VTG Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung des maximalen Drehmoments und der maximalen Motorleistung. Mithilfe der Aufladung gelangt eine größere Luftmasse in den Verbrennungsraum, sodass mehr Kraftstoff verbrannt wird. Im Vergleich zum Saugmotor führt der Einsatz eines Turboladers zu einer höheren Leistungsausbeute bei gleichem Hubraum und somit zu höherem Low-End-Torque.

Funktion der VTG Verstellung

Ladedruckregelung mit variabler Turbinengeometrie, kurz VTG

Der Turbolader besteht aus zwei Strömungsmaschinen, der Abgasturbine (Turbinenrad und Abgasgehäuse), welche die Energie aus dem Abgas aufnimmt und einem Verdichter (Verdichterrad und Verdichtergehäuse), der die Ansaugluft verdichtet. Weitere Hauptkomponenten sind die Rumpfgruppe mit Laufzeug und Lagerung sowie die Ladedruckregelung mit variabler Turbinengeometrie (VTG). Diese regelt durch verstellbare Leitschaufeln den Ladedruck, und dies unabhängig von der Motordrehzahl.

Das Ziel der geregelten Turbine ist, den nutzbaren Durchsatzbereich bei guten Wirkungsgraden zu erweitern. Dazu wird die Turbinenleistung durch Veränderung von Anströmungswinkel und Gasgeschwindigkeit am Turbinenradeintritt geregelt. Im Fall der VTG-Turbolader geschieht dies durch Leitschaufeln vor dem Turbinenrad.

Wirkungsweise der VTG

Sind die Leitschaufeln in geschlossener Position, führen hohe Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein hohes Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung (somit hoher Drehzahl) und damit einem hohen Ladedruck. Sind die Leitschaufeln voll geöffnet erschließt sich der maximale Durchsatz der Turbine bei hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors der Strömung. Dies bringt immense Vorteile gegenüber der herkömmlichen Wastegate-Regelung (Bypass-Regelung) da der volle Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet und zur Leistungsumsetzung genutzt wird.

Die Verstellung der Leitschaufeln geschieht entweder über pneumatische oder elektrische Steller. Die pneumatischen Aktuatoren werden meistens über ein elektrisches 3-Wegeventil gesteuert. Die elektrischen Stellmotoren sind schneller und genauer. Zudem können Feedback Signale und Störmeldungen an das Motorsteuergerät gesendet werden. 

Bauteile VTG-Turbolader

1. Verdichtergehäuse
2. Verdichterrad
3. Radiallager
4. Elektrischer Steller
5. Turbinenrad
6. Variable Turbinengeometrie
7. Turbinengehäuse
8. Lagergehäuse

Produktnutzen

• Beitrag zur Verbrauchsreduzierung und CO2-Einsparung
• Unterstützt die Einhaltung der Emissionsnormen
• Verbessertes Ansprechverhalten und Fahrspaß (Low-End-Torque)
• Hervorragende Langlebigkeit
• Optimale Betriebskennwerte
• Neu auch im Miller Cycle Benzinmotor

Die Downsizing-Option!

Gas geben und dabei weniger Kraftstoff verbrauchen, die neuen VTG Turbolader machen dies möglich. Im Gegensatz zur mechanischen Aufladung benötigt der Turbolader keine mechanische Antriebsleistung. Dies führt im Vergleich zum Kompressor zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.

Durch den Einbau eines VTG-Turboladers kann der Hubraum des Motors reduziert werden, was der Begriff „Downsizing“ ausdrückt. Downsizing reduziert den Kraftstoffverbrauch und den mit ihm verbundenen CO2-Ausstoß ungemein. Wesentlicher Grund für die Kraftstoffeinsparung ist der Motorbetrieb mit höherem Mitteldruck in spezifisch höher belasteten und damit verbrauchsgünstigeren Kennfeldbereichen.

VTG Turbolader für Benzinmotoren

Mit der Einführung der ersten VTG-Turbolader für Benzinmotoren im Porsche 911 Turbo gelang es bereits im Jahr 2006 dem Hersteller Porsche in Zusammenarbeit mit BorgWarner erfolgreich diese Technologie im Sportwagensegment einzuführen. Die besondere Herausforderung liegt beim Ottomotor in der hohen Abgastemperatur von ca. 1000°C. Das sind extremste Belastungen für die auch neu entwickelten hochtemperaturfesten Werkstoffe und stellt besonders hohe Ansprüche an die Konstruktion der Ausführung.

Mit dem neuem Miller-Cycle Motor EA211 TSI evo macht die Benzin-Motor-Technologie einen entscheidenden Entwicklungsschritt. Der neue 1,5 Liter Volkswagen Motor ist für den konzernweiten Einsatz entwickelt worden.

Ein besonderes Merkmal der neuen Technik ist der in weiten Kennfeldbereichen außergewöhnlich hohe Wirkungsgrad. Entscheidend dafür ist die Einführung des so genannten Miller-Brennverfahrens mit erhöhter Verdichtung und die Aufladung durch einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie – eine Weltneuheit in der Ottomotoren-Großserie. Die Zylinderabschaltung (ACT) erschließt in der Teillast weiteres Entdrosselungspotenzial. Damit leistet der Motor einen erheblichen Beitrag zur Erfüllung der sich weiter verschärfenden Verbrauchs- und Abgasnormen. So sind bei dem neuen VW EA211 TSI evo Wirkungsgradvorteile von bis zu 10% im Vergleich zum bisherigen 1,4l TSI (92 kW) erreichbar. Im Alltag bedeutet dies einen Verbrauchsvorteil in der Größenordnung von einem Liter auf 100 km.

Ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bietet durch die betriebspunktoptimale Anpassung der Turbinen-Durchflusscharakteristik einerseits die Möglichkeit, bereits ab geringen Motordrehzahlen eine sehr hohe Turbinenleistung und damit einen hohen Ladedruck bereitzustellen. Besonders im dynamischen Fahrbetrieb und vor allem ohne die Nutzung der dynamischen Ventilüberschneidung (Scavening) kommen hier die Vorteile der VTG voll zum Tragen. Zudem hilft die Vermeidung eines Wastegate-Massenstroms, den Abgasgegendruck im Nennleistungsbereich zu senken und damit auch bei einem hohen Ladedruckniveau frühe Schwerpunktlagen sicherzustellen. Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann der motorische Liefergrad und mit ihm der ATL-Betriebspunkt optimiert werden.

Bei der Auslegung dieser neuen Motorenkonzepte ist das Ziel möglichst gute Wirkungsgrade, sowohl im Low-End Torque-Bereich als auch im Nennleistungsbereich zu erreichen, ein optimales Spielfeld für den neuen VTG-ATL. So fahren die neuen Motoren mit einer maximalen Abgastemperatur von 880°C und einem Luftverhältnis von λ=1 im gesamten Kennfeld. Dieses Temperaturniveau ist nur geringfügig höher als es heute bei Dieselmotoren üblich ist. Daher konnte die Konstruktion des VTG-ATL ähnlich der eines TDI Motors gehalten werden. Verändert wurden am Turbolader ein optimiertes Schaufellagespiel, sowie Leitschaufeln aus einer Ni-Basislegierung, eine neue reibungsoptimierte, 0W20-fähige Turbolader-Lagerung inklusive wassergekühltem Lagergehäuse, einem trägheitsoptimierten Turbinenrad und einem schnell und präzise arbeitenden elektrischen Ladedruck-Steller.