Downsizing

Doppel-Pass

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Weniger CO2 mit Downsizing. Zweiflutige Twin-Scroll-Lader eröffnen neue Möglichkeiten.

Wenn die angepeilten CO2- Grenzwerte verbindlich werden, haben großvolumige Motoren mit vielen Zylindern keine Zukunft. Downsizing heißt dann die Devise. Denn kleine, aufgeladene Basismotoren versprechen niedrigen Verbrauch ohne Verzicht auf Höchstleistung. Das geht nicht ohne Turbolader.

Altbekanntes Prinzip reanimiert

Doch die haben ein kleines Problem: ohne Abgas keine Aufladung. Als Folge dieses simplen Zusammenhangs entsteht das so genannte Turboloch. Wenn aus niedriger Drehzahl oder nach dem Lastwechsel, wo zunächst kein nennenswerter Abgasstrom fließt, beschleunigt werden soll, gönnen sich Turbomotoren erst eine Verschnaufpause. Sie ist umso größer, je höher die spezifische Leistung ausfällt. Denn die Größe des Turboladers wird von der Höchstleistung bestimmt. Und große Lader kommen eben schwerer in die Gänge als kleine.

Das stört ganz besonders bei kleinen Motoren mit niedrigem Drehmoment, zumal dessen Maximum sich wegen des verzögerten Ladedruckaufbaus in höhere Drehzahlbereiche verlagert. Doch es gibt Abhilfe, denn nun hat man ein altbekanntes Konstruktionsprinzip für kleine Ladereinheiten reanimiert: die zweiflutige Turbine, auch Zwillingsstrom- Turbine genannt. Borg Warner Turbosystems nennt diesen Ladertyp "Twin Scroll" wegen seiner geteilten, spiralförmigen Abgaskanäle.

Hohen Temperaturen nicht gewachsen

Schon der BMW 2002 Turbo fuhr mit zweiflutigem Abgasstrom. Dennoch konnte sich Twin Scroll bei Ottomotoren nicht durchsetzen. Denn die zur Aufteilung des Abgasstromes notwendige Kanaltrennwand war bisher den hohen Temperaturen nicht gewachsen und schmolz dahin. Nun hat Borg Warner Turbosystems Twin-Scroll-Lader entwickelt, die Betriebstemperaturen bis zu 980 Grad Celsius standhalten. Das müssen sie auch, denn die spezifischen Leistungen (bis zu 130 PS/Liter) der damit ausgerüsteten Motoren sind mit niedrigeren Temperaturen kaum zu schaffen.

So leistet etwa der GM Ecotec 2.0 DI Turbo im Opel GT mit Direkteinspritzung und KO4 Twin-Scroll-Lader 264 PS (194 kW). Beachtlich auch die 350 Newtonmeter Drehmoment, die ab 2.500/min zur Verfügung stehen. Beeindruckender noch ist der Leistungsverlauf der kleinen Vierzylinder, die BMW zusammen mit Peugeot entwickelt hat. Der bei Peugeot THP (Turbo High Pressure) genannte 1,6-Liter-Motor leistet mit 0,8 bar Ladedruck 150 PS und erklimmt schon bei 1.400/min den Gipfel seines Drehmoments von 240 Newtonmeter. Laut Hersteller beginnt der Ladedruckaufbau bereits bei 1.000 Umdrehungen, also knapp über der Leerlaufdrehzahl, wo bereits 156 Newtonmeter anliegen sollen. Im Mini Cooper S von BMW leistet das prinzipiell gleiche Aggregat sogar 175 PS.

Mit kurzzeitiger Anhebung des Ladedrucks (Overboost) steigt das maximale Drehmoment dort auf 260 Newtonmeter, die dann zwischen 1.700 und 4.500/min bereitstehen. Beide Motoren spritzen den Kraftstoff direkt ein, laufen aber homogen (Lambda=1). Dank der inneren Gemischaufbereitung und der damit verbundenen Verdampfungskühlung liegt das Verdichtungsverhältnis mit 10,5:1 für einen Turbomotor sehr hoch, was sowohl Wirkungsgrad wie Ansprechverhalten verbessert.

Gasdynamik belebt die Turbine

Doch der eigentliche Grund für das gute Ansprechverhalten ist der spontane Ladedruckaufbau, dessen Maximum etwa 500 Umdrehungen früher stattfindet als bei normalen Turboladern. Im Twin- Scroll-Lader werden die Abgasströme in zwei schneckenähnlichen Windungen bis ans Turbinenrad geführt. Die pulsierenden Gassäulen treffen mit hoher Geschwindigkeit aufs Turbinenrad, beschleunigt noch durch die konische Form der getrennten Kanäle. Die Gasdynamik belebt die Turbine spürbar, der Abgasgegendruck sinkt.

Vorteil: zehn Prozent

Voraussetzung ist eine gezielte Aufteilung der Zylinder. Noch etwas fördert das Ansprechverhalten: Dank der Zylindertrennung und der Direkteinspritzung lassen sich die Ventilsteuerzeiten besser abstimmen, wodurch das Basisdrehmoment steigt.

  Damit eröffnet die Twin-Scroll-Technik gute Voraussetzungen für effizientes Downsizing bei vertretbarem Aufwand. Kleine Vierzylinder bieten Leistung und Drehmoment großer Sechszylinder. Diese wiederum stoßen mit Twin-Scroll-Turbos ohne Abstriche in die Leistungsbereiche von V8-Motoren vor. Die dabei mögliche Verbrauchs- und CO2-Reduzierung beträgt etwa zehn Prozent. Gute Chancen also für den Twin-Scroll-Turbo.

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