Aufladung von Verbrennungsmotoren

Die Aufladung übernimmt der von Volkswagen entwickelte G 60 Spirallader. /1/

Der Motor hat eine Leistung von 155 kW/6500 1/min, was einer Literleistung von 87 kW/Ltr. entspricht.

Mit dieser Motorisierung erreicht der unter dem Namen „Golf Limited“ über VW-Motorsport Hannover vertriebene Golf syncro eine Spitzengeschwindigkeit von 230 km/h und eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 6,7 Sekunden.

Merkmale des Motorkonzeptes

Der Druckwellenlader Comprex hat bei PKW-Dieselmotoren seine erste breite Anwendung gefunden. Ideale Schluck-Charakteristik und die Eigenschaft des unverzögerten Druckaufbaus machen ihn jedoch zu einer interessanten Lader-Alternative für alle Fahrzeugmotoren, insbesondere unter verschärften Emissionsbedingungen. Einem neuen Regeleingriff, wodurch Druck und Wirkungsgrad bei Teillast erheblich gesteigert werden können und der Möglichkeit der katalytischen Nachoxidation im Zellenrad kommen dabei erhöhte Bedeutung zu. Laufleistungen über 1 Million Kilometer (LKW) und über 10’000 Stunden (Traktor) in Pilotflotten zeigen, dass auch bezüglich der technischen Reife die Voraussetzungen für Nutzfahrzeuganwendungen geschaffen sind.

Ein 2.3Itr. Reihen-Vier-Zylinder Viertakt Turbo-Dieselmotor ist mit einer kombinierten Aufladung, nämlich der Kombination von Abgasturboaufladung und Schwingrohraufladung nach Dr. Cser, versehen worden [1]. Es ergibt sich vor allem im unteren Drehzahlbereich eine deutliche Erhöhung des Liefergrades. Dadurch wird das Ansprechverhalten und die Elastizität des Motors verbessert.

Die Anwendung der Abgasturbo-Aufladung für Serien-PKW war zu Beginn der Entwicklung nicht sehr erfolgversprechend. Die ersten Abgasturbo-Motoren für PKWs kamen 1963 in den USA auf den Markt und waren nur etwa ein Jahr in Produktion. Nachdem in Deutschland die Abgasturbo-Aufladung im Rennsport auch gutes Ansprechverhalten für schnelle Laständerungen unter Beweis stellen konnte, hielt im Jahre 1973 auch hierzulande die Abgasturbo-Aufladung bei den Serien-PKW unter den Anforderungen des hiesigen Straßenverkehrs Einzug. Neben der höheren spezifischen Leistung (Bild 1) wurden gutes Lastansprechverhalten und zeitgemäße Standfestigkeit erwartet.

Die Aufladesysteme der großen, langsamlaufenden Zweitaktdieselmotoren für Schiffsantriebe und stationäre Anlagen sind heute im Prinzip alle gleich. Sie sind gekennzeichnet durch Längsspülung, große Luft- und Abgasreceiver (Stauaufladung) sowie ein elektrisch angetriebenes Hilfsgebläse für Start und Teillastbetrieb. Um die Spülung im ganzen Betriebsbereich sicherzustellen, sind Turbolader mit sehr hohem Wirkungsgrad und großer Förderkapazität erforderlich. Bevorzugt wird die VTR-Bauart mit Axialturbine, außenliegenden Wälzlagern und autonomem Schmiersystem wegen ihrer Vorteile beim Start und im Teillastbetrieb sowie bei der Wartung.

In den kommenden Jahren wird die Senkung der Anlagekosten durch Erhöhung der Zylinderleistung und damit der Ladedrücke an Bedeutung zunehmen. Dies erfordert Abgasturbolader hohen Wirkungsgrades und deren Weiterentwicklung zu hohen Druckverhältnissen. Darüber hinaus werden mit steigenden Aufladegraden zusätzliche Maßnahmen am Turbolader und/oder Aufladesystem zur Verbesserung des Teillastverhaltens erforderlich werden.

Im vorliegenden Beitrag wird über strömungs- und schwingungstechnische Untersuchungen bei der Entwicklung der Turboladerkomponenten Verdichter und Turbine sowie Müglichkeiten zur Teillastverbesserung, wie z. B. Umblasen und Eintrittsdrall berichtet. Der Entwicklungsstand wird anhand von Versuchsergebnissen an Zwei- und Viertaktmotoren dargestellt.

Durch die im Hause MTU entwickelte Registeraufladung wird für hochaufgelandene schnellaufende Dieselmotoren eine sehr effiziente Erhöhung des Ladedruckes im Teillastbereich erzielt, wobei die guten Betriebswerte im Vollastpunkt des Motors erhalten bleiben. Am Beispiel der einstufig aufgeladenen MTU-Motorbaureihe 396 TE 04, mit einem Mitteldruck von 20,2 bar, und der zweistufig aufgeladenen Motorbaureihe 1163 TB 03, mit einem Mitteldruck von 29,3 bar, wird die positive Auswirkung der Registeraufladung auf die Motorkennfeldcharakteristik gezeigt. Durch eine einfache Regelung der Ladelufttemperatur wird erreicht, daß die Motoren für alle Betriebszustände und Einsatzbedingungen gute Betriebswerte haben.

Durch den Einsatz von analytischen Methoden werden die Einzelkomponenten wie das Ladeluftleitungssystem nach aerodynamischen Gesichtpunkten optimiert. Die theoretische Simulation des Gesamtsystems erlaubt für den transienten und stationären Einsatzfall die Einzelkomponenten thermodynamisch optimal aufeinander abzustimmen und ihr Verhalten bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen und Betriebszuständen zu analysieren.

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren ist insbesondere im Bereich grösserer Leistungen, dem Anwendungsfeld des Dieselmotors, seit langem keine Frage zukunftsträchtiger Entscheidungen mehr. Großdieselmotoren werden bereits seit Jahrzehnten nahezu ausschließlich aufgeladen und der Trend zeichnet sich zunehmend zu kleineren Leistungen bis hin zum Fahrzeugmotor ab. Auch das zur Anwendung kommende Verfahren ist mittlerweile fast zweifelsfrei. Die Vorteile der Abgasturboaufladung liegen nicht nur in dem vielschichtigen Gewinn an Wirtschaftlichkeit, sondern lassen sich vermehrt bis in den Bereich der Schadstoffreduzierung ausdehnen.

Im Laufe der vergangenen Jahre hat Porsche verschiedenste Aufladetechniken untersucht. Ziel dieser Untersuchungen war die Verbesserung des stationären und instationären Betriebsverhaltens von Turbo-Motoren für Sportwagen.

Die Motoreigenschaften des Porsche 944 Turbo S konnten durch Einsatz der Stoßaufladung sowohl unter stationären wie unter instationären Bedingungen verbessert werden.

Die Analyse des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems Motor-Gestriebe-Fahrzeug füte zu einem einfachen rechnerischen Ansatz, um das instationäre Verhalten des Motors im Fahrzeug vorherzusagen.

Mit Hilfe dieses Modells wurde nachgewiesen, daß variable Turbinengeometrie und Registeraufladung zu ähnlich guten instationären Eigenschaften führen. Doch wird die spezifische geometrie deutlich begrenzt.

Verglichen mit einer Stoßaufladung mit einem einzelnen Turbolader verbessert die Doppelaufladung mit zwei kleinen Abgasturboladern das instationäre Verhalten des Motors bei der hier vorgebenen spezifischen Motorleistung nur geringfügig.

Bei den PKW Anwendungen wird der Gasdurchsatz durch die Turbine derzeit mit Hilfe eines “Bypass” Abblaseventils geregelt. Diese Regelungsmöglichkeit kann auch an Nutzfahrzeuganwendungen realisiert werden. Es handelt sich hierbei um eine einfache und erprobte Ausführung. Sie kann zur Erzielung eines schnellen Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen oder für den Betrieb bei optimalen Wirkungsgraden angepaßt werden. Eine Verwirklichung beider Ziele ist jedoch nur durch Akzeptierung von Kompromissen möglich. Deswegen ist eine differenzierende Turbinengasdurchsatz-Regelungsauslegung mit einer optimalen Ausnutzung der Abgasenergie über den gesamten Drehzahlbereich des Motors von großer Bedeutung. Die Lösung hierfür ist die Verwendung einer dem Turbinenrad vorgeschalteten beschaufelten Statorstufe.Sie besteht aus einer Serie von verstellbaren Schaufeln, die im Turbinengehäuse integriert werden.

Inhalt der folgenden Ausführungen ist die vergleichende Untersuchung des Betriebsverhaltens von leitschaufel- und bypassgeregelten Pkw-Abgasturboladern sowohl in experimenteller als auch in theoretischer Hinsicht. Dabei wird besonderes Augenmerk auf den Einfluß der diabaten Betriebsbedingungen gelegt, denen im Fall des Abgasturboladers durch die unmittelbare Nähe von ‚kaltem‘ Verdichter und ‚heißer‘ Turbine eine besondere Bedeutung zukommt. Es wird gezeigt, inwieweit sich zum einen die abgegebene Wellenleistung der Turbine infolge von Wärmeverlusten verringert und inwieweit sich zum anderen die mechanische Leistungsaufnahme des Verdichters infolge der zusätzlichen Wärmezufuhr seitens der Turbine erhöht. Die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen am Verbrennungsmotor dienen der Darstellung des Zusammenwirkens der drei Hauptkomponenten Turbine, Verdichter und Motor, wobei der Einfluß der Leitschaufelverstellung auf das Gesamtsystem besondere Berücksichtigung findet. Die Ergebnisse eines eindimensionalen Berechnungsalgorithmus zur Simulation des Zusammenspiels von Motor und leitschaufelgeregeltem Turbolader werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen.