Downsizing - oder kleiner, effizienter und sparsamer...

Unter Downsizing versteht man die Verkleinerung des Hubraumes mit gleichzeitiger Anpassung aller für die Motorleistungscharakteristik und das Abgasverhalten relevanten Systeme und Komponenten.

Kleine Motoren mit leistungsverstärkender Turboaufladung liegen voll im Trend. Mit dem so genannten "Downsizing" wollen immer mehr Automobilhersteller den Kundenbedürfnissen nach reduziertem Verbrauch bei gleichbleibendem Fahrspaß gerecht werden.

Unter Downsizing versteht man die Verkleinerung des Hubraumes mit gleichzeitiger Anpassung aller für die Motorleistungscharakteristik und das Abgasverhalten relevanten Systeme und Komponenten. Dies gilt in Hinblick auf die deutlichen Absenkungen beim Kraftstoffverbrauch und minimale Abgasemission als das attraktivste Konzept bei Benzinmotoren. Hubraumverkleinerung (Downsizing) wird in den kommenden Jahren eine zentrale Rolle für die weitere Absenkung des CO2-Ausstoßes von Verbrennungsmotoren spielen. Das Entwicklungspotenzial des Viertakt-Hubkolbenmotors ist bei Weitem nicht ausgeschöpft. Darin sind sich Dr. Ing. Uwe Mohr, Leiter der MAHLE-Konzernforschung und Vorausentwicklung sowie Dr. Frank Schmitt, Senior Manager Thermodynamics & Technologie Development aus dem Hause BorgWarner Turbo & Emissions Systems, einig. Auf einem Kolloquium über die Zukunft des Verbrennungsmotors im Motorenmusuem der Deutz AG in Köln, zu dem die Hans Hess Autoteile GmbH und die Motair Turbolader GmbH Teilnehmer aus dem Bereich der Motoreninstandsetzer und Motair-Partner eingeladen hatten, zeigten sie dazu Lösungsmodelle auf.

Der Technologie-Demonstrationsmotors

Mit einem kompakten, hoch aufgeladenen Dreizylinder-Ottomotor demonstriert der Stuttgarter Automobilzulieferer Mahle das Potenzial seiner Technologien. Der kleine Motor holt seine Leistung und sein Drehmoment aus nur drei Zylindern mit je 400 ccm Hubraum. Kerntechnologien sind die Aufladung, die Benzindirekteinspritzung sowie die Variabilität im Ventiltrieb. Darüber hinaus wurde gezielt auf die Gewichtsminimierung und die Optimierung der Reibleistung im Motor geachtet. Mit dem Demonstrator-Motor konnte das Unternehmen auf Systemebene nachweisen, dass innovatives Downsizing mit bereits heute im Unternehmen serientauglich, oder schon in der Serie befindlicher Technologie auf hohem Niveau umsetzbar ist. Zusätzlich soll der Motor Antworten auf Fragen nach dem Nutzen der eingesetzten Maßnahmen und das Kosten-Nutzen-Verhältnis bewerten. Besonders der Ottomotor profitiert von der Hubraumverkleinerung (Downsizing), weil ein kleinerer Motor häufig in einem höheren Lastbereich betrieben wird - und dort ist der Wirkungsgrad der ottomotorischen Verbrennung besser als bei niedrigen Lasten. Der von Mahle  entwickelte 1,2 l Ottomotor kann bis zu 144 kW Leistung und 287 Nm Drehmoment erzeugen und einen Motor mit dem doppelten Hubraum ersetzen. In der Variante mit zweistufiger Abgasturboaufladung erreicht er schon bei 1.000 U/min und 16 bar effektivem Mitteldruck ein Drehmoment von 153 Nm. In der Spanne zwischen 2.500 und 3.000 U/min und bei 30 bar effektivem Mitteldruck liegt das maximale Drehmoment von 287 Nm an. Seine höchste Leistung von 144 kW gibt der Demonstrator-Motor bei 6.000 U/min ab. Gleichzeitig ist der Motor für die Einhaltung der EURO-5-Abgasgrenzwerte ausgelegt und dabei extrem sparsam: Basierend auf den Verbrauchswerten ergab die Simulation des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) für ein Fahrzeug mit 1,6 t Gewicht ein Potenzial zur Verbrauchsabsenkung in Höhe von mehr als 30 Prozent im Vergleich zu dem 2,4 l Referenzmotor.

Der Mahle Downsizing-Motor im Detail

Wegen der hohen thermischen Belastung durch die Abgasturboaufladung wurde zum einen ein besonders wirkungsvolles Kühlkonzept mit Querstromkühlung des Zylinderkopfes entwickelt, zum anderen kommen hoch leistungsfähige Beschichtungen und Werkstoffe für zahlreiche Komponenten zum Einsatz. Um den Gesamtwirkungsgrad des Motors zu optimieren, arbeitet die Kühlung mit einem bedarfsgerechten Thermomanagement. Die Schlüsseltechnologien variabler Ventiltrieb, Abgasrückführung und Abgasturboaufladung machen den Motor leistungsstark, sauber und sparsam:

Grundmotor, "Power Cell" und Einspritzung

Das Closed-Deck-Zylinderkurbelgehäuse und der Vierventilzylinderkopf des Demonstrator-Motors bestehen aus einer Aluminiumlegierung (A356). Beide Komponenten wurden mit dem MAHLE COSCAST-Gießprozess im Sandguss hergestellt. Dieses Verfahren ermöglicht geringe Wandstärken (beispielsweise schmale Stege zwischen den Zylinderbohrungen) und komplexe Geometrien. Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse verfügen über getrennte Kühlkreise für ein bedarfsgerechtes, flexibles Thermomanagement. Beide Kreise werden von einer gemeinsamen elektrischen Pumpe gespeist. Der aktuelle Kühlbedarf wird durch Sensoren in der Mehrlagenstahl-Zylinderkopfdichtung und die Korrelation mit der Kühlwassertemperatur ermittelt.  Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und zur Optimierung des Wärmeübergangs sind die Zylinderlaufflächen NIKASIL(r)-beschichtet. Eine durchgehende Zugankerverschraubung von Zylinderkopf, -block und Bedplate minimiert die Bohrungsverzüge. Durch eine gesunde Kombination aus Leichtbau und hohen Sicherheitsfaktoren - etwa bei der Auslegung der Hauptlagerstühle ohne Stahleinlagen - wiegt der komplette, betriebsbereite Motor 145 kg.

Das System aus Kolben/Pleuel/Kurbelwelle - die Power Cell - ist für einen Verbrennungsspitzendruck von bis zu 140 bar ausgelegt. Um die hohen spezifischen Belastungen in einem effizienten Kompaktmotor tragen zu können, sind die großen Pleuellager mit einer Flammspritzbeschichtung (PVD-Beschichtung) versehen. Der Kolbenbolzen im kleinen Auge des geschmiedeten Pleuels verfügt über eine extrem widerstandsfähige Diamond-Like-Carbon-Beschichtung (DLC). Die Kolben aus Schmiedealuminium sind mit einem dreiteiligen Ringpaket ausgerüstet und für den Einsatz besonders reibungsarmer Ringe ausgelegt. Der Motor verfügt über eine Kolbenanspritzkühlung.

Variabler Ventiltrieb

Der Demonstrator-Motor ist in Vierventiltechnik mit zwei oben liegenden, gebauten Nockenwellen für eine maximale Motordrehzahl von 7.000 U/min ausgeführt. Die Ventilsteuerzeiten lassen sich über Nockenwellen-Phasensteller auf der Ein- und Auslassseite unabhängig voneinander verstellen. Als weitere Variabilität kann zu einem späteren Zeitpunkt auch der Ventilhub gesteuert werden - beispielsweise durch Hubumschaltung, oder durch voll variable Steuerung von Hub und Öffnungszeiten. Rollenschlepphebel mit geringer Reibung und niedrigem Verschleiß tragen ebenso zur Effizienz des Ventiltriebs bei wie das insgesamt niedrige Gewicht und die kleinen bewegten Massen der mit Natriumfüllung gekühlten Leichtbauventile.

Die präzise Zumessung des Kraftstoffes erfolgt durch Piezo-Injektoren in zentraler Lage. Damit ist eine strahlgeführte Verbrennung möglich. Optional ist auch die Verwendung von Magnetventil-Injektoren vorgesehen. Die Zündkerze ist leicht seitlich zum Injektor angeordnet. Mit dieser Konstellation sind bereits die richtigen Randbedingungen für einen denkbaren, künftigen Betrieb mit Schichtladung gegeben. Das Verdichtungsverhältnis liegt mit e = 9,75 relativ hoch für einen stark aufgeladenen Motor und ist der Summe an Maßnahmen zu verdanken, welche die Klopfneigung verringern (etwa die Abgasrückführung). Diese Maßnahmen tragen zu dem sehr geringen Verbrauch des Motors bei.

Abgasrückführung

Der Demonstrator-Motor ist mit einer gekühlten Abgasrückführung (AGR) für AGR-Raten von bis zu 15 Prozent ausgerüstet. Dies senkt die Verbrennungsspitzentemperatur, sodass der Motor geringere NOx-Mengen emittiert. Durch Wegfall der Volllastanfettung und die Entdrosselung in der Teillast sinkt der Verbrauch. Der Motor erfüllt die Abgasgrenzwerte gemäß EURO 5. Die verwendete MAHLE AGR-Technologie sichert auch im instationären Bereich eine hohe Regelgüte bei der Zumessung von rückgeführtem Abgas. Zur Steuerung der AGR dient ein Walzenventil, das eine zylinderspezifische Anpassung der AGR-Rate erlaubt. Zusätzlich dazu ermöglicht ein schnell schaltendes MAHLE Lufttaktventil durch gasdynamische Effekte auch dann höhere AGR-Raten, wenn der Abgasmassenstrom wegen der vorherrschenden Druckverhältnisse zwischen Abgasdruck und Ansaugdruck dafür ansonsten zu gering wäre.

Um bei Volllast eine Gemischanreicherung (Anfetten) zum Schutz der Turboladerbauteile vermeiden zu können und durch Absenken der Brennraumtemperatur die Klopfneigung zu verringern, ist der Demonstrator-Motor mit einer gekühlten Abgasrückführung (AGR) für AGR-Raten von bis zu 15 Prozent ausgerüstet. Durch die niedrigere Verbrennungsspitzentemperatur emittiert der Motor zudem geringere NOx-Mengen. Der Motor erfüllt die EURO-5-Abgasgrenzwerte.

Abgasturboaufladung

Heute gibt es den Demonstrator-Motor in zwei Versionen: Für die Leistungsklasse von 100 bis zu 120 kW gibt es eine Ausführung mit einstufiger Abgasturboaufladung. Zur weiteren Optimierung des transienten Motorverhaltens wurde neben dem Wastegate-Turbolader ein Abgasturboader (ATL) mit variabler Turbinengeometrie (VTG-Lader) auf der Basis einer Standard-Dieselspezifikation weiterentwickelt und getestet. Der Abgaskrümmer ist wassergekühlt, um die thermischen Anforderungen an die Bauteile zu begrenzen. Die Turbine wird direkt aus einem Auslasskanal angeströmt, was einen zusätzlichen Impulsaufladeeffekt bewirkt.

Seine höchste Leistung erreicht der Demonstrator-Motor in der Ausführung mit zweistufiger Aufladung. Hier sind zwei Abgasturbolader hintereinander geschaltet. Das Turbinengehäuse des ATL der Hochdruckstufe ist in den Krümmer integriert. Auch hier wird die Turbine direkt aus einem Auslasskanal angeströmt. Die Hochdruckstufe spricht schon bei niedrigen Drehzahlen an und übernimmt die Verdichtung bis zu einer Motordrehzahl von 2.500 U/min. Oberhalb dieser Grenze beaufschlagt ein Bypassventil zwischen Abgaskrümmer und Niederdruck-ATL den Niederdruck-ATL mit dem kompletten Abgasstrom. Der zweite Lader übernimmt damit im gesamten restlichen Drehzahlbereich bis zur Motorhöchstdrehzahl von 7.000 U/min die Aufladung. Das Verdichtergehäuse des Hochdruck-ATL (auf der Luftseite) verfügt über ein Druckregelventil.

Der zweite ATL auf der Niederdruckstufe ist abgas- und luftseitig über Flansche angebunden. Dieser ATL verfügt über eine Wastegateregelung. Nach der Verdichtung passiert die auf bis zu 2,6 bar komprimierte Luft einen Ladeluftkühler, ehe sie in den Luftverteiler im Ansaugsystem eingeleitet wird. Das Turbinengehäuse des ATL der Hochdruckstufe ist in den Krümmer integriert. Auch hier wird die Turbine direkt aus einem Auslasskanal angeströmt. Die Hochdruckstufe spricht schon bei niedrigen Drehzahlen an und übernimmt die Verdichtung bis zu einer Motordrehzahl von 2.500 U/min. Oberhalb dieser Grenze beaufschlagt ein Bypassventil zwischen Abgaskrümmer und Niederdruck-ATL den Niederdruck-ATL mit dem kompletten Abgasstrom. Der zweite Lader übernimmt damit im gesamten restlichen Drehzahlbereich bis zur Motorhöchstdrehzahl von 7.000 U/min die Aufladung. Das Verdichtergehäuse des Hochdruck-ATL (auf der Luftseite) verfügt über ein Druckregelventil.

Schneller elektrischer Wastegate-Steller

Ein seit kurzem von Mahle eingeführter elektrischer Wastegate-Steller - erstmalig in einer Serienanwendung - ermöglicht eine schnelle Regelung des Turboladers. Dadurch verbessert sich das Ansprechverhalten, weil das so genannte Turboloch vermieden wird. Zusätzlich wird der Kraftstoffverbrauch gesenkt, weil der Abgasgegendruck immer möglichst niedrig gehalten werden kann. Mit den bisherigen pneumatischen Stellern war die Regelgeschwindigkeit dafür zu langsam und es konnte auch nur geregelt werden, wenn der nötige Ladedruck zur Verfügung stand. Der neue Steller durchläuft innerhalb von 80 Millisekunden den gesamten Stellbereich. Mit dem elektrischen Wastegate-Steller sei erstmals ein kostengünstiges, schnelles und präzises Stellelement verfügbar, das von den anliegenden Drücken unabhängig das Wastegate steuern kann, teilt der Hersteller mit. Zusätzlich kann damit die Ladungswechselarbeit verringert werden und bis zu vier Prozent Kraftstoffersparnis sind erreichbar.

Einlasssystem

Das Luftmanagement des Motors wird von einem integrierten Luftansaugsystem mit komplettem Ansaugluftpfad übernommen. Neben schnell ansprechenden Drosselklappen als Steuerglieder verfügt das leichte und kompakte Einlasssystem über Luftmassenmesser im Luftfiltermodul sowie Kunststoff-Luftverteiler mit AGR- und Blow-By-Einleitung am Flansch zum Zylinderkopf.

Schmierung

Das Schmiersystem ist auf geringe Reibung, niedriges Gewicht und kleine Abmessungen ausgelegt. Auch hier bewährt sich der COSCAST(r)-Gießprozess von Mahle, um die geringen Wandstärken des Ölpumpengehäuses realisieren zu können. Für die Kolbenanspritzkühlung wird Öl aus der Absteuerleitung (Schmutzölseite) entnommen, was den Förderbedarf auf der Schmierölseite reduziert.

Hauptmerkmale im Überblick:

Zentrale, strahlgeführte Piezo-Direkteinspritzung

Reibungsoptimierter 3-Zylinder-Kurzhub-Kurbeltrieb

Sequenzielle zweistufige Turboaufladung mit kostengünstigem

wassergekühlten Abgaskrümmer

Zukunftsweisender Ventiltrieb mit Leichtbauventilen, gebauten

Nockenwellen und unabhängigen Ein- und Auslass-

Phasenstellern

Schnell schaltendes Hochleistungs-AGR-System zur Ermöglichung

von gekühlter äußerer Abgasrückführung

(AGR) auch im transienten Motorbetrieb und bei hoher

Motorlast

Präzisionssandguss (Zylinderkopf, Kurbelgehäuse, Bedplate)

nach dem COSCAST ®-Verfahren

Elektrische Wasserpumpe mit in die Zylinderkopfdichtung

integriertem Temperatursensor

NIKASIL ® Beschichtung der Zylinderbuchsen

Durchgehende Zugankerverschraubung von Zylinderkopf,

Kurbelgehäuse und Bedplate für minimalen Bohrungsverzug

Zahnradgetriebener Massenausgleich (1. Ordnung) mit

Ausgleichsmassen an beiden Kurbelwellenenden

Kolbenkühlung mittels neuartigem Ölspritzkanal (Direktabgriff

an der Ölpumpen-Druckregelleitung)

Ansaugsystem mit niedrigem Sammlervolumen und Einzeldrosselklappen

(3x) für exzellentes Ansprechverhalten

und minimale Strömungsverluste

Erfüllung der EU5 Emissionsstufe im Mittelklassefahrzeug

Technische Daten

Hubraum 1,2 l

Bohrung / Hub 83,0 mm x 73,9 mm

Hohes Verdichtungsverhältnis

9,75 : 1

Auslegung der Power Cell Unit für

140 bar Zylinderdruck

Stoechiometrisches Verbrennungsluftverhältnis

l = 1 in allen Motorbetriebspunkten

Minimaler Kraftstoffverbrauch (Bestpunkt)

235 g/kWh

Spez. Kraftstoffverbrauch bei p me

4 bar und 2.000 U/min: 285 g/kWh

Maximaler Ladedruck 2,8 bar (absolut)

Maximale AGR Rate 15 %

Hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl (1.000 U/min)

150 Nm

Füllige Drehmomentkurve

mit hohem Maximalmoment

285 Nm (zwischen 2.500 - 3.000

U/min)

Maximale Leistung 144 kW (196 PS)

Kraftstoffverbrauchsvorteil im NEFZ

~ 30 % bei einem Fahrzeuggewicht von 1.600 kg

Turboaufladung macht den feinen Unterschied

Die Leistung ist bekanntlich ein Produkt aus Drehmoment und Drehzahl, wobei der Drehzahl aus Festigkeitsgründen eher eine Grenze gesetzt ist als dem Drehmoment. Die Aufladung zielt daher auf die Erhöhung des Drehmoments ab, das auch für die Beschleunigung eines Fahrzeuges maßgebend und somit bei automobiltechnischen Anwendungen ein wesentlicher Punkt im Kapitel Fahrspass ist. Bei der Abgas-Turboaufladung nutzt man den Energiegehalt der Abgase, um die Turbine plus Verdichter anzutreiben, um so die die angesaugte Luft zu verdichten. Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden somit genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben, und die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen. Erfunden wurde der Turbolader vom Schweizer Alfred Büchi. Das Patent für einen eigenständigen Turbolader wurde 1909 erteilt. Eigenständig deshalb, weil das ursprünglich Patent 1905 für einen Turbocompound Motor erteilt wurde. Der Durchbruch des Abgasturbos im Pkw wurde mit der Einführung der ersten aufgeladenen Dieselmotoren im Mercedes Benz 300 SD im Jahre 1978 und 1981 im VW Golf Turbodiesel vollzogen.

Vorteile der Abgasturboaufladung

Der Turbomotor hat gegenüber einem gleich starken Saugmotor einen geringeren Verbrauch, weil ein sonst nicht genutzter Teil der Abgasenergie zur Leistung des Motors beiträgt. Die Reibungs- und Wärmeverluste des hubraumkleineren Turbomotors sind geringer.

Das Leistungsgewicht in Kilogramm Motorgewicht je Kilowatt Leistung (kg/kW) ist beim abgasturboaufgeladenen Motor gegenüber dem Saugmotor deutlich geringer.

Der Einbauraum eines Turbomotors ist kleiner als der eines gleich starken Saugmotors. Der Drehmomentverlauf eines Turbomotors kann günstiger gestaltet werden. Durch die so genannte »Büffelcharakteristik«, einem sehr starken Anstieg des Drehmomentes bei sinkender Motordrehzahl, bleibt nahezu die volle Leistung auch unterhalb der Nenndrehzahl erhalten. Am Berg muss daher weniger oft geschaltet werden. Das Fahrzeug verliert weniger Geschwindigkeit.

Das Höhenverhalten des Turbomotors ist deutlich besser. Ein Saugmotor verliert infolge des abnehmenden Luftdruckes in großen Höhen beträchtlich an Leistung. Beim Turbomotor steigt die Turbinenleistung an, weil zwischen dem nahezu konstanten Druck vor der Turbine und dem niedrigeren Umgebungsdruck ein größeres Druckgefälle herrscht. Die geringere Luftdichte am Verdichtereintritt wird so zum größten Teil wieder ausgeglichen. Der Motor verliert kaum an Leistung.

Der Turbomotor ist leiser als ein gleich starker Saugmotor, weil er unter anderem kleiner ist und damit die Schall abstrahlende Fläche des Motors geringer ist. Der Turbolader selbst wirkt als zusätzlicher Schalldämpfer.

Turbolader: Aufbau und Funktionsweise

Seit Alfred Büchi haben sich die Grundfunktionen eines Abgasturboladers nicht mehr wesentlich geändert. Ein Abgasturbolader besteht aus einem Verdichter und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Die Turbine liefert, angetrieben von den Abgasen des Motors, die Antriebsenergie für den Verdichter. Für Turbolader werden in den meisten Fällen Radialverdichter und Zentripetalturbinen eingesetzt.

Aufbau und Funktion

Die Verdichter der meisten Turbolader sind Radialverdichter. Dieser Verdichtertyp besteht aus drei wichtigen Bestandteilen: dem Verdichterrad, dem Diffusor und dem Spiralgehäuse. Durch die Drehzahl des Rades wird Luft axial angesaugt und im Rad auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Luft verlässt das Verdichterrad in radialer Richtung. Im Diffusor wird die Geschwindigkeit der Luft weitgehend verlustfrei verringert. Die Folge davon ist, dass Druck und Temperatur ansteigen. Der Diffusor wird aus der Verdichterrückwand und einem Teil des Spiralgehäuses gebildet. Im Spiralgehäuse wird die Luft gesammelt und die Geschwindigkeit bis zum Verdichteraustritt weiterhin reduziert.

Betriebsverhalten

Das Betriebsverhalten von Verdichtern wird häufig durch Kennfelder beschrieben, bei denen das Druckverhältnis über dem durchgesetzten Volumen- bzw. Massenstrom dargestellt ist. Der nutzbare Kennfeldbereich von Strömungsverdichtern ist begrenzt durch die Pumpgrenze, die Stopfgrenze und die maximal zulässige Drehzahl des Verdichters.

Pumpgrenze

Die Pumpgrenze begrenzt den linken Kennfeldrand. Bei zu kleinen Volumenströmen und zu hohen Druckverhältnissen löst sich die Strömung von den Verdichterschaufeln. Der Fördervorgang wird dadurch unterbrochen. Die Luft strömt rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis mit positivem Volumenstrom einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich in rascher Folge. Aus dem dabei entstehenden Geräusch leitet sich die Bezeichnung „pumpen“ ab.

Stopfgrenze

Der maximale Volumenstrom eines Radialverdichters ist in der Regel durch den Querschnitt am Verdichtereintritt begrenzt. Erreicht die Luft im Radeintritt die Schallgeschwindigkeit, so ist kein weiteres Anwachsen des Durchsatzes mehr möglich. Im Verdichterkennfeld zeigt sich die Stopfgrenze an den stark abfallenden Drehzahllinien am rechten Kennfeldrand.

Turbolader bringen Vierzylinder EcoBoost-Motoren auf Touren

Downsizing heißt der Trend bei der Entwicklung neuer Ottomotoren. Erst die Verbindung der Benzindirekteinspritzung mit Turboaufladung ermöglicht das „Downsizing" des Motors, ohne dabei Nachteile bezüglich Leistung und Komfort in Kauf zu nehmen. Auf die langjährige Erfahrung von BorgWarner bezüglich der Turboaufladung vertraut Ford auch beim 3,5 l V6 EcoBoost Aggregat für heckangetriebene Lkw. Bei der Entwicklung der neuen Vierzylinder EcoBoost Motoren hat der Automobilhersteller erneut den Turbospezialisten als Partner gewählt. Das komplett neue 1,6 l Aggregat verfügt über einen KP39 Turbolader, der selbst Abgastemperaturen von 1.050° C standhält. Die Brennräume des 2.0 l Triebwerks werden von einem K03 Turbolader mit Integralkrümmer beatmet. Das weltweite Entwicklungsprogramm ist unter Beteiligung der Ingenieure von Ford und BorgWarner in den USA sowie Europa entstanden. Ford plant den Einsatz der sparsamen Triebwerke in europäischen und amerikanischen Modellen für Anfang 2010. Der OEM erwartet, dass 2013 bis zu 90 Prozent seiner Neuvorstellungen auf dem amerikanischen Markt mit aufgeladenen, direkteinspritzenden Motoren erhältlich sein werden, die im Vergleich zu den Vorgängermodellen bis zu 20 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen.

Variable Turbinengeometrie (VTG)

Ein Ziel einer geregelten Turbine ist, den in der Praxis nutzbaren Durchsatzbereich bei guten Wirkungsgraden zu erweitern. Dazu wird die Turbinenleistung durch Veränderung von Anströmungswinkel und –geschwindigkeit am Turbinenradeintritt geregelt. Im Fall der VTG>-Turbolader von BWTS geschieht dies durch vor dem Turbinenrad angeordnete Leitschaufeln. In geschlossener Leitschaufel-Position führen hohe Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein hohes Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung und damit einem hohen Ladedruck. In voll geöffneter Position der Leitschaufeln erschließt sich der maximale Durchsatz der Turbine bei hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors der Strömung. Der Vorteil dieser Leistungsregelung gegenüber einer Bypass-Regelung liegt darin, dass immer der volle Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet und zur Leistungsumsetzung genutzt wird. Die Ansteuerung der Leitschaufelverstellung kann über eine Reihe von verschiedenen pneumatischen oder elektrischen Stellern erfolgen..

Die Anforderungen an Turbolader mit variabler Turbinengeometrie sind in den vergangenen Jahren stetig angestiegen. War vor einiger Zeit noch eine Literleistung von 35kW/l ausreichend, so liegt der aktuelle Stand der Technik bei 50-58kW/l. Mit verbesserter Turboladertechnik wird eine literspezifische Leistung von Werten bis 65kW/l erreicht werden. Als Folge dieser höheren Anforderungen steigen Abgastemperaturen und Druckverhältnisse im Abgassystem. Zur Zeit bietet BorgWarner Turbo Systems Turbolader mit variabler Turbinengeometrie für Abgastemperaturen bis 850°C an. In Zukunft wird es Turbolader mit VTG für Dieselmotoren mit Abgastemperaturen bis zu 900°C geben. Die weitere Entwicklung der VTG-Technologie für den Einsatz bei noch höheren Abgastemperaturen wird das Anwendungsgebiet auch auf Ottomotoren ausweiten.

Bei BorgWarner Turbo Systems werden zur Zeit verschiedene Baugrößen von Turboladern mit variabler Turbinengeometrie für Dieselmotoren in Pkw und leichte Nfz an, die eine Bandbreite von 1,2l bis 3,2l Hubraum pro Turbolader angeboten. Dies entspricht einer Spanne in Motorleistungen von 50kW bis 180kW pro Turbolader.

Aufladungtechnik für 1050°C Abgastemperatur

Auch in Verbindung mit dem Ottomotor findet der Turbolader zunehmende Akzeptanz. Durch die fortschrittliche Aufladetechnik wird der Anteil der Turbofahrzeuge stetig steigen. Die Abgastemperatur zukünftiger aufgeladener Ottomotoren wird steigen. Das Luftverhältnis im Nennleistungspunkt beträgt heute ca. λ=0,75–0,85 , da ein Teil des Kraftstoffes zur inneren Kühlung des Motors verwendet wird. Wird das Luftverhältnis auf Werte zwischen λ=0,9-1,0 erhöht, so erschließt sich ein Einsparpotential im Kraftstoffverbrauch bis zu 20% in diesem Punkt. Dies führt jedoch zu einem Anstieg der Abgastemperatur auf bis zu 1050°C und stellt u.a. neue Herausforderungen an den Turbolader. So erfordern Turbolader für 1050 °C Abgastemperatur einen Werkstoff für das Turbinengehäuse, der dieser hohen Bauteiltemperatur während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs standhält. Hierfür bietet sich hitzebeständiger Stahlguß an. Turbinengehäuse aus hitzebeständigem Stahlguß werden schon heute von BorgWarner Turbo Systems bei Kundenmotoren in Serie eingesetzt. Neben den Turbinengehäusen bedeuten die steigenden Abgastemperaturen vor allen Dingen auch für die Turbinenräder extreme Bedingungen. Hierzu wurde das  Lagergehäuse im Hinblick auf eine hoch effiziente Wasserkühlung neu konstruiert und um eine sichere Anbindung des Lagergehäuses an das Turbinengehäuse auch bei hohen Temperaturen sicherzustellen, die V-Band-Schelle eingeführt.

Auch die thermische Trägheit des Turbinengehäuses ist für schadstoffarme Fahrzeuge von Bedeutung. Durch eine geringe thermische Trägheit steigt die Temperatur im Katalysator während der Kaltstartphase des Motors schneller an. Die Konvertierung der Schadstoffe im Abgas beginnt schon zu einem früheren Zeitpunkt. Aus Emissionsgründen sollte die thermische Trägheit und die Oberfläche des Turbinengehäuses daher möglichst gering sein.

Dünnwand-Turbinengehäuse

Der hohe Aufwand bei der Herstellung und Bearbeitung von Turbinengehäusen aus Stahlguß und die damit verbundenen hohen Kosten hat die Frage nach einem Zusatznutzen für den Kunden aufkommen lassen. Wünschenswert sind dünne Wandstärken, die das Gewicht des Turbinengehäuses deutlich reduzieren und gleichzeitig die thermische Trägheit des Turbinengehäuses verringern. Dies führt zu einem schnelleren Anspringen des Katalysators während der Kaltstartphase des Motors, was die Emissionen des Fahrzeuges deutlich verbessert.

Blech-Turbinengehäuse

Eine weitere vielversprechende Lösung stellt das Blech-Turbinengehäuse dar. Es besteht aus mehreren gestanzten Blechteilen, die miteinander verschweißt werden. Das Turbinengehäuse kann sowohl einfach, als auch doppelwandig mit Luftspaltisolierung ausgeführt werden. Die Befestigung des Turbinengehäuses im Abgassystem des Motors kann sowohl durch Flansche als auch durch Schweißverbindungen mit den angrenzenden Rohren erfolgen. Hierdurch ist eine durchgängige Luftspaltisolierung des Abgasstromes vom Zylinderkopf bis zum Katalysator möglich. Als Materialien stehen hitzebeständige Stahlbleche zur Verfügung, die eine Abgastemperatur bis zu 1050°C ermöglichen. Im Wirkungsgrad- und Durchsatzverhalten sind Blech-Turbinengehäuse gleichwertig zu den gegossenen Turbinengehäusen bei weitaus geringerer thermischer Trägheit und damit schnellerem Anspringen des Katalysators beim Kaltstart.

R2S™: 2-stufige, geregelte Aufladung

Die grundsätzlichen Entwicklungsziele zukünftiger Verbrennungsmotoren für Pkw- und Nfz-Anwendungen machen weiterentwickelte Aufladesysteme notwendig. Die Auslegung eines solchen Aufladesystems im Hinblick auf die Nennleistung des Motors einerseits und das Instationärverhalten und den Bereich des maximalen Drehmoments andererseits führt zu einem Zielkonflikt. Für den Nennleistungspunkt benötigt man einen relativ großen Abgasturbolader. Der Wunsch nach einem sehr hohen Ladedruck schon bei geringen Motordrehzahlen bedeutet dagegen, dass die Turbine und der Verdichter deutlich kleiner angepasst werden müssen. Idealerweise bräuchte man also eine Kombination aus beidem. Zur Lösung dieses Zielkonflikts hat man bei BorgWarner Turbo Systems die 2-stufige geregelte Aufladung (R2S™) entwickelt. Sie entspricht einem solchen Idealaufbau und ermöglicht für jeden Motorbetriebspunkt eine stufenlos variable Anpassung der Turbinen- und Verdichterseite. Mit diesem neu entwickelten Aufladeverfahren bietet man dem Motorenhersteller ein weiteres äußerst leistungsfähiges Aufladesystem für zukünftige Motorgenerationen, die höchste Anforderungen bezüglich Leistungsentfaltung, Verbrauch und Umweltverträglichkeit erfüllen.

Die 2-stufige geregelte Aufladung (R2S™) ist eine Reihenschaltung zweier - unterschiedlich großer - Turbolader mit einer Bypassregelung. Der von den Zylindern kommende Abgasmassenstrom strömt zunächst in die Abgassammelrohrleitung. Von hier aus besteht die Möglichkeit, entweder den gesamten Abgasmassenstrom über die Hochdruckturbine (HD) zu expandieren, oder einen Teilmassenstrom über die Bypassleitung zur Niederdruckturbine (ND) umzuleiten. Der gesamte Abgasmassenstrom wird dann nochmal von der nachgeschalteten Niederdruckturbine (ND) genutzt. Der gesamte Frischluftmassenstrom wird zunächst durch die Niederdruckstufe vorverdichtet. In der Hochdruckstufe erfolgt anschließend eine weitere Verdichtung und Ladeluftkühlung. Aufgrund der Vorverdichtung arbeitet der relativ kleine HD-Verdichter auf einem höheren Druckniveau, so dass er den erforderlichen Luftmassenstrom durchsetzen kann.

Bei kleinen Motordrehzahlen, also kleinen Abgasmassenströmen, bleibt der Bypass voll-ständig geschlossen und der gesamte Abgasmassenstrom expandiert über die HD-Turbine. Dadurch ergibt sich ein sehr schneller und hoher Ladedruckaufbau. Mit zunehmender Motordrehzahl wird die Expansionsarbeit kontinuierlich zur ND-Turbine verlagert, indem der Bypassquerschnitt entsprechend vergrößert wird. Die 2-stufig geregelte Aufladung ermöglicht damit eine stufenlose Anpassung auf der Turbinen- und Verdichterseite an die Erfordernisse des Motorbetriebs. Die Regelung des Systems kann durch pneumatische Aktuatoren erfolgen, die auf Bypassklappen wirken, wie sie in Turboladern mit Ladedruckregelklappen in Großserie eingesetzt werden. Damit ist es möglich bei detaillierter Kenntnis des komplexen Systemverhaltens ein kompaktes Aufladesystem darzustellen, das unter Verwendung bewährter Komponenten höchste Anforderungen an Drehmoment, Ansprechverhalten und Leistung erfüllt.

R25- zweistufig geregelte Aufladung für Pkw-Dieselmotoren - Funktionsprinzip

Bei geringer Motordrehzahl:

Bypass der HD-Stufe geschlossen, fließt der gesamte Abgasmassenstrom durch die HD-Stufe der Turbine und der gesamte Frischluftmassenstrom durch die durch HD-Stufe des Verdichters  = Ladedruck über HD-Stufe.

Bei mittlerer Motordrehzahl

Bypass des HD-Stufen-Verdichters geschlossen. Bypass der HD-Stufen-Turbine geöffnet (geregelt). = Ladedruck über HD- und ND-Stufe.

Bei hoher Motordrehzahl:-Bypass der HD-Stufe offen, Ladedruck über NDStufe.

eBooster™

Neben den Turboladern mit variabler Turbine oder der zweistufigen, geregelten Aufladung (R2S™) werden zunehmend auch elektrisch unterstützte Aufladesysteme als Lösung diskutiert. Als Technologieführer im Bereich Aufladesysteme wird die Entwicklung des innovativen eBooster-Konzepts mit Nachdruck vorangetrieben. Dieses elektrisch unterstützte Aufladesystem nutzt einen elektromotorgetriebenen Strömungsverdichter als Vor- oder Nachschaltkomponente zu einem Turbolader. Im Gegensatz zum elektrisch unterstützten Turbolader arbeitet dieses System zweistufig – als Reihenschaltung zweier Strömungsmaschinen. Dabei multiplizieren sich die Druckverhältnisse beider Aufladeaggregate. Durch den Einsatz zweier aufeinander abgestimmter Strömungsverdichter ist es möglich, das Gesamtsystem optimal dem jeweiligen Einsatzzweck anzupassen und sein Gesamtkennfeld zu erweitern. eBooster und Abgasturbolader stellen zudem separate Aggregate dar. Dies hat den großen Vorteil, dass bei entsprechender Positionierung die thermomechanische Belastung der elektrischen und elektronischen Komponenten deutlich kleiner ausfällt als beim elektrisch unterstützten Turbolader. Der eBooster ermöglicht es, kleine und sparsame hoch aufgeladene Motoren zu entwickeln, deren dynamisches Verhalten dem eines leistungsgleichen großen Saugmotors entspricht. Die Überlegenheit des eBoosters konnte in enger Kooperation mit verschiedenen Kunden sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren eindrucksvoll demonstriert werden.

Fazit:

Konsequentes und umfassendes Downsizing, also die Verkleinerung des Hubraumes mit gleichzeitiger Anpassung aller für die Motorleistungscharakteristik und das Abgasverhalten relevanten Systeme und Komponenten, gilt im Hinblick auf deutliche Absenkungen beim Kraftstoffverbrauch und minimale Abgasemissionen als das attraktivste Konzept bei Benzinmotoren. Im Motorenbau erzielt Downsizing eine Verbrauchsreduktion durch Verminderung des Hubraums unter Beibehaltung der Motorleistung. Dies wird meist erreicht durch Aufladungf. Die Erhöhung der Drehzahl bewirkt ebenfalls Hubraumverminderung, hat aber den Nachteil erhöhter Reibungsverluste. Downsizing geht einher mit Verminderung der Zahl der Zylinder oder Verkleinerung des Hubraums pro Zylinder oder beidem. Eine Erhöhung des Mitteldruckes z. B. durch Aufladung führt bei gleichem Hubraum zu einer Steigerung der effektiven Leistung. Bei kleinerem Hubraum können gleiche Leistungsdaten wie mit einem großhubigen Motor erreicht werden. So lässt sich mit einem aufgeladenen Vier-Zylinder-Motor mit 1,8 l Hubraum die Leistung eines Sechs-Zylinder-Saugmotors mit 2,6 l Hubraum darstellen. Höhere Verdichtung erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad eines Motors. Ein kleinerer Hubraum hat eine kleinere Oberfläche, über die geringere Energieverluste durch Wärmetransport entstehen. Ebenso werden die Reibungsverluste mit sinkendem Hubraum reduziert, wenn die Drehzahl gleichbleibt. In Zukunft werden wir in der Praxis viele weitere Motoren mit dieser Technologie, insbesondere Turbomotoren, antreffen. Die Anforderungen an die kleineren, aber wesentlich höher belasteten Bauteile werden ebenso zunehmen, wie die Anforderungen bei Diagnose und Instandsetzung in der Kfz-Werkstatt. Wir werden Sie deshalb auf dem Laufenden halten. Jürgen Rinn