Volkswagen bringt Ottomotor mit VTG-Lader zusammen
Ottomotoren, die energieeffizient im Miller-Cycle laufen, sind wegen ihres geringen Anfahrdrehmoments kaum vermittelbar. Die meisten werden daher in Hybrid-Umgebungen von der E-Maschine unterstützt. Volkswagen hilft der Miller-Engine nun mit einem Lader mit verstellbarem Lufteinlauf auf die Sprünge
Ottomotoren, die im energieeffizienten Miller-Cycle laufen, haben einen entscheidenden Nachteil: Die meisten Kunden würden ihr schwaches Anfahrdrehmoment nicht akzeptieren. Um ihre Sparsamkeit dennoch mit Fahrbarkeit vereinen zu können, laufen die meisten von ihnen in Hybrid-Umgebungen und werden beim Anfahren von der E-Maschine unterstützt. Eine andere Möglichkeit weist nun Volkswagen mit der neuen Generation seiner EA211-Motoren. Bei den 130 PS-Varianten unterstützt ein Turbolader die schwache Pumpleistung bei niedriger Drehzahl. Dazu ist allerdings nur ein Lader mit verstellbarem Lufteinlauf in der Lage – eine Bauweise, die sich bisher wegen der Materialbeanspruchung durch die Temperaturen auf Diesel oder recht exklusive Ottomotoren beschränkte.
So viel Aufwand im Großserienmotor?
Volkswagen hat auf dem 37. Wiener Motorensymposium [1] eine neue Entwicklungsstufe seines Massenmotors vorgestellt. Als EA211 evo bekommt er ein paar Kubikzentimeter mehr Hubraum (wird so vom 1.4 TSI zum 1.5 TSI), eine Phasenverstellung für die Einlassnockenwelle, plasmagespritzte Zylinderlaufbahnen für höhere Leistungsstufen, auf 350 bar gesteigerten Druck der Direkteinspritzung, Zylinderabschaltung. So weit so modern, allerdings auch so bekannt. Aufhorchen ließ aber der Einsatz eines Turbolader mit einem verstellbaren Lufteinlauf (kurz „VTG“ von „variable Turbinen Geometrie“). Dieses Bauteil verhilft schon seit Jahren Dieselmotoren zu einer weiter gesteigerten Elastizität und Effizienz. Volkswagen führte solche Lader 1996 als erster Hersteller im großen Stil bei seinen 1.9 TDI-Motoren ein, heute sind sie quasi Standard in Selbstzündern. Für Ottomotoren war diese Bauweise in der Großserie allerdings kaum geeignet, denn ihre rund 100 Grad höhere Abgastemperatur erfordert teurere Materialien und eine aufwendigere Fertigung.
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1989 kam es zu einem Kleinstserieneinsatz in nur 500 Dodge Shelby CSX VNT. Honda baute zwischen 1988 und 1990 eine Serie seines Legend, hier hieß VTG recht anschaulich „Wing Turbo“. In größerem Maßstab baute Porsche sie dann seit 2006 in den 911 Turbo (997 und 991). Alle profitierten vom frühen und schnellen Ansprechen des Laders und seinem langen Atem. Bei keinem der drei genannten Autos ging es jedoch um maximal gesteigerte Kosten- oder Betriebseffizienz.
Bei Volkswagens ertüchtigtem („evo“) Konzernmotor zielt nicht Richtung Spitzendynamik auf Porsche-Niveau, sondern um den von Volkswagen kultivierten unangestrengten Fahreindruck in Verbindung mit gesteigerter Effizienz. Beides, Fahrbarkeit und Sparsamkeit, sind gute Argumente für die Verwendung eines VTG-Laders. Beim EA211 evo wird die Effizienz geradezu zum Schlüssel für den Einsatz eines preiswerteren Bauteils ohne exotische Material- und Feinmechanik-Komplikationen, der VTG-Lader integraler Bestandteil des Brennverfahrens. Auch vor dem Hintergrund neuer Abgasmessprozeduren kann das noch interessant werden.
Fast unabhängig vom Abgasstrom
Verstellbare Leitschaufeln in einem Düsenring rund um das Turbinenrad können beim VTG-Lader den Ladedruck nahezu unabhängig vom Abgasstrom regeln. Bei enggestellten Schaufeln trifft das Abgas mit hoher Geschwindigkeit fast rechtwinklig auf die Turbinenblätter. Durch die so verbesserte Anströmung beschleunigt selbst ein geringer Abgasstrom den Lader so effizient, dass schon bei niedriger Motordrehzahl hoher Ladedruck und mittelbar ein höheres Motor-Drehmoment anliegt. Bei vollem Abgasvolumen lässt der Düsenring das Abgas dagegen über steil gestellte Leitschaufeln verlangsamt auf die Turbinenblätter einströmen, damit der Lader nicht übertourt und/oder den Motor nicht überlädt.
Die in Ottomotoren bisher üblichen Lader hingegen regulieren nur den Druck, nicht aber die strömungsdynamischen Eigenschaften der Turbine. Sie arbeiten mit einem einfachen Ventil, dem sogenannten Wastegate, das nach Erreichen des vollen Ladedrucks einen Teil des Abgases am Lader vorbei in den Auspuff leitet. Damit solche Lader ausreichend schnell ansprechen und Förderleistung aufbauen können, sind Welle, Turbinen- und Verdichterrad möglichst klein und leicht. Die so verringerte Massenträgheit lässt sie schnell genug für eine befriedigende Fahrbarkeit hochlaufen. Allerdings sind die Lader dadurch zu klein für große Fördermengen und können daher den Motor ab einer bestimmten Leistung nicht mehr voll unterstützen.
Bei einem Motor im Miller-Zyklus schließt das Einlassventil früher als für die höchste Leistung eigentlich nötig. Das Miller-Verfahren reduziert so gewollt den Liefergrad gegenüber einem Motor mit Steuerzeiten, die auf eine größtmögliche Literleistung abzielen. Vorteile sind eine niedrigere Temperatur der Ladung und ein gegenüber dem Verdichtungshub verlängerter Arbeitshub.
Die niedrigere Temperatur ermöglicht eine höhere Verdichtung (im EA211 evo 12,5:1) sowie einen früheren Zündzeitpunkt und steigert zusammen mit der längeren Expansionsphase den thermischen Wirkungsgrad. Nachteil ist eine kleinere Literleistung und ein verringertes Drehmoment besonders bei niedriger Drehzahl durch die verschlechterte Füllung. Ein Wastegate-Turbolader würde hier zwar helfen, allerdings zum Preis eines durch die Steuerzeiten verminderten Lader-Wirkungsgrades: So eine Turbine kann bei niedrigem Abgasmassenstrom nur mit sehr verhaltener Leistung gegen die durch den Miller-Zyklus länger geschlossene Einlassventile anpumpen.
Bis zu 15 Prozent höhere Ladereffizienz
Die niedrigere Abgastemperatur erlaubt nun aber den Einsatz eines preisgünstig herzustellenden VTG-Laders. Er löst den Zielkonflikt zwischen Fahrbarkeit und Sparsamkeit durch seine höhere Förderleistung bereits bei geringer Abgasmasse durch seine betriebspunktoptimale Anpassung der Turbinen-Durchflusscharakteristik. Volkswagens Zulieferer Honeywell erklärt, mit der VTG-Steuerung könne man die Strömungskapazität auch bei niedrigem Drehmoment so fein einregeln, dass die Ladereffizienz um bis zu 15 Prozent höher liege als mit einem Wastegate-Lader. Das maximale Drehmoment erreicht der EA211 evo gegenüber seinem Vorläufer 1.4 TSI mit 92 kW rund 35 Prozent schneller.
Zur Sicherheit änderte Honeywell die Konstruktion des Turbinengehäuses so ab, dass höhere Temperaturen nicht auch zu stärkerem Verzug führen. Um teure Legierungen für den Düsenring vermeiden zu können, stellte sich eine Beschichtung aller Teile als ausreichend heraus. Sie soll dauerhaft die Hochtemperatur-Oxidation verhindern können, welche die Teile nach einer längeren Betriebsdauer zum Klemmen bringen kann.
Nicht nur ein möglichst leichtes Laufzeug soll zudem ein rasches Ansprechen garantieren. Der Hersteller setzt zur feineren Regulierung auf eine elektromotorische Verstellung des Leitschaufelapparats. Ohne die typische Elastizität und Trägheit einer pneumatischen Ansteuerung soll der Lader damit auch präziser und dauerhafter die Vorgaben zur Abgasqualität und die Forderungen an die Fahrdynamik erfüllen.
(fpi [4])
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