Automobil 29.07.2011, 12:08 Uhr

Leichtbau-Materialien in der Turbolader-Entwicklung

Wenn Hersteller von Abgasturboladern und mechanischen Ladern forschen und entwickeln, geht es vor allem um Reduzierung von Gewicht und Reibung sowie um optimale Strömung. Große Hoffnungen ruhen auf neuen Materialien. Doch der Weg in den Markt ist angesichts der hohen thermischen und mechanischen Belastungen im Betrieb lang.

Als Günter Krämer vor 20 Jahren zu BorgWarner Turbo Systems kam, wurden Verdichterräder noch gegossen. „Heute werden sie aus dem Vollen gefräst“, berichtete der Marketingdirektor. Was seinerzeit nur in Einzelanfertigungen geschah, hat sich im Volumenmarkt durchgesetzt – Bearbeitungszentren sind 24 h im Einsatz, um die strömungsoptimierten Schaufelräder zurechtzuspanen.

Um Präzision, Zuverlässigkeit, Gewicht und Reibungsverhalten der Turbolader zu optimieren, ihren Luftdurchsatz optimal an den jeweiligen Lastbereich der Motoren anpassen zu können und sie gegen die extremen Abgastemperaturen von Ottomotoren zu wappnen, wurde die Technik kontinuierlich weiterentwickelt.

BorgWarner produziert Turbolader aus Leichtbau-Materialien

Teils läuft die Erprobung im Rennsport – gerade erst bekam BorgWarner den Zuschlag, alle Motoren der IndyCar-Serie mit neuen Turboladern auszustatten, die sowohl bei den Turbinenrädern als auch bei Lagern und Gehäusen auf neue Werkstoffe setzen: In der Abgasturbine rotieren Schaufeln aus Titanaluminiden (TiAl), gelagert wird mit Keramikkugellagern und verpackt ist das Ganze in einem Gehäuse aus hochfestem, extrem hitzebeständigen Gussstahl. Die Rennställe können die Lader einzeln einsetzen oder in Bi-Turboladerkonzepte integrieren lassen.

Die neuen Materialien sind noch nicht reif für Großserien, in denen es trotz Massenproduktion um störungsfreie Funktion über ein ganzes Autoleben hinweg geht, und der Kostenrahmen eng ist. „In handverlesenen Serienmodellen wie der Porsche Panamera Turbo S oder der V6-Diesel von Daimler sind neue Werkstoffe schon im Einsatz“, sagte Krämer den VDI nachrichten.

Durch geringeres Gewicht und Reibung erlauben die TiAl-Materialien ein schnelles Ansprechverhalten der Turbos bei geringen Drehzahlen. Für die Großserie seien jedoch noch Fragen zur Verbindung der neuen Legierung mit den Stahlwellen der Lader oder zur Fertigungstechnik zu klären. Detailarbeit, wie sie die Entwickler auch in Strömungssimulationen der Lader, bei Beschichtungen den Komponenten oder bei jenen Bypässen leisten, die vorbeugen, dass die Lader bei Volllast nicht überdrehen.

Neben minuziösen Verbesserungen sind den Turboladerherstellern in den letzten Jahren aber auch Techniksprünge gelungen. Etwa bei variabler Turbinengeometrie (VTG), bei der schwenkbare Leitschaufeln den Abgaszustrom regeln. Bei niedrigen Drehzahlen wird der Turbineneinlass verengt, um Strömung und damit die Turbine zu beschleunigen. Sie treibt über eine Welle das Schaufelrad der Kaltseite an, auf der dann umso mehr Luft in die Zylinder gelangt.

Während sich die VTG-Technik bei Dieselmotoren weitgehend durchgesetzt hat, und Kinderkrankheiten wie ihre Rußempfindlichkeit überwunden sind, ist sie laut Krämer nun auch bei Benzinern auf dem Vormarsch.

Turbolader machen durch Bi- oder Twin-Turbokonzepte einen Entwicklungssprung

Einen weiteren Sprung hat die Turboladertechnik zuletzt durch Bi- oder Twin-Turbokonzepte erlebt. Sie dienen höherer Elastizität, indem sie wahlweise einen kleinen schnell ansprechenden Turbolader und einen großen kombinieren, der bei hohen Drehzahlen viel Luft durchsetzt.

Es gibt auch Hersteller die auf zwei mittelgroße Lader setzen, von denen bei niedrigen Drehzahlen nur einer und bei hohen Drehzahlen beide arbeiten. Wieder andere kombinieren Abgasturbolader mit Superchargern – also Ladern, die von der Kurbelwelle angetrieben werden.

Vorteil der Supercharger: Da sie nur auf der Kaltseite arbeiten, sinkt der Kühlungsaufwand der Ladeluftkühler und durch die Verbindung zur Kurbelwelle sprechen sie sofort an, wenn der Fahrer Gas gibt.

Bei den Superchargern ist ebenfalls Weiterentwicklung angesagt. So arbeitet Marktführer Eaton laut Vertriebsdirektor Klaus Dehnert unter anderem an Konzepten für leichte Nutzfahrzeuge. Zudem geht es auch in den Forschungslabors des Zulieferers um neue, leichtere Materialien vor allem für die Luftförderflügel und Wellen. „Ziel ist es natürlich, die Effizienz zu steigern“, sagt er.

Einen Sprung sowohl in aerodynamischer als auch in mechanischer Hinsicht habe hierbei der Übergang von drei- auf vierflügelige Supercharger gebracht. Nicht nur der Gesamtwirkungsgrad wurde deutlich optimiert, auch sei es nun besser möglich, die Technik an den jeweiligen Anwendungsfall zu adaptieren. „Jetzt gilt es, die Anwendung im Detail zu optimieren, wie wir es beim neuen 1,2-l-Dreizylinder von Nissan tun“, so Dehnert.

Turbolader: Mit Potenzial bei der Antriebstechnik der Supercharger

Großes Potenzial vermutet Dehnert bei der Antriebstechnik der Supercharger. „Wir arbeiten an bedarfsgerechter Regelung, damit der Lader wirklich nur exakt dann läuft, wenn der Motor die Luft braucht“, erklärt er. Unter anderem beschäftige man sich deshalb mit elektrischen Antrieben und Kombinationen aus gut steuerbarem Elektroantrieb und herkömmlicher Mechanik. Dafür werte man derzeit die Gesamtenergiebilanzen aus.

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist laut Dehnert der Leichtbau. Um die Rootsgebläse – also jene Vierflügler, die kalte, sauerstoffreiche Außenluft in die Brennräume schieben – in Bewegung zu setzen, ist umso mehr Energie nötig, je schwerer sie sind. „Schon heute sind sie aus Aluminium und innen hohl“, erklärte er. Künftig könnten sie aus Magnesium gefertigt werden, dessen Dichte die von Aluminium um knapp ein Drittel unterschreitet. Ebenso seien Untersuchungen mit Kunststoffen bereits im Gang, die Dehnert im Gespräch mit den VDI nachrichten jedoch nicht enger fassen mochte.

Von Peter Trechow/Wolfgang Pester

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