In Zeiten immer schärferer Schadstoffregulierungsvorgaben gehört die Emissionsreduktion zu den Kernthemen der modernen Automobilindustrie. Abgasminimierung erfolgt meist durch Down- sizing. Natürlich dürfen darunter Effizienz, Leistung und Fahrkomfort nicht leiden. Deshalb suchen Automobilhersteller immer dringlicher nach Möglichkeiten, den Abgasausstoß zu verringern und zugleich die Effektivität von Verbrennungsmotoren zu steigern.
Autor: Thomas Basset, Produktmanager Engine Controls bei der Sonceboz SA, CH-Sonceboz
Der Verbrennungsmotor ist auch in naher Zukunft noch nicht durch alternative Antriebe zu ersetzen. Eine Möglichkeit der Schadstoffminimierung ohne Drehmomentverluste und ohne Verzögerung im unteren Drehzahlbereich ist die Aufladung durch Turbolader, Supercharger oder elektrische Kompressoren. Hierbei setzen die Hersteller vermehrt auf elektrische Unterstützung. Sonceboz Automotive SA bietet dafür eine Reihe von bürstenlosen DC-Motoren, die speziell für Anwendungen mit variabler Turbinengeometrie (VGT), waste-gate, Supercharger-Bypass oder Boostern entwickelt wurden.
Aufladung von Verbrennungsmotoren
In Verbrennungsmotoren entstehen bekanntlich Emissionen durch die Oxidation von fossilen Brennstoffen mit Luft. Um diese Abgase zu verringern wurden Aufladesysteme wie Turbolader eingeführt, die die kinetische Energie der Abgase nutzen, um das mit dem Kompressorrad gekoppelte Turbinenrad anzutreiben. Dabei wird die Verbrennungsluft durch die von den Abgasen erzeugte Energie vorverdichtet und hilft so den Kraftstoff effektiver zu verbrennen. Bei optimaler Befüllung des Zylinders mit Luft kann sogar das Motorvolumen verkleinert werden. Bei Vollgas ist das kein Problem, dann steht genügend Abgas zur Verfügung. Bei weniger Geschwindigkeit oder im Leerlauf entsteht das sogenannte Turboloch. Die kinetische Energie des Abgases ist nicht hoch genug, die Leistungsbereitstellung und die Luftaufladung ist verzögert. Um das zu verhindern, wird inzwischen in Dieselmotoren mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) gearbeitet. Hier helfen verstellbare Leitschaufeln in der Turbine die Strömungsgeschwindigkeit gleichmäßig für einen definierten Motordrehzahlbereich zu regulieren. Um diese Leitschaufeln zu steuern und so die Strömungsgeschwindigkeit zu kontrollieren, kommen vermehrt elektrische Steller wie bürstenlose elektrische Motoren von Sonceboz zum Einsatz. Sie sind äußerst präzise und sorgen für eine schnelle Verstellung der Klappen durch ihre integrierte Positionsrückmeldung. Sie bieten eine hohe dynamische Positionierung bis unter 100 ms. Bessere Regelung der Strömung heißt also, das Turboloch wird deutlich verringert, die Auslegung des Turboladers ist für einen breiteren Motordrehzahlbereich optimiert und die Leistung des Motors bleibt erhalten. Weniger Kraftstoffverbrauch bedingt auch weniger Schadstoffe im Abgas. Zudem sind die elektrischen Antriebe sehr kompakt und temperaturbeständig, was in den konstruktionsbedingt immer enger werdenden Motorbauräumen ein klarer Vorteil ist. Sie lassen sich flexibler und einfacher integrieren.
Mehrstufige Turbolader
Ein anderer Weg ist das mehrstufige Turboladersystem. Dabei wird ein zusätzlicher Turbo angeordnet, der mehr Luft verdichtet und das Turboloch noch geringer macht. Dieses System benötigt eine Bypassklappe, die für ein gutes Ansprechverhalten elektrisch sein kann.
In Ottomotoren und auch manchen Dieselmotoren funktionieren Turbolader und Aufladung nach einem ähnlichen Prinzip. Allerdings muss hier der Ladedruck durch ein Bypassventil (waste-gate) parallel zur Turbine geregelt werden. Dieses Ventil schützt auch den Turbolader vor Übergeschwindigkeit. Die Herausforderung bei Waste-gate-Turboladern ist, das Ventil mit höchster Präzision einzustellen und dabei der Pulsationen und dem Gasdruck des Motors zu widerstehen, in einer Umgebung, die von hohen Temperaturen und Vibrationen geprägt ist. Für diese Bedingungen hat Sonceboz erfolgreich Antriebe entwickelt.
Supercharger
Eine dritte Möglichkeit der Luftverdichtung sind Supercharger. Diese Luft-Kompressoren werden über einen Nebenantrieb nur durch die Umdrehungen des Motors angetrieben. Dadurch entstehen keine Verzögerungen im Druckaufbau und dieser ist zudem unabhängig von der Motorgeschwindigkeit. Die Motordrehzahl und damit auch der Kraftstoffverbrauch können also reduziert werden ohne Druckverluste. Zur Steuerung der Strömung kommt hier ein Bypass-Ventil zum Einsatz, das zwischen Kompressor und Motor oder zwischen Kompressor und Turbo sitzt und von einem elektrischen Antrieb gesteuert wird. Dieser Steller muss sehr schnell sein, also höchste Systemdynamik mit extremer Robustheit verbinden, um in der engen und schwierigen Umgebung eines Kompressors zu bestehen.
E-Booster
Die vierte und zukünftige Variante, Emissionen zu reduzieren sind E-Booster für die Aufladung, wie sie in Hybridantriebskonzepten verwendet werden. E-Booster haben die Begrenzungen der bisher gezeigten Systeme nicht, hier ist das Zeitverhalten kein Thema. Allerdings müssen beim Downsizen von Motoren hier Drehmomentschwächen in den unteren Drehzahlbereichen durch elektrisch unterstützte Aufladesysteme (E-Booster) mit einem elektromotorgetriebenen Strömungsverdichter vor oder hinter dem Turbolader kompensiert werden. Mit den optimalen elektrischen Antrieben könnten die kleinen Motoren eine Kraftstoffbedarfsregulierung erreichen, die auch für den in naher Zukunft kommenden Fahrzyklus WHDC (Worldwide Harmonized Driving Cycle) ausreichend sein wird. Eine große Herausforderung ist es, die Reaktionszeit zu reduzieren und einen hohen Druck zu erreichen. Darüber hinaus müssen diese Systeme mit verschiedenen elektrischen Netzwerken kompatibel sein.
Sonceboz, Tel.: +41 32 4881111,
E-Mail: fabien.noir@sonceboz.com
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