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TechnikEffizienzsteigerung von Motoren

Turbos machen Räume enger

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Ab 2020 dürfen alle neuen Pkw in den EU-Mitglieds­staaten nur noch maximal 95 Gramm Kohlendi­oxid pro Kilometer ausstoßen. Heute liegt die politische Obergrenze bei 130 Gramm. Kleinere Motoren mit Turbounter­stüt­zung sollen diese neue Norm gewährleisten.

19. April 2017

Downsizing heißt die Zauberformel zur Kohlendi­oxid-Reduzierung in den Auspuffgasen. Die Aggregate schrumpfen bei möglichst gleicher Leistung. Aber wenn die Kolben immer kleiner und ihre Hübe immer kürzer werden, fehlt es dem Benzin am nötigen Luftvolumen zur Verbrennung. Konsequenz: die Motorleis­tung sinkt. Damit der Motor aber nicht schlapp macht, weil ihm die Luft für die Leistung fehlt, wird das schnaufende Aggregat mit Druckluft aus einem Turbolader notbeatmet.

Turbo auf der Überholspur

Turboauf­la­dung ist keine neue Entwicklung. Bereits im Jahre 1905 meldete der Schweizer Alfred Büchi ein Patent über die Gleichdruck- oder auch Stauaufla­dung an und gilt als der Erfinder des Turbos. Ein Viertel Jahrhundert später wurden in der Schweiz von der Adolph Saurer AG bereits Diesel-Lastwagen als erste Straßenfahr­zeuge mit Turbolader produziert.

Heute erhöhen die politischen Rahmenbe­din­gungen den Druck auf die Automobil­in­dus­trie, klimaver­träg­li­chere Fahrzeuge zu produzieren, von der natürlich auch die Turbopro­duk­tion profitiert. In seinem „turbo forecast“ prophezeit der internatio­nale Mischkon­zern Honeywell die Produktion von 200 Millionen Autos mit Turbolader-Technologie innerhalb der nächsten fünf Jahre. Mehr noch: 2020, konstatieren die Honeywell-Analysten, werden 47 Prozent aller Fahrzeuge mit Turboladern ausgestattet sein.

Auch die Marktfor­scher des US-amerikani­schen Beratungs­hauses IHS prognosti­zieren ein globales Turbo-Wachstum von 8,2 Prozent für die Aufladungs­technik, während der Weltmarkt für Leichtfahr­zeuge (bis sechs Tonnen Gewicht) von 2015 bis 2020 nur um 2,7 Prozent auf 100,7 Millionen produzierte Automobile zulegen soll.

Grenzen des Downsizings

Zeigt ein Minimotor überhaupt noch ein ordentli­ches Betriebs­ver­halten? Eine Antwort auf diese Frage sollte das Forschungs­vor­haben „GDI-Grenzdurch­mes­ser“ der Forschungs­ver­ei­ni­gung Verbrennungs­kraft­ma­schinen e. V. finden. Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig haben darin zwei Zylinder­kopf­kon­zepte zur Realisie­rung eines kleinvolu­migen, direktein­sprit­zenden Ottomotors erarbeitet.

Der Forschungs­ein­zy­linder hatte einen Kolbendurch­messer von 60 Millimetern und brachte mit seinen 200 Kubikzen­ti­me­tern knapp 18 Kilowatt auf den Prüfstand. Im Vergleich dazu hat ein Smart 700cc einen Zylinder­durch­messer von knapp 67 Millimetern. „Im Ergebnis haben wir gezeigt, dass so ein kleiner Motor einwandfrei funktionieren kann.“ erklärt der Leiter des Instituts für Verbrennungs­kraft­ma­schinen (ivb) der Technischen Universität Braunschweig, Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts.

Kraftstoff auf der Zylinder­wand

Mit kleinen Zylinder­ab­mes­sungen erhöht sich bei Direktein­sprit­zung jedoch die Gefahr des Kraftstoff­wand­auf­trages, der Partikel­e­mis­sionen und Schmieröl­ver­dün­nung zur Folge haben kann. Der Benzinstrahl braucht eine gewisse Strecke, um sich ausreichend mit Luft zu vermischen und zu verdampfen. Wenn diese Strecke aufgrund der Bauart zu kurz gerät, landet flüssiger Kraftstoff auf der Zylinder­wand.

Unverbrannter Kraftstoff sammelt sich auch auf Kolben oder Einlassven­tilen. „Poolfire“ nennt der Wissenschaftler diese kokelnden Brennstoff­la­chen. „Das ist eine wesentliche Quelle für Partikel­e­mis­sionen von Benzin-Direktein­sprit­zern“, berichtet Prof. Eilts. Diese Motoren neigen zu mehr Partikel­e­mis­sionen als Saugrohr­ein­spritzer. Deshalb wird darüber nachgedacht, sie auch mit Partikel­fil­tern auszurüsten.

Positive Effekte im Zylinder

Es gibt aber auch einen kompensie­renden Effekt: Ein kleinerer Motor besitzt kleinere Einspritz­lö­cher; somit funktioniert die Vermischung von Luft und Benzin auf seiner kurzen Flugbahn durch den Zylinder wieder etwas besser. „Das Problem der schlechten Vermischung ist nicht so groß, wie wir ursprüng­lich gedacht hatten“, sagt Prof. Eilts. Gleichwohl: beliebig hoher Druck und beliebig kleine Löcher sind technisch nicht machbar. Der Braunschweiger Ein-Zylinder arbeitet mit einem Einspritz­druck von bis zu 250 bar und rund einem Zehntel Millimeter großen Einspritz­lö­chern. Mit sinkendem Zylinder­vo­lumen steigen aber auch die Anforderungen an den Turbolader.

Sehr große Turbolader – beispiels­weise in Schiffsmo­toren – haben einen Wirkungs­grad von bis zu 70 Prozent, während beim Automotor nur noch rund 50 Prozent zu Buche schlagen. „Der Laderwir­kungs­grad für Minimotoren wird noch schlechter sein, als der einer Zwei-Liter-Maschine“, resümiert Prof. Eilts, was wiederum einen höheren Kraftstoff­ver­brauch sowie CO2-Ausstoß zur Folge hätte.

Heiß wie Lava

Moderne Turbolader-Komponenten müssen temperatur­be­ständig bis über 1.000 Grad Celsius sein – heißer als flüssige Lava: Eine heiße Kiste, die immer höhere Verdichtungs­drücke aushalten soll. Um Dichtigkeit und Leistung jederzeit sicherzu­stellen, müssen die Bauteile Form- und Lagetole­ranzen im heißen wie im kalten Zustand mikrometer­genau halten.

Die Turbine in einem typischen, für PKWs geeigneten Turbolader, rotiert sehr schnell. Während der Motor bei mittleren Geschwin­dig­keiten etwa 2.000 Umdrehungen pro Minute aufweist, dreht sich der Rotor des Turboladers mit mehr als 280.000 Umdrehungen.

Rightsizing statt Downsizing

Im Braunschweiger Experiment wurde der nötige Turbo mit einem externen Kompressor simuliert. Der kleine Motor hat fast Tausend Stunden auf dem Prüfstand absolviert. Nimmt man eine durchschnitt­liche Geschwin­dig­keit von 50 Stundenki­lo­me­tern an, so entspricht das 50.000 km.

Beliebig kleine Zylinder­di­men­sionen werde man aber nicht realisieren können, sagt der Wissenschaftler, weil der Wirkungs­grad wieder abnimmt: der Turbo wird kleiner und ineffektiver. Man spricht mittlerweile auch nicht mehr vom „downsizing“ sondern vom „rightsizing“, also davon, den technisch optimalen Zustand für die aktuellen politischen Rahmenbe­din­gungen zu finden.