Abgastrakt für einen Verbrennungsmotor - Turboaufladung

Das neuartige MEDUSA-Prinzip für die Turboaufladung eines Verbrennungsmotors kommt ideal dem Trend zum Downsizing von Motoren entgegen. Durch die optimale Anströmung der Turbine, besonders auch bei niedriger Drehzahl, spricht der Motor schnell an, das maximale Drehmoment liegt bereits im unteren Drehzahlbereich an. Außerdem weist der erfindungsgemäße Abgastrakt eine hohe Robustheit auf, insbesondere auch bei hohen Verbrennungstemperaturen. Somit erscheint er prädestiniert für den Einsatz in kleinen Benzinmotoren: Der Wirkungsgrad ist höher als bei Wastegate-Turboladern, der Lader benötigt aber im Vergleich zu VTG-Ladern keine verstellbaren Leitschaufeln.

Turboaufgeladene Motoren haben gegenüber Saugmotoren gleicher Leistung signifikante Vorteile. Das neuartige MEDUSA-Prinzip eignet sich zur Aufladung von Diesel- und Ottomotoren und ist als günstige und mechanisch robuste Alternative zu herkömmlichen Verfahren hochinteressant für Automobilhersteller.

Die bisherigen Lösungsansätze für die Anbindung der Turboladerturbine an den Motor haben als gemeinsames Merkmal die Sammlung der Abgase der einzelnen Zylinder in einem Krümmer. Der Krümmer ist an ein Spiralgehäuse angeschlossen, das die Abgase zum Rotor leitet. D. h. alle Regelorgane (VTG, Waste Gate) zur Beeinflussung der Anströmung des Rotors sind bisher in das Spiralgehäuse des Turboladers integriert. Die Anströmung des Turbinenrotors erfolgt möglichst gleichmäßig über den ganzen Umfang des Rotors. Bereits gängig ist die Zusammenführung der Abgase bestimmter Zylinder, um die Impulsenergie in zwei getrennten Kanälen dem Turbinenrad zuzuführen (Twin-Scroll-Turbine). Bei allen genannten Regeleinheiten wird der Rotor stets über den gesamten Umfang angeströmt.
Die besten Aufladungsergebnisse werden bisher mit dem VTG-Regelorgan erzielt. Jedoch ist die Umsetzung dieses Regelorgans aufwendig, komplex, temperaturanfällig und kostenintensiv. Daher wird es bis auf wenige Ausnahmen nicht für die Regelung von Ottomotoren genutzt.

Das hier vorgestellte Regelorgan ist vom Spiralgehäuse entkoppelt und ist zwischen Motor und Turboladerturbine angeordnet. Die Abgase aus den Zylindern werden möglichst getrennt der Turboladerturbine zugeführt. Damit wird die Impulsenergie des Abgases weitestgehend erhalten. Bei diesem Prinzip sind ein Kanal oder mehrere Kanäle einem Zylinder zugeordnet, was anhand des in Abbildung 1 dargestellten Beispiels für einen Zweizylindermotor erläutert wird.
Um eine Regelcharakteristik aufweisen zu können, werden hierbei sechs Zuströmkanäle über den Umfang des Rotors angeordnet. Davon sind je drei an einem der jeweiligen Zylinder (C1, C2) angebracht. Diese Kanäle werden über eigene Regelorgane in Abhängigkeit des Abgasmassenstromes betätigt. Hierbei beaufschlagt jeder Kanal ein Sechstel des Umfangssegments des Rotors. Ein weiterer Kanal pro Zylinder kann als Bypass (1d, 2d) genutzt werden.
Im Gegensatz zur Twin-Scroll-Turbine kann die Turboladerturbine bei diesem Prinzip teilbeaufschlagt werden.
In Abbildung 2 ist eine numerisch untersuchte Radialturbine mit dem dazugehörigen Stator bei Teilbeaufschlagung dargestellt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass vergleichbare Aufladungsergebnisse zum VTG-Regelorgan möglich sind. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die numerischen Untersuchungen.

• Optimale Anströmung der Turbine in den jeweiligen Segmenten, auch bei niedrigen Motordrehzahlen
• Höherer Turbineneintrittsdruck bei niedrigen Motordrehzahlen und Abgasmassenströmen für verbesserte Ausnutzung der im Abgas enthaltenen Energie
• Extrem schnelles Ansprechverhalten des Turboladers
• Hohe Robustheit der mechanischen Regeleinheit insbesondere bei hohen Abgastemperaturen
• Einfach und daher preiswert herzustellen im Vergleich zu VTG, VGT
• Verbesserte Turboaufladung für Ottomotoren im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik (Waste Gate Regelung)

 Turboaufladung von Diesel- und Ottomotoren.