Wasserschnecke
Continental und BMW haben einen gemeinsam entwickelten Turbolader jetzt mit dem Dreizylindermotor im Mini mit 100 kW erstmals in Serie gebracht. Es ist der erste Abgasturbolader mit Vollaluminiumgehäuse und Wasserkühlung in einem Serien-Pkw
München, 4. August 2014 – Continental und BMW haben einen gemeinsam entwickelten Turbolader jetzt mit dem Dreizylindermotor im Mini mit 100 kW in Serie gebracht. Es ist der erste Abgasturbolader mit flüssigkeitsgekühltem Vollaluminiumgehäuse in einem Serien-Pkw.
Das Patent für einen Turbolader mit wassergekühlter Turbinenschnecke aus Leichtmetall hat sich Continental bereits 2008 erteilen lassen, und wie man aus der Patentschrift erkennt, war die Idee schon damals nicht neu. Der Verdienst der Ingenieure bei Continental besteht darin, die Gehäusegestaltung so vereinfacht zu haben, dass der Gusskörper einteilig und damit ohne zusätzliche Dichtflächen sowohl betriebssicher als wirtschaftlich zu fertigen war.
Wasserschnecke (0 Bilder) [1]
Man gießt das doppelwandige Ladergehäuse nun mit einem "Lost Foam"-Einsatz an der Stelle, an der im fertigen Lader das Kühlmittel fließen wird. Das ist im Bereich des Abgaseinlaufs und um das Abgasturbinenrad herum, also eigentlich überall, wo Abgas in Kontakt mit Aluminium kommt. Dieser Bereich muss während des Betriebs des Laders intensiv gekühlt werden, damit man dort überhaupt Aluminium verwenden kann. In den bereits langjährig bewährten Anwendungen von Wasserkühlung an stählernen Gehäusen dagegen genügt ein einfacher Kühlkanal im Bereich der Wellenlagerung.
Ohne Kühlung kein Aluminium
Bei herkömmlichen Ladergehäusen verwendet man im Bereich der Abgasturbine Stahlguss mit hohem Nickelanteil. Dieser Bereich wird bei Vollast so heiß, dass der Stahl glüht. Die Legierung mit verschiedenen anderen Metallen soll Stabilität garantieren und Spannungsrissen durch die dauernde, wechselnde Temperaturbelastung vorbeugen. Weil für das Aluminiumgehäuse keine teuren Bestandteile wie für eine Stahllegierung, Beispiel Nickel, mit stark schwankendem Weltmarktpreis benötigt werden, sinken die Herstellungskosten.
Dank des Kühlmittelstroms im Aluminiumgehäuse wird seine Oberfläche außen nicht heißer als 120 °C, innen bleibt die Oberflächentemperatur unter 350 °C, der "magischen" Grenze für die Wärmestabilität von Aluminium. Durch die geringere Gehäusetemperatur sinkt zudem der Aufwand zum Wärmeschutz benachbarter Komponenten. Die stärkere Kühlung des Abgasstroms soll außerdem bewirken, dass der Katalysator nicht so heiß wird und daher kaum mehr thermisch altert. Wenn zum Bauteilschutz auf eine Vollastanreicherung verzichtet werden kann, bedeutet das einen je nach Fahrweise geringeren Verbrauch in Kundenhand.
Eine weitere Verbesserung im Verbrauch bringt das Wärmemanagement, das durch die gekühlte Krümmer/Laderkombination ermöglicht wird. Der große Wärmeeintrag ins Kühlwasser bereits direkt nach dem Start wird von einem entsprechend positionierten Öl/Wasser-Wärmetauscher genutzt, um das Motoröl möglichst schnell zu erwärmen und damit die Reibleistung zu verringern. BMW beziffert den Wärmegewinn im NEFZ auf beachtliche 19 °C. Als positiver Nebeneffekt ergibt sich dabei auch ein verringerter Motorverschleiß.
Das Aluminiumgehäuse dieses Laders ist bereits 1,2 Kilogramm leichter als ein stählernes, das Kühlmittel schon eingerechnet. Das klingt recht harmlos, für die Konstrukteure sind das aber Welten, denn die Gewichtsersparnisse an einem neu entwickelten Fahrzeug summieren sich inzwischen aus unzähligen Bauteilen, die in der Regel jeweils nur noch im 100-Gramm-Bereich beitragen.
Die Kommunalität betrifft auch die Lader
Doch scheinen die Vorteile der Alulader in recht engen Grenzen zu liegen: BMW rüstet beispielsweise die Hochleistungsversion des Dreizylinders im BMW i8 mit 170 kW weiterhin mit Stahlgehäuseladern aus. Exportfahrzeuge, die in heiße Länder geliefert werden, werden ebenfalls konventionell ausgestattet. Möglich ist diese Freiheit durch ein "kommunales" Baukastenprinzip [3], bei dem der wassergekühlte Lader als Teil des Abgaskrümmers in den Motor integriert ist. Andererseits lassen sich dort auch weiterhin Continental-Turbolader mit Stahlgehäuse anflanschen.
Zum Thema konnten wir Herrn Brüner, Leiter Motor-Mechanikentwicklung bei BMW, einige Fragen stellen.
Heise Autos:
Continental benennt als einen Vorteil eine Kühlung des Abgasstroms und damit eine längere Katalysator-Lebensdauer. Das verwundert uns ein wenig wegen der kurzen Verweildauer des Gases in der Turbine durch den großen Volumenstrom und wegen der sehr kleinen gekühlten Oberfäche. Können Sie diesen versprochenen Gewinn irgendwie beziffern? Kann BMW dadurch etwa die Vollastanreicherung zum Bauteilschutz verringern und damit einen Vorteil im Real-Life-Verbrauch erzielen?
Thomas Brüner:
"Dem Abgasstrom werden durch die gekühlte Krümmer-Turbineneinheit bis zu 35 Kilowatt Wärmeleistung entzogen. BMW kann dadurch im gesamten Kennfeld auf eine sonst übliche Vollastanreicherung verzichten, was sich positiv auf den Verbrauch auswirkt. Gleichzeitig führen die niedrigeren Katalysator-Eintrittstemperaturen dazu, dass die thermische Alterung des Katalysators vernachlässigbar gering bleibt".
Heise Autos:
BMW dürfte die Programme zur Motorsteuerung geschrieben haben. Daher unsere Frage an Sie: Wie setzen Sie den elektrischen Aktuator am Wastegate zu einer schnelleren Erwärmung des Abgases ein? Könnte man diesen (von Continental benannten) Vorteil nicht auch mit einem klassischen Ladergehäuse erzielen?
Thomas Brüner:
"Der Vorteil des elektrischen Aktuators liegt im größeren möglichen Verstellbereich. Hierdurch ist eine direktere Abgasführung zum Katalysator und damit ein geringerer Temperaturverlust auf dem Weg dahin realisierbar. Elektrische Wastegateaktuatoren werden auch bei anderen bereits existierenden BMW-Turboladerkonzepten eingesetzt".
"Sportliches Fahren auch in Heißländern"
Heise Autos:
Das von BMW vorgegebene Baukastenprinzip integriert den Turbolader zwar eng in den Motor, lässt aber auch die Montage von Turboladern mit Stahlgehäuse zu. Sie nutzen diese Bauart für Hochleistungsmotoren sowie für Exportfahrzeuge, die in heiße Länder gehen. Können Sie benennen, welche Motorisierungen das sind? Warum kommen solche Fahrzeuge nicht in den Genuss der neuen Technologie?
Thomas Brüner:
"Die wassergekühlte Krümmer-Ladereinheit wird im BMW i8 und den sogenannten Heißlandvarianten nicht eingesetzt. Ursache ist der hohe Wärmeeintrag ins Kühlmittel und die Abnahme der Kühlleistung bei steigenden Außentemperaturen. BMW möchte auch in Heißländern sportliches Fahren ohne eine Leistungsreduzierung ermöglichen".
Heise Autos:
Bei dem starken Verwandtschaftsgrad der Dreizylinder-Motoren mit ihren vierzylindrigen Pendants stellt sich die Frage: Sind das die nächsten BMW-Motoren, die mit den neuartigen Ladergehäusen ausgestattet werden?
Thomas Brüner:
"Wir haben im Frühjahr 2014 die ersten Aggregate der völlig neuen Efficient Dynamics Motorenfamilie eingeführt. Wichtige charakteristische Merkmale sind unter anderem die hohe Kommunalität der Bauteile. Jeder Kunde bekommt beim Kauf eines Fahrzeugs der BMW Group zukünftig die gleiche TwinPower Turbo Technologie. In den einzelnen Leistungsvarianten bleibt trotzdem die Möglichkeit bestehen, im Detail zu differenzieren. Die Technologie ist hier also nicht die Hürde. Wir bitten um Verständnis, dass wir zu einer zukünftigen strategischen Ausrichtung noch keine Aussage treffen können".
Heise Autos:
Noch ein Blick in die Zukunft: Haben Sie mit Ihrem Entwicklungspartner denn schon die Optionen Kunststoff und/oder Faserverbundwerkstoffe für das Turbinengehäuse versuchsweise ausprobiert? Könnte so eine Bauart das Gewicht, mögicherweise auch die Kosten nicht noch weiter senken helfen?
"Kunststoffgehäuse heute noch nicht denkbar"
Thomas Brüner:
"Die Temperaturen im Turbinengehäuse sind auch mit Kühlung sehr hoch. Aus heutiger Sicht zu hoch, um Kunststoffe einsetzen zu können. Aluminium profitiert hier von seiner sehr guten Wärmeleitfähigkeit, die Kunststoffe nicht besitzen. Aus heutiger Perspektive ist eine solche Lösung noch nicht denkbar".
Heise Autos:
Was waren die größten Herausforderungen bei der Integration des neuartigen Laders? Gab es dabei Überraschungen?
Thomas Brüner:
"Bei Turboladern bedeutet naturgemäß die Kühlung der Turbinenschnecke immer eine Herausforderung. Hinzu kamen hierbei die gesamte Ausgestaltung des Wassermantels unter Berücksichtigung der Kühlmittelführung, der Herstellbarkeit und der Haltbarkeit des komplexen Bauteiles. Dank ausgereifter Berechnungsverfahren konnte die Lösung weitestgehend bereits virtuell erarbeitet und größere Überraschungen vermieden werden. Dabei haben der Konstruktionsbereich und der Berechnungsbereich sehr eng zusammengearbeitet".
(fpi [4])
URL dieses Artikels:
https://www.heise.de/-2282734
Links in diesem Artikel:
[1] https://www.heise.de/bilderstrecke/4739136.html?back=2282734;back=2282734
[2] https://www.heise.de/bilderstrecke/4739136.html?back=2282734;back=2282734
[3] https://www.heise.de/news/Kommunalismus-bei-BMW-1707541.html
[4] mailto:fpi@heise.de
Copyright © 2014 Heise Medien