Turbolader machen mobil

Abgasturbolader (ATL) mit elektrischer Verstellung der Leitschaufeln, Turbinen mit elektrisch unterstütztem Antrieb und neue Lagerungen ohne Schmierung sind Entwicklungsschwerpunkte bei Garrett. Der innovative Hersteller dürfte in Kürze mit seiner neuesten ATL-Technik für Aufsehen sorgen.

Der Abgasturbolader am Motor arbeitet irgendwo im Dunklen und durch andere Motorkomponenten verdeckt. Er hat sich zu einem Bauteil höchster Zuverlässigkeit entwickelt, das keiner Wartung bedarf. Ohne ihn wäre der Diesel noch immer eine „lahme Krähe“ und bei Pkw- wie Transportermotoren niemals zur heutigen Bedeutung gelangt.
Derzeit ist der ATL mit verstellbarer Turbinengeometrie (VTG) der wichtigste Umsatzträger, weil er inzwischen von allen Motorenherstellern verwendet wird. Die verstellbaren Leitschaufeln, zunächst ausschließlich von Garrett entwickelt und angeboten, wurden freilich nicht erst 1995 erfunden. Bei Großmotoren waren sie längst Standard. Bei Garrett wußte man natürlich, was auch bei kleinen Dieseln damit zu erreichen war, und hatte den ATL mit VTG schon viele Jahre vorher als wichtige Hilfe für den Pkw-Diesel propagiert. Doch ihr Werben blieb bis 1995 erfolglos. Erst als der VW TDI-Motor mit 81 kW (110 PS) bewies, welche Vorteile sich mit VTG erreichen lassen, schwenkten auch die anderen Hersteller allmählich auf diesen Weg ein.
Audi verhalf dieser Technik zum Start. Als der Ingolstädter Autohersteller vor zehn Jahren den ersten Fünfzylinder-Diesel mit direkter Einspritzung (DI) vorstellte, gab es zwar bereits Kammerdieselmotoren mit Abgasturbolader und hatte der ATL seine Funktionsfähigkeit neben dem Ottomotor längst auch im Diesel für Pkw bewiesen. Jedoch setzte ihn Audi erstmals im Fünfzylinder-DI ein – und das ohne Probleme. In der nächsten Stufe folgte dann der aufwendige ATL mit verstellbarer Turbinengeometrie, den die Konzern-Mutter VW 1995 am 1,9-l-Vierzylinder TDI einführte. Der Motor mit ATL und VTG-Technik offerierte nun sein hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen – das sogenannte Turboloch war damit verbannt – und sorgte dafür, daß der Diesel mit direkter Einspritzung bei Fahrbarkeit und Fahrleistungen dem Ottomotor ebenbürtig wurde.
Beim Kraftstoffverbrauch hatte der Diesel den Ottomotor ohnehin weit hinter sich gelassen. Vergleichbare Motoren vorausgesetzt, verbrauchte er mindestens 30 % weniger als ein Benzinmotor. Mit dem zunehmenden Interesse der Automobilfirmen an Diesel-DI-Motoren wuchs auch die Einsatzpalette von Abgasturboladern. Garrett-Lader beispielsweise sind heute in fast allen Automotoren zu finden, von Lkw-Aggregaten bis hin zu solchen in kleinen Pkw wie dem Zweisitzer MCC Smart.
Im Mai stellte nun BMW im 740d am neuen 3,9-l-V8-Diesel (180 kW/ 245 PS bei 4000 min-1, 560 Nm von 1750 min-1 bis 2500 min-1) erstmals zwei ATL mit elektrischer Verstellung der Leitschaufeln vor, den das amerikanische Unternehmen Garrett zusammen mit dem deutschen Zulieferer Hella, Lippstadt, entwickelte. Die elektrische VTG-Verstellung spricht ganz erheblich schneller auf den Befehl des Steuergerätes an und arbeitet ungleich präziser als die pneumatische. Das heißt, dem Motor kann Frischluft wesentlich genauer zugemessen werden. Beim Biturbo (Motor mit zwei ATL) gelingt es außerdem noch besser, beide Turbinen zu synchronisieren.
Als größtes Problem erwies sich die Temperatur, unter der der elektrische Stellmotor arbeiten muß – er sitzt ja direkt neben der Abgasturbine. Aber auch das wurde gelöst. Man kann davon ausgehen, daß die elektrische Verstellung sich auch bei den anderen Motorenherstellern sehr schnell durchsetzen wird. Der elektrische Stellmotor ist ein probates Mittel, um die immer schärferen Abgasgrenzwerte einhalten zu können. dennoch bedeutet er nicht das Ende der ATL-Entwicklung.
Derzeit untersucht man bei Garrett neuartige Turbinenlagerungen, und das aus zwei Gründen: Zum einen soll die Lagerreibung reduziert werden, zum anderen möchte man auf die Schmierung der Lager ganz verzichten. Die Gleitlager des ATL für Motoren um 2,0 l Hubraum fressen bei hohen Drehzahlen (über 200 000 min-1) nämlich bis zu 2 kW Leistung. Wälzlager dagegen würden den Leistungsverlust auf etwa ein Drittel senken, Luft- oder gar Magnetlager ihn nahezu ganz eliminieren.
Da schon moderne Wälzlager in der heutigen Preisgestaltung nicht unterzubringen wären, müßten zukünftige Luft- oder Magnetlager noch viel größere Kostenhürden überspringen. Schaffen können sie dies nur, wenn sie den Motorenhersteller sehr deutliche Vorzüge bieten. Das wäre bei Magnetlagern vor allem die absolute Verschleißfreiheit, zu der möglicherweise auch Luftlager entwickelt werden können.
Vermutlich werden zunächst Wälzlager mit Keramikkugeln das Rennen machen, denn Kleinstkugellager in Zahnarzt-Bohrturbinen laufen bereits heute mit Drehzahlen um 500 000 min-1. Auch sie benötigen keine Schmierung. Zwar gehören durch Verkoken des Schmieröls festgefressene Laufzeuge der Turbolader der Vergangenheit an, dennoch wäre die Ölfreiheit ein Fortschritt.
Derzeit werden die Lagerstellen durch Labyrinthe abgedichtet, die immer etwas Öl durchlassen. Das gelangt vor allem ins Abgas und verschlechtert die Emissionswerte. Luft- oder Magnetlager brauchen keine Schmierung, auch Wälzlager mit Keramikkugeln könnten unter Umständen, wie Untersuchungen bei Garrett zeigen, ohne Schmierung auskommen.
Der Einsatz neuer Werkstoffe dürfte die Entwicklung weiter vorantreiben, sowohl für die Gehäuseteile als auch für das Laufzeug. Bei Turbinen geht es vor allem darum, das Trägheitsmoment zu reduzieren, damit sie schneller ansprechen. In der Entwicklung befindet sich bei Garrett jedoch auch ein Turbinengehäuse aus hochlegiertem Stahlblech für Ottomotoren, das für geringere Wärmeverluste des Abgases und damit für schnelleres Ansprechen des Katalysators sorgen könnte.
Den nächsten großen Schritt in der ATL-Technik verspricht sich Garrett vom zusätzlich elektrisch angetriebenen ATL, der zur Zeit zusammen mit der US-Firma Turbo-dyne entwickelt wird (s. Ausgabe 17/99). Dieser E-ATL kann zusammen mit der verstellbaren Turbinengeometrie schon beim Kaltstart durch ein Kreislaufsystem für erwärmte Luft sorgen und Schadstoffemissionen von der ersten Kurbelwellenumdrehung an senken, selbst die Glühkerzen beim Diesel könnten entfallen.
Peter Hofbauer, Technik-Chef von Turbodyne, nennt das „den Motorraum aufräumen“, da der E-ATL auch weitere Funktionen übernehmen könnte. So ließe sich mit ihm über die Turbolader-Drehzahl die Abgasrückführung regeln sowie bei hoher Last und Drehzahl Strom ins Bordnetz speisen, wenn der E-ATL als Generator genutzt würde. Damit könnte die Bypassklappe zur Reduzierung des Abgasdruckes entfallen.
Garrett führt darüber hinaus als weitere Vorzüge des E-ATL die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs an und vor allem die Beseitigung der Anfahrschwäche des Abgasturboladers, die selbst der ATL mit VTG besitzt. Das maximale Drehmoment ließe sich zudem noch zu niedrigerer Drehzahl verschieben als heute, also weit unter 1700 min-1. Für den Serienstart des ATL mit zusätzlichem elektrischem Antrieb nennt Garrett das Jahr 2000.
Der Abgasturbolader bietet demnach den Motoringenieuren noch genügend Entwicklungspotential. Sein Einfluß dürfte in naher Zukunft weiter zunehmen, auch beim Ottomotor, wie die AVL List in Graz ermittelte. Nach Ansicht der österreichischen Fachleute werde der Otto-Magermotor mit direkter Benzineinspritzung nämlich erst mit dem E-ATL die Hürde der Verbrauchsminderung nehmen können, die ihn heute noch weit vom Diesel-DI trennt. CHRISTIAN BARTSCH/WOP
Bei Pkw-Dieselmotoren wird der Abgastorbulader mit verstellbaren Turbinen-Leitschaufeln von Garrett am häufigsten eingesetzt. Auf dem Foto sind die Leitschaufeln gut sichtbar, die hier noch pneumatisch über eine Unterdruckdose betätigt werden.
Elektrisch lassen sich die Leitschaufeln beim Turbolader mit variabler Turbinengeometrie drastisch schneller verstellen als pneumatisch. Der Motor reagiert rascher und präziser auf die Gaspedalbefehle.