Studiennotizen zu Turboladern

Weltweit besteht das Hauptziel in der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs ohne Abstriche bei anderen Leistungskriterien. In einem ersten Schritt zeigt eine Parameterstudie des Leitschaufeldiffusors, dass Effizienzverbesserungen in den relevanten Betriebsbereichen auf Kosten einer reduzierten Kartenbreite möglich sind. Ausgehend von den Ergebnissen werden drei variable Geometrien unterschiedlicher Komplexität auf Basis von Schaufeldiffusoren entworfen. Ergebnisse aus dem Heißgasprüfstand und dem Motorenprüfstand zeigen, dass alle Systeme in der Lage sind, den Kompressorwirkungsgrad zu steigern und damit den Kraftstoffverbrauch im Hauptfahrbereich schwerer Motoren zu verbessern.

Zusätzliche Herausforderungen stellen die Notwendigkeit einer hohen Haltbarkeit, geringer Geräuschemissionen und eines guten Übergangsverhaltens des Motors dar. Daher ist die Auslegung des Verdichtersystems immer ein Kompromiss zwischen hohem Wirkungsgrad, breiter Kennfeldbreite, geringem Gewicht des Laufrads und hoher Haltbarkeit, was zu Verdichterstufen mit erheblichen aerodynamischen Verlusten im Hauptfahrbereich von Fernverkehrsfahrzeugen und damit zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Die Lösung dieses grundlegenden Problems der Kompressorkonstruktion durch die Einführung einer variablen Geometrie kann zu geringeren Gesamtbetriebskosten führen, was das wichtigste Verkaufsargument für Hochleistungsmotoren ist. Abgesehen von Rückführungsventilen, die in Pkw-Turboladern zum Einsatz kommen, haben Kompressoren mit variabler Geometrie trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet keinen Eingang in die Serienproduktion gefunden.

Drei variable Kompressoren wurden mit dem Ziel entwickelt, den Kraftstoffverbrauch von Hochleistungsmotoren im Hauptfahrbereich zu verbessern, ohne dass sich dabei die Nennleistung, das Spitzendrehmoment, die Pumpstabilität und die Haltbarkeit verschlechtern. In einem ersten Schritt wurden Anforderungen an den Motor hinsichtlich der Kompressorstufe abgeleitet und die relevantesten Kompressorbetriebspunkte identifiziert. Der Hauptfahrbereich von Fernverkehrs-Lkw entspricht Betriebspunkten bei hohen Druckverhältnissen und geringen Massenströmen. In diesem Betriebsbereich spielen aerodynamische Verluste aufgrund sehr tangentialer Strömungswinkel im schaufellosen Diffusor eine dominierende Rolle.

Referenz

BENDER, Werner ; ENGELS, Berthold: VTG-Turbolader für schwere Nutzdieselanwendungen mit hoher Bremsleistung. 8. Aufladetechnische Konferenz. Dresden, 2002

BOEMER, A ; GOETTSCHE-GOETZE, H.-C. ; KIPKE, P ; KLEUSER, R ; NORK, B: Zweistufige Aufladungskonzepte für einen 7,8-Liter Tier4-final Hochleistungs-Dieselmotor.16. Aufladetechnische Konferenz. Dresden, 2011