Wie funktioniert... Turboaufladung

Dank der eigenen Entwicklung und Fertigung von Turboladern ist mtu in der Lage, auch Kundenwünsche nach Motoren mit sehr hoher Dynamik und Leistung bedienen zu können. mtu stimmt die Turboaufladung so auf den Motor ab, dass er seine hohe Leistung über die gesamte Bandbreite der Motorspezifikation sicher abgibt, in der Ebene ebenso wie in 4.000 Metern Höhe, bei niedrigen wie bei extrem hohen Außentemperaturen. Da die Turbolader von mtu speziell auf das Motorendesign abgestimmt sind, können sie sehr gut in das Gesamtpaket des Motors integriert werden. Das macht den Motor besonders kompakt — ein entscheidender Vorteil bei Anwendungen mit beengten Bauraumverhältnissen.

In den letzten Jahren haben sich die Einsatzbedingungen einiger Anwendungen verschärft. Die Antriebsmotoren sind höheren Lastwechselzahlen ausgesetzt, was auch Rückwirkungen auf die Lebensdauer der Turbolader hat. mtu hat diese Veränderung bei der Entwicklung von Turboladern berücksichtigt, die Dauer bis zur Überholung (Time Between Overhaul: TBO) weiter optimiert und auf die der Motoren abgestimmt. Beim Bahnmotor der Baureihe 4000 beträgt die TBO der Turbolader bis zu 15.000 Stunden je nach Lastwechselanzahl pro Stunde. Das bedeutet geringe Wartungszeiten und -kosten, auch für die Lader. Im Entwicklungsprozess der Turbolader nutzt mtu die Möglichkeiten effizienter Berechnungs- und Simulationswerkzeuge. Ein neuer Turbolader hat eine Kette analytischer Optimierungen unter anderem in den Bereichen Thermodynamik, Strukturmechanik, Dauerfestigkeit und Berstfestigkeit (Containment) durchlaufen, bevor er auf dem Prüfstand getestet wird. In der Analytik werden zur Optimierung der Komponente grundsätzlich dreidimensionale Berechnungsverfahren zur Simulation der Strömung und der strukturmechanischen Belastung eingesetzt (Abb. 2). Damit stellt mtu sicher, dass die Turbo­lader im späteren Betrieb die geforderten Eigenschaften haben und über ihre gesamte Lebenszeit hinweg behalten.

Turbolader sind im Betrieb thermisch hoch belastet. Entsprechend werden Dicht- und Lagerstellen thermisch entkoppelt und gegebenenfalls wassergekühlt. Um die Oberflächentemperatur zu begrenzen, setzt mtu bei hochaufgeladenen Motoren eine wassergekühlte Verdichterspirale ein, wodurch gleichzeitig der Ladeluftkühler entlastet wird. Die Turbine ist in Marineanwendungen in einem wassergekühlten Trägergehäuse eingesattelt (Abb. 3). Damit erfüllen die Turbolader auch die SOLAS-Richtlinie (Safety of Life at Sea) für Marineanwendungen, nach der die Oberflächentemperatur 220 Grad Celsius aus Sicherheitsgründen nicht überschreiten darf.

Umsetzung der Turboaufladung bei mtu

mtu rüstet alle Motoren der verschiedenen Baureihen grundsätzlich mit Turboaufladung aus. Innerhalb einer Baureihe wird die Aufladung auf die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendungen abgestimmt. So benötigt ein Stromerzeugungsmotor, der immer auf gleicher Drehzahl läuft, eine andere Laderabstimmung als ein mobiles Fahrzeug. Denn
der Motor für ein Fahrzeug wird dynamisch betrieben — er muss eine hohe Leistung vom Leerlauf bis zur Höchstdrehzahl abgeben — und entsprechend müssen auch die Turboladerkennfelder auf den breiten Drehzahlbereich abgestimmt sein. Die Herausforderung dabei: Ein Turbolader kann entweder für einen großen Drehzahlbereich oder für hohen Ladedruck ausgelegt werden. Für die Motoren dynamischer Anwendungen hat mtu daher die Turbolader so angepasst, dass sie ausreichend hohen Ladedruck liefern und einen möglichst breiten Drehzahlbereich abdecken.

Bei Anwendungen, die eine noch dynamischere Leistungsabgabe fordern, insbesondere im Schiffsbereich, wird bei mtu das Konzept der Registeraufladung eingesetzt. Dabei werden Turbolader sequential kombiniert. Ein Turbolader erzeugt den Ladedruck für niedrige Motordrehzahlen. Dreht der Motor höher oder soll er eine höhere Last abgeben, werden weitere Turbolader zugeschaltet. Damit bekommt der Motor ausreichend Luft.

Zur Darstellung einer hohen Fahrdynamik verfügen Motoren der Baureihe 890, die für Höchstleistungen in militärischen Fahrzeugen konzipiert sind, über Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie. Über verstellbare Flügel wird das Abgas bei dieser Technik so an die Schaufeln der Turbine gelenkt, dass sie bei niedriger Drehzahl schnell hochläuft und danach einen hohen Abgasdurchsatz erlaubt (Abb. 4)

Für hohe Motorleistungen setzt mtu bei den neuen Motorgenerationen eine zweistufige Aufladung ein. Bereits Anfang der 1980er-Jahre hatte mtu die Baureihe 1163 mit einer komplett integrierten zweistufen Aufladung mit Zwischenkühlung ausgestattet. Bis zu fünf Ladergruppen, bestehend aus Hoch- und Niederdruckstufe in Registeranordnung, verhelfen dem Motor zu einer Leistung von 7.400 kW.

Neue Anforderungen an die Aufladung aufgrund neuer Emissionsgesetze
Heute wird die Weiterentwicklung der Motoren maßgeblich durch die immer strengeren Emissionsnormen bestimmt. So müssen zusätzliche Systeme, die die Entstehung von Dieselpartikeln oder Stickoxiden während der Verbrennung vermeiden oder sie im Nachhinein reinigen — Miller-Verfahren, Abgasrückführung (AGR), selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction, kurz SCR) oder Dieselpartikelfilter (DPF) — in das Motorgesamtkonzept integriert werden. Für mtu ist die Turboaufladung bei diesen Niedrig-Emissionskonzepten eine der Schlüsseltechnologien. Denn nur mit einem angepassten Aufladesystem lassen sich die tendenziell negativen Auswirkungen dieser zusätzlichen Systeme auf die Motorleistung und -dynamik verhindern. Allen Systemen zur Emissionsreduzierung gemeinsam ist, dass sie die Wirkung der Turboaufladung beeinträchtigen: Beim Miller-Verfahren, der Abgasrückführung und dem Dieselpartikelfilter steigt der Abgasgegendruck; bei der Abgasrückführung steigt die Luftmasse, die in den Zylinder befördert werden muss. Der Turbolader muss — vereinfacht gesagt — die Luft stärker beziehungsweise mehr Luft in den Brennraum pressen, um ihn mit genau so viel Sauerstoff zu versorgen wie vorher.

Wie Untersuchungen von mtu ergaben, reicht die bisherige einstufige Turboaufladung daher für die meisten Anwendungen künftig nicht mehr aus. Der Weg von mtu bei Motoren für strenge Emissionsnormen: ein zweistufig gere­geltes Aufladesystem (Abb. 5). Es sorgt in jedem Betriebspunkt und auch unter extremen Randbedingungen (Ansauglufttemperatur, Höhe, Gegendruck) für eine gleichbleibend gute Frischluftversorgung des Motors. Dazu wird die Luft durch Niederdruckturbolader vorverdichtet und in Hochdruckturboladern nachverdichtet. Die Regelung des Aufladesystems ist in die von mtu selbst entwickelte elektronische Motorsteuerung (ECU: Engine Control Unit) des Motors integriert.

mtu setzt die innovative zweistufig geregelte Turboaufladung zum ersten Mal im neuen Bahnmotor der Baureihe 4000 ein. Dieser erfüllt die seit 2012 für Diesellokomotiven in Europa geltende Emissionsvorschrift der EU-Richtlinie 97/68/EG Stufe IIIB. Auch für weitere mobile Anwendungen, beispielsweise im Bereich Bau und Industrie, ist die zweistufig geregelte Aufladung in den aktuellen Baureihen von mtu umgesetzt beziehungsweise fest eingeplant. Bei Stationäranwendungen, zum Beispiel zur Stromerzeugung, bei denen die Anforderung an die Turboladerdynamik weniger hoch ist, wird auch weiterhin die kostengünstigere einstufige Turboaufladung zum Einsatz kommen.

Ladeluftkühlung

Wenn der Turbolader die Ansaugluft verdichtet, erwärmt sie sich. Durch die Ladeluftkühlung wird die Dichte weiter erhöht, so dass mehr Masse und damit auch mehr Sauerstoff in den Zylinder gelangt. Die zweistufig geregelte Aufladung arbeitet mit zwei Ladeluftkühlern. Der erste ist zwischen Niederdruck- und Hochdruckstufe, der zweite nach der Hochdruckstufe angeordnet. Die Zwischenkühlung ermöglicht eine effizientere Verdichtung in der nachfolgenden Hochdruckstufe, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Aufladesystems führt. Bei allen mtu-Motoren sind die Ladeluftkühler hochintegriert am Motor angeordnet und benötigen wenig Bauraum.