Aufladung

Die Aufladung wurde und wird bisher fast ausschließlich zur Leistungssteigerung und zur Steigerung des Drehmomentes genutzt. Ziel dabei ist es, bei gegebenem Hubraum eine höhere Leistung, oder eine gleiche Leistung bei abgesenktem Hubraum zu erzielen. Darüber hinaus gibt es Ansätze, die Aufladung mit Hilfe "kleiner" Lader in Verbindung mit einer längeren Getriebeübersetzung zur Kraftstoffverbrauchssenkung einzusetzen. Durch die Aufladung sind bei Serienfahrzeugen bis zu 60% Leistungssteigerung möglich.

Die Vorteile der Aufladung sind:

• vorhandene Motorbaureihe ist verwendbar zur Erzielung höherer Leistung und höheren Drehmomentes
• geringer zusätzlicher Bauraum für Lader und Ladeluftkühler gegenüber leistungsgleichem Saugmotor
• Preisvorteil bezogen auf die Literleistung im Vergleich zur Hubraumsteigerung
• niedrigeres Geräuschniveau (Dämpfung der Auspuff- und Ansauggeräusche) durch die Abgasturboaufladung.
• niedriger Verbrauch und geringere Schadstoffemissionen vor allem beim Dieselmotor.

Im Großmotorenbau und bei Lkw Motoren wird die Aufladung fast immer angewandt. Wegen der relativ geringen Leistungsausbeute bei Pkw-Dieselmotoren werden auch hier, von Ausnahmen abgesehen, Motoren mit Aufladung angeboten. Mittels einer Arbeitsmaschine (Gebläse, Verdichter) wird dem Motor eine höhere Luftmasse zur Verfügung gestellt. Das führt zu einer höheren abgegebenen Arbeit, da die Kraftstoffmasse pro Arbeitsspiel ebenfalls angehoben wird. Beim Ottomotor muss, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden, die Verdichtung reduziert werden, was den Wirkungsgrad verschlechtert.

Betrachtet man die Gleichung zur Beschreibung der Motorleistung P_e

,

so hat man eine Reihe von Möglichkeiten, die Motorleistung zu steigern. Bei gegebenen Arbeitsverfahren sind das, wie aus obiger Gleichung ersichtlich, Drehzahl n, spezifische Arbeit w_e und Hubvolumen V_H. Der Faktor i = 0,5 gilt für Viertakt-Motoren und i=1 für Zwei-Takt-Motoren.

• Drehzahlerhöhung (n): Sie bedeutet eine deutlich höhere Belastung der Bauteile (Massenkräfte). Die Drehzahlerhöhung führt darüber hinaus zu einer größeren Drehzahlspanne für die Nebenaggregate (Leerlauf- zu Maximaldrehzahl₎. Außerdem können sich Probleme mit Ventiltrieb (Ventilfederauslegung, Abheben des Ventils) ergeben. Höhere Drehzahlen können auch gleichzeitig eine Verschlechterung der Akustik des Motors bewirken. Man wird also nur sehr begrenzt Drehzahlerhöhungen vornehmen, abgesehen von Sondereinsatzfällen wie z. B. Motoren für den Sporteinsatz. Drehzahlerhöhung bedeutet auch höhere Reibleistung und damit Anstieg des Kraftstoffverbrauchs.
• Hubvolumen (V_H): Eine Änderung des Hubvolumens ist in zwei Richtungen denkbar. Zum einen eine Verlängerung des Hubes, zum anderen eine Vergrößerung der Bohrung. Hubverlängerung bedeutet eine Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit und eine Bauraumvergrößerung. Eine Vergrößerung der Bohrung bedeutet bei beibehalten der Stegbreite praktisch einen neuen Motor, da der Zylinderabstand wächst, was den Motor verlängert.
• Spezifische Arbeit (w_e): Die spezifische Arbeit ist eine Größe, die von sehr vielen Parametern abhängt. Sie ist u. a. eine Funktion von Füllung, Zündwinkel, Luftkraftstoffverhältnis, Verdichtungsverhältnis, Reibung, Verbrennung, Gemischaufbereitung, Strömungsverlusten etc.

Sie lässt sich darstellen

für den Ottomotor:

für den Dieselmotor:

Darin bedeuten h_e der effektive Wirkungsgrad, H_u der untere Heizwert des Kraftstoffes, l_a der Luftaufwand, r_G und r_L die Gemisch- bzw. Luftdichte, Lambda das Luftkraftstoffverhältnis und m_{L, St} die stöchiometrische Luftmasse.

Hält man die Größen h_e, l_a und l konstant (H_u und m_{L st} sind Kraftstoffkenngrößen), so ist die spezifische Arbeit über die Gemisch- bez. Luftdichte zu steigern. Genau das nutzt man bei der Aufladung.

Literatur:

[1] K. Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren: Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen, Springer Verlag, Berlin, 1980;

[2] H. Pucher, Aufladung von Verbrennungsmotoren, Expert-Verlag, Sindelfingen, 1985

[3] N.N.: 9. Aufladetechnische Konferenz, 2003, Dresden

[4] D. Hagelstein, J. Theobald, K. Michels, E. Pott: Vergleich verschiedener Aufladeverfahren für direkteinspritzende Ottomotoren, 10. Aufladetechnische Konferenz, 2005, Dresden

[5] G. Doll, M. Fischle, A. Lingens, J. Schmauder: Die Aufladung des neuen Mercedes 3 l-CDI-Motors, 10. Aufladetechnische Konferenz, 2005, Dresden

[6] P. Kapus, H. Philipp, G. Freidl: Entwicklungsschwerpunkte für verbrauchsoptimierte Otto-Turbomotoren, Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2005, Aachen

[7] R. Krebs, J. Böhme, R.Dornhöfer, R. Wurms, K. Friedmann, J. Helbig, W. Hatz:Der neue Audi 2,0T FSI Motor – Der erste direkteinspritzende Turbo-Ottomotor bei Audi, 25. Wiener Motorensymposium, 2004