Ausgewählte Kapitel aus Verbrennungskraftmaschinen:

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1 Ausgewählte Kapitel aus Verbrennungskraftmaschinen: Aufladung Em. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Hohenberg Prof. Hohenberg GmbH 1

2 Inhalt 1. Einleitung Eigenschaften und Vorteile der Aufladung Leistungssteigerung Drehmomentverlauf Leistungsverhalten im Höhenbetrieb Abgasverhalten Geräusch Kraftstoffverbrauch Möglichkeiten der Aufladung Schwingsaugrohr- / Resonanzaufladung Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Abgasturboaufladung mit variabler Turbinengeometrie (VTG) Abgasturboaufladung mit ebooster-aufladesystem Auslegungskriterien für die Abgasturboaufladung Verdichter- und Turbinenkennfelder Anforderungen bei der Verdichterauslegung Instationärverhalten Vergleich von mechanischer Aufladung zu Abgasturboaufladung: Vergleich Radialverdichter und Verdrängerlader Mehrstufige Aufladung Ausgeführte Motoren Wassereinspritzung Ladeluftkühlung Der 1.8l 4-Zylinder Turbo-Direkteinspritz-Ottomotor von Mercedes-Benz

3 1. Einleitung Die Idee der Vorverdichtung von Frischladung ist so alt wie der Verbrennungsmotor selbst. Schon Gottlieb Daimler hat sich mit der Aufladung seiner Motoren befasst, wie die auf ihn ausgestellte Patentschrift DRP aus dem Jahre 1885 zeigt. Auch Rudolph Diesel hat nach Möglichkeiten gesucht, das von ihm selbst entwickelte Brennverfahren noch wirtschaftlicher zu machen und den Kraftstoffverbrauch seiner Motoren zu senken. Ihm wurde im Jahre 1896 ebenfalls ein Patent erteilt (DRP 95680). Er erreichte sein Ziel jedoch nicht und stellte sämtliche Versuche mit aufgeladenen Motoren ein. Gottlieb Daimler und Rudolph Diesel arbeiteten beide an Verfahren zur mechanischen Aufladung erhielt dann der Schweizer Ingenieur Alfred Büchi die Erteilung des Patentes DRP Er hatte sich damals zum Ziel gesetzt, die Arbeit die während der unvollständigen Expansion verloren geht, zurück zu gewinnen. Dafür koppelte er einen Axialverdichter mit einer vom Motorenabgas beaufschlagten Turbine mittels einer starren Welle. Der erste Abgasturbolader war geboren. Während des ersten Weltkrieges wurden dann erstmals Motoren mit mechanischer Aufladung zum Antrieb von Kampfflugzeugen in größeren Stückzahlen gebaut, danach erfolgte eine Umsetzung in immer breiterem Umfang an langsam laufenden Dieselmotoren. Heute ist bei Dieselmotoren im LKW- sowie im PKW-Bereich die Abgasturboaufladung Stand der Technik. Bei Ottomotoren wurde die Aufladung in der Vergangenheit nur eingeschränkt eingesetzt (Nachteile: Verdichtungsabsenkung, verzögertes Ansprechverhalten). Durch Direkteinspritzung, Spülverfahren (Scavenging), Weiterentwicklung am Turbolader und verbesserter Strategie der Motorsteuerung nimmt die Aufladung nun auch beim Ottomotor deutlich zu. Ziel ist es hier, durch Downsizing bzw. Downspeeding eine Verbrauchsreduzierung ohne Verringerung der Fahrbarkeit (Driveability) zu erhalten. Bei aufgeladenen Motoren sind grundsätzlich 3 Problemkreise vorhanden siehe Abbildung 1. Abbildung 1: Problemkreise aufgeladener Motoren 3

4 2. Eigenschaften und Vorteile der Aufladung Bei richtiger Auslegung eines Hubkolbenmotors mit Aufladung können in den folgenden Bereichen Verbesserungen erzielt werden: Leistungssteigerung Drehmomentverlauf Leistungsverhalten im Höhenbetrieb Abgasverhalten Geräusch Kraftstoffverbrauch (Downsizing Downspeeding Rightsizing) 2.1. Leistungssteigerung Mit der idealen Gasgleichung ergibt sich die Ladungsmenge im Zylinder: Daraus folgt, dass mit der Erhöhung des Drucks im Saugrohr (Ladedruck) eine proportionale Erhöhung der Frischladung gegeben ist. Damit wiederum kann eine entsprechend größere Kraftstoffmenge im Brennraum umgesetzt werden. Die Leistungssteigerung ist also in erster Linie durch die Erhöhung der Frischluftmenge gegeben und die oft zitierte Ausnutzung der Abgasenergie stimmt nur bedingt zur Beeinflussung der Ladungswechselarbeit. Denn der Turbolader wird weitgehend durch die Ausschiebearbeit angetrieben, die Enthalpie-Änderung ist dagegen relativ gering Drehmomentverlauf Im Normalfall hat ein aufgeladener Motor im unteren Drehzahlbereich kaum ein höheres Moment als der gleiche Saugmotor, siehe Abbildung 2. Dies ist im Allgemeinen auch ein gravierender Nachteil der aufgeladenen Motoren. Durch sehr spezielle Auslegung der Aufladung ist es jedoch auch möglich, gerade im unteren Drehzahlbereich verstärkt aufzuladen (sogenannte bullige Motorcharakteristik für z.b. Baggerfahrzeuge). 4

5 Abbildung 2: Vergleich von Drehmoment- und Drehzahlverlauf eines GDI Saug- bzw. Turbomotor Quelle: Hyundai, Wiener Motorensymposium Leistungsverhalten im Höhenbetrieb Aufgrund der Abnahme von Druck und Dichte der Atmosphäre bei zunehmender Höhe (ca. 10% pro 1000m), stellt sich bei Saugmotoren ein Leistungsverlust im Höhenbetrieb ein. Dem kann mit einer Steigerung des Aufladegrades bei einem Ladermotor entgegengewirkt werden (Wichtig z.b. bei Flugmotoren) Abgasverhalten Die Partikelemission ist grundsätzlich beim Dieselmotor wegen des darstellbaren, höheren Luftüberschusses leichter beherrschbar. Im instationären Betrieb kann es allerdings zu Beginn von Beschleunigungsphasen aufgrund zu geringer Luftmasse und Ladungsbewegung (Instationärverhalten) zu Rußstößen kommen. Das im Vergleich zum leistungsgleichen Sauger geringere Motorgewicht ermöglicht eine schnellere Erwärmung des Motors und des Katalysators im Kaltstart. Dies wirkt sich allgemein vorteilhaft für das Abgasverhalten (Otto und Diesel) aus, da die Nachbehandlung durch den Katalysator eher erfolgen kann ( Anspringtemperatur wird schneller erreicht). 5

6 de B /d [kj/ KW] 2.5. Geräusch Beim Dieselmotor besitzt die Aufladung ein Potenzial zur Geräuschsenkung. Zum einen steigt aufgrund der etwas höheren Temperatur der Frischladung auch die Verdichtungsendtemperatur. Dies bewirkt eine Verkürzung des Zündverzuges und damit einen weicheren Verbrennungsverlauf (Abbildung 3). Eine weitere Geräuschabsenkung ist dadurch gegeben, dass bei einem turboaufgeladenen Motor die Pulsationen in den Ladungswechselkanälen durch Verdichter und Turbine geglättet bzw. gedämpft werden. Verglichen mit einem leistungsgleichen Saugmotor bewirkt der kleinere Hubraum in der Regel auch eine kleinere schallabstrahlende Oberfläche, was zu einer allgemeinen Senkung des Motorgeräusches im Betrieb führt. Bei mechanischer Aufladung z. B. durch Rootsgebläse kehren sich allerdings die Verhältnisse um. Hier treten durch den pulsierenden Ansaugvorgang des Laders sogar verstärkt Ansauggeräusche störend auf. 0.4 Saugm otor DI-Dieselm otoren 0.3 Turboladerm otor [ KW] Abbildung 3: Typischer Verbrennungsverlauf für einen Lader- und Saugmotor (DI-Diesel) Kraftstoffverbrauch Aufgeladene Motoren haben, verglichen mit leistungsgleichen Saugmotoren gleichen konstruktiven Aufwandes, einen höhere Wirkungsgrad. Zum einen wird der kleinere, aufgeladene Motor mit höheren Mitteldrücken betrieben, um die gleiche Leistung bei einer konstanten Drehzahl abzugeben, dies führt in der Regel zu einer besseren Verbrennung beim Ottomotor und zu geringeren Ladungswechselverlusten. Setzt man voraus, dass der Reibmitteldruck bei beiden Motoren konstant bleibt, so ändert sich auch die Reibleistung entsprechend des Hubvolumens des Motors, siehe Abbildung 4.

7 Abbildung 4: Typische Wirkungsgradverläufe für einen PKW-Ottomotor (n = 2000 min -1 ) 3. Möglichkeiten der Aufladung Technisch realisierbare Aufladeverfahren sind: Schwingsaugrohr-/ Resonanzaufladung mechanische Aufladung (Comprex Verfahren) Abgasturboaufladung Turbo-Compound 3.1. Schwingsaugrohr- / Resonanzaufladung Infolge der zyklischen Ansaugvorgänge entstehen Unter- und Überdruckwellen (pulsierende Gasströme) im Saugrohr, die je nach Auslegung eine Erhöhung, allerdings auch eine Verringerung der Ladungsmenge bewirken können (gilt allgemein für jede Saugrohranlage). Je nach Länge des Saugrohres (der Durchmesser bleibt i.a. unverändert) entsteht in bestimmten Motordrehzahlbereichen ein gewisser Nachladeeffekt, der einen höheren Füllungsgrad (Liefergrad) bewirkt. Nachteilig ist, dass dann für alle anderen Drehzahlen nicht der optimale Füllungsgrad erreicht werden kann (Ursache für Einbrüche im Drehmomentverlauf über der Drehzahl). Die optimale Saugrohrlänge ist demnach von der Drehzahl abhängig (siehe Abbildung 5). 7

8 Abbildung 5: Einfluss der Saugrohrlänge auf den effektiven Mitteldruck Neben der Länge der einzelnen Saugrohre spielen die durch Zündfolge und Ladungswechselabstände bei Mehrzylindermotoren auftretenden Überlagerungseffekte der Gasschwingungen eine maßgebliche Rolle, Abbildung 6. pme Abbildung 6: Auswirkung der Zylinderzahl bei Mehrzylindermotoren Diese Effekte kann man sich durch geschickte konstruktive Maßnahmen zu Nutze machen. Allen Systemen für die Schwingrohraufladung liegt hierbei der gemeinsame Gedanke zugrunde, für verschiedene Drehzahlbereiche entsprechend abgestimmte Saugrohrlängen zu verwenden. 8

9 Das tatsächliche Variieren der Saugrohrlängen geschieht in den meisten Fällen jedoch nicht durch eine mechanische Änderung der Rohrlänge (z.b. durch Schiebehülsen), sondern es werden lediglich einzelne Bereiche der Saugrohre durch schaltbare Drosseln oder Klappen für die Gasströmung freigegeben bzw. versperrt. Die Resonanzaufladung basiert auf einem Zwischenvolumen im Saugrohr, welches durch die pulsierende Ansaugluft als Helmholtz-Resonator in seiner Eigenfrequenz angeregt wird, Abbildung 7. Damit entstehen zusätzliche Pulsationen, die zu einer Saugrohrdruckanhebung im Bereich von Einlass schließt (ES) führen. Wie beim Schwingsaugrohr sind allerdings auch Bereiche mit geringerem Druck und damit geringerer Zylinderfüllung gegeben. Resonator Brennraum Saugrohr Abbildung 7: Schematische Darstellung eines Resonanzbehälters als Bestandteil des Ansaugsystems am Verbrennungsmotor Wegen der möglichen Drehmoment-Anhebung im unteren Drehzahlbereich haben praktisch alle heute in Serie befindlichen PKW-Motoren variable Saugrohrsysteme. Entweder einfache Schaltsaugrohre mit langem/kurzem Saugrohr oder aufwendigere, kombinierte Schwingsaugrohr- / Resonanzsysteme. Beispielhaft ist Abbildung 8 so ein System (2L- 16V 4 Zyl.-Opelmotor) beschrieben. 9

10 Abbildung 8: Das Schaltsaugrohr des Opel 2.0 l 16V Motors Im unteren Drehzahlbereich erreicht man ein höheres Drehmoment im Vergleich zu der Schaltposition, die für die maximale Leistung des Motors gewählt wird. Die Kombination beider Saugrohrvarianten ergibt eine gute Drehmomententwicklung im gesamten Drehzahlbereich. Abbildung 9: Prinzipielle Drehmomentverläufe für beide Schaltstellungen N 10

11 3.2. Mechanische Aufladung Bei der mechanischen Aufladung wird das Aufladegerät direkt vom Motor über Keilriemen, Zahnriemen, Kette oder Zahnräder mit festem Übersetzungsverhältnis angetrieben. Aufladeaggregate arbeiten meist nach dem Verdrängerprinzip. Zu den verbreiteten mechanischen Ladern gehören: Hubkolbenverdichter Flügelzellenlader Spirallader (G-Lader) Drehkolbenverdichter (Roots-Lader) Schraubenverdichter (Eaton-Lader) Der Eaton-Lader: Der Eaton-Lader arbeitet nach dem Prinzip eines Schraubenverdichters. Hier laufen zwei dreiflügelige Walzen gegenläufig in einem Gehäuse. Die Verzahnung der Drehkolben ist berührungsfrei. Die Drehzahlsynchronisation erfolgt mittels Stirnradgetriebe auf der Antriebsseite des Verdichters. Das Medium wird dabei auf den Außenseiten entlang der Gehäusewand gefördert. Die Abdichtung erfolgt lediglich durch kleinstmögliche Spaltmaße. Der Eaton-Lader gewährleistet durch seine schräge Verzahnung gegenüber dem Roots- Gebläse eine stoßfreiere Aufladung und damit auch geringere Geräuschentwicklung. Abbildung 10: Explosionszeichnung des Schraubenverdichters Eaton M62, wie er von Daimler im SLK 230 Kompressor verwendet wird 11

12 Leistungsaufnahme [kw] Eigenschaften von Ladern der Verdrängerbauart: Das erreichbare Druckverhältnis ist nahezu unabhängig von der Drehzahl, d.h. auch bei kleinen Fördermengen kann ein hohes Druckgefälle erreicht werden Die Fördermenge ist weitgehend unabhängig vom Druckverhältnis und in erster Näherung etwa proportional der Drehzahl (in der Praxis ergeben aber die Spaltverluste im unteren Drehzahlbereich des Laders eine doch merkbare Verringerung des Liefergrades) Abbildung 11: Leistungsaufnahme des M62 in Abhängigkeit von Laderdrehzahl und Druckdifferenz Abbildung 11 zeigt die Leistungsaufnahme des mechanischen Laders. Er benötigt je nach Ladedruck und Luftmenge eine nicht unwesentliche Antriebsleistung, die aber zu einem großen Teil durch den Ladungswechsel wieder zurück gewonnen wird. Zusammenfassung der mechanischen Aufladung: Vorteile: schnelleres Ansprechen auf Laständerungen auch im unteren Drehzahlbereich (kein "Turboloch" vorhanden) relativ einfache Aufladegeräte auf der kalten Motorseite Abgasseitig muss kein Eingriff vorgenommen werden 12

13 Nachteile: Verdichter-Verlustleistung (Reibung und Abweichung von der adiabatischen Druckänderung); daher Verbrauchsnachteile gegenüber der Abgasturboaufladung speziell im oberen Lastbereich. Spaltverluste sind für gute Wirkungsgrade zu minimieren; daraus entstehen hohe Herstellungskosten (Genauigkeit). Bauraum im Vergleich zur Abgasturboaufladung groß (Drehkolbengebläse); Einbauort weitgehend vorgegeben durch den Antrieb. Geräuschentwicklung ( Brummen ) macht zusätzliche Bauteile zur Geräuschreduzierung nötig Abgasturboaufladung Die Turboaufladung wurde bereits 1905 von dem Schweizer Alfred Büchi vorgeschlagen und zu Beginn der 20er Jahre am Dieselmotor ausgeführt. Der Abgasturbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die über eine Welle fest miteinander verbunden sind. Das Turbinenrad wird von den heißen Abgasen des Motors angetrieben. Die Arbeit wird einerseits durch Erhöhung des Abgasgegendruckes p 3 (Ausschiebearbeit nimmt zu!) und andererseits durch die kinetische Energie des Abgases (Druckabbau bei Auslass öffnet) aufgebracht. In Ausnahmefällen kann der Verdichter auch mechanisch angetrieben werden. Und zwar über ein Getriebe (ca. i=30) direkt vom Verbrennungsmotor oder von einem Elektromotor. Man muss hier die grundsätzliche Problematik der Anpassung einer Strömungs- an eine Kolbenmaschine lösen. Denn bei einer Strömungsmaschine steigt der Massendurchsatz über der Drehzahl überproportional an, während bei einer Kolbenmaschine der Massendurchsatz in erster Annäherung linear verläuft. Abbildung 12: Abgasturboladers und Wastegate mit Bezeichnung der Drücke am Turbolader 13

14 Das von der Turbine angetriebene Verdichterrad saugt Frischluft an und fördert diese nach Komprimierung in einem ringspaltförmigen Diffusor in die Zylinder. Der Abgasturbolader ist nur durch den Luft- und Abgasstrom mit dem Motor gekoppelt. Eine Regelung erfolgte anfänglich selbsttätig über eine Druckleitung zwischen Verdichterseite und Wastegate. Heutzutage wird dies jedoch zunehmend elektronisch über geschaltete Ventile oder Stellmotoren bewerkstelligt. Vor allem bei Großmotoren, aber auch bei Pkw-Motoren wird immer häufiger eine zweistufige Aufladung (deutlich aufwändiger) durchgeführt. Der Grund hierfür ist die mit dieser Methode erzielbare Erhöhung des Drehmoments im Drehzahlbereich unter 2000 rpm und das verbesserte Instationärverhalten in diesem Bereich. Ein anderer Weg zur Verbesserung des Teillast- und Ansprechverhaltens bei modernen Motoren besteht in der Realisierung eines variablen Einlassquerschnitts (Leitschaufeln oder Axialschieber) auf der Turbinenseite des Turboladers ("variable Turbinengeometrie", VTG). Damit werden die Anströmbedingungen der Schaufelgeometrie an den variablen Abgasvolumenstrom angepasst. Vorteile der Abgasturboaufladung: deutliche Leistungssteigerung bei zweistufiger Aufladung sind bis zu 3 bar Ladedruck möglich (heute sogar 3-stufig BMW-M) gedämpftes Abgasgeräusch hohe Lebensdauer bei entsprechender Auslegung ist bei hohen Mitteldrücken ein positives Spülgefälle möglich kompakte Bauweise Die Abgasturboaufladung ermöglicht eine kompakte Bauweise; die Leistungsanhebung erfolgt durch Erhöhung der Ladungsmenge. Bei Großmotoren kann hingegen eine Abgasturbine über ein Getriebe auch mechanische Arbeit liefern (Turbo-Compound-Verfahren). Möglichkeiten der Abgasturboaufladung: Stoßaufladung Stauaufladung ATL mit VTG ATL mit e-booster Turbo-Compound o Elektrisch (Racing) o Mechanisch (siehe Abbildung 13) 14

15 Abbildung 13: Möglichkeiten der Abgasturboaufladung am Beispiel eines Turbo-Compound Systems, Quelle: SCANIA AB Stoßaufladung: Die Stoßaufladung, auch Impulsaufladung genannt, nutzt zusätzlich die kinetische Energie des Abgases teilweise aus (vorteilhaft im unteren Drehzahlbereich). Hierzu sind getrennte, kurze und enge Abgasleitungen erforderlich. Der Turbinenwirkungsgrad ist gegenüber der Stauaufladung geringer, es kann jedoch ein effektiverer Ladungswechsel erzielt werden, da sich die Zylinder während des Ausschiebetaktes nicht gegenseitig beeinflussen. Günstig sind z.b. bei einem 6 Zylinder-Motor 2 getrennte Abgasstränge in einem zweiflutigen Turbinengehäuse (klassische Stoßaufladung). Stauaufladung: Bei der Stauaufladung, auch Gleichdruckaufladung genannt, wird das Abgas aller Zylinder einer großen Sammelleitung (Ausgleichsbehälter) zugeführt. Von hier aus wird das Abgas mit nahezu konstantem Druck auf das Turbinenrad geleitet. Die Stauaufladung hat wegen der gleichmäßigen Beaufschlagung einen besseren Wirkungsgrad. Der im unteren Drehzahlbereich erzielbare Ladedruck und das Ansprechverhalten sind hingegen etwas schlechter. 15

16 Abbildung 14: Schematische Darstellung der Stoß- und Stauaufladung 3.4. Abgasturboaufladung mit variabler Turbinengeometrie (VTG) Bei Abgasturboladern die in Antrieben von Straßenfahrzeugen eingesetzt werden, ändern sich aufgrund des häufig wechselnden Last- und Drehzahlpunktes die Anströmungsverhältnisse des Gases auf die Turbinenschaufeln. Die wechselnde Drallgeschwindigkeit sowie die wechselnde Drehzahl der Turbine führen zu Unterschieden bei den Relativgeschwindigkeiten von Abgas und Turbine und somit ist die Schaufelanströmung an der Turbine nicht mehr optimal. Zur Reduzierung der daraus entstehenden Einbußen an Wirkungsgrad und Dynamik, wurden vor einigen Jahren Turbolader mit variabler Turbinengeometrie zunächst ausschließlich für Dieselmotoren entwickelt. Hierbei ist über einen mit verstellbaren Leitschaufeln besetzten Ring am Umfang des Turbineneintritts die Möglichkeit gegeben, auch bei niedrigen Abgasmassenströmen das Laufzeug der Turbine auf ausreichende Drehzahlen zu beschleunigen. Dies geschieht über eine geschlossene Leitschaufelstellung, die zu hohen Relativgeschwindigkeiten am Umfang des Turbinenläufers führt. Um bei hohen Abgasmassenströmen nicht zu hohen Abgasgegendruck zu erzeugen, können die Leitschaufeln mit zunehmendem Massenstrom in eine geöffnete Position gebracht werden. 16

17 Abbildung 15: VTG-Lader für einen PKW-Dieselmotor Da dieses variable Leitgitter abgasseitig eingesetzt wird und dennoch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aufweisen soll, hat sich die VTG-Turbine in den letzten Jahren zunächst nur bei Dieselmotoren durchgesetzt, da hier Abgastemperaturen von max. 800 C erreicht werden, im Vergleich zum Ottomotor mit bis über 1000 C und einem zusätzlichen Anstieg der Nachheiztemperaturen direkt nach dem Abschalten des Motors. Inzwischen wird aber auch bei Ottomotoren immer öfter eine variable Turbinengeometrie eingesetzt. Die Verstellung der VTG wurde früher nur in der Stellung geöffnet oder geschlossen betrieben. Aktuelle Systeme regeln die VTG-Stellung variabel über elektronisch unterstützte Unterdrucksysteme oder vollelektronisch. Hierbei nicht zu unterschätzen sind die durch den Abgasdruck entstehenden Rückstellkräfte auf den Leitschaufelapparat und die daraus entstehenden Herausforderungen an den gesamten Verstellmechanismus. Ein besonderer Aspekt der VTG am NFZ-Motor ist die Steigung der Bremswirkung im Schubbetrieb. Durch das Schließen der VTG wird die Ladeluftmenge erhöht und so die Drosselung im Abgasstrang wirksamer. Ebenfalls ermöglicht die VTG beim Dieselmotor aufgrund der deutlich erhöhten Luftmasse im unteren Drehzahlbereich eine Verringerung des bekannten Rußstoßes zu Beginn einer Beschleunigung. 17

18 Eine Alternative zur VTG mit Leitschaufeln in Form eines Axialschiebers wird ebenfalls in Dieselmotoren eingesetzt. Hierbei wird der ringförmige Eintrittsspalt zum Turbinenrad durch einen axial verschiebbaren Schieber verkleinert oder erweitert. Dies erhöht ebenfalls die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit. Diese Variante ist robuster, allerdings auch in ihrer Regelung nicht so präzise. Die Abbildung 16 zeigt typische Verläufe von Abgasgegendruck und Abgastemperatur von einem VTG- und einem Festgeometrielader. Abbildung 16: Oben: Vergleich des Abgasgegendrucks von VTG-Lader und Festgeometrielader Unten: Vergleich der max. Abgastemperatur bei VTG-Lader und Festgeometrielader 18

19 3.5. Abgasturboaufladung mit ebooster-aufladesystem Bei einer Lastanhebung muss der Ladedruck erst über einen höheren Abgasmassenstrom ansteigen. Dies ergibt ein verzögertes Ansprechverhalten das sog. Turboloch. Geschieht dies plötzlich, ist die VKM nicht mehr in der Lage dazu. Man kann hier durch Einsatz eines vorgeschalteten elektrisch angetriebenen Verdichters das Ansprechverhalten verbessern. In Abbildung 17 sind alle vier gängigen Varianten einer Mehrfach-Aufladung dargestellt. Ausgehend von der einstufigen Aufladung ist es naheliegend, über eine zweite kleinere Aufladegruppe im Drehzahlbereich unter 2000 min -1 schon ein spürbares Zusatzmoment generieren zu können(siehe auch im von BMW realisierten Projekt in Abbildung 25). Durch die Elektrifizierung (auch schon mit 48V) ergibt sich ein weiterer Lösungsweg in der Art, dass man den Lader mit einem E-Motor koppelt (ebooster-konzept). Der über einen (48V-) Motor angetriebene Lader fördert im unteren Drehzahlbereich und vor allem zu Beginn eines Beschleunigungsvorganges (solange der Abgasturbolader eigentlich noch kaum fördert) Ladeluft in die VKM. Die Bypassklappe ist in diesem Bereich geschlossen sobald der große Lader mehr fördert, wird auf die normale Aufladung umgeschaltet. Diese Art der thermischen Vervielfachung der elektrischen Energie ist eine interessante Variante und kommt jetzt erstmals in einem Hochleistungs-PKW in Serie (Abbildung 18). Ebenfalls im Hochleistungsbereich sind heute noch zwei weitere Varianten im Einsatz (Abbildung 17, Variante 4a und 4b). Bei einem Langstreckenrennfahrzeug mit Ottomotor wird über eine Zusatzturbine und E-Motor elektrische Energie (bei hohen Abgasgegendruck) erzeugt und für die Unterstützung der Hybridisierung verwendet Version a. Die zweite Hochleistungsvariante (Abbildung 17, Variante 4b) hat einen E-Motor zwischen Turbine und Lader. Dieses Konzept erlaubt beide Möglichkeiten: sowohl zur Stromerzeugung als auch zum Boosten. Die sich dadurch ergebende lange Welle zwischen Verdichter und Turbine ist natürlich schwingungstechnisch schwer beherrschbar, auch eine thermische Längenänderung ist problematisch Kein Vorteil ohne Nachteil in der Technik. 19

20 Abbildung 17: Konzepte für Kombination ATL und Elektrifizierung Abbildung 18: ebooster Konzept zur elektrisch unterstützen Aufladung im Audi RS 5 TDI 20

21 4. Auslegungskriterien für die Abgasturboaufladung 4.1. Verdichter- und Turbinenkennfelder Das Zusammenspiel von Abgasturbolader und Verbrennungsmotor spielt eine wichtige Rolle bei der Auslegung eines Antriebes. Aufschluss über das Betriebsverhalten eines Turboladers geben hierbei die jeweils für Verdichter und Turbine vom Hersteller zu Verfügung gestellten Betriebskennfelder. Abbildung 19 zeigt ein Kennfeld für den Verdichter eines Abgasturboladers. Abbildung 19: Verdichterkennfeld mit Betriebsgrenzen und Schlucklinien eines Verbrennungsmotors 21

22 Das Verdichterkennfeld zeigt folgende charakteristische Merkmale: Pumpgrenze (links davon ist wegen Strömungsabriss kein Betrieb möglich) Drehzahlgrenze (ergibt sich durch die Festigkeit des Laufzeuges) Stopfgrenze (Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt) Linien konstanter Laderdrehzahlen Wirkungsgradlinien in Muschelform Ggf. Motorschlucklinien Die Auftragung des Totaldruckverhältnisses im Verdichterkennfeld erfolgt wegen der besseren Vergleichbarkeit in der Regel in Abhängigkeit eines auf Normbedingungen bezogenen Massen- oder Volumenstromes Anforderungen bei der Verdichterauslegung Je nach Einsatzgebiet eignet sich natürlich nicht jeder Abgasturbolader für jeden Einsatzzweck. Wichtig bei der Auswahl ist der Bereich, in dem ein Motor mit Turbolader zusammen betrieben werden soll und welche Anforderungen dabei im Vordergrund stehen. So zeichnet sich z.b. ein PKW-Dieselmotor dadurch aus, dass er eine hohe Elastizität und Dynamik mit moderaten Verbrauchswerten möglichst im gesamten Motorenkennfeld bietet. Ein LKW-Motor hingegen wird eher in einem schmalen Betriebsbereich, dafür mit möglichst hohen Wirkungsgraden betrieben. Die verschiedenen Anforderungen an einen Verdichter sind in der nachfolgenden Abbildung schematisch dargestellt. Abbildung 20: Schematischer Vergleich der Verdichterkennfelder für LKW-/PKW-Diesel und PKW- Ottomotor 22

23 Links ist der einfachste Fall des ungedrosselt aufgeladenen Dieselmotors dargestellt. Solche Motoren mit relativ kleiner Drehzahlspanne werden heute vorzugsweise in Nutzfahrzeugen eingebaut (hoch aufgeladene Motoren haben noch kleinere Drehzahlbereiche und höhere Ladedrücke). Der erforderliche Durchsatzbereich des Verdichters ist schmal und lässt sich mit guten Verdichterwirkungsgraden abdecken. Allerdings sind diese Motoren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit hoch ausgelastet, so dass der Verdichter vergleichsweise hohe Ladedrücke, d.h. große Druckverhältnisse p 2 /p 1 erreichen muss. Das mittlere Bild zeigt die Verhältnisse am PKW-Dieselmotor. Der Verdichter muss hier bereits einen breiten Durchsatzbereich, entsprechend einer Drehzahlspanne von min -1 überstreichen. Die Schlucklinien fallen so bei hohen Motordrehzahlen schon in den Bereich abfallender Verdichterwirkungsgrade. Beim Dieselmotor ist dies aber nicht unbedingt ein Nachteil, weil die durch den niedrigen Verdichterwirkungsgrad bedingten höheren Ladelufttemperaturen wegen der Verkürzung des Zündverzuges erwünscht sein können. Aufgrund der möglichst leichten Ausführung des Triebwerkes (Fahrzeuggewicht) muss im Gegensatz zum LKW-Motor die Triebwerksbelastung (Brennraumdruck) mittels Regelung des Ladedruckes begrenzt werden. Die Betriebslinien verlaufen deshalb von einem vorgegebenen Druckverhältnis ab waagerecht. Geblieben ist aber auch hier eine eindeutige Zuordnung der Schlucklinien zu den jeweiligen Motordrehzahlen. Beim Ottomotor (rechts) erweitert sich der Drehzahlbereich nochmals bis auf 6000 min -1. Dazu kommt die notwendige Änderung in der Art der Lastregelung (Steuerung der Gemischmenge durch Quantitätsregelung). Eine Zuordnung der Schlucklinien, wie für den Dieselmotor, tritt deshalb nicht mehr auf. Beginnt man beim Nennleistungspunkt, so sind folgende Unterschiede festzustellen: Der Ladedruck ist begrenzt, aber nicht nur wegen der Zünddrücke (Triebwerksbelastung), sondern beim Ottomotor auch zusätzlich wegen der Gefahr des Klopfens. Abnehmende Motorlasten werden bei konstant bleibendem Ladedruckverhältnis p 2 /p 1 realisiert. Im oberen Lastgebiet existiert daher nur eine einzige Schlucklinie. Erst bei sehr niedrigen Luftdurchsätzen fallen die vom Verdichter erreichbaren Druckverhältnisse ab, was zu einem Abkippen der Schlucklinien führt. Von diesem Punkt an fächern sich die Schlucklinien leicht auf (hauptsächlich durch unterschiedliche Reibleistung). Für die Auslegung von aufgeladenen PKW-Motoren ist zusammenzufassen: Der Verdichter muss eine große Durchsatzspanne zwischen Pump- und Wirkungsgradgrenze (Stopfgrenze) aufweisen. Der isentrope Verdichterwirkungsgrad sollte im gesamten Durchsatzbereich ausreichend hoch liegen. 23

24 Beim Ottomotor ist eine Ladeluftkühlung besonders vorteilhaft (Verminderung der Klopfneigung, bzw. Zündzeitpunktbeeinflussung und geringere thermische Belastung der Bauteile). Ladedruckregelung über geregeltes Bypass-Ventil o Schieber o Variable Turbinengeomtrie o (Ladedruck-Abblaseventil energetisch ungünstig). Mit steigendem Ladedruck steigt auch der Maximaldruck im Verlauf des Arbeitsspiels an. Da die Bauteile nur bis zu einen gewissen Maximaldruck belastbar sind, muss der Ladedruck begrenzt werden. Dies ist insbesondere beim Dieselmotor ausschlaggebend. Beim Ottomotor ist es zusätzlich die mit steigenden Drücken zunehmende Klopfneigung, die eine solche Regelung nötig macht. Die Regelung kann über ein Abblasventil (Waste-gate) und/oder über die VTG erfolgen. Das Waste-gate kann entweder über den Ladedruck oder den Abgasgegendruck angesteuert werden Instationärverhalten Vergleicht man leistungsgleiche Motoren, so weist ein Ladermotor mit entsprechend niedrigerem Hubvolumen im unteren Drehzahlbereich verglichen mit dem Saugmotor generell ein geringeres Drehmoment auf. Beispielhaft sind in Abbildung 21 die Leistungskurven zwei leistungsgleicher Ottomotoren mit und ohne Aufladung dargestellt. Folgende Faktoren sind für das Instationärverhalten bestimmend: Das Trägheitsmoment (rotierende Massen) des Laufzeuges (Turbine und Verdichter) Die Ausgangsdrehzahl des Laders beim Beschleunigen hat einen Einfluss (jedoch nicht so groß wie zu erwarten wäre, denn n T steigt sofort bei Öffnen der Drosselklappe wieder an). Der Ladedruck im Saugrohr soll im unteren Last- und Drehzahlbereich möglichst wenig abfallen (Beim Dieselmotor mit n T = min -1 im unteren Lastgebiet erfüllt, beim Ottomotor ist der Saugrohrdruck prinzipbedingt wesentlich niedriger, damit ist auch eine deutlich niedrigere Laderdrehzahl verbunden n T = min -1 im Leerlauf). Volumen zwischen Verdichter und Einlassventil 24

25 Drehmoment [Nm] Abbildung 21: Leistungs- und Drehmomentverlauf leistungsgleicher Ottomotoren Insgesamt ergibt sich vor allem beim konventionellen Ottomotor ein wesentlich schlechteres Ansprechverhalten gegenüber dem leistungsgleichen Saugmotor. Als typisches Beispiel für das zu erwartende Verhalten ist in Abbildung 22 der typische Drehmomentverlauf eines Laderund eines Saugmotors dargestellt. 25

26 0,2sec 0,2sec 3,5sec Abbildung 22: Vergleich des Drehmomentaufbaus bei leistungsgleichen Ottomotoren Turbo vs. Sauger Ausgehend von einer Motordrehzahl von 1400 min -1 baut der leistungsgleiche Saugmotor in ca. 0,2 sec sein der momentanen Drehzahl entsprechendes Volllastdrehmoment auf. Der Motor mit Turboaufladung hingegen, hat schon im stationären Betriebszustand ein geringeres maximales Drehmoment. Hinzu kommt dass dies im instationären Betrieb mit einer Verzögerung von ca. 3.5 sec erreicht wird. Der Turbomotor geht zuerst in ca. 0,2 sec. auf ein einem dem Saugbetrieb entsprechendes Motormoment. Danach steigt der Ladedruck und damit das Moment nur langsam innerhalb von rund 3,5 sec. auf das Nennmoment an. Die Ursache ist, dass durch die Trägheit des Laufzeugs die Laderdrehzahl nur langsam ansteigt. Hinzu kommt, dass der Ladedruckaufbau im Saugrohr durch den gleichzeitigen Luftmassenfluss in den Motor nochmals verzögert wird. Insgesamt weist also der Ladermotor bei gleicher Nennleistung ein merkbar schlechteres Beschleunigungsverhalten auf. Dieses sog. "Turboloch" lässt sich durch Maßnahmen wie kleinerer Lader, 2-stufige Aufladung, verstellbare Leitschaufeln u.a. mildern, dies bewirkt aber immer einen schlechteren Verbrauch oder überdurchschnittlichen Mehraufwand. 26

27 4.4. Vergleich von mechanischer Aufladung zu Abgasturboaufladung: Um auch eine Vorstellung von dem Unterschied zwischen mechanischer Aufladung und Turboaufladung zu geben, ist in Abbildung 23 der Beschleunigungsvorgang eines PKW mit den beiden Aufladungssystemen dargestellt. Man erkennt das spontanere Ansprechverhalten des mechanischen Laders. Abbildung 23: Dynamisches Verhalten eines turbo- und eines mechanisch aufgeladenen Motors Anzumerken ist, dass man durch weitere Verbesserungen am Gesamtsystem heute ein annähernd gleiches Beschleunigungsverhalten erzielen kann (siehe angeführtes Beispiel des Daimler Benz Turbomotors im letzten Abschnitt) Vergleich Radialverdichter und Verdrängerlader In diesem Zusammenhang ist es interessant, wie sich die beiden Systeme bezüglich eines eboosters eignen. Der deutlich kleinere Turbolader erscheint auf den ersten Blick geeigneter. Doch der deutlich größere schwerere Verdrängungslader arbeitet in einem deutlich niedrigeren Drehzahlniveau sodass beide Systeme in etwa dieselbe Antriebsleistung beim Beschleunigen benötigen. Abbildung 24 gibt einen Vergleich der beiden Systeme mit den Kennfeldern inklusive entsprechender Drehzahlen. 27

28 Abbildung 24: Vergleich Radialverdichter (oben) und Verdrängerlader (unten) 5. Mehrstufige Aufladung Eine weitere Möglichkeit zur Ausweitung des Motor-Betriebskennfeldes bei Aufladung ist die schon vorher beschriebene mehrstufige Aufladung. Die Kombination von mehreren Aufladesystemen (z.b. Reihenschaltung von 2 Turboladern im Gasweg) ermöglicht bei geeigneter Bypaßsteuerung das Erreichen von hohen Ladegraden über ein breiteres Drehzahlband. Die dynamischen Eigenschaften bei Lastsprüngen können ebenfalls verbessert werden, da eine Aufgabenteilung der beiden Lader vorgesehen werden kann (kleiner + großer Lader), die die Zielkonflikte bei der Auslegung eines Laders vermeiden. Abbildung 25: Zweistufige Aufladung an einem Diesel PKW 28

29 Druckverhältnis [bar] 0,5 Lastsprung Summe: Hochdruckund Niederdruckstufe Schaltung 1./2. Gang Niederdruckstufe Hochdruckstufe 1 Sec. Zeit [s] Abbildung 26: Dynamisches Verhalten bei zweistufiger Aufladung an einem PKW-Motor [MTZ 05/2005] 6. Ausgeführte Motoren Will man einen Saugmotor mit einer Aufladung versehen, so ist nicht nur ein Ladeaggregat anzubringen, sondern es muss auch eine Reihe konstruktiver Maßnahmen erfolgen. Diese Änderungen sind je nach Aufladegrad entsprechend umfangreich. Im Extremfall bleibt gerade die Grundkonstruktion erhalten. Als Gesichtspunkte der konstruktiven Anpassung unter Berücksichtigung einer ausreichenden Lebensdauer sind anzuführen: Kolbenkühlung wegen erhöhter thermischer Belastung. Durch Ölanspritzung des Kolbenbodens, die - um den Öldruck in den Lagern zu sichern - erst ab 1-2 Bar Öldruck arbeitet (ergibt ca. 25 o C Temperatursenkung). Neues, der höheren Belastung angepasstes Kolbenschliffbild Eventuell Verdichtungsabsenkung (wird jedoch heute kaum noch angewendet) Einsatz eines Ölkühlers, da erstens höhere Leistung vorliegt und zweitens eine spezifisch höhere Ölwärme anfällt (Kolbenkühlung und Kühlwärme des Ladergehäuses), eventuell größere Ölumlaufmenge (bedingt aber Änderung der Ölpumpe). Entsprechende Anpassung der max. Kraftstoff-Fördermenge (E-Pumpe und E-Düse) beim Dieselmotor bzw. der Gemischbildungsanlage an die erhöhte Luftdurchsatzmenge beim Ottomotor (die Spreizung zwischen maximaler und minimaler Einspritzmenge nimmt zu). Änderung der ZZP-Charakteristik (Ottomotor) bzw. FB-Charakteristik (Dieselmotor). 29

30 Abgaskrümmer aus hoch legiertem Werkstoff (thermische Belastung). Wassereinspritzung Ladeluftkühlung Zukünftige Schwerpunkte: Optimierung Massenträgheitsmoment, Strömungsauslegung, Anpassung an Betriebsbereich, transientes Verhalten & variable Verdichtung 6.1. Wassereinspritzung Die Wassereinspritzung im Motorraum ist eine durchaus interessante Maßnahme zur Zylinder- Innenkühlung (Verringerung der Klopfneigung bzw. NOx-Senkung). Damit ergeben sich Vorteile hinsichtlich Verbrauch und Maximalleistung. Aktuell findet diese Technologie bereits ihren Einsatz bei Großmotoren und im Rennsport. Die PKW-Anwendung scheiterte bisher in erster Linie an der Lagerfähigkeit des Wassers. H 2 O Abbildung 27: Wassereinspritzung zur Kühlung der Zylinderladung 6.2. Ladeluftkühlung Durch die Vorverdichtung der Ladeluft erreicht man nicht nur eine höhere Luftmasse im Zylinder sondern auch einen entsprechenden Anstieg der Ladungstemperatur. Um hier Klopfen bzw. zu hohe NOx-Emissionen zu vermeiden und auch die thermische Belastung der Bauteile zu begrenzen, setzt man einen Zwischenkühler zwischen Verdichter und VKM. Abbildung 28 zeigt einen modernen 4-Zylinder Dieselmotor mit der Saugrohrstrecke inkl. Ladeluftkühler, in Abbildung 29 ist ein T,s-Diagramm gezeigt, welches die isobare Abkühlung der Ladeluft bei gleichzeitiger Reduktion der Entropie im LLK zeigt. 30

31 Abbildung 28: 4-Zylinder Dieselmotor mit Abgasturboaufladung Abbildung 29: Zustandsänderungen Turbolader und LLK im T,s-Diagramm 31

32 Der Ladedruck p2 ist je nach Motorart und Anwendung sowohl im Verlauf als auch im Spitzenwert sehr unterschiedlich. So lassen sich typischerweise beim Dieselmotor höhere Ladedrücke realisieren. Der Ottomotor ist hier deutlich sensibler und erreicht dieselmotorische Werte nur bei verschleppter Verbrennung mit entsprechendem Verbrauchsnachteil. Abbildung 30 zeigt die typischen Verhältnisse für beide Konzepte. Abbildung 30: Saugrohrdruck nach Verdichter für Ottomotor (links) und Dieselmotor (rechts) Wie schon in Abbildung 29 angegeben, wird die am LLK abzuführende Wärmemenge durch die durchgesetzte Ladeluftmasse und die erforderlich Temperaturabsenkung der Ladeluft bestimmt. Die maximale Gastemperatur nach Lader T 2 ergibt sich aus dem Ladedruck und dem jeweiligen Verdichterwirkungsgrad siehe Abbildung 31. Abbildung 31: Verdichterkennfeld inkl. der Wirkungsgradlinien 32

33 Um eine Vorstellung von der Größenordnung des Luftmassenstroms zu geben, ist in der folgenden Formel und in Abbildung 32 links der sich aus spezifischen Verbrauch, Motorleistung, Luftüberschuss und stöchiometrischen Luftbedarf näherungsweise ergebende Bereich dargestellt. Abbildung 32 rechts zeigt dazu gemessene Maximalwerte für die Temperaturabsenkung T 2 -T 2s am LLK für verschiedene Motortypen. Mit diesen Werten ergeben sich dann die in Abbildung 33 eingetragenen maximalen am LLK abzuführenden Wärmemengen (Richtwert für deren Dimensionierung). Folgende Formel liefert ein Rechenbeispiel zur Bestimmung der Ladeluftmenge: Abbildung 32: Parameter der Ladeluft: Luftmassenstrom und Delta Temperatur über LLK 33

34 BMEP [Bar] LLK max [kw] 60 Diesel Zylinder Diesel p 2 = 2,8 Bar Otto SUV 20 p ᴵ P effektiv [kw] Abbildung 33: Vergleich maximal abgeführter Wärmemengen am LLK Abbildung 34 zeigt schließlich die abgeführte Wärme über den LLK an einem PKW- Dieselmotor über das gesamte Kennfeld anhand von Messungen. Im Bereich des Abgas- Testzyklus NEDC sind die Werte noch relativ niedrig. Erst im Bereich der maximalen Leistung ergeben sich relativ hohe Wärmemengen. Es ist also eine hohe Spreizung der thermischen Anforderungen vorhanden. Hinzu kommt noch, dass auch im LLK selbst eine starke Temperaturverteilung vorliegt. Abbildung 35 zeigt dazu die Temperaturen auf der Ladeluft- und auf der Kühlluftseite bei Vollast Q ab LLK [kw] N [rpm] Abbildung 34: Abgeführte Wärmemenge über Ladeluftkühler Isolinienkennfeld BMW 4 Zylinder 2L Diesel, 130 kw

35 Abbildung 35: Temperaturverteilung im Ladeluftkühler 6.3. Der 1.8l 4-Zylinder Turbo-Direkteinspritz-Ottomotor von Mercedes-Benz Dieser 4-Zylinder von Mercedes-Benz (siehe Abbildung 36), intern als M271EVO bezeichnet, ist eine Weiterentwicklung des M271 mit Kompressor (seit 2002), welcher sich als Standardantrieb für die C-, E- und SLK-Klasse bewährt hat. Wesentliche Unterschiede sind die Umstellung von Saugrohr-Kanaleinspritzung auf Direkteinspritzung (homogen, stöchiometrisch), der Entfall des Kompressors und Substitution durch einen einstufigen Wastegate-ATL mit Ladeluftkühlung sowie die neu entwickelte Scavening -Funktionalität (Spülverfahren). Die Vorteile des ATL gegenüber dem mechanischen Lader sind die geringere Antriebsleistung, das günstigere Gewicht und Geräuschvorteile. Der auf 1050 C ausgelegte Lader ist auf der Auslassseite des Motors mit dem zweiflutigen, luftspaltisolierten Abgaskrümmer verschweißt. Das Lagergehäuse ist wassergekühlt. Der Vorteil eines direkt angetriebenen Kompressors bezüglich des sehr guten Ansprechverhaltens wird durch eine Auswahl der Turbinen-/Verdichterkombination unter der Prämisse hoher Leistungsdichte und bestmöglichem Dynamikverhalten in Verbindung mit einer schnellen ein- und auslassseitigen NW-Verstellung ebenfalls erreicht. Das Fahrverhalten bzgl. Anfahrverhalten und Elastizität des Turbomotors liegt auf dem Niveau des Kompressors (low end torque bei hoher Ansprechdynamik). 35

36 Abbildung 36: M271EVO (Mercedes-Benz, Wien 2009) Der Verbrauch liegt um bis zu 17% niedriger als der Vorgänger-Kompressormotor. Vielfältige Einzelmaßnahmen waren dafür notwendig: Reibungsreduzierung (z. B. regelbare Ölpumpe, Wärmemanagement) Start/Stopp-System Direkteinspritzung mit Anhebung des Verdichtungsverhältnisses (von 8,5 auf 9,3) Effizientere Ladeluftkühlung Anhebung der maximalen Abgastemperatur von 950 auf 1050 C - Einregelung mittels Abgastemperaturmodell Verbrennungsseitige Schutzfunktionen in der ECU zur Vermeidung kritischer Betriebszustände speziell hinsichtlich der Bauteiltemperaturen 36

37 zweischaliger Abgaskrümmer (luftspaltisoliert) mit angeschweißtem Turbinengehäuse Schubumluftventil Wastegate- Klappe Druckdose zur Wastegate Betätigung Pulsationsdämpfer Verdichter Turbine Abbildung 37: ATL des M271EVO, Quelle: Mercedes-Benz, Wien 2009 Ladungswechsel: Zur Vermeidung hoher Restgasanteile beim Ladungswechsel wurden die Ventilhubbreiten und Steuerzeiten so ausgelegt, dass u. a. im Anfahrdrehzahlbereich bis ca /min eine Drehmomentanhebung in der Saugvolllast von ca. 10% erreicht wurde. Dies ermöglicht eine Elastizitätsverbesserung insbesondere bei längeren Achsübersetzungen. Über Spülverfahren ( Scavenging ) sind bis zu Drehzahlen von ca /min hohe Drehmomentsteigerungen möglich. Hierbei wird bei max. Überschneidung des Nockenwellensteuerdiagramms aufgrund des sich einstellenden Druckgefälles zwischen Ansaug- und Auslassseite Frischgas durch den Brennraum in den Auslasstrakt gespült, wodurch sich die durchströmende Gasmasse (Abgas und Spülluft) an der Turbine signifikant erhöht. Dies ermöglicht zum einen deutlich schnelleren Ladedruckaufbau und zum anderen insgesamt höhere Ladedrücke und damit höhere Stationärdrehmomente. Zur Vermeidung schädlicher Exothermie im Katalysator und Sicherstellung reproduzierbarer Gemischzusammensetzungen im Brennraum ist die genaue Erfassung der Spülluftmenge für eine sichere Darstellung des Scavenging -Betriebes besonders wichtig. Der Anwendungsbereich mit Scavening liegt bei Vollast und niedrigen Drehzahlen. Dieser Bereich war bisher nicht relevant für die Abgasnachbehandlung. Durch die zukünftige RDE- Abgasmessung wird dieser Betriebsbereich ebenfalls erfasst und eventuelle Emissionsdurchbrüche können sich sehr problematisch auswirken. 37

38 Drehmoment [Nm] Leistung [kw] Drehmoment [Nm] 350 Stationärer Drehmomentverlauf mit Spülverfahren (Scavenging) % Stationärer Drehmomentverlauf ohne Spülverfahren Motordrehzahl [upm] Abbildung 38: Stationäre Drehmomenterhöhung durch Scavenging, Quelle: Mercedes-Benz, Wien 2009 Neben diesen und anderen Maßnahmen wird durch Einsatz eines ATL mit Ladeluftkühlung und Direkteinspritzung eine Nennleistung von 150kW (5500rpm), sowie ein max. Drehmoment von 310Nm (bei rpm) erreicht (siehe Abb. 39) M271EVO 150kW / 310 Nm 40 M271 (Vorgänger) kW / 250 Nm Drehzahl [upm] Abbildung 39: Leistungs- und Drehmomentverlauf M271EVO im Vergleich zum Vorgängermotor (Kompressor), Quelle: Mercedes-Benz, Wien