Turbomotoren: Die Vermessung des Ladedrucks ist der Schlüssel zum Erfolg

Um den immer schärferen gesetzlichen Abgasreglungen weltweit Herr zu werden, setzen OEMs verstärkt auf immer kleinere Ottomotoren. Diese immer kleineren Motoren verbrauchen weniger Treibstoff und stossen weitaus weniger Emissionen aus. Allerdings benötigen sie eine Motoraufladung, eine Methode der Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren durch Luftzuführung mit erhöhtem Druck, um Verbrauchern die Leistung zu bieten, die sie von modernen Fahrzeugen kennen



Das Fahrgefühl diese kleineren Turbomotoren muss dem der grösseren, freisaugenden Gegenstücken mindestens ebenbürtig sein. Dafür braucht es den vollen Antriebsdruck bei niedriger Motorendrehzahl. Gleichzeitig soll ein Kraftverlust bei voller Geschwindigkeit vermieden werden. Das gelingt nur mit einem hochentwickelten Ladedruckregelsystem.

Eine der hauptsächlichen Herausforderungen ist dabei die präzise Regelung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses nahe am stöchiometrischen Wert bei unterschiedlichen Ladedrücken.

Druckregelung mit turbinenseitigen Bypass

Die Regelung des turbinenseitigen Bypasses ist die einfachste Form der Ladedrucküberwachung.

Sobald ein spezifischer Ladedruck erreicht ist, wird ein Teil des Abgasstroms mittels eines Bypasses um die Turbine herum geleitet. Eine federbelastete Membran steuert für gewöhnlich das Ladedruckregelventil an, das den Bypass in Abhängigkeit vom Ladedruck öffnet und schliesst.

Druckregelung mit variable Turbinengeometrie

Zur Steuerung des Ladedrucks haben Hersteller in jüngerer Vergangenheit auf variable Turbinengeometrie zurückgegriffen. Diese Herangehensweise ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt der Turbine den Betriebsparametern des Motors entsprechend anzupassen.

Bei niedrigen Drehzahlen wird der Strömungsquerschnitt durch das Verschliessen der Leitschaufeln verringert. Der Ladedruck und somit auch der Drehmoment der Motoren wird infolge des grösseren Druckabfalls zwischen Turbinenein- und -austritt vergrössert. Bei der Beschleunigung von niedrigen Drehzahlen öffnen sich die Zugänge und passen sich den korrespondierenden Motoranforderungen an.

Durch die Regulierung des Strömungsquerschnitts der Turbine für den jeweiligen Betriebspunkt kann die Abgasenergie und somit auch die Effizienz des Turboladers optimiert werden. Die Effizienz des Motors wird dank dieser Methode im Vergleich zur Bypass-Steuerung weiter gesteigert.

Elektronische Ladedruckregelsysteme

Inzwischen werden meist elektronische Ladedruckregelsysteme in modernen Ottomotoren eingesetzt. Verglichen mit der rein pneumatischen Regelung, die nur als Begrenzung des Volllastdruckes wirken kann, ermöglicht eine flexible Ladedruckregelung die Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillast.

Der Betrieb der Klappen (oder Ventile) ist einem modulierten Regeldruck anstelle eines vollen Ladedrucks unterworfen und kann in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Ladelufttemperatur, Zündpunktverstellung und Kraftstoffqualität eingestellt werden.

Simulation reduziert Produktionszeit und Entwicklungskosten

In Anbetracht der Fülle an komplexen Variablen setzen die Hersteller während der Entwurfs- und Testphase auf Simulationen.

Eine weitere Hürde, die es es zu nehmen gilt, ist der enge Bereich, indem der Zentrifugalkompressor bei hohen Ladedrücken stabil arbeiten muss.

Weitreichende Versuche unter realen Bedingungen sind die einzige Möglichkeit, ein wirksames Simulationsmodell zu entwickeln. Die Versuche werden hauptsächlich an Motorprüfständen in Klimakammern durchgeführt.

Bei den offenen und zum Teil gedrosselten Testläufen werden die folgenden Druckinformationen aufgezeichnet:
•Saugrohrdruck
•Ladedruck
•Luftdruck

Um ein klares Bild der Motorleistung über den kompletten Motordrehzahlbereich zu erhalten, laufen die Tests unter Berücksichtigung der Motortemperaturen ab (Kühlmittel und Öl).

Während des Testdurchlaufs ist es wichtig, dass die Ingenieure jede Leistungsabweichung aufzeichnen. Vorkommnisse wie Abgaspulsationen, die bei bestimmten Motordrehzahlen zu stehenden Wellen führen können und das Laufrad bei kritischen Frequenzen anregen können, vermindern die Lebenszeit des Turbos oder führen gar zu katastrophalen Ausfällen.

Daher ist die Messung der Druckleistung des Kompressors und der Turbine entscheidend für die Entwicklung eines akkuraten Extrapolationsmodells zur Implementierung während der Simulation.

Ein gut entwickeltes Simulationsmodell spart Entwicklern Zeit und Geld bei Prüfstand- und Strassentests. Voraussetzung hierfür sind jedoch ausführliche Aufzeichnungen zu den auftretenden Drücken.