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Nie wieder Turboloch

02.07.2018 | Text: Rolf Behrens | Bilder: Roland Witsch, Robert Hack

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Autofahrer kennen den Effekt als „Turboloch“: Wenn man das Gaspedal eines mit Turbolader ausgerüsteten Fahrzeugs bei niedriger Motordrehzahl voll durchtritt, beschleunigt der Wagen nicht so schnell, wie man sich das wünscht. Diese konstruktionsbedingte Schwäche der Turboaufladung soll bei MTU-Motoren künftig der Vergangenheit angehören – dank einer neuen Technologie, die herkömmliche Turbolader mit einem Elektromotor verbindet. 

Fast wie umgedrehte Kochtöpfe mit je einem kreisrunden Loch in der Mitte sehen die beiden Prototypen aus, die auf einem MTU-Prüfstand in Friedrichshafen getestet werden. Unter der unscheinbaren Hülle verbirgt sich modernste Hochtechnologie – und möglicherweise nicht weniger als die ultimative Antwort auf einige der schwierigsten Fragen, die sich Motorentwickler seit jeher stellen: Was tun gegen das Turboloch? Wie erfüllt man immer strengere Emissionsnormen ohne Nachteile bei Agilität und Verbrauch? Und wie können Turbolader möglichst im gesamten Betriebsbereich des Motors höchste Leistung liefern?

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Unter dieser unscheinbaren Hülle verbirgt sich die elektrisch unterstützte Aufladung. 

Das Zauberwort bei MTU lautet „elektrisch unterstützte Aufladung“. Genau diese verbirgt sich unter den beiden kochtopfförmigen Aluminium-abdeckungen, die vor dem Turboladerverdichter eines 10-Zylinder-Dieselmotors angebracht sind. MTU hat das exklusive Nutzungsrecht für diese neue Technologie von der Firma G+L innotec erworben. Gemeinsam entwickeln die Partner das Produkt nun zur Serienreife. Ab dem Jahr 2021 sollen die ersten Motoren mit elektrisch unterstützter Aufladung auf den Markt kommen. „Auf dem Weg zur Hybridisierung des Motors ist die elektrisch unterstützte Aufladung ein wichtiger Meilenstein“, erklärt Dr. Johannes Kech, Leiter der Entwicklung von Turboladern und Fluidsystemen bei MTU. „Mit dieser Technologie können wir Motoren entwickeln, die gleichzeitig noch agiler, verbrauchsärmer und umweltfreundlicher sind“, sagt Kech. Möglich wird dies dadurch, dass man Schwächen der Turboaufladung mittels eines Elektromotors abstellt.

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Der mit dem Verdichterrad eines herkömmlichen Turboladers verbundene
Elektromotor sorgt für mehr Frischluft, wann immer der Motor sie
braucht. Starke Verzögerungen beim Leistungsaufbau sind damit Geschichte.

Steigende Anforderungen an Turbolader 
Turbolader dienen zur Leistungs- und Effizienzsteigerung. Sie nutzen die in den Motorabgasen vorhandene Energie, um mehr Sauerstoff in die Brennräume des Dieselmotors zu befördern – über eine durch die Abgase angetriebene Turbine, die mit einem Verdichter verbunden ist. Durch diese Konstruktion bedingt steht die zusätzliche Leistung jedoch immer erst bei höheren Drehzahlen, also verzögert, zur Verfügung, denn im niedrigen Drehzahlbereich reicht die Abgasmenge nicht aus, um die Turbine stark genug anzutreiben. Diesem Ärgernis hat man in der Vergangenheit versucht, mit immer komplexeren – und folglich teureren – Konstruktionen Herr zu werden: Zu den gängigen Lösungen gehören hintereinander oder abwechselnd geschaltete Turbolader und verstellbare Turbinenleitschaufeln. 

Diese Technologien geraten jedoch aktuell an ihre Grenzen, weil an die Aufladung immer größere Anforderungen gestellt werden: In immer mehr Anwendungen fordern Kunden noch schnellere Beschleunigung in möglichst allen Betriebszuständen. Gleichzeitig müssen Turbolader zunehmend einen wichtigen Beitrag zur Emissionsminderung leisten: Schon während der Verbrennung soll 
verhindert werden, dass Dieselpartikel und Stickoxiden entstehen. Höchste Leistungen in großen Drehzahlbereichen bei gleichzeitig geringen Emissionen – all das auf einmal kann die herkömmliche Technik kaum noch leisten. 

E-Turbo schafft Quadratur des Kreises
Die Quadratur des Kreises soll nun die Elektrifizierung des Turboladers schaffen: „Bei der elektrisch unterstützten Aufladung koppeln wir einen klassischen MTU-Turbolader mit einem elektrischen Antrieb“, erklärt Joachim Thiesemann, der bei MTU die Integration des neuen Systems in den Standardturbolader verantwortet. Außen vor das Verdichterrad haben seine Kollegen dazu die eingangs beschriebenen vermeintlichen Kochtöpfe montiert. Darin befindet sich jeweils ein Permanentmagnet als Rotor der E-Maschine und die in das Gehäuse des Verdichters integrierte elektrische Wicklung. „Durch den E-Motor kann der Betriebspunkt des Turboladers von der Drehzahl des Dieselmotors nahezu entkoppelt werden“, erklärt Rudi Rappsilber, bei MTU verantwortlich für die Erprobung des neuen Systems. Starke Verzögerungen beim Leistungsaufbau sind damit Geschichte und die Aufladung kann in beinahe jedem Betriebszustand optimal erfolgen. Für Entwickler und Nutzer geht damit ein Traum in Erfüllung. Ein weiterer Clou: Die Technologie kann mit überschaubarem Aufwand auch mit bestehenden Turboladern verbunden werden. Der zusätzliche Bauraumbedarf ist gering.

Im Prüfstand checken Rappsilber und seine Kollegen ein letztes Mal die Verkabelung der Mess-Sensorik. Dann verlassen sie den Raum. Per Knopfdruck wird der Motor gestartet und nach kurzem Leerlauf das Fahrpedal bis zum Anschlag durchgetreten. Die steil emporschnellende Drehzahlkurve zaubert den Ingenieuren ein Lächeln ins Gesicht: „Der Motor beschleunigt deutlich schneller als ohne die elektrische Unterstützung“, erklärt Rappsilber. Und fügt hinzu: „Das verspricht eine deutliche Steigerung der Agilität in der späteren Anwendung.“ 

Ab 2021 sollen die Eigner von Schiffen, Notstromaggregaten und Landfahrzeugen in den Genuss der neuen Technologie kommen. Bis allerdings die ersten Notstromaggregate dank elektrisch unterstützter Aufladung noch schneller volle Leistung liefern, Motoryachten noch atemberaubender beschleunigen und die Motoren dabei weniger Kraftstoff verbrauchen und Emissionen ausstoßen werden, werden Thiesemann, Rappsilber und ihre Kollegen noch viele Stunden an Konstruktionstisch und Prüfstand verbringen. Zweifellos nicht selten mit einem Lächeln im Gesicht. 

?Die Technologieentwicklung wird hierbei im Rahmen des Forschungsprojektes MethQuest durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie öffentlich gefördert.



Der Inhalt der Beiträge entspricht dem Stand zum jeweiligen Erscheinungsdatum. Sie werden nicht aktualisiert. Weitergehende Entwicklungen sind deshalb nicht berücksichtigt.

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