheren LD-Verlustes bei hohen Massenströmen.

Aktuell spiele ich mit dem Gedanken, den Wasserkühler durch einen schmaleren zu ersetzen und in den freiwerdenden Platz einen weiteren LLK (ähnlicher Bauart wie das Serienteil) zu montieren, der parallel zum Serien-LLK durchströmt wird.
Die Realisierung wird sicher noch eine Weile dauern, aber wenn es irgendwann mal laufen sollte, werde ich die Logdaten im Vergleich zum Serientrimm posten.

Wenn Du magst, kannst Du ja mal eine Schätzung abgeben, wie sich die LLT ändern wird. Die Meßstelle wird am Ausgang des Serien-LLK bleiben.
Der kühlt die LL bei 4000 rpm, 1,4 bar und 160 km/h lediglich bis ca. 50K über AT runter, trotz großem Kühllufteintritt.
Die "glatte" Oberfläche seiner LL-Kanäle (also ohne innere und äußere Lamellen) dürfte insgesamt ungefähr 3.100 cm² betragen.

Hallo Ulf!

Wie Du vielleicht weißt, reduziert die EDC bei sehr hohen LLTs auch den Ladedruck, um den Motor thermisch zu entlasten. Das hat dann zur Folge, dass die Trübungsgrenze bei hohen Außentemperaturen schneller greift

Der thermische Wirkungsgrad des Prozesses profitiert auf jeden Fall auch von einer abgesenkten LLT und die NOx-Emissionen gehen ebenfalls drastsich zurück. Das ist auch der Grund, warum moderne Diesel ein gekühlte AGR besitzen.

Ich wünsche Dir viel Erfolg bei Deinem Umbauprojekt.

Gruß
Alex

donalexo hat folgendes geschrieben:

Wie Du vielleicht weißt, reduziert die EDC bei sehr hohen LLTs auch den Ladedruck, um den Motor thermisch zu entlasten. Das hat dann zur Folge, dass die Trübungsgrenze bei hohen Außentemperaturen schneller greift

Hohe Außentemperaturen sind bei VW wohl relativ . . . bei meinen ersten Logfahrten mit einem der werksmäßigen Nebler im LLK-Gitter erreichte die LLT bei 4100 rpm, 165 km/h und 13°C Außentemperatur schlappe 80°C.
Direkt anschließend ohne NSW kam die LLT "nur" auf 71°C @ 4100 rpm, und siehe da, das LD-Soll lag fast 100 mbar höher.
Beim originalen 9N (1. Version) mit ASZ und NSW braucht es nach mitteleuropäischen Maßstäben also gar keine hohen Außentemperaturen, um die "LLT-Thermosicherung" zu aktivieren . . .

Zitat:

Ich wünsche Dir viel Erfolg bei Deinem Umbauprojekt.

Danke . . . aktuell knabbere ich an der Entscheidung, wie ich die T-Stücke in den LL-Leitungen realisieren soll

Hi Ulf,

mal wieder dein Lieblingsthema, wie?

Ich bin sicher du weisst, das in den letztem A4 mit 2,5 TDI, auch im Cabrio, eine parallele Ladeluftstrecke zum Einsatz kam. Sehr intelligente Geschichte. Aus der Akte kannst du bestimmt die doppelt durchströmten LLK erkennen, damit haben sich T-Stücke weitgehend erübrigt. Ich meine das ist der erste und einzige Einsatz im Konzern... und wirds auch bestimmt bleiben.
Darüber gibt es auch eine Menge Veröffentlichungen (MTZ, besonders im 20J TDI Sonderband)

Wie aus deinen Versuchen ja auch bestätigt, das A und O bleibt aber eine vernünftige An- und Abströmung der Kühlluft - auch bei noch so vielen LLKern bzw. deinen bisherigen Optimierungen der Luftführungen - und das sieht bei deinem Vorderwagen echt bescheiden aus.

Weiterhin viel Erfolg