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Apr 09, 2023

Was ist mit der Turboverzögerung in heutigen Motoren passiert?

Wenn ich an Turbomotoren denke, kommt mir als Erstes Folgendes in den Sinn:

Wenn ich an Turbomotoren denke, fällt mir als Erstes das Turboloch ein. Unter Turboverzögerung versteht man die Zeit, die der Turbolader bzw. die Turbolader benötigt, um hochzufahren und Ladedruck zu erzeugen, nachdem das Gaspedal gedrückt wurde. Wenn man nur ein oder zwei Jahrzehnte zurückblickt, schien das Turboloch viel häufiger und schwerwiegender aufzutreten. Es schien, als könnte man Vollgas geben, bis fünf zählen, auf die Uhr schauen und DANN endlich spüren, wie der Boost einsetzt.

Das wirft also die Frage auf: Wenn Turbomotoren heutzutage so viel häufiger vorkommen, was ist dann mit dem Turboloch passiert? Dank jahrelanger Entwicklung und ein wenig cleverer Technik konnte das Problem gelöst werden.

Es ist kein Geheimnis, dass Autohersteller kreativ werden mussten, um die Emissions- und Kraftstoffverbrauchsstandards einzuhalten. Diese Standards stellten eine echte Herausforderung für die Automobilhersteller dar und zwangen sie, „über den Tellerrand hinauszudenken“. Rückblickend auf die Geschichte sind wir noch nie vor einer Herausforderung gescheut. Die Atombombe im Zweiten Weltkrieg, die Mondlandung zur Beendigung des Wettlaufs ins All, die Liste ließe sich endlos fortsetzen.

Aber im Fall der Lösung des Turbolochs würde ich nicht sagen, dass eine bestimmte Weiterentwicklung das Rennen einfach mit einem Schlag beendet hat. Stattdessen war es ein langer Weg mit vielen Spielern, die alle einen Unterschied machten und auf die Endlösung zusteuerten. Werfen wir einen Blick auf einige Möglichkeiten, wie Autohersteller das Turboloch in ihren modernen Motoren behoben haben.

Kleinere Motoren, intelligenterer Boost

Überall, wo man hinschaut, scheint es, dass die Motoren im Hubraum kleiner geworden sind. Ford hat seine EcoBoost-Vierzylinder- und V6-Motoren, Nissan/Infiniti hat die 3,0-Liter-VR-Motoren und Chevrolet bietet seit kurzem einen 2,7-Liter-Turbo im Silverado an. Diese Motoren mit kleinerem Hubraum bieten einen geringeren Kraftstoffverbrauch als die Motoren, die sie ersetzen, aber ohne Turboaufladung könnten sie nicht die gleiche Leistung bieten.

Hier kommt der intelligentere Boost ins Spiel. Motoren mit kleinerem Hubraum können kleinere Turbos verwenden, um Lücken im Leistungsband zu schließen. Kleinere Turbos können schneller hochdrehen, was zu einem besseren Ansprechverhalten und einer vorhersehbareren Leistungsabgabe führt. Moderne Turbos sind zudem näher am Motor montiert als je zuvor. Das bedeutet, dass die Abgase nach Verlassen des Brennraums nicht so weit zurücklegen müssen und der Turbo schneller hochdrehen kann.

Schauen wir uns die 1,8T- und 2,0T-Motoren an, die derzeit von VW und Audi gebaut werden. Diese Motoren verwenden eine Zylinderkopfkonstruktion mit integriertem Abgaskrümmer. Das bedeutet, dass der Abgaskrümmer Teil des Zylinderkopfgussteils ist und von Kühlmänteln umgeben ist. Dieses Design bietet zwei Hauptvorteile:

• Bei kaltem Motor tragen die heißen Abgase dazu bei, das Motorkühlmittel aufzuwärmen. Dies bedeutet, dass das HVAC-System viel früher mit der Beheizung des Fahrzeuginnenraums beginnen kann und der Motor viel schneller die Betriebstemperatur erreichen kann, wodurch schädliche Emissionen reduziert werden.

• Bei betriebswarmem Motor kann das Motorkühlmittel die Abgastemperatur senken. Dies bedeutet, dass das Motorsteuergerät (ECU) ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellen und die Katalysatortemperatur und -leistung maximieren kann.

Es ist erwähnenswert, dass VW und Audi nicht die einzigen Automobilhersteller sind, die sich für eine integrierte Abgaskrümmerkonstruktion entschieden haben. Ford hat bei seinem 1,0-Liter-Dreizylinder-EcoBoost-Motor sowie einigen seiner Vierzylinder- und V6-Turbomotoren einen integrierten Abgaskrümmer verwendet. Honda verwendete dieses Design beim Civic Type R, Toyota (naja, technisch gesehen BMW) verwendete es beim neuen Supra-Motor und die Liste ließe sich beliebig fortsetzen. Die Verwendung eines integrierten Verteilers bietet weitere Vorteile, darunter geringeres Gewicht, Platzeinsparungen und mehr.

Intelligentere Boost-Steuerung

Ältere Wastegates und Bypassventile waren vakuumgesteuert und reagierten eher träge auf Änderungen der Fahrereingaben oder Fahrbedingungen. Moderne Geräte werden elektronisch gesteuert und ermöglichen eine wesentlich präzisere Einstellung. Der Austausch von Vakuumsteuermagneten und -membranen durch schnell reagierende elektronische Aktuatoren bedeutet, dass das Steuergerät proaktiv und nicht reaktiv mit der Ladedrucksteuerung arbeiten kann. Das Steuergerät kann diese beiden Ventile betätigen, um die Verzögerung zu reduzieren, den Turbo auf Hochtouren zu halten und eine gleichmäßigere Leistung zu liefern.

Zur Optimierung des Turbobetriebs kann eine variable Ventilsteuerung (VVT) eingesetzt werden. Moderne VVT-Systeme bieten eine präzisere Steuerung als je zuvor und ermöglichen eine maximale Kontrolle des Turbos unter verschiedenen Fahrbedingungen. Die Öffnung des Auspuffs kann verwendet werden, um den Turbo auf Hochtouren zu halten oder um die Abgase aus dem Zylinderinneren abzuleiten. Durch die Anpassung der Ventilüberschneidung kann das Steuergerät auch die Pumpverluste des Motors verringern.

Twin-Scroll-Turbolader

Autohersteller haben auf innovative Technologie gesetzt, um die Leistung und das Ansprechverhalten des Turbos zu maximieren. Ein solches Beispiel ist das Twin-Scroll-Design (Abbildung 1 ). Twin-Scroll-Turbos und Abgaskrümmer enthalten im Inneren zwei separate Luftkanäle. Da die Luftströme getrennt sind, können zwei Zylinder einen einzigen Abgasstrom erzeugen, bis dieser die Turbine erreicht.

Durch die Trennung dieser Luftkanäle wird verhindert, dass sich die einzelnen Zylinder gegenseitig behindern und die Turbine ungewollt langsamer wird. Der größte Vorteil eines Twin-Scroll-Turbos ist jedoch das erhöhte Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. Das liegt unter anderem an der Trennung der Luftkanäle – und daran, dass die Abgase gleichmäßiger über die Turbinenschaufeln verteilt werden.

Hot-V-Turbolader

Lassen Sie uns unsere Liste mit einer letzten Methode abschließen, mit der Autohersteller das Turboloch behoben haben: dem „heißen V“. Bei dieser Art von Motoraufbau sind die Ansaugkrümmer an der Außenseite des Zylinderkopfs montiert (dort, wo man die Abgaskrümmer vermuten würde), und die Abgaskrümmer und Turbo(s) befinden sich im „V“ des Motors (Figur 2).

Diese scheinbar kleine Änderung hat große Auswirkungen auf die Leistung des Motors. Die Turbos sind extrem nahe an den Zylinderköpfen montiert, sodass die Abgasrohre sehr kurz sind. Dies maximiert das Ansprechverhalten des Turbos und reduziert die Verzögerung. Dies verhindert auch einen übermäßigen Geschwindigkeitsverlust der Abgase sowie Wärmeverluste durch den Krümmer. Die Temperaturen können mit einigen cleveren Kühllösungen unter Kontrolle gehalten werden, darunter spezielle Kühlmittelkreisläufe, Hitzeschilde, Luftabweiser und mehr.

BMW, Audi und Mercedes-Benz haben dieses Motorendesign in einige ihrer Modellreihen integriert. Audi hat einen Weg gefunden, den Raum im V zu maximieren, indem jede Turbine in entgegengesetzte Richtungen rotiert (Figur 3).

Ich weiß, dass Elektrofahrzeuge auf dem Vormarsch sind und dass wir über eine Abkehr von fossilen Brennstoffen nachdenken müssen, aber ich kann nicht anders, als über die Ingenieurskunst der letzten ein oder zwei Jahrzehnte im Automobilbereich zu staunen. Jedes Mal, wenn es so aussah, als hätten wir den Höhepunkt der Leistung erreicht, als könnten wir kein Quäntchen mehr Leistung aus der Verbrennungskraftmaschine herausholen, findet jemand einen Weg. Dieser kreative Drang, dieser Innovationsgeist ist meiner Meinung nach tief in uns als Spezies verwurzelt.

Einige von Ihnen beklagen vielleicht die bevorstehende Welle der Elektrifizierung, und ich möchte Ihnen Folgendes sagen: Denken Sie nur daran, was wir mit Elektrofahrzeugen erreichen können, wenn wir die gleichen Anstrengungen in die Entwicklung dieser Technologie stecken. Ich für meinen Teil freue mich darauf zu sehen, was vor der Tür steht.