Wie sparsam ist die Technik Turbo Aufladung?

Früher hieß es: „Hubraum ist durch nichts zu ersetzen, außer durch noch mehr Hubraum“ konnte sich sehr lange halten. Es war nicht einmal falsch: Solange Ottomotoren das fertige Luft-Kraftstoff-Gemisch aus eigener Kraft angesaugt haben, war Hubraum eine entscheidender Parameter um das Drehmoment zu steigern. Noch heute sind in Land der tausend Möglichkeiten Amerika Fahrzeuge dieser Art „Big Blocks“ unterwegs. Sie schauen dabei sehr tief in den Tank. Doch ihre Zeit ist auch in USA abgelaufen. Das Zauberwort „sparen“ ist auch dort angekommen.

Turbolader auf Sprit-Entzug

Exemplarisch für die Vergangenheit stand der Saab 99/900 Turbo, der sich zunächst mal 15 Liter Sprit genehmigte und nicht nur deswegen einenhen Wandel hinter sich: sanften Gasfuß forderte – in unteren Drehzahlen kam dafür viel zu wenig, dafür setzte später schlagartig der Turbo ein. Welch ein Kontrast zum heutigen kleinsten VW TSI-Motor, das Musterbeispiel für das „Downsizing“– auch deswegen, weil er als erster seiner Art in Serie ging. Beim TSI mit 90 kW (122 PS) steht der Turbo ganz außergewöhnlich für weniger Verbrauch und hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.

In den 1970er- und 80er-Jahren war diese Technik vor allem ein günstiges Allheilmittel, um einen großen Hubraum zu ersetzen. Doch das ging zu Lasten des Verbrauchs: Die Gemischbildung, egal ob mit oder ohne Einspritzung, erfolgte seinerzeit im Saugrohr, bevor das fertige Sprit-Luft-Gemisch in den Zylinder kam. Der Nachteil: Eine geringere Verdichtung ist notwendig wegen des höheren Drucks, um ein Klopfen zu verhindern. Am Beispiel Saab 99 verdeutlicht standen 9,5:1 mit Saugmotor einem Wert von 7,2:1 beim Turbomotor gegenüber – der moderne VW-TSI-Motor dagegen ist trotzdem mit 10:1 verdichtet.

Natürlich hat sich diese Technik immer weiterentwickelt, doch das ist nicht der einzige Grund für seine Wiederentdeckung: Der letztendliche Anstoß kam aus der Weiterentwicklung der Direkteinspritzung, die man zunächst nicht mit der Aufladung in Verbindung bringen wollte. Erst mit der Direkteinspritzung macht den Motors richtig attraktiv, und das Sahnehäubchen bilden am Schluß die variable Ventilsteuerungen.

Später Erfolg der Direkteinspritzung

Erst Mitte der 1990er-Jahre kam die Direkteinspritzung wieder auf, als Pionier darf dabei Mitsubishi genannt werden. 1996 brachte der Japaner mit dem Carisma GDI das erste Großserienfahrzeug, das mit Unterstützung der Direkteinspritzung einen Magerbetrieb gestattete, auf den Markt.

Weitere Hersteller zogen mit anderen Varianten nach, so Renault 1999 mit seinem IDE-Verfahren im Mégane und Laguna. VW mit seinen ersten FSI-Motoren ab dem Jahr 2000. Während VW ebenfalls einige Magermotoren auf den Markt brachte, gab sich Renault mit homogenen und stöchiometrischen Gemischbildung.

Innenkühlung spart Sprit

Beide Möglichkeiten hatten ihre Vor- und Nachteile. So ließ sich mit den Magermotor, wenn auch nur in der Theorie Sprit sparen, auf der anderen Seite war eine zusätzliche Nachbehandlung des

Abgases notwendig. Beim Magerbetrieb entstehen trotz der Abgasrückführung höhere Stickoxidemissionen, die sich mit dem Dreiwege-Katalysator nicht reduzieren lassen. Bei Renault spielten die Vorteile eine wesentlichere Rolle, bei der die Direkteinspritzung schon bei „normaler“ Gemischbildung bietet: Luft und Kraftstoff vermengen sich nicht schon im Saugrohr - erst im Brennraum, sowie der Kraftstoff eingespritzt wird. Bei seiner Verdampfung entsteht wegen der Verdünstungskälte ein kühleres Gemisch. Diese Innenkühlung verringert die Selbstzündungneigung, läßt somit eine höhere Verdichtung zu und führt zu weniger Verbrauch. Zudem benötigt kühle Luft erfahrungsgemäß weniger Raum, es gelangt also mehr Sauerstoff in den Zylinder – und aufgrund des Mehr an „Zylinderfüllung“ steigt die Leistung entsprechend.

Magere Entdrosselung

Die Möglichkeiten des Magerbetriebs geht weit darüber hinaus: Damit man mit einem mageren Sprit-Gemisch überhaupt noch zünden kann, legt man die Einspritzung des Kraftstoffs so aus, dass sich bei der Zündkerze eine fette und somit zündfähige „Gemischwolke“ bildet, die idealerweise nur von Luft umgeben ist. Der geringere Verbrauch ergibt sich aus geringeren Drosselverlusten: Um bei dieser mageren „Schichtladung“ ein bestimmtes Drehmoment abrufen zu können, kann die Drosselklappe viel weiter geöffnet werden als bei stöchiometrischer Luft-Sprit-Bildung – der Motor „atmet“ also freier. Der Dieselmotor arbeitet ähnlich, hat aber normalerweise keine Drosselklappe, also effizienter, zumindest bei geringer Last.

Schwierige Wolkenbildung

Zunächst konnten sich Magerkonzepte mit Schichtladung nicht durchsetzen. Die komplizierte Gemischbildung bei der Schichtladung war sehr schwierig in den Griff zu bekommen. In Sekundenschnelle dafür zu sorgen, dass zum richtigen Zeitpunkt sich die Gemischwolke bei der Zündkerze einfindet, ohne sich mit der Umgebung zu vermischen, ist sehr komplex. Spezielle Brennraum-, Kolben- und Einlasskanalformen so sorgten bei den frühen Magermotoren dafür, die Luft in eine Art Drall zu versetzen, der das eingespritzte Benzin an die passende Stelle befördert.

Problematisch wird es, wenn höhere Lasten und Drehzahlen angefordert sind. Die Folge ist der Motor läuft nicht mehr mager, sondern homogen und stöchiometrisch. In diesem Betrieb erfolgt die Gemischbildung wie bei einer Saugrohreinspritzung. Das Benzin wird früh eingespritzt und vermischt sich gleichmäßig mit der Luft. Die zerklüftete Brennraumform für den Magerbetrieb führt bei Homogenbetrieb jedoch zu einer wesentlich uneffizienteren Verbrennung und der Vorteil beim Verbrauch wandelt sich zum Teil ins Gegenteil um. Bei frühen Magermotoren gelangte man schon bei Landstraßentempo in diesen Betriebsbereich, so dass sie im Alltag die Vorteile kaum ausschöpfen konnten.

Strahlgeführter Durchbruch

Der Erfolg für den Magerbetrieb kam erst mit der sog. strahlgeführten Direkteinspritzung. Erstmals von Siemens VDO präsentiert, wird bei diesem Brennverfahren der Kraftstoff so exakt und genau eingespritzt, dass für die Bildung der Gemischwolke keine ungewöhnliche Brennraumform notwendig ist. Das erfordert natürlich Injektoren, die sehr kleine Kraftstoffmengen äußerst schnell und präzise direkt vor die Zündkerze einspritzen können – heute gelten Piezo-Injektoren als Voraussetzung, deren Ventile extrem schnell von Piezo-Kristallen gesteuert werden. Zum einen lässt sich der Drehzahlbereich für den Magerbetrieb nach oben erweitern, zum anderen leidet der Homogenbetrieb nicht unter einer eigentlich untauglichen Brennraumform.

Im Jahre 2006 brachte Mercedes-Benz im CLS 350 CGI den ersten Serienmotor mit strahlgeführter Direkteinspritzung. BMW setzte 2007 nach und brachte die strahlgeführte Direkteinspritzung als erster Hersteller „auf breiter Front“ in Serie.

Sportliches Downsizing

Während der Magerbetrieb bei BMW nicht mehr wegzudenken ist, hat sich VW nach einem kurzen Zwischenhoch mit dem 1.6 FSI oder 1.4 FSI von den Magerkonzepten vorläufig verabschiedet. Doch diesem Rückzug folgte ein Konzept, das die Vorteile wesentlich verdeutlicht – die Verbindung von kleinem Hubraum, Direkteinspritzung und Aufladung bieten kann – sogar ohne Magerbetrieb. Ein Kompressor sorgte bei niedrigen Drehzahlen für Druck beim ersten 1.4 TSI. Weiter oben übernahm dann ein Turbolader die weiteren Aufgaben. Mit 240 Nm Drehmoment und 125 kW (170 PS) setzte dieser neue TSI Maßstäbe, war aber eine eher sportliche Auslegung des Begriffs Downsizing.

Sparsames Downsizing

2007 schob VW dann einen kleineren TSI ohne Kompressor hinterher, dessen Turbolader bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen bläst. Das maximale Drehmoment von 200 Nm liegt zwischen 1.500 und 3.500 U/min an, also dem in der Praxis am meisten genutzten Drehzahlbereich. Noch interessanter wird der Vergleich in Zeiten steigender Spritpreise mit einem älteren Motor ohne Aufladung und Direkteinspritzung: Der Normverbrauch des TSI beträgt im Golf V 6,3 l/100 km, der nicht mehr angebotene 2,0-Liter-Saugmotor mit 115 PS im Golf IV fraß immer noch 8,7 l/100 km. Das ist ein ansehnlich Unterschied – wenn auch die Gegenüberstellung zweier verschiedenen Fahrzeuggenerationen hinkt. Nicht nur der Antrieb alleine bestimmt den Verbrauch.

Druckvolle Entdrosselung

Die Grundgedanke des Downsizings ist: mit Unterstützung einer Aufladung dem Motor mit wenig Hubraum mehr Drehmoment abzuringen. Wie beim Magerbetrieb hilft diese Kombination dabei, den Motor zu entdrosseln– die Technik ist allerdings ein völlig anderer. Damit man den kleineren Motor mithilfe der Aufladung eine höhere Last auferlegen, macht man ihn absurderweise effizienter: Bei gleicher Geschwindigkeit wird ein Verbrennungsmotor mit kleinerem Hubraum mit einer höheren spezifischen Last betrieben, wobei er mit weiter geöffneten Drosselklappe arbeitet. Genügt die Leistung nicht mehr für höhere Drehmomente, wird mehr Luft und Kraftstoff mittels Turbolader in die Brennräume gepresst und dadurch eine höhere Leistung als im Saugbetrieb erzielt. Auch hier sorgt die Direkteinspritzung für die Innenkühlung, so dass für die Turboaufladung eine höhere Verdichtung gewählt werden kann. Entscheidend ist der deutlich höhere Druck (sog. „Mitteldruck“). Im Unterschied zu Drehmoment und Leistung ist dieser Begriff unabhängig vom Hubraum aussagefähiger über den Motorsarbeitsdruck. Während ein Otto-Saugmotor auf ca. 12 - 13 bar kommt, lässt sich der Mitteldruck mit der Aufladung auf über 20 bar steigern.

Nur der Mitteldruck zählt

Um diesen wichtigen Mitteldruck zu bestimmen, wird ein Arbeitsspiel herangezogen – also der Zeitraum von einer Zündung bis zur nächsten. Kurz nach der Verbrennung entsteht der „Spitzendruck“. Beim Ansaugen von Gemisch ist der Druck hingegen am niedrigsten, tatsächlich sogar im Unterdruckbereich, wenn nicht ein Turbolader bei der Befüllung des Zylinders nachhelfen würde. Das erklärt auch, warum man den Motor entdrosselt, um das gemittelte Druckniveau möglichst hoch zu halten.

Motorenentwickler differenzieren zwischen effektivem und indiziertem Mitteldruck sowie dem Reibmitteldruck. Der indizierte Mitteldruck ist der über dem Arbeitsspiel gemittelte Druck, der Reibmitteldruck beziffert die Verluste durch innere Reibung.

Entscheidend für das Ergebnis ist jedoch der effektive Mitteldruck als Differenz von beiden. Hoher Druck alleine genügt nicht, sondern auch niedrige Reibung im Motor ist wichtig. Für das Downsizing bedeutet das: Die Reibungsvorteile kleinerer Motoren machen einen höheren effektiven Mitteldruck möglich und damit einen effizienteren Verbrauch.

Unter Last sparen

Um zum Beispiel einen 1,4-Liter-Motor auf das Drehmomentniveau eines 2,0-Liter-Saugmotors zu bringen, ist eine Aufladung unerläßlich. Eine Alternative wäre ein Hochdrehzahlkonzept: man könnte zwar die Leistung angleichen, nicht das Drehmoment. Die Zielsetzung besteht grundsätzlich darin, wenigstens dasselbe Drehmoment zu erreichen wie beim größeren Motor. Das Mittel dazu ist eine Erhöhung des effektiven Mitteldrucks. Das heißt: zwei identische Fahrzeuge mit identischer Geschwindigkeit fahren nebeneinander her. Der eine läuft mit aufgeladenem Downsizing-Motor unter höherer Last, mit weiter geöffneter Drosselklappe und somit geringeren Drosselverlusten. Wie beim Magerbetrieb ist also die Entdrosselung ein wesentlicher Grund für mehr Kraftstoff-Effizienz, obwohl sie hier auf einer „Verschiebung des Lastpunkts“ beruht – also einer Verschiebung des Motorbetriebs hin zu höherer Lasten.

Downspeeding

Nur eine Getriebeübersetzung gewährt den vollen Nutzen dieses Effekts, die es erlaubt, diesen Bereich hoher Last und Effizienz möglichst oft anfahren zu können. Auf Grund dessen ist eine Kombination aus früh in ganggehenden Turbolader und relativ langer Übersetzung sinnvoll – zumindest wenn der Zweck des Downsizing Kraftstoffsparen ist. Dem Turbolader kommt dabei zugute, dass die Nenndrehzahlen in der Regel niedriger liegen und ein breites „Drehmomentplateau“ zur Verfügung steht. Für die Kombination aus Downsizing und lange Getriebeübersetzung nennt man „Downspeeding“.

Grenzen der Aufladung

Wie weit lässt sich das Downsizing treiben? Tatsächlich ist die Formel „kleiner Hubraum = wenig Verbrauch“ zu simpel. Der Druck im Motor lässt sich nicht beliebig steigern. Zweitens hat auch die Turbolader-Technik ihre Grenzen. Der klare Nachteil des Turboladers ist, dass er erst bei einem bestimmten Abgasstrom richtig arbeitet. D.h. er kann nur genügend Luft in den Zylinder pressen, wenn er auf der anderen Seite ausreichend vom Abgas angetrieben wird. Je mehr man den Hubraum verkleinert, um Drehmoment und Leistung über Ladedruck zu erzeugen, desto mehr stößt man an ihre Grenzen. Der Motor fällt bei niedrigen Drehzahlen in das bekannte Turboloch, das für den Alltag nicht akzeptabel ist.

Zwar ließe sich dieses Loch zum Beispiel durch einen elektrisch betriebenen Lader ausfüllen, ist aber wenig effizient, solange nicht beispielsweise eine Rekuperation in Bremsphasen von Hybridfahrzeugen die notwendige Energie gewissermaßen umsonst zur Verfügung stellt.

Das richtige Maß – Rightsizing

Auch GM hat im Mai einen 1,4-Liter-Motor angekündigt, der ähnliche Leistungs- und Drehmomentwerte wie der deutsche Wettbewerber VW bietet. GM brachte in diesem Zusammenhang den Begriff „Rightsizing“ ins Spiel, der verdeutlichen soll, dass Downsizing nur im richtigen Maß zum Erfolg führt. Entwickler von GM Powertrain haben rechnerisch und im Versuch analysiert, welches Maß an Downsizing in der Praxis sinnvoll ist. Demzufolge hat sich eine Verkleinerung des Hubraumvolumens von 30 - 40 % bewährt. GM Powertrain stellte bei seinen Analysen einen 1,4-Liter-Motor mit Direkteinspritzung, Turboaufladung und vollvariabler Ventilsteuerung einem 1,8-Liter-Saugmotor gegenüber. Im Vergleich mit diesem durchaus nicht veralteten Motor erbrachte die Kombination von Downsizing und Downspeeding einen Verbrauchsvorteil von immerhin ca. 11 %.

Das Stufenkonzept

Lassen sich die Grenzen noch weiter nach unten verschieben? Welches Ergebnis erzielt man, wenn an einer Stufenaufladung oder einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie einsetzen würde. So verwendet VW beim doppelt aufgeladenen TSI ein Stufenladerkonzepts „Twin Charger“, bei dem ein Kompressor das Turboloch überbrücken soll. Er ist bis in die mittlere Drehzahlen für die Aufladung zuständig. Höhere Drehzahlen übernimmt ein Turbolader. Als Sparkonzept erfordert der Twin Charger zu viele Kompromisse: Zwei Laderkonzepte verteuern en Motor immens, dazu kommt es geht etwas Energie für den mechanischen Antrieb des Kompressors verloren.

Das Hitzeproblem

Eine Alternative wären aufwendigere Turboladertechniken, die eine variable Turbinengeometrie nutzen, um einen breiteren Drehzahlbereich abzudecken. Doch diese Technik stößt noch an Schranken wie: Was bei Dieselmotoren längst üblich ist, lässt sich beim Ottomotor nicht so einfach verwirklichen: Beim Benziner können durchaus Abgastemperaturen um die 1000 °C entstehen, beim Dieselmotor sind es 200 °C weniger.

Gut ventiliert

GM setzt bei seinem 1,4-Liter-Motor, ähnlich wie VW, auf das Zusammenspiel von wenig Hubraum, einfacher Turboaufladung und variabler Ventilsteuerung, um ihn effizienter zu machen. Und damit ist die dritte Möglichkeit gefallen, die eine entscheidende Rolle beim Downsizing spielt. Denn über den Nockenwellenversteller lassen sich Zeitpunkte: Einlass- und/oder Auslassventile öffnen und schließen, verstellen. Dadurch können in der Teilllast die Ladungswechselverluste reduziert werden. In der Volllast kann die Zylinderfüllung erhöht werden. Beim TSI ist es mit einer variablen Ventilsteuerung bereits möglich auf der Einlassseite die Füllung des Zylinders in verschiedenen Drehzahlbereichen zu verbessern. Doch GM geht noch ein Stück weiter und setzt auf der Ein- und Auslassseite auf variable Steuerzeiten.

Durchspülen

Nockenwellenversteller auf der Ein- und Auslassseite erlauben eine Zylinderdurchspülung mit Frischluft. Als „Scavenging“ bezeichneten Verfahren steuert man bei geringen Drehzahlen die Ventile so, dass Ein- und Auslassventile kurz gleichzeitig geöffnet sind. In diesem Augenblick wird dem Brennraum durch das Druckgefälle im Abgastrakt der letzte Rest des verbrannten Gases entzogen, während der Turbolader auf der anderen Seite Frischluft nachläd. Diese mit geringem Widerstand einströmende kühlende Frischluft verbessert die Füllung im Zylinder. Das vergrößerte Luftvolumen steigert das Drehmoment und sorgt nach der Verbrennung für einen kräftigeren Abgasstrom, so dass der Turbolader wiederum einen höheren Ladedruck liefern kann.

Das „Carsizing“

Noch einen kleinen Haken hat das Downsizing allerdings: das Maß an Downsizing ist abhängig von der Fahrzeuggröße: Ersetzt man einen hubraumgroßen Motor in einem leichten Fahrzeug durch einen aufgeladenen kleinen Motor, erreicht man den größten Effekt: der große Motor wird bei sehr niedrigen Lasten mit hohen Drosselverlusten betrieben. Setzt man dieselben Motoren dagegen in einen schweres Fahrzeug ein, läuft auch der hubraumgroße Motor schon bei höheren Lasten und der Vorteil durch Downsizings fällt geringer aus. Im Extremfall kann er sich sogar ins Negative umkehren.

Für Kleinwagen müssten demzufolge kleinere Hubräume her, damit die Vorteile der Entdrosselung nicht verschenkt werden. Warum gibt es also wenig (aufgeladene) Downsizing-Motoren, die zielgerichtet auf Kleinwagen ausgelegt sind, also beispielsweise mit einem Hubraum von 1,0 Liter und einer Leistung von ca. 50 kW? Experten sind der Meinung, dass wir uns wohl an kleine Dreizylindermotoren bis 1,0 Liter Hubraum gewöhnen müssen. Zwar handelt man sich mit weniger Zylindern ein etwas hobligen Motorlauf ein, doch profitieren Motoren mit weniger Zylindern u.a. von weniger Reibung, was einen höheren effektiven Mitteldruck möglich macht. Wenn Turbo-Dreizylinder bald zur Standardmotorisierung für Kleinwagen würden wäre es keine Überraschung. Die Grundmotoren ohne Aufladung findet man bei viele Hersteller bereits im Programm.

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