30. April 2010

Turboladerschaltung einmal anders

Im Rahmen eines Kooperationsvertrags zwischen Jaguar, der Ford Motor Company und PSA Peugeot Citroën SA ist ein moderner V6-Diesel-Motor entstanden, der über 24 Ventile, Turboaufladung und drei Liter Hubraum verfügt. In der Peripherie blieben die Marken selbstständig und entwickelten im Auflade- und Schadstoffminderungsbereich interessante Detaillösungen.

Turboladerschaltung einmal anders

Am kompakt gebauten V6-Triebwerk können Einzelteile wie Turbolader oder Drosselklappengehäuse mehrheitlich nur noch erahnt werden.

VON ANDREAS LERCH

Die Jaguar-Motoren werden im englischen Ford-Zentrum von Dagenham gebaut. Sie weisen – bis auf Drehmoment und Leistung – ähnliche Eckwerte auf wie das Triebwerk von Peugeot: einen Hubraum von 2992 cm3, ein geringes Verdichtungsverhältnis von 16:1, Hub und Bohrung von 84 bzw. 90 mm. Damit ist der Motor mit einem Hub-Bohrungs-Verhältnis von 1.07 leicht unterquadratisch. Wird die Leistung aus den Drehmomentverläufen errechnet, liegen die beiden Motoren im Bereich von 180 kW ca. 15 kW auseinander, verfügen aber über das Potenzial für das Euro-5-Emissionsniveau. Während das Peugeot-Triebwerk zwischen 1600 und 3700/min ein Drehmoment von 450 Nm auf das Schwungrad bringt, bildet die Drehmomentkurve des anders aufgeladenen Jaguarmotors keine gerade Linie, liegt aber im ganzen Betriebsbereich über den Werten des Peugeot-Motors, das Maximum erreicht er mit 600 Nm bei 1600/min.

Aufladung – Abgasseite

Die Dieselmotoren sind mit zwei Turboladern ausgerüstet. Unüblich für einen V6-Motor ist bei Jaguar, dass es sich um zwei unterschiedliche Turbolader-Bauarten handelt. Während der Primärturbolader gross ist und über variable Leitschaufeln verfügt, baut der Sekundärturbolader kleiner und verfügt über eine starre Geometrie. Die Abgasseite ist nicht mit Waste­gate-Ventilen ausgerüstet, dafür mit einem Abgasverbindungsrohr, welches die Turbineneingänge der beiden Lader verbindet. In dieses Abgasverbindungsrohr ist ein Turbinen-Sperrventil gebaut, welches das Abgas der rechten Zylinderreihe während bestimmten Betriebsphasen ebenfalls zum Primärturbolader leiten kann. Geschaltet wird das Turbinen-Sperrventil vom elektronischen Steuergerät bzw. über ein elektromagnetisches Unterdruck-Magnetventil.
Nach dem Primärturbolader strömt das Abgas durch einen Oxidationskatalysator, durch den Diesel-Partikelfilter (DPF) und den Schalldämpfer. Das Abgas vom Sekundärturbolader umgeht den Katalysator und trifft erst vor dem DPF ins Abgassystem.

Aufladung – Saugseite
Solange der Sekundärturbolader nicht von Abgas durchströmt wird, braucht er auch keine Frischluft. Somit werden auch auf der Ansaugseite Ventile nötig. Jaguar beschreibt sie als Verdichter-Sperrventil und Rückführungsventil (nicht zu verwechseln mit dem Abgas-Rückführungsventil).
Nach dem Luftfilter durchströmt die Luft den Luftmassenmesser und erreicht direkt die Verdichtereingänge der Turbolader. Die Verdichterausgänge sind mit dem Sperr- und dem Rückführungsventil verbunden. Arbeitet der Sekundärturbolader nicht, ist auch das Sperrventil in seiner Sperrstellung und schliesst den Durchgang vom Verdichterausgang des Sekundärturboladers zum Ladeluftkühler. Dieser Durchgang ist für den Primärturbolader in jedem Fall frei. Erreicht der Motor etwas erhöhte Last, beginnt der Sekundärturbolader mit seiner Arbeit. Um das Umschalten ruckfrei zu gestalten, wird die Ladeluft der Sekundärseite zum Verdichtereingang der Primärseite geleitet und unterstützt so die Aufladung.
Erst bei hohen Lasten wird das Verdichter-Sperrventil betätigt und die Abgasaufladung funktioniert parallel. Da der Sekundärturbolader nur eine geringere Luftmenge liefern wird als der Primärturbolader, vereinigen sich die beiden verdichteten Luftvolumen im Ladeluftkühler und erreichen vermischt die sechs Zylinder.
Abgasseitig vermischen sich die Abgase ebenfalls im gross dimensionierten Abgasverbindungsrohr, damit beide Turbos soviel Abgas erhalten, wie sie verarbeiten können.

Steuerung

Speziell und ungewöhnlich mutet die Schaltung der beiden Turbolader an. Der grosse variable Primärturbolader ist immer eingeschaltet und erst bei höheren Lasten wird der kleine Sekundärturbolader zugeschaltet. Immerhin lassen die Drehmomentverläufe die Annahme zu, dass weder das Ansprechverhalten noch die Leistungsentfaltung unter dieser eigenwillig anmutenden Schaltung leiden.

Abgase

In einer von Ford eingegebenen Patentschrift wird diese Schaltungsart beschrieben und es wird vor allem darauf hingewiesen, dass die Temperaturen für die Abgasentgiftung mit der parallel-sequenziellen Turboladerschaltung besser im Griff behalten werden. Diese Aussage kann nachvollzogen werden: Wird während der Regenerationsphase nicht der maximale Ladedruck gefordert, können die Leitschaufeln auf «weit» gestellt werden: Das Abgas kann fast ungebremst und seine Energie ungenutzt zum Katalysator und dem nachgeschalteten DPF geleitet werden. Da es die Turbine nicht speziell antreiben musste, bleibt das Abgas heiss und hält die Temperatur für die Partikelfilter-Regeneration.
Natürlich beeinflusst Jaguar auch mit einer Abgasrückführung die Stickoxide. Es können bis mehr als 50 % der Abgase rückgeführt werden. Je nach Motortemperatur werden diese zusätzlich gekühlt.
Die aktuelle Common-Rail-Einspritzeinrichtung von Bosch mit Piezo-Injektoren, 2000 bar Einspritzdruck und bis zu fünf Teileinspritzungen beeinflusst den sauberen Lauf des Dieselmotors zusätzlich.

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