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Technik

Effizienzsteigerung von Motoren

Turbos machen Räume enger

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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.