Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.1 Aufladung 195

einstufiger Aufladung realisiert werden kann. Das bewirkt in diesem Kennfeldbe-

reich eine niedrigere Abgastemperatur sowie eine signifikante Reduzierung der

Rußemission und führt darüber hinaus zu einer thermischen Entlastung des Mo-

tors.

Der günstigere Ladedruckverlauf des zweistufig aufgeladenen Motors spiegelt

sich nahezu direkt im Mitteldruckverlauf wider. Infolge der besseren Anpassung

des Aufladesystems an den Motor steht sowohl bei niedrigen Drehzahlen als auch

im oberen Drehzahlbereich ein deutlich höheres Volllastdrehmoment zur Verfü-

gung. Im mittleren Drehzahlbereich könnte dieses Potenzial auch erschlossen

werden, sofern die Gestaltfestigkeit des betrachteten Motors einen höheren Zünd-

druck zugelassen hätte. Zur Darstellung einer hohen Maximalleistung kann somit

auch die Nenndrehzahl reduziert werden, was sich grundsätzlich positiv auf den

Wirkungsgrad des Motors im Nennbereich auswirkt und die Gemischbildung

verbessert. Damit beim vorliegenden Motor der zulässige Zylinderspitzendruck

nicht überschritten wird, muss der Einspritzbeginn bei den hohen Ladedrücken der

zweistufigen Aufladung nach „spät“ verschoben werden. Diese Maßnahme senkt

grundsätzlich die NO

-Emission und steigert – mit Blick auf den bekannten Ruß-

-Trade-Off – die Rußemission. Im Zusammenhang mit der Charakteristik des

zweistufigen, geregelten Aufladesystems kann der spezifische effektive Kraft-

stoffverbrauch trotz Spätverstellung der Einspritzung im gesamten Drehzahlbe-

reich zwischen 2 und 6,5% reduziert werden.

Generell bietet die zweistufig-geregelte Aufladung Vorteile auch deutliche hin-

sichtlich der Schadstoffemission, insbesondere bei hochaufgeladenen Dieselmoto-

ren. Hohe Abgasrückführraten, die zur Einhaltung zukünftiger Emissionsgrenz-

werte auch im Bereich der Volllast dargestellt werden müssen, erfordern eine

weitere Steigerung des Ladedruckes, damit das Luftverhältnis trotz des rückge-

führten Abgases auf einem hohen Niveau verbleibt. Dieser Sachverhalt führt zu

einer weiteren Steigerung des Ladedruckes und damit des Verdichterdruckverhält-

nisses, welches durch eine zweistufige Aufladung bei insgesamt höheren ATL-

Wirkungsgraden realisierbar ist [SCH04e]. Die Betriebslinien in den Verdichter-

kennfeldern verlaufen demnach im mittleren Bereich bei hohen Wirkungsgraden

und deutlichem Abstand zur Pumpgrenze.

[TOM04] hat ein zweistufig geregelten Aufladesystem für Diesel-Pkw be-

schrieben, das keine Zwischenkühlung aufweist und Bypässe bei beiden Abgas-

turbinen sowie beim Hochdruckverdichter beinhaltet. Abb. 4.38 zeigt die Verdich-

terkennfelder von Hoch- und Niederdruckstufe mit den Betriebslinien. Der Lade-

druckaufbau erfolgt bis zu einer Drehzahl von etwa 1.500 1/min nahezu vollstän-

dig über den Hochdruckverdichter. Im mittleren Drehzahlbereich arbeiten beide

Stufen in Reihe, und bei hohen Drehzahlen bzw. Abgasmassenströmen trägt in

erster Linie die Niederdruckstufe zur Aufladung bei. Der Durchsatzbereich kann

mit dieser Anordnung wesentlich verbreitert werden. Im Gegensatz zur einstufigen

Aufladung verläuft der Ladedruckaufbau daher sowohl im Anfahr- als auch im

Nennleistungsbereich unter deutlich günstigeren Verdichterwirkungsgraden. Bei

niedrigen Drehzahlen ist zudem eine Anhebung des Drehmomenten in Höhe bis

zu 40% möglich.

196 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Abb. 4.38. Verdichterkennfelder bei der zweistufigen, geregelten Aufladung eines Pkw-

Dieselmotors [TOM04]

Abbildung 4.39 zeigt einen Vergleich der Volllast-Mitteldruckverläufe eines di-

rekteinspritzenden Pkw-Dieselmotors mit variabler Turbinengeometrie und zwei-

stufig-geregelter Abgasturboaufladung. Infolge einer deutlichen Steigerung des

Volllast-Mitteldruckes über den gesamten Drehzahlbereich können sowohl das

Low-End-Torque als auch die Nennleistung in beträchtlichem Ausmaß angehoben

werden. Zusätzlich verbessert sich das dynamische Betriebsverhalten. Mit dem

komplexeren Aufladesystem ist in diesem Beispiel bei unveränderter Nenndreh-

zahl von 4.000 1/min eine maximale Leistungsdichte von ca. 67 kW/dm

bei

gleichzeitig reduziertem Kraftstoffverbrauch zu erzielen.

Abb. 4.39. Volllast-Mitteldruck für einen Pkw-Dieselmotor mit zweistufiger, geregelter

Aufladung oder konventioneller Abgasturboaufladung mit VTG-Turbine [SCH04e]

4.1 Aufladung 197

Aufgrund der Tatsache, dass der Betriebsbereich des Motors auf zwei Abgas-

turbolader aufgeteilt wird, existieren im Motorkennfeld zwei Verbrauchsminima.

Neuerdings findet dieses Verfahren der zweistufig-geregelten Aufladung auch

bei Großserien-Diesel-Pkw der Marken BMW und zukünftig auch bei Opel

Verbreitung. Seit Herbst 2004 bietet BMW ein entsprechendes System in der 5er-

Reihe an [STE04, STÜ04]. Unter dem Label „Variable Twin Turbo“ arbeiten zwei

unterschiedlich große, aber einfache Turbolader mit Verdichterraddurchmessern

von 39 und 66 mm. Bei einem maximalen, absoluten Ladedruck von

= 2,85 bar

beträgt das Drehmoment 560 Nm (

= 2.993 cm

), und der entsprechende effek-

tive Mitteldruck in Höhe von 23,5 bar markiert derzeit den Spitzenwert bei Pkw-

Dieselmotoren. Der mit

İ = 16,5 verdichtete 6-Zylinder-Motor erreicht eine Leis-

tung von 200 kW bei

n = 4.400 1/min und weist damit eine spezifische Leistung

von 66,8 kW/dm

auf. Da das Aggregat als Reihenmotor ausgeführt ist, können

die Abgas- und Luftströme auf je einer Motorseite konzentriert werden. Diese

Anordnung bietet hinsichtlich der Realisierung des innovativen Aufladesystems

gegenüber einem V-Motor deutliche Vorteile.

In Abb. 4.40 ist das Prinzip des BMW-Aufladesystems dargestellt. Bei niedri-

gen Drehzahlen bis etwa 1.500 1/min (Bereich I) strömt die Ansaugluft durch den

Verdichter des großen Turboladers ohne nennenswerte Verdichtung hindurch und

wird im Verdichter des kleinen Turboladers verdichtet. Dabei wird der gesamte

Abgasmassenstrom durch die kleine Turbine geleitet. Dieser schnell ansprechende

Turbolader kann den gewünschten Ladedruck bereits ab Leerlaufdrehzahl mit sehr

kurzer Verzögerung bereitstellen, und der Motor erreicht ab 1.500 1/min bereits

ein stationäres Drehmoment von 530 Nm.

Abb. 4.40. Prinzipschaltbild der zweistufig-geregelten Aufladung von BMW (Variable

Twin Turbo)

198 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Mit steigender Drehzahl wird die Luft im großen ATL vorverdichtet und im

kleinen ATL hochverdichtet. In diesem Übergangsbereich (Bereich II) liegt eine

zweistufige Verdichtung vor, wobei die in den beiden Stufen erreichbaren Druck-

verhältnisse vergleichsweise gering sind und damit keine Zwischenkühlung not-

wendig ist. Aufgrund der unterschiedlichen Baugrößen der beiden Turbolader

erreicht der große Verdichter ein geringeres Druckverhältnis als der kleine Ver-

dichter. Um einen harmonischen Drehmomentverlauf über die gesamte Drehzahl-

spanne darstellen zu können, muss innerhalb dieses Drehzahlbereiches ein konti-

nuierlicher Übergang vom kleinen zum großen Turbolader erfolgen. Diese Anfor-

derung macht einen Tandembetrieb der beiden ATL erforderlich.

Bei höheren Drehzahlen ab 3.250 1/min wird der kleine Abgasturbolader über

einen Bypass nahezu vollständig umgangen, da er seine Schluckgrenze erreicht

hat und den erhöhten Luftmassenstrom somit nicht mehr durchsetzen kann. In

diesem Kennfeldbereich (Bereich III) wird der gesamte Abgasmassenstrom durch

die Turbine des großen Abgasturboladers geleitet, und der Ladedruck wird aus-

schließlich durch den zugehörigen großen Verdichter erzeugt. Die Führung des

Abgasmassenstroms läuft hier relativ einfach ab, da der Abgasgegendruck der

kleinen Turbine deutlich größer ist als der Abgasgegendruck der großen Turbine.

Im Bereich sehr hoher Drehzahlen mit

n > 4.200 1/min (Bereich IV) kommt beim

großen ATL zusätzlich ein Wastegate (WG) zum Einsatz. Abb. 4.41 zeigt das

Motorkennfeld des BMW-Systems Variable Twin Turbo mit den vier Kennfeldbe-

reichen. Zusätzlich ist die Volllastlinie des mit dem konventionellen VTG-

Abgasturbolader beatmeten Motors dargestellt.

Abb. 4.41. Motorkennfeld des R6-Zylinder-Dieselmotors von BMW mit geregelter, zwei-

stufiger Aufladung

Im praktischen Fahrbetrieb können mit der zweistufig geregelten Aufladung

das Anfahrdrehmoment und die Maximalleistung erhöht sowie das Transient-

verhalten deutlich verbessert werden. Der Wirkungsgrad der gesamten Auflade-

4.1 Aufladung 199

gruppe liegt im gesamten Drehzahlbereich auf einem vergleichsweise hohen Ni-

veau. Die damit mögliche Verbesserung der Ladungswechselarbeit ist mit ein

Grund für die Leistungssteigerung durch die zweistufige geregelte Aufladung. Um

stets den für den Betriebspunkt am besten geeigneten Turbolader einsetzen oder

die vorteilhafteste Kombination wählen zu können, ist dennoch ein komplexes

System zur Steuerung von Abgas- und Luftmassenstrom erforderlich. Die unver-

meidlichen Unstetigkeiten in den drehzahlabhängigen Wirkungsgradverläufen von

Verdichter und Abgasturbine infolge der Umschaltung erfordert umfangreiche

Software-Maßnahmen, um das Drehmoment konstant halten zu können. Aufgrund

dieser Komplexität sowie der zusätzlichen Bauelemente werden die Systemkosten

spürbar erhöht, sodass eine breite Serieneinführung zunächst in sehr sportlichen

und Fahrzeugen der Oberklasse zu erwarten ist.

Die von Opel im November 2003 vorgestellte Studie (Opel Vectra OPC Twin-

turbo) eines mit zweistufig-geregelter Aufladung betriebenen 4-Zylinder-Diesel-

motors erreicht sogar noch höhere spezifische Drehmomente und Leistungen als

die Variante von BMW. Die Systeme sind sich sehr ähnlich, nur dass Opel zwi-

schen den beiden Abgasturboladern eine Zwischenkühlung mittels eines zusätzli-

chen Ladeluftkühlers implementiert hat. Zudem sind die relevanten Drehzahl-

spannen mit den Grenzen von 1.800 1/min und 3.000 1/min zu höheren Drehzah-

len verschoben. Die Turbolader sind ebenfalls unterschiedlich groß und verzichten

auf eine variable Turbinengeometrie. Bei Volllast fördert der große Verdichter

etwa die dreifache Luftmenge des kleinen Verdichters. Mit Hilfe eines maximalen

Ladedruckes von absolut 3,2 bar bei einer geometrischen Verdichtung von

İ = 17,2 werden aus 1.910 cm

Motorhubvolumen 400 Nm Drehmoment erzeugt.

Das entspricht einem effektiven Mitteldruck von 26,3 bar. Möglich gewesen wäre

allerdings ein noch höheres spezifisches Drehmoment. Mit Rücksicht auf das

Getriebe musste das maximal darstellbare Drehmoment von 460 Nm (

= 30,3

bar) auf den obigen Wert reduziert werden. Die Nennleistung beträgt 156 kW bei

4.000 1/min und entspricht einer spezifischen Leistung von beachtlichen 81,7

kW/dm

. Opel gibt dabei an, dass neben dem Aufladesystem nur Kolben, Pleuel

und Lager sowie das Einspritzsystem an die höhere Leistungsdichte angepasst

werden mussten. Mit einer Serieneinführung ist noch für das Jahr 2005 zu rechnen

[WOL04].

Die beträchtlichen Vorteile, die mit der zweistufig, geregelten Aufladung ver-

bunden sind, lassen langfristig eine breite Serieneinführung bei Fahrzeugmotoren

erwarten. Das System wird damit zum festen Bestandteil von Hochlast-

Downsizing-Konzepten avancieren.

Mechanische Zusatzaufladung

Zur Verbesserung des Anfahrdrehmomentes turboaufgeladener Verbrennungsmo-

toren ist prinzipiell auch eine mechanische Zusatzaufladung denkbar. Hierbei ist

dem Abgasturbolader ein mechanisch angetriebener Verdrängerlader vorgeschal-

tet, wobei letzterer über eine Kupplung und ein Getriebe mit dem Motor verbun-

den ist. Um die Vorteile des Systems über den gesamten Kennfeldbereich des

Motors ausnutzen zu können, ist eine geeignete Kombination von Verdrängerlader

200 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

und Abgasturbolader zu wählen. [SCH94] hat dieses System für einen direktein-

spritzenden Nfz-Dieselmotor vorgestellt und folgende Einsatzstrategie für die

Verdichter für sinnvoll erachtet. Der Abgasturbolader befindet sich ständig im

Betrieb. Im unteren Last-Drehzahl-Bereich kommt zusätzlich der Verdrängerlader

zum Einsatz und bewirkt eine zweistufige Aufladung. Im mittleren Drehzahlbe-

reich wird der mechanischer Verdichter nur im instationären Betrieb eingesetzt,

und im oberen Kennfeldbereich wird ausschließlich der Abgasturbolader sowohl

im stationären als auch im instationären Betrieb verwendet. Abb. 4.42 zeigt das

Schema eines möglichen ATL-Aufladesystems mit mechanisch angetriebenem

Zusatzverdichter.

Abb. 4.42. Schema eines Aufladesystems mit mechanischer Zusatzaufladung

Bei einer Reihenschaltung von mechanischem und Abgasturbolader ist der

Verdrängerlader zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung zuerst anzuordnen, da

die Eintrittstemperaturen der Luft begrenzt sind und der Wirkungsgrad des

Verdrängerladers mit zunehmendem Eingangsdruck aufgrund innerer Leckagen

abnimmt. Eine andere Reihenfolge ist jedoch auch denkbar, wie [ZEL04] am

Beispiel eines Pkw-Systems ausgeführt hat.

Die Kopplung von Verdränger- und Abgasturbolader ermöglicht mehrere Vor-

teile. Zum einen kann infolge des praktisch verzögerungsfreien Ladedruckaufbaus

des mechanischen Laders ein sehr gutes Ansprechverhalten beim Übergang von

Teillast auf Volllast über den gesamten Drehzahlbereich realisiert werden. Durch

die Unabhängigkeit des mechanischen Laders vom Abgasangebot ist bereits bei

niedrigen Drehzahlen eine Anhebung des Volllastdrehmomentes bei gleichzeitiger

Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses im Interesse niedriger Partikelemis-

sion möglich. Der Abgasturbolader seinerseits kann optimal für den mittleren und

oberen Drehzahlbereich ausgelegt werden, da die unteren Kennfeldbereiche mit

niedrigem Abgasangebot und Luftdurchsatz nicht mehr berücksichtigt werden

müssen. Der dadurch mögliche Betrieb bei höheren Wirkungsgraden von Verdich-

ter und Turbine führt im oberen Drehzahlbereich zu einer Reduzierung des Kraft-

stoffverbrauchs. Nachteilig sind die hohen Systemkosten sowie der beim Betrieb

des mechanischen Verdichters erhöhte Kraftstoffverbrauch.

4.1 Aufladung 201

Elektrisch unterstützte Abgasturboaufladung

Die Nachteile der konventionellen Abgasturboaufladung sind prinzipbedingt und

resultieren aus einem unzureichenden Abgasenthalpieangebot bei geringen Mo-

tordrehzahlen sowie zu Beginn von Beschleunigungsphasen in Verbindung mit

der Massenträgheit des Turboladerlaufzeugs. Schon lange besteht daher der Ge-

danke, dieses Leistungsdefizit durch eine andere Energieform, die grundsätzlich

verfügbar ist und einfach gehandhabt werden kann, zu kompensieren, um bei

Bedarf ein entsprechendes Drehmoment darstellen zu können (Torque on De-

mand). Es ist demnach naheliegend, die elektrischer Energie aus dem Bordnetz in

irgendeiner Form zu nutzen. Dieser Ansatz führte zur Entwicklung von elektrisch

unterstützen Aufladesystemen (EBS, E

lectric Boosting Systems), von denen der

elektrisch angetriebene Zusatzverdichter sowie der elektrisch unterstützte Abgas-

turbolader in den letzten Jahren Bekanntheit erlangt haben.

Die Vorteile liegen hier in der generellen Verfügbarkeit elektrischer Energie im

Fahrzeug sowie der einfachen Weiterleitung innerhalb des bestehenden Bordnet-

zes (12 Volt) oder ggf. eines eigenen, leistungsfähigeren Netzes (z.B. 42 Volt).

Letzteres ist kurz- bzw. mittelfristig jedoch nicht zu erwarten. Dabei ist zu berück-

sichtigen, dass eine elektrische Unterstützung beim 12-Volt-Bordnetz aufgrund

dessen Belastung im wesentlichen nur für transiente Betriebszustände des Motors

möglich ist, da aufgrund der erforderlichen Strombegrenzung kurzzeitig nur bis zu

2 kW elektrische Leistung verfügbar ist [BAL02]. Zur Beschleunigung kann die-

ser Wert auch überschritten werden, sofern die zusätzliche Energiemenge durch

die Batterie bereit gestellt werden kann [BbU02]. Eine darüber hinausgehende

Verwendung, z.B. zur Anhebung des stationären Volllastdrehmomentes erfordert

in jedem Fall ein leistungsfähigeres Bordnetz. Das nutzbare Potenzial insbesonde-

re im transienten Betriebsverhalten hängt von der verfügbaren elektrischen Leis-

tung ab. Für die Akzeptanz elektrisch unterstützter Aufladesysteme wird daher die

Integration und der Anschluss an das Bordnetz der Schlüssel zum Erfolg sein. Da

eine direkte Versorgung der Elektroantriebe durch den Generator sehr schwierig

ist, werden hohe Anforderungen an die Speicherung und Verfügbarkeit der elekt-

rischen Energie in der Batterie gestellt.

Da die elektrische Leistung ausschließlich dazu genutzt wird, dem Motor mehr

Luft bereit zu stellen, und das zusätzliche Drehmoment durch Umsetzung einer

größeren Kraftstoffmenge erzeugt wird, bietet die elektrisch unterstützte Aufla-

dung hinsichtlich der erforderlichen elektrischen Leistung deutliche Vorteile z.B.

im Vergleich zum Starter-Generator-System. Hier wird das zusätzliche Drehmo-

ment rein elektrisch erzeugt, sodass zur Darstellung eines besseren Beschleuni-

gungsverhaltens sowie eines höheren Low-End-Torque in jedem Fall ein leis-

tungsfähigeres Bordnetz erforderlich ist.

Weitere Vorteile der elektrisch unterstützten Aufladung ergeben sich aus einer

Verbrauchsreduzierung, da zur Generierung hoher Ladedrücke das Abgas vor der

Turbine weniger aufgestaut wird und damit der Abgasgegendruck sinkt. Zudem

können die Emissionen während des Motorbetriebs sowie beim Kaltstart durch ein

gezielt steuerbares Luftmanagement reduziert werden.

202 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Elektrisch angetriebener Zusatzverdichter

Eine Möglichkeit, sowohl das stationäre Volllastmoment als auch das instationäre

Betriebsverhalten des Motors zu verbessern, ist der Einsatz eines separat angetrie-

benen Zusatzverdichters. Hiermit kann unabhängig vom Massenstrom und den

thermischen Zustandsgrößen des Abgases – und damit unabhängig vom Betriebs-

zustand des Motors – die Luftversorgung deutlich verbessert und bereits bei nied-

rigen Drehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck bereit gestellt werden. Mecha-

nisch angetriebene Zusatzverdichter haben nur ein begrenztes Potenzial, da sie

stets mit dem Motor gekoppelt sind und einen Teil der erforderlichen Leistung

zum eigenen Antrieb benötigen. Auch hydraulisch angetriebene Systeme sind

aufgrund des nötigen Druckspeichers sowie zugehöriger Pumpen eher problema-

tisch [MÜN02]. Einen viel versprechenden Ansatz stellt daher ein elektrisch ange-

triebener Zusatzverdichter dar. Entsprechende Systeme mit zusätzlichem Strö-

mungsverdichter wurden bereits von einigen Herstellern beispielsweise unter den

Namen e-Booster und e-Charger vorgestellt, allerdings fanden diese bisher keine

Verwendung in der Serie.

Abbildung 4.43 zeigt die prinzipielle Anordnung der einzelnen Systembaustei-

ne des elektrisch angetriebenen Zusatzverdichters. Charakteristisch ist die Reihen-

schaltung des Zusatzverdichters mit dem Abgasturbolader. Geringfügige energeti-

sche Vorteile sowie eine größere Flexibilität in Bezug auf die Einbauposition

empfehlen die Anordnung des Zusatzverdichters vor dem Abgasturbolader

[HOE01]. Das System basiert auf einer zweistufigen geregelten Aufladung und

bietet entsprechende Vorteile auch im erhöhten Stationärmoment, sofern die er-

forderliche elektrische Leistung vom Bordnetz zur Verfügung gestellt werden

kann.

Abb. 4.43. Schema des Aufladesystems mit elektrisch angetriebenem Zusatzverdichter

Ist der Zusatzverdichter nicht aktiviert, wird die Ansaugluft um diesen herum-

geführt, um die Druckverluste so gering wie möglich zu halten. Für den Einsatz in

Fahrzeugen reichen moderate Druckverhältnisse von

= 1,2-1,3, wobei der

Druckaufbau innerhalb von 0,5 s erfolgen muss, um einen harmonischen Dreh-

momentaufbau zu erzeugen [SON02].

4.1 Aufladung 203

Infolge der beim 12-Volt-Bordnetz nur kurzfristig möglichen Bereitstellung

von maximal 2 kW – dies ist nahezu unabhängig von der Motorgröße – sind die

Vorteile durch die elektrisch unterstützte Aufladung insbesondere bei kleinvolu-

migen Motoren [BAL02] sowie bei niedrigen Ausgangsdrehzahlen zu Beginn

eines Beschleunigungsvorganges [SCH04b] gegeben. Abb. 4.44 stellt die per

Simulation ermittelten Vorteile eines elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter

mit einer Leistungsaufnahme von 1,8 kW hinsichtlich des Beschleunigungsverhal-

tens eines aufgeladenen Ottomotor dar.

Abb. 4.44. Zeitliche Entwicklung des Motordrehmomentes und Durchzugsvermögen eines

Ottomotors mit e-Booster [HOE01]

Im Vergleich zum konventionellen Aufladesystem wird schon nach sehr kurzer

Zeit der maximale Mitteldruck erreicht, sodass das Durchzugsvermögen des Fahr-

zeugs deutlich verbessert wird. Gesteigerte Aufnahmeleistungen durch Einsatz

leistungsstärkerer Elektromotoren erbringen nur noch marginale Verbesserungen,

da das Massenträgheitsmoment des Elektromotors mit zunehmender elektrischer

Leistung überproportional ansteigt. Von Bedeutung ist daher weniger die absolute

elektrische Leistung als vielmehr das Verhältnis von E-Motor-Drehmoment zu

Massenträgheit des Läufers.

Ein weiterer Vorteil kann speziell für Dieselmotoren genutzt werden. Infolge

der durch den Zusatzverdichter bewirkten Druck- und Temperaturerhöhung der

Ladeluft kann das Kaltstartverhalten insbesondere bei abgesenkten Verdichtungs-

verhältnissen verbessert werden. Zudem stellt sich hierbei ein günstigeres Ruß-

und Weißrauchverhalten ein [SCH04b].

Elektrisch unterstützter Abgasturbolader

Bei diesem System ist ein Elektromotor direkt auf der Turboladerwelle montiert.

Durch Aufprägung eines zusätzlichen, elektrisch erzeugten Drehmomentes wird

der Hochlauf des Turboladers rapide beschleunigt, sodass der gewünschte Lade-

druck bereits deutlich früher zur Verfügung steht und das Volllastmoment im

204 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

unteren Drehzahlbereich zumindest kurzfristig erhöht werden kann. Auch bei

diesem System, das z.B unter den Markennamen e-Turbo, eu-ATL bzw. EAT

lectrically Assisted Turbocharger) angeboten wird, ist eine Serienanwendung

bisher nicht erfolgt.

Das Prinzipschaltbild des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (eu-ATL)

ist in Abb. 4.45 skizziert. Zusätzliche Komponenten sind der auf der Welle mon-

tierte Elektromotor sowie die Leistungselektronik. Die Ausmaße des Turboladers

erhöhen sich durch die Integration des kompakten und leistungsstarken Elektro-

motors gegenüber der Basisvariante nur geringfügig um etwa 30 mm [HOE01].

Allerdings ist die thermische Belastung des E-Motors durch die räumliche Nähe

zum abgasführenden Turbinengehäuse beträchtlich, und sie wirkt dauerhaft, auch

dann, wenn der unterstützende Elektromotor nicht im Betrieb ist. Damit besteht

ein entsprechender Kühlbedarf. Aus dem gleichen Grund muss auch die Steuer-

und Leistungselektronik separat an einer geeigneten Stelle des Motorraumes plat-

ziert und über entsprechend dimensionierte Kabel mit dem Turbolader verbunden

werden.

Abb. 4.45. Schema des elektrisch unterstützten Abgasturboladers

Trotz einer durch den Einbau des E-Motors bedingten Erhöhung des Massen-

trägheitsmomentes des Laufzeuges wird ein verbessertes transientes Betriebsver-

halten ermöglicht. Da der Verdichter selbst und damit das Verdichterkennfeld

unverändert bleibt, ist eine Erhöhung stationärer Drehmomente nur in engen

Grenzen möglich. Beispielsweise kann im Motordrehzahlbereich, wo der Verdich-

ter infolge eines unzureichenden Abgasangebotes für die Turbine noch ausrei-

chenden Abstand zur Pumpgrenze bietet, das Volllastdrehmoment gesteigert wer-

den, wobei auch hier die verfügbare elektrische Leistung ein begrenzender Faktor

ist. Eine deutliche und nachhaltige Steigerung des Mitteldruckes über dem gesam-

ten Drehzahlbereich ist mit dem elektrisch unterstützten Abgasturbolader nicht

möglich. Darüber hinaus besteht im Vergleich zum elektrisch angetriebenen Zu-

satzverdichter ein weiterer Nachteil hinsichtlich des Beschleunigungsverhaltens.

Während bei letzterem nur das Verdichterrad, welches aufgrund der geringen

Verdichterdrehzahl aus einem leichteren Material gefertigt sein kann, und die