Variabel zu mehr Motoreneffizienz

×

Die Ankündigung von Bosch Mahle Turbo Systems (BMTS), eine variable Turbinengeometrie (VTG) für Abgasturbolader preisgünstig für Großserien-Ottomotoren anbieten zu können, glich einem Paukenschlag. Denn bislang war die Technik, bei der verstellbare Leitschaufeln den Abgasstrom je nach Drehzahlbereich optimal auf das Turbinenrad des Abgasturboladers lenken, hauptsächlich für Turbo-Dieselmotoren verfügbar. Bei Ottomotoren galten die Abgastemperaturen von bis zu 1000 °C als große Hürde, weshalb allenfalls das hochpreisige Segment wie der Supersportwagen Porsche 911 Turbo von VTG-Turboladern profitieren konnten.

In seinem Onlinebeitrag "Durchbruch für variable Turbinengeometrie beim Ottomotor" beschreibt Martin Westerhoff, warum sich das bald ändern könnte. So habe BMTS nach eigenen Angaben eine patentrechtliche geschützte Verstellgeometrie entwickelt, die sich aufgrund ihrer konstruktiven Gestaltung auch bei hohen Temperaturen nur unwesentlich thermisch verformt. Denn die Deckscheibe ist vom Turbinengehäuse thermisch entkoppelt. Dadurch können beim Einsatz in Dieselmotoren geringere Leitschaufelspalte eingestellt werden. Das bewirkt eine geringere Leckage und somit einen höheren Wirkungsgrad. Für den ottomotorischen Betrieb nimmt BMTS lediglich Werkstoffanpassungen vor und stellt damit bereits Abgastemperaturen von 900 °C sicher. Weitere Maßnahmen sollen den Einsatzbereich auf bis zu 980 °C erweitern. Damit sollen zwei wesentliche Applikationsziele erreicht werden: Entweder die Motorleistung zu steigern, oder den Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb abzusenken.

Die Emissionsgesetzgebung treibt die Entwicklungen

Die Neuentwicklung kommt zur richtigen Zeit. Bereits im Interview "Unsere Kunden müssen alle Register ziehen" für die MTZ 9/2015 warnte Martin Kropp, Leiter der Vorausentwicklung bei Bosch Mahle Turbo Systems: "Das Thema ist durch die immer strengere CO2-Gesetzgebung deutlich komplizierter geworden als noch vor ein paar Jahren."

Auch Johannes Scharf, Tolga Uhlmann, Andreas Balazs und Raul Tharmakulasingam wissen, dass moderne Ottomotoren in aktuellen Entwicklungsprogrammen mit einer Reihe von zusätzlichen Techniken aufgewertet werden. In ihrem Beitrag "Gezielte Wirkungsgradoptimierung des Ottomotorkennfelds" für die MTZ 6/2016 schreiben sie: "Treiber sind hierbei global anziehende CO2-Grenzwerte. Diese sind marktspezifisch formuliert und derart ambitioniert, dass bei Fahrzeugherstellern eine kombinierte Strategie aus Elektrifizierung und Wirkungsgradoptimierung des ottomotorischen Antriebs beobachtet werden kann." Als Beispiel für die Aufwertung nennen die Autoren die variable Turbinengeometrie: "Der Einsatz dieser Variabilität in der Aufladung des Ottomotors war bislang durch das Spannungsfeld Hochtemperaturbeständigkeit und Turboladerbauteilkosten gehemmt." Im Zuge erforderlicher Wirkungsgradsteigerungen und des zunehmenden Technologieeinsatzes rücke die Technik wieder verstärkt ins Blickfeld, wobei Abgastemperaturen bis zu 950 °C darstellbar seien.

Schon früh wurde die Basis für Weiterentwicklungen gelegt

Dass es sich dabei eigentlich um eine durchaus bekannte Technik handelt, die nunmehr nur für weitere Applikationsfelder aufgemöbelt wird, zeigt ein Blick ins Archiv. Bereits in der Ausgabe 2/2007 der MTZ beschrieben Holger Gabriel, Stefan Jacob, Uwe Münkel, Helmut Rodenhäuser und Hans-Peter Schmalzl in ihrem Beitrag "Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie für Ottomotoren" die Grundsätze der im Porsche 911 Turbo realisierten Anwendung. Dabei ließen die Autoren keinen Zweifel daran, dass die geschaffene Basis zur Weiterentwicklung geeignet sei: "Die nun folgenden Meilensteine werden die Implementierung der nächsten VTG-Generation, der Einsatz neuer Turbinen- und Verdichterradtypen sowie die Umstellung auf neuartige Turbinengehäuse sein. Die gewonnenen Erfahrungen der letzten Jahre erleichtern dabei die Umsetzung kostengünstiger Lösungen."

Die Kombination aus Aufladung und Entdrosselung durch Betriebspunktverlagerung erschließt zwar deutliche Verbrauchspotenziale, verschärft jedoch mit zunehmendem Aufladegrad die Problematik des ottomotorischen Klopfens beziehungsweise der Vorentflammung der Ladung. Darauf weisen M. Scheidt, Ch. Brands, M. Lang, M. Kratzsch, M. Günther, N. Elsner, T. Spannaus und C. Vogler in ihrem Beitrag  "Kombinierte Miller-Atkinson-Strategie für zukünftige Downsizing-Konzepte" im Begleitband "Internationaler Motorenkongress 2014" hin. Doch die Autoren wissen auch, wie sich Abhilfe schaffen lässt: "Die Anwendung von Miller-Atkinson-Strategien zur Senkung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch variable Einlass-Schließ-Zeitpunkte wirkt dieser Problematik entgegen."