"Man muss die Aufladung richtig machen"

Die Aufladung ist eine Schlüsseltechnik künftiger Motorenkonzepte. Über das richtige Aufladesystem für Otto- und Dieselmotoren, künftige Weiterentwicklungen der Aufladesysteme sowie seine Einschätzung zu elektrisch unterstützten Ladern sprach die MTZ mit Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck, Leiter des Lehrstuhls Verbrennungsmotoren der Technischen Universität Dresden und Leiter der Aufladetechnischen Konferenz.

Wird es künftig überhaupt noch Fahrzeug-Verbrennungsmotoren ohne Aufladung geben?
Nein, wahrscheinlich keine mehr. Ohne Aufladung können Sie die heutigen Ziele bezüglich Effizienz, Dynamik und Nachhaltigkeit gar nicht mehr erreichen. Aber man muss die Aufladung richtig machen.

Was bedeutet das?
Richtige Aufladung ist eine Systemfrage. Der gesamte Motor, also auch die Einspritzung, die Ventilsteuerung und beim Ottomotor die Zündung, muss in allen Details darauf abgestimmt werden. Der Verbrennungsmotor ist ein Drehmomenterzeuger, der so ökonomisch und ökologisch wie möglich arbeiten muss. Mit der Aufladung resultiert das effiziente Drehmoment zum einen aus der Hubraumreduzierung dank des höheren Mitteldrucks zum anderen aus dem guten Ladungswechsel, Bei niedrigen Drehzahlen muss das maximale Drehmoment schon nach ein, maximal zwei Sekunden verfügbar sein - diese Dynamik schaffen Sie nur mit dem richtigen Aufladesystem. Und bei einer Emissionsreduzierung mittels Abgasrückführung ermöglicht die Aufladung die für die Verbrennung notwendige Frischluftmassen-Füllung.

Downsizing ist ja in aller Munde?
Dieser Begriff gefällt mir gar nicht, weil er unterstellt, etwas klein zu machen. Aus technischer Sicht reduzieren wir den Hubraum, damit auch das Gewicht, und wir erhöhen mit der Aufladung den Mitteldruck, der Motorprozess wird effizienter und die Reibleistung nimmt ab.

Wie viele Zylinder sind aus Aufladungssicht zu favorisieren?
Eindeutig der Dreizylinder, da sich dort Einlass- und Auslass-Gasströme nicht gegenseitig behindern. Dies gilt auch für den Sechszylindermotor.

Was ist das bessere Aufladungskonzept - Turboaufladung oder Kompressor?
Der mechanisch angetriebene Verdrängerkompressor hat eine sehr gute Fördercharakteristik, die dem Verbrennungsmotor entgegen kommt. Aus der Effizienzsicht ist dieses System schlechter als eine Abgasturboaufladung. Wenn die Zylinderzusammenfassung es erlaubt - beispielsweise bei einem V6-Ottomotor - dann erscheint mir eine parallele Doppelturboaufladung das effizientere Konzept zu sein.

Wie ist eine die Kombination von Kompressor und Turboaufladung zu bewerten?
Wir untersuchten diese Konzepte erstmals vor zehn Jahren. Das effizienteste Konzept für den Ottomotor ist die Serienschaltung aus einem mechanisch angetriebenen Verdrängerlader und einem größeren Abgasturbolader. Dadurch erhält man eine sehr große Luftmengenspreizung, die beispielsweise ein VTG-Turbolader alleine gar nicht erbringen könnte. Bei der Beschleunigung liefert der mechanische Lader sofort Ladedruck, so dass der Turbolader durch den großen Abgasmassenstrom schneller auf die Drehzahl beschleunigt wird, bei der er dann die Aufladung übernimmt. Zudem kann der Verdrängerlader zugeschaltet werden, wenn bei niedriger Drehzahl hohes Drehmoment benötigt wird.

Aber das System ist doch komplex. Beispielsweise erfordert es einen Riementrieb, eine Schaltkupplung und aufwändige Verrohrung?
Das ist richtig, aber offensichtlich überwiegen die Vorteile. Gerade in der ersten Phase der Beschleunigung wird der Ladungswechsel nicht gestört, im Gegensatz zur zweistufigen Abgasturboaufladung. Es ist mit Sicherheit die effektivste Art, den Ottomotor aufzuladen, vor allem weil der Ottomotor empfindlicher auf rückströmendes Abgas reagiert.

Und beim Dieselmotor?
Beim Diesel ist die zweistufig geregelte Turboaufladung das beste System. Bei heutigen Dieselmotoren liegt der Mitteldruck ja bereits über 25 bar, und dies über einen sehr weiten Drehzahlbereich. Dafür sind natürlich auch hohe Ladedrücke erforderlich. Zusammen mit der Anforderung nach Abgasrückführung kann man das nur durch die zweistufige Aufladung erreichen.

Wo liegen die weiteren Entwicklungsschwerpunkte für die Aufladung?
Bei derzeitigen Aufladesystemen liegt die Abgastemperatur nach dem Turbolader in der Teillast auf einem sehr niedrigen Niveau, um künftige Abgasreinigungsprozesse effektiv gestalten zu können. Das Ziel der Zukunft wird daher sein, die Abgaswärme im Prozess zu halten. Dazu muss man den Abgaskrümmer und den Turbolader innen isolieren, beispielsweise durch eine dünne Keramikschicht. Ein weiterer Vorteil wäre, dass der Werkstoff, auf den die Isolationsschicht aufgebracht wird, nicht so hochwertig sein müsste wie heute, wo hochlegierte Chrom-Nickel-Werkstoffe zum Einsatz kommen. Beim Ottomotor benötigen wir zudem noch ein keramisches Turbinenrad. Dann können wir die Abgastemperatur anheben und müssen das Gemisch nicht mehr anreichern, verbessern also direkt den Kraftstoffverbrauch. In kleinen Serien ist das Keramikrad schon machbar, großserientechnisch ist es sicherlich noch eine Herausforderung. Wenn man das konsequent umsetzt, hat man den Streit um die Abgaswärme zwischen Turbolader, Abgasnachbehandlungssystem und sogar Thermogenerator deutlich entschärft, da dann noch genügend Abgasenergie nach dem Lader vorhanden ist.

Und wie steht es um die Lagerung?
Die heute im Turbolader verwendeten Gleitlager haben den schlechtesten Wirkungsgrad aller denkbaren Optionen. Technisch machbar wäre ein so gut wie reibungsfreies Magnetlager, ich glaube aber nicht, dass das wirtschaftlich herstellbar ist. Wälzlager scheiden bei Drehzahlen von 360.000/min leider bisher aus, ich glaube aber, das Thema Wälzlager im Turbolader hat Potenzial.

Wie bewerten Sie elektrisch unterstützte Lader?
Dem elektrisch unterstützen Turbolader gebe ich keine Chancen, weil er den Luftdurchsatzbereich nicht wesentlich verbessert. Eine andere Variante ist der elektrisch angetriebene Radialverdichter zum Boosten. Dieser könnte künftig wieder interessant sein, wenn Hybridfahrzeuge kommen, da sie ja auch über ein Hochvolt-Bordnetz verfügen. Dann könnte man die kurzzeitig erforderliche Spitzenleistung des elektrischen Verdichters aus einem leistungsfähigen elektrischen Speicher entnehmen. Entscheidend wären dann die Kosten des elektrisch unterstützten Verdichters. Aber ohne Hybridisierung und nur mit 12-Volt-Bordnetz sehe ich für den elektrisch angetriebenen Radialverdichter keine Zukunft.

Herr Professor Zellbeck, herzlichen Dank für dieses Gespräch


Autor(en): Richard Backhaus

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