Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung
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4.1 Aufladung 185
Die Differenz zur isentropen Verdichtung ohne Zwischenkühlung ǻw
t
kann in
beiden Diagrammen kenntlich gemacht werden.
Abb. 4.28. Zweistufige, adiabate und isentrope Verdichtung mit Zwischenkühlung
Die ungeregelte, zweistufige Aufladung weist jedoch auch einige Nachteile auf.
Abgesehen von dem erhöhten Bauraumbedarf und dem damit verbundenen Kos-
tenzuwachs wirkt sich aus technischer Sicht vor allem das wesentlich schlechtere
Lastwechsel- bzw. Responseverhalten nachteilig aus, da mit dem Abgasmassen-
strom nacheinander zwei Turboladerlaufzeuge beschleunigt werden müssen und
die zusätzlichen Bauteile eine große thermische Trägheit aufweisen. Die Entnah-
me eines Teils der Abgasenthalpie verzögert grundsätzlich den Light-Off nachge-
schalteter Abgasnachbehandlungssysteme. Darüber hinaus startet aufgrund des
umfangreicheren Rohrleitungssystems auch der eigentliche Druckaufbau mit zeit-
licher Verzögerung, da das zusätzliche Volumen zunächst mit Luft gefüllt werden
muss, bevor ein spürbarer Druckanstieg bzw. Ladedruckaufbau einsetzt. Insge-
samt betrachtet erfüllt die ungeregelte zweistufige Aufladung nicht die Anforde-
rungen, die für einen dynamischen Motorbetrieb mit häufigen Lastwechseln not-
wendig sind. Daher liegen die Anwendungen weniger im Fahrzeugbetrieb als
vielmehr bei Zweitakt-Großmotoren.
4.1.4 Verfahren zur Hochaufladung
Downsizing-Konzepte erfordern zur Realisierung hoher Mitteldrücke sehr leis-
tungsfähige Aufladesysteme, die sich einerseits durch hohe Ladedrücke auch bei
niedrigen Motordrehzahlen, breite Verdichterkennfelder und hohe Verdichter- und
Turbinenwirkungsgrade auszeichnen und andererseits schnell auf Laständerungen
reagieren können. Motoren für Fahrzeuganwendungen stellen in dieser Hinsicht
besondere Anforderungen. Im Idealfall sollte der Motor sowohl im stationären als
auch im instationären Betrieb im unteren Drehzahlbereich eine deutliche Dreh-
momenterhöhung im Vergleich zum derzeitigen Stand ermöglichen, siehe
Abb. 4.29. Zur Darstellung einer hohen Maximalleistung sind darüber hinaus auch
das Volllastmoment bei Nenndrehzahl zu erhöhen. Das führt bei zukünftigen Mo-
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toren zu einer weiteren Steigerung der Leistungs- und Drehmomentdichte. Neben
einer Leistungssteigerung können die leistungsfähigen Aufladesysteme darüber
hinaus auch zur Absenkung des Schadstoffausstoßes genutzt werden.
Abb. 4.29. Volllastmitteldruckverlauf heutiger und zukünftiger aufgeladener Motoren für
den Fahrzeugeinsatz
Heutige Pkw-Dieselmotoren wären ohne Aufladung und Ladeluftkühlung nicht
mehr in der Lage, die strengen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten. Durch
Anhebung des Luftverhältnisses in emissionskritischen Kennfeldbereichen des
Motors können beim dieselmotorischen Brennverfahren sowohl die Stickoxid- als
auch die Rußemissionen abgesenkt werden, da das Sauerstoffangebot erhöht und
die maximale Zylindertemperatur reduziert werden.
Hinsichtlich des Responseverhaltens gilt der Saugmotor nach wie vor als Maß-
stab. Er ist in der Lage, bei Bedarf das stationäre Volllastdrehmoment praktisch
ohne Zeitverzug zur Verfügung zu stellen. Aufgeladene Motoren werden sich
daher stets mit dem klassischen Saugmotor messen lassen müssen. Um eine ge-
steigerte Kundenakzeptanz zu erreichen, kann konsequentes Downsizing daher
nicht mit einfachen Aufladesystemen realisiert werden. Um die mit dem Downsi-
zing verbundenen Potenziale zur Senkung des Kraftstoffverbrauches nutzen zu
können, wurden im Laufe der Zeit zahlreiche neue Aufladekonzepte untersucht,
die in erster Linie auf der Abgasturboaufladung basieren. Viele dieser Konzepte
sind zwar mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, sie können jedoch einen Groß-
teil der Problembereiche konventioneller Aufladesysteme deutlich entschärfen und
damit zu einer besseren Kundenakzeptanz beitragen. Grundüberlegung ist die
Verwendung mehrerer Abgasturbolader, die einzeln angesteuert werden können
und damit je nach Motorkennfeldbereich ihr bevorzugtes Einsatzgebiet haben.
Registeraufladung
Werden mehrere Abgasturbolader gleicher oder unterschiedlicher Größe parallel
angeordnet und in Abhängigkeit des Last- und Drehzahlbereiches des Motors
eingesetzt, spricht man von einer Registeraufladung (S
equential Turbocharging,
STC). Damit gelingt es, die Strömungsmaschine Abgasturbolader über einen sehr
breiten Kennfeldbereich an die Kolbenmaschine Verbrennungsmotor anzupassen,
4.1 Aufladung 187
sodass sowohl das stationäre als auch das instationäre Volllast-Betriebsverhalten
deutlich verbessert und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Die Regis-
teraufladung kann ein- oder zweistufig ausgeführt sein. Im Gegensatz zur zweistu-
figen Aufladung, bei der die einzelnen Abgasturbolader in Reihe angeordnet sind,
teilen sich bei der Registeraufladung sowohl der Luft- als auch der Abgasmassen-
strom in verschiedene Pfade auf. Damit ist es möglich, den Betriebsbereich bzw.
das Kennfeld des Motors durch Verwendung entsprechend geeigneter Turbolader
zu unterteilen.
Je nach Last und Drehzahl werden die einzelnen Turboladergruppen über ex-
tern und elektronisch gesteuerte Abgas- und Luftklappen zu- oder abgeschaltet.
Um den Turbolader zu beschleunigen, wird zunächst die Abgasklappe geöffnet.
Der Öffnungsvorgang der Luftklappe muss dann genau zu dem Zeitpunkt erfol-
gen, zu dem der Verdichter das durch die bereits betriebenen Verdichter aufgebau-
te Druckverhältnis erreicht. Abbildung 4.30 zeigt beispielhaft eine mit Hilfe von
drei Abgasturboladern unterschiedlicher Baugröße realisierte Registeraufladung
mit Wechselschaltung. Durch Einzelbetrieb oder Kombination zweier unterschied-
lich großer ATL kann das Motorkennfeld z.B. in fünf Bereiche unterteilt werden,
wobei jeder Bereich sein eigenes Wirkungsgradmaximum hat.
Abb. 4.30. Registeraufladung mit drei Abgasturboladern und Wechselschaltung (schema-
tisch)
Jeder Turbolader kann damit entsprechend seiner Kapazität luft- und abgassei-
tig mit hohen Wirkungsgraden betrieben werden. Bei plötzlichem Übergang vom
Teillast- zum Volllastbetrieb steht stets genügend Ladedruck zur Verfügung. An-
hand dieser Darstellung wird deutlich, dass sowohl das maximale Drehmoment im
unteren Drehzahlbereich erhöht als auch der resultierende Kraftstoffverbrauch
durch Registeraufladung gesenkt werden kann.
Während die Registeraufladung bei schnelllaufenden Hochleistungsdieselmoto-
ren der Firma MTU Friedrichshafen GmbH seit langem serienmäßig im Einsatz
ist, hat es im Pkw-Ottomotorenbereich nur vereinzelte Anwendungen gegeben,
z.B. bei den Firmen Porsche, Mazda und Subaru. Infolge des im Fahrzeugeinsatz
genutzten, breiten Drehzahlbandes ist u.U. ein häufigeres Schalten zwischen den
einzelnen Abgasturboladern erforderlich. Die dadurch bedingte hohe Schaltfre-
188 4 Relevante Subsysteme und Prozesse
quenz stellt hohe Anforderungen an die entsprechenden Aktoren (Luft- und Ab-
gasklappen) und erschwert die Darstellung eines stetigen Drehmomentverlaufes
ohne sprunghafte Drehmomentänderungen. Die Registeraufladung bietet sich
daher in erster Linie für Motoren an, die zwar in unterschiedlichen Drehzahlberei-
chen betrieben werden, jedoch keine zu hohe Schaltfrequenz aufweisen. Bevor-
zugtes Einsatzgebiet ist und bleibt daher das Segment schnelllaufender Hochleis-
tungsdieselmotoren.
Die Registeraufladung im Porsche Typ 959 war die erste Anwendung im Pkw-
Ottomotoren-Segment [BAN86] und führte zu einer für Serienfahrzeuge sehr
hohen spezifischen Leistung von etwa 116 kW/dm
3
bei einem maximalen, effekti-
ven Mitteldruck von über 22 bar. Hierbei sind in Abhängigkeit der Drehzahl ent-
weder ein oder zwei Abgasturbolader in Betrieb. Abb. 4.31 stellt die Strömungs-
wege des Abgases und der Ladeluft für die drehzahlabhängigen Betriebsweisen
dar. Der Übersicht halber sind die Ladeluftkühler nicht aufgeführt. Zum Einsatz
kommen zwei gleiche Turbolader relativ kleiner Baugröße, wobei der erste über
den gesamten Drehzahlbereich in Betrieb ist.
Abb. 4.31. Schema der Porsche-Registeraufladung
4.1 Aufladung 189
Bei niedrigen Drehzahlen wird der gesamte Abgasmassenstrom über diesen
Turbolader geleitet, bis der gewünschte Ladedruck erreicht wird. Turbinen- und
Verdichterzuschaltventil sowie das Wastegate sind geschlossen, und der rechte
ATL ist nicht in Betrieb.
Sobald der gewünschte Ladedruck erreicht ist und das Abgasangebot weiter
steigt, wird der überschüssige Abgasteilstrom zum zweiten Turbolader geleitet.
Infolge der dadurch bedingten Beschleunigung des zweiten ATL wird im zweiten
Verdichter Luft gefördert und dem ersten Verdichter nahezu drucklos über das
Entlüftungsventil zugeführt. Das Wastegate ist geschlossen, und der Ladedruck
wird über das Turbinenzuschaltventil geregelt. Können beide Abgasturbolader ab
einer bestimmten Drehzahl ausreichend mit Abgasenergie versorgt werden, wird
der zweite Abgasturbolader durch vollständiges Öffnen des Turbinenzuschaltven-
tils und Schließen des Entlüftungsventils in Betrieb genommen. Der Druck hinter
dem zweiten Verdichter steigt stark an und öffnet das Verdichterzuschaltventil,
sodass die verdichtete Luft vom zweiten ATL zusätzlich zum Luftvolumenstrom
des ersten ATL in das Saugrohr gefördert wird. Luft und Abgas teilen sich dann
gleichmäßig auf beide Turbolader auf. Bei weiterer Steigerung der Motordrehzahl
wird das überschüssige Abgas zur Ladedruckregelung über ein Wastegate abge-
blasen.
Eine besondere Herausforderung stellt die Auswahl der geeigneten Turbolader
und die zuverlässige Regelung der Schaltventile dar. Ziel ist die Realisierung eines
harmonischen Drehmomentverlaufs ohne Drehmomentsprünge während der Um-
schaltung unter allen Betriebsbedingungen. Abb. 4.32 zeigt den stationären Dreh-
momentverlauf bei Volllast im Einlader- und Doppelladerbetrieb im Vergleich
zum konventionellen Biturbo-Betrieb, bei dem sowohl der Abgas- als auch der
Luftstrom zu jeder Zeit auf beide Turbolader verteilt werden. Infolge der Register-
aufladung können das stationäre Volllastmoment im unteren Drehzahlbereich
sowie das Ansprechverhalten des Motors deutlich verbessert werden.
Abb. 4.32. Drehmomentverlauf des Porsche 959 mit Registeraufladung
190 4 Relevante Subsysteme und Prozesse
Die Firma Mazda hat im Jahre 1991 ein Registeraufladesystem (STT Sequenti-
al T
win Turbo) für einen Wankelmotor vorgestellt, das zwei unterschiedlich große
Abgasturbolader verwendet [TAS91]. Als Herausforderung haben sich auch hier
die optimale Auslegung der einzelnen Abgasturbolader, die Sicherstellung der
Schaltbarkeit sowie die Darstellung eines stetigen Drehmomentverlaufs herausge-
stellt. Ein Vergleich der Verdichterkennfelder bei konventioneller Aufladung und
Registeraufladung mit den entsprechenden Motorbetriebslinien zeigt das Potenzial
der Registeraufladung auf, Abb. 4.33. Die Betriebspunkte im Verdichterkennfeld
liegen über den gesamten Drehzahlbereich in wirkungsgradgünstigen Bereichen.
Durch die zwei Verdichter ist somit ein gutes Zusammenwirken von Abgasturbo-
lader und Verbrennungsmotor gegeben.
Abb. 4.33. Verdichterkennfelder mit Motorbetriebslinien bei konventioneller und Register-
aufladung [TAS91]
Abbildung 4.34 zeigt das Prinzip einer zweistufigen Registeraufladung mit dem
dazugehörigen Motor- und Verdichterkennfeld an einem Hochleistungsdieselmo-
tor der MTU Friedrichshafen GmbH. Der Übersichtlichkeit halber sind im Prin-
zipschaltbild nur zwei Aufladegruppen dargestellt, wobei eine Aufladegruppe aus
einem Niederdruck- und einem Hochdruck-ATL mit Zwischenkühlung besteht.
Real verfügt der Motor über vier Aufladegruppen mit dem entsprechend vier
ATL-Kennfeldbereichen (I, II, III, IV). Mit dieser Anordnung ist ein sehr breites
Motorkennfeld mit hohen Drehmomenten bei geringen Drehzahlen realisierbar.
Der gesamte, vom Motor abgegebene Abgasmassenstrom durchströmt im unteren
Motorkennfeldbereich (Fahrbereich I) zunächst nur eine Aufladegruppe. Die
Schaltklappen der anderen Aufladegruppen sind dabei geschlossen. Die sukzessi-
ve Zuschaltung der anderen Ladergruppen erfolgt dann last- bzw. drehzahlabhän-
gig, sodass im Nennleistungsbereich (Fahrbereich IV) alle vier Ladergruppen in
Betrieb sind.
Innerhalb eines Fahrbereiches wird die Verdichtungsarbeit aufgrund des zu-
nächst geringen Abgasmassenstroms nahezu vollständig über den Hochdruck-
ATL geleistet. Der Niederdruck-ATL läuft dann im Leerlauf mit. Nimmt der Ab-
gasmassenstrom weiter zu, wird auch die Niederdruckstufe an der Verdichtung
4.1 Aufladung 191
beteiligt, und der Ladedruck steigt deutlich an. Aufgrund der Vorverdichtung
durch den Niederdruck-Verdichter ist der kleinere Hochdruck-Verdichter in der
Lage, den erhöhten Luftmassenstrom durchzusetzen. Zur optimalen Abstimmung
des Motors an den Anwendungsfall sind andere Schaltstrategien zur Unterteilung
des Motorkennfeldes möglich.
Abb. 4.34. Schema der zweistufigen Registeraufladung mit Motor- und Verdichterkennfeld
eines Hochleistungsdieselmotors [KLO00]
Anhand der Volllast-Betriebslinien im Verdichterkennfeld wird deutlich, dass
Motoren mit Registeraufladung breite Verdichterkennfelder benötigen. Die Regis-
teraufladung ermöglicht im unteren Drehzahlbereich ein höheres Stationärdreh-
moment, da die relativ kleine Abgasturbine infolge des hohen Aufstaudruckes
bereits hier einen ausreichenden Ladedruck liefert,. Durch die zweistufige Aufla-
dung mit Zwischenkühlung sind hohe effektive Mitteldrücke möglich, ohne den
Motor thermisch zu überlasten. Die Zwischenkühlung bewirkt zudem eine Steige-
rung des Auflade-Wirkungsgrades [ÖST98]. Aufgrund des höheren Luftangebotes
wird bei Dieselmotoren auch die Ruß- und NO
x
-Problematik positiv beeinflusst.
Darüber hinaus ergibt sich ein verbessertes Beschleunigungsverhalten, ohne auf
eine hohe Maximalleistung verzichten zu müssen. Im Fall einer zweistufigen Re-
gisteraufladung können darüber hinaus auch das stationäre Volllastdrehmoment
über dem gesamten Motordrehzahlbereich erhöht und effektive Mitteldrücke von
über 30 bar realisiert werden.
192 4 Relevante Subsysteme und Prozesse
Zweistufige geregelte Aufladung
Bei der zweistufigen, geregelten Aufladung (RTS Regulated Two Stage) handelt
es sich um ein hochentwickeltes, elektronisch geregeltes Aufladesystem, das eine
Kombination aus zweistufiger Aufladung und Registeraufladung darstellt und
somit die Anforderungen hinsichtlich Low-End-Torque, Maximalleistung und
Responseverhalten im Fahrzeugbetrieb voll erfüllen kann. Damit ist es möglich,
den Mitteldruckverlauf über dem gesamten Motorbetriebsbereich deutlich anzu-
heben. Dieses System ist so vielversprechend, dass sich derzeit zahlreiche Ent-
wicklungsaktivitäten mit der zweistufig-geregelten Aufladung – hauptsächlich für
Dieselmotoren – befassen, z.B. [PFL97, COO03, COL04, SCH04d, SCH04e,
STE04, WIJ04, WIT04, WOL04].
Das System besteht aus einer Reihenschaltung zweier unterschiedlich großer
Abgasturbolader (Hochdruckstufe, Niederdruckstufe) mit abgas- und luftseitiger
Bypassregelung sowie ein oder zwei Ladeluftkühlern. Für jeden Luftdurchsatzbe-
reich steht damit ein passendes Verdichterkennfeld zur Verfügung, sodass in der
Summe ein sehr breites Kennfeld abgedeckt wird. Im unteren Drehzahlbereich
kommt ein kleiner Abgasturbolader und im oberen Drehzahlbereich ein großer
Abgasturbolader zum Einsatz.
Der kleine Turbolader kann sehr viel kleiner als bei einem einstufigen System
ausgeführt werden, da er nicht den Luftmassenstrom für die Nennleistung liefern
muss. Der Betrieb bei hohen und niedrigen Drehzahlen entspricht damit der Regis-
teraufladung. Im mittleren Drehzahlbereich arbeiten beide Abgasturbolader in
Reihenschaltung, sodass nur hier eine klassische zweistufige Aufladung – aller-
dings mit relativ geringen Druckverhältnissen in den einzelnen Stufen – erfolgt.
Abb. 4.35 zeigt den effektiven Mitteldruckverlauf bei Volllast und die zugehöri-
gen Ladedrücke eines Pkw-Dieselmotors mit zweistufiger, geregelter Aufladung.
Abb. 4.35. Ladedruckverläufe der einzelnen Druckstufen und effektiver Mitteldruck bei
Volllast in Abhängigkeit der Motordrehzahl [WIT04]
4.1 Aufladung 193
Aufgrund dieses Systems sind vergleichsweise einfache Abgasturbolader ein-
setzbar, die weitgehend auf zusätzliche Regeleinrichtungen wie VTG verzichten
können und daher kostengünstiger sind. Nachteilig wirken sich die Verdoppelung
der Systemkomponenten sowie der erhöhte Regelungsaufwand aus, die beide mit
einem erhöhten Kostenaufwand verbunden sind. Über den gesamten Drehzahlbe-
reich stets stationär ein Ladedruck im Bereich von etwa 3-4 bar zur Verfügung.
Der Ladedruck wird jedoch auch bei Teillast auf einem hohen Niveau gehalten
und ermöglicht damit hohe Reserven für das transiente Betriebsverhalten.
Generell können unterschiedliche Varianten zum Einsatz kommen, die sich in
den Regelstrategien und damit in ihrem Betriebsverhalten unterscheiden. Eine
mögliche Variante, die [PFL97] im Jahre 1997 am Beispiel eines 6-Zylinder-Nfz-
Dieselmotors vorgestellt hat, vergleiche Abb. 4.36, sei im Folgenden beschrieben.
Abb. 4.36. Beispielhaftes Schema der zweistufigen, geregelten Abgasturboaufladung
Der vom Motor abgegebene Abgasmassenstrom staut sich zunächst in der Ab-
gassammelleitung auf. Bei kleinen Abgasmassenströmen bleibt der abgasseitige
Bypass vollständig geschlossen, sodass der gesamte Abgasmassenstrom in der
Hochdruckturbine expandiert und die ND-Turbine nahezu im Leerlauf durch-
strömt wird. Dadurch ergibt sich im unteren Drehzahlbereich des Motors ein
schneller und hoher Ladedruckaufbau mit einem hohen Anfahrdrehmoment. Mit
zunehmender Motordrehzahl wird die Expansionsarbeit kontinuierlich zur Nieder-
druckturbine verlagert, indem der Bypassquerschnitt entsprechend vergrößert
wird. Daher erfolgt die Aufladung im mittleren Drehzahlbereich in klassischer
Weise zweistufig. Auf der Luftseite wird der gesamte Frischluftmassenstrom
zunächst durch die Niederdruckstufe vorverdichtet und zwischengekühlt, wobei
eine Zwischenkühlung aufgrund der geringen Druckverhältnisse nicht unbedingt
erforderlich ist. In der Hochdruckstufe erfolgt anschließend eine weitere Verdich-
tung und Ladeluftkühlung. Infolge der Verdichtung in der ND-Stufe arbeitet der
kleine HD-Verdichter auf einem höheren Druckniveau, sodass dieser den erforder-
lichen Luftmassenstrom durchsetzen kann. Für den Betrieb bei hohen Motordreh-
zahlen erbringt der ND-Verdichter einen Großteil der Verdichterarbeit, wobei der
HD-Verdichter weiterhin durchströmt wird.
194 4 Relevante Subsysteme und Prozesse
Zur Absenkung der im HD-Verdichter entstehenden Druckverluste kann dieser
optional über einen Bypass umgangen werden [SCH03]. Die zweistufige, geregel-
te Aufladung ermöglicht damit eine stufenlose Anpassung sowohl der Verdichter-
seite als auch der Turbinenseite an die Erfordernisse des Motorbetriebs. Neben
einer deutlichen Verbesserung des Anfahrdrehmomentes kann das Mitteldruckni-
veau über dem gesamten Drehzahlbereich des Motors angehoben werden. Restrik-
tionen bestehen hierbei nur durch den maximalen Zünddruck (Dieselmotor) bzw.
die Klopfproblematik (Ottomotor).
In Abb. 4.37 sind das System der zweistufigen, geregelten Aufladung mit der
konventionellen einstufigen Aufladung verglichen und einige der wesentlichen
motorischen Kennwerte bei Volllast über der Motordrehzahl aufgetragen [PFL97].
Abb. 4.37. Vergleich von einstufiger und zweistufiger, geregelter Aufladung an einem Nfz-
Dieselmotor bei Volllast [PFL97]
Gegenüber der einstufigen Aufladung ergibt sich ein deutlich höherer Lade-
druckaufbau insbesondere im unteren Drehzahlbereich. Um den zulässigen Zünd-
druck nicht zu überschreiten, wird der Ladedruck ab einer Drehzahl von 1.100
1/min über die Bypassregelung auf etwa 3 bar begrenzt. Die hohen Ladedrücke
führen zu einer deutlich verbesserten Luftversorgung der Zylinder. Das Luftver-
hältnis liegt im unteren Drehzahlbereich über dem Luftverhältnis, das mittels