Flexibilität in der Luftzufuhr

Turbolader Geplante Gesetze zur Begrenzung der NOx-Emissionen sowie die Reduzierung des Brennstoffverbrauchs stellen Motorenhersteller vor große Aufgaben. Das zweistufige Turboladersystem von MAN Diesel reagiert darauf.

24. April 2008

Neben der Reduzierung von Schadstoffen in den Abgasen liegt ein Hauptaugenmerk von Motorenbauern auf den Kraftstoffverbrauch. »Da die CO2-Emissionen proportional zum Kraftstoffverbrauch steigen, muss unser Ziel reduzierte Schadstoffemissionen ohne Kraftstoff-Mehrverbrauch sein«, so Hannes Benetschik, Manager in der Turbolader- Entwicklung bei MAN Diesel in Augsburg. Die geplanten Gesetzgebungen zur weiteren Limitierung der Emissionen von Stickoxiden (NOx) bei großen Dieselmotoren, wie etwa die Verschärfungen der deutschen TA-Luft, stehen aktuell im Fokus des Motorenherstellers. Anvisiert ist die Reduzierung von Emissionen »an der Quelle«, das heißt während der Kraftstoffverbrennung durch optimierte Verbrennungsraumgeometrie sowie verbesserter Kraftstoff- und Luftzuführung. »Durch die Einführung von mikroprozessorgesteuerten Einspritzsystemen mit Druckspeichertechnik sind wir in der Lage, Einspritzdruck, -zeitpunkt und -dauer im gesamten Betriebsbereich von großen Dieselmotoren zu optimieren«, so Benetschik. »Parallel dazu wird eine vergleichbare Flexibilität bei der Luftzufuhr angestrebt«. Kürzlich stellte die MAN Diesel Business Unit Turbocharger ihre derzeitigen Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet des Luft-Managements vor. Besondere Herausforderung bei Verbrennungsmotoren ist der Zielkonflikt zwischen spezifischem Kraftstoffverbrauch und NOx-Emissionen: Die NOx-Bildung in Diesel- oder Gasmotoren wird durch niedrigere Verbrennungstemperaturen reduziert, die wiederum zu niedriger Kraftstoffeffizienz führen. Die Lösung dieses Konflikts wird durch fortschrittliche Aufladetechniken ermöglicht, die eine reduzierte Verbrennungstemperatur mit gesteigertem thermischen Wirkungsgrad kombinieren.

Eine hierzu entwickelte Technologie ist VTA (Variable Turbine Area). Das VTA-System besteht laut Herbert Schmuttermair, Senior Manager in der Turbolader- Entwicklung bei MAN Diesel, aus einem Düsenring mit verstellbaren Schaufeln, welcher den Ring mit starren Schaufeln in Standardturboladern ersetzt. Sie regulieren vollelektronisch mit Rückkopplung oder durch gespeicherte Schaufeleinstellungen die Anströmverhältnisse der Abgase in der Turbine. Dies erlaubt die Ladeluftmenge präzise an die eingespritzte Kraftstoffmenge anzugleichen. »Viele Eingangssignale können zur Regulierung der Schaufelstellung genutzt werden, inklusive Ladeluftdruck nach dem Verdichter sowie Abgastemperaturen vor und nach dem Turbolader«, so Schmuttermair.

Alternative zu La deluft-Bypass

Die erste Anwendung der VTA-Technik bei einem Stromaggregat ist in Radial-Turboladern an einem MAN Diesel 32/40 PGI-Gasmotor in der werkseigenen Kraft-Wärme-Kopplung(KWK)-Anlage in Augsburg. Der Motor basiert auf den 32/40 Diesel- und Dual-Fuel-Motoren und erreicht mit dem neuartigen PGI-Verfahren sehr günstige Wirkungsgrade von über 46 %. In dieser Anwendung bestätigte sich, so MAN Diesel, die VTA-Technik als wirkungsgradsteigende Alternative zu einem Ladeluft-Bypass, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis präzise zu regeln. »Damit kann die Turboladerleistung genau zum Verbrennungsluftbedarf des Motors angepasst werden, anstatt überschüssige Luft in die Atmosphäre abzublasen «, erläutert Benetschik.

Ebenfalls mit einem großen Potenzial bei Energieerzeugungs- und KWK-Anlagen steigert zudem das zweistufige Hochdruckaufladungskonzept von MAN Diesel die Motorwirkungsgrade. Das Unternehmen setzt in seinem Einstufen-Hochdruckaufladekonzept optimierte Serien-Verdichterräder ein, um Druckverhältnisse über 6 bei einem Verdichterwirkungsgrad von 80 % zu erreichen. Bei dem Zweistufen-System sind zwei Turbolader und ein Zwischenladeluftkühler in Reihe geschaltet, die Ladedruckverhältnisse von weit über 6,5 verwirklichen. Der zweite, kleinere Turbolader ist mit VTA ausgerüstet. Durch einen Zwischenkühler zwischen den beiden Turboladerstufen wird die benötigte Energie zur Verdichtung der Verbrennungsluft auf hohen Druck stark reduziert. Mitteldrücke von über 30 bar sind möglich. Der NOx-Ausstoß verringert sich um mehr als 30 % pro kWh.

PGI (›Performance Gas Injection‹) bezeichnet ein Zündsystem, das die Funkenzündung durch die Hochdruckgaseinspritzung ersetzt. Eine kleine Menge Gas wird auf die heiße Oberfläche einer Glühkerze eingespritzt. Beim Kontakt mit diesem heißen Körper entzündet sich das Hochdruckgas und bildet eine Flammenzunge mit einer Zündenergie, die 10.000- bis 100.000-mal höher ist, als sie von der derzeit besten Zündkerze erzeugt werden kann. Dadurch entzündet sich der Hauptteil des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Hauptbrennkammer. »Das Hochdruck-Gaseinspritzventil und die Glühkerze befinden sich in einem gekühlten Vorkammermodul, das einer Dieseleinspritzdüse ähnelt, und sich in der gleichen zentralen, vertikalen Bohrung im Zylinderkopf befindet«, so Axel Hanenkamp, Produktlinien-Manager Gasmotoren. Die benötigte Leistung zur Verdichtung des Hochdruckgases ist minimal und der heiße Körper wird nur während des Startvorgangs bestromt. Danach verbleibt so viel Wärme in dem Körper, dass eine betriebssichere Zündung des Hochdruckgases gewährleistet wird. Bei Verwendung einer so großen Energie, die durch die PGI erzeugt wird, ist der Gasmotor im Stande, magerere Gemische zu entzünden, als Motoren mit elektrischen Zündsystemen. Die Neigung von Gas-Luft-Gemischen, während des Verdichtungstaktes vorzeitig zu zünden und damit Fehlzündungen und Kolbenschäden hervorzurufen, ist damit überwunden.

In der KWK-Anlage im Augsburger Werk versorgt der 12-Zylinder-V-Motor mit 5,2 MWel und rund 4,5 MWth die Schmelzöfen der Gießerei sowie die Fabrik mit Wärme für die Zentralheizung und für Trocknungsprozesse. Die Wärme wird in Stufen, entsprechend der Eingangstemperatur zurückgewonnen, das heißt zuerst Schmieröl, Ladeluft, Kühlwasser und dann die Motorenabgase.

Erschienen in Ausgabe: 05/2008