Verstellbare Turbinenleitschaufeln Ottomotor mit VTG startet dieses Jahr

Autor / Redakteur: Wolfgang Pester / Thomas Günnel

Beim Dieselmotor sind Abgasturbolader mit verstellbaren Turbinenleitschaufeln Standard. In diesem Jahr startet nun der Turbo mit dieser Technik erstmals in einem direkt einspritzenden Ottomotor in der Großserie.

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In diesem Jahr startet der Turbolader mit verstellbaren Turbinenleitschaufeln erstmals in einem direkt einspritzenden Ottomotor in der Großserie.
In diesem Jahr startet der Turbolader mit verstellbaren Turbinenleitschaufeln erstmals in einem direkt einspritzenden Ottomotor in der Großserie.
(Foto: Bosch Mahle Turbo Systems)

Seit Jahren ist das „Downsizing“ prägender Trend in der Automobilindustrie. Die Bezeichnung steht für Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und großer Leistung sowie geringem Verbrauch. Die Schraube bei Wirkungsgrad und Effizienz will Volkswagen weiter anziehen. Ende des Jahres starten die Wolfsburger nun die neue Ottomotoren-Baureihe EA211 TSI evo. Der erste Benziner mit weiterentwickelter Turboaufladung soll ein Sparfuchs in seinem Segment werden und hohe Antriebskraft bei niedrigen Drehzahlen bieten. Erzielt wird dies durch einen Abgasturbolader (ATL) mit verstellbarer Turbinengeometrie (VTG), wie sie etwa die Bosch Mahle Turbo Systems (BMTS) serienreif entwickelte. Die neue ATL-Generation mit VTG – BMTS nennt sie „Floating Nozzle Turbine“ (FNT) – verleiht dem kleinen, leistungsstarken Ottomotor ein hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eine deutliche Effizienzsteigerung, die ihn nah an den Dieselmotor rücken lassen.

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20 Prozent geringerer Verbrauch

Als der Dieselmotor vor rund 25 Jahren mit Abgasturbolader als Direkteinspritzer auftrat, machte ihn sein geringer Verbrauch zum Verkaufsschlager in Europa. Und als 1996 beim ATL über die Motorelektronik auch noch die Turbinenleitschaufeln optimal eingestellt werden konnten, wurde der Turbodiesel „gesellschaftsfähig“ und bedrängt seitdem die Benziner als Antrieb in den Premiumautos. Das sogenannte Turboloch war weg, der Diesel entwickelte ungeahnte Sportwagenqualitäten, mittlerweile ist die VTG-Technik zum Standard bei Dieselmotoren geworden. Was beim Diesel mit Abgastemperaturen von über 700 Grad Celsius klappt, scheiterte bei Großserien-Benzinmotoren an einer um 200 Grad Celsius höheren Temperatur – bis dato. Zwar setzte Porsche ATL mit VTG bereits ab 2006 im 911 Turbo mit 382 kW/520 PS ein, weil der Sportwagenhersteller alles daran setzte, das Turboloch, ein mangelhaftes Ansprechverhalten beim Gasgeben, auszumerzen. Geld für die VTG-Technik spielt bei diesen Nobelautos nicht die gleiche Rolle, wie für solche in Großserienautos. Mit der Floating-Nozzle-Turbine im neuen ATL wird nun der Einsatz im Benziner demokratisiert, weil im großen Stil einsetzbar. „Wer deshalb an aufwendig und teuer denkt, liegt falsch“, sagt Dr.-Ing. Roger Busch, Geschäftsführer von BMTS. Doch umsonst ist auch diese Innovation nicht.

Mit der speziell für sparsame Downsizing-Motoren entwickelten Technik lässt sich der Verbrauch des Benzinmotors durch die Abgasturbolader mit FNT nochmals um 20 Prozent reduzieren. Doch die neue ATL-Generation steigert ebenfalls deutlich die Fahrleistung des Ottomotors. Von größter Bedeutung ist die Innovation auch mit Blick auf die kommende Umweltgesetzgebung. Ab 2017 wird mit der Abgasnorm EU6c die Schraube des Partikelgrenzwertes für Benziner deutlich angezogen. Automobilingenieure rechnen damit, dass große Fahrzeuge dann wohl einen Partikelfilter benötigen. Sein Einbau führt beim Verbrennungsmotor zwangsläufig zu einem höheren Abgasgegendruck, der die Effizienz reduziert. Die FNT im ATL des Ottomotors schafft da Abhilfe. Die verstellbare Turbinengeometrie (VTG/FNT) ist für BMTS-Chef Busch „das Gaspedal des Turboladers“. Mit ihm wird die gesamte Abgasenergie zur Ladedruckerzeugung genutzt. Mit der VTG wird der Strömungsquerschnitt und damit der Turbinendurchfluss optimal auf den Motorbetriebspunkt angepasst und das sogenannte Turboloch bei niedrigen Drehzahlen ausgeschaltet. Die neue Verstelltechnik bewirkt die höhere Effizienz von Turbolader und Motor als durch einen ATL mit sogenanntem Wastegate (Bypass). Im Gegensatz zum VTG kompensiert ein Wastegate-Turbolader den erhöhten Abgasdruck durch einen Partikelfilter mit einem größeren Turbinenrad. Das schwere und größere Turbinenrad nimmt dem Motor aber einen Teil seiner Dynamik und Durchzugskraft – das passiere nicht beim BMTS-Turbolader mit FNT, so Busch. Die FNT ermöglicht eine signifikante Steigerung der Dynamik bei einem reduzierten Volllastverbrauch und biete „eine massenmarkttaugliche Lösung für Ottomotoren der Zukunft“, so der BMTS-Chef.

Neuer „Konzernmotor“ EA211 TSI evo

Ab diesem Jahr befeuert nun auch der VTG den Benziner. Als eine Weltneuheit bei der neuen Ottomotoren-Generation setzt Volkswagen auf den Abgasturbolader mit elektrisch verstellbarer Turbinengeometrie (VTG-ATL). Den neuen „Konzernmotor“ EA211 TSI evo stellte Dr.-Ing. Friedrich Eichler, Leiter der Aggregateentwicklung bei Volkswagen, auf dem 37. Internationalen Motorensymposium in Wien vor. Bereits Ende 2016 komme der gleichsam sparsame und durchzugsstarke TSI-Motor mit 1,5 Liter Hubraum zunächst mit Leistungen von 96 kW/130 PS und 110 kW/150 PS auf den Markt. Eines der zahlreichen Highlights des neuen Benziners ist der erstmals in der Großserie zum Einsatz kommende Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG). Zum VTG-Entwicklungspartner äußerte sich VW nicht. Gleichfalls gab es von BMTS keine Stellungnahme, ob der ATL-FNT von ihnen zugeliefert wird. Bisher sind jedoch keine Hersteller gleichartiger VTG-Turbos an die Öffentlichkeit getreten. Die wesentlichen Technikbausteine des neuen EA211 TSI evo führen zu Wirkungsgradvorteilen bis zehn Prozent im Vergleich zum bisherigen 1,4-Liter-TSI (92 kW/125 PS) der Vorgängerbaureihe EA211. Und dies nicht nur unter Prüfstandsbedingungen, sondern ebenfalls im automobilen Alltag der Kunden durch einen deutlich reduzierten Benzinverbrauch. Neben dem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) verfügt der neue EA211 TSI evo unter anderen über neue und überarbeitete Technologien wie Miller-Brennverfahren (frühes Schließen der Einlassventile) mit einem hohen Verdichtungsverhältnis von 12,5:1, Common-Rail-Einspritzanlage mit bis zu 350 bar Druck, Thermomanagement sowie Zylinderabschaltung (ACT) und APS-beschichtete Zylinderlaufbahnen (atmosphärisches Plasmaspritzen).

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Von der EA211-Baureihe wurden ab Start 2012 bis 2015 in allen Versionen der Drei- und Vierzylinder mit 1,0 Liter bis 1,4 Liter Hubraum rund 8,7 Millionen TSI-Motoren hergestellt. Auch wenn der Hochlauf mit VTG-ATL in der neuen Baureihe EA211 TSI evo seine Zeit brauchen dürfte, die Großserie verdeutlicht jedoch die Bedeutung der VTG beziehungsweise FNT für Ottomotoren. Zwar kommt in Europa heute noch auf jeden neuen Turbobenziner auch ein neuer Dieselturbo, doch das könnte sich durch die Emissionslimits ändern, welche die Kosten der Abgasnachbehandlung des Dieselmotors stetig erhöht. 2016 werden laut Volker Brielmann, Leiter Verkauf und Marketing bei BMTS, weltweite rund 41 Millionen ATL eingesetzt werden – etwa 20 Millionen ATL in Diesel-Pkw, circa 18 Millionen in Benzin-Pkw und drei Millionen in Diesel-Nutzfahrzeugen. Bei einem stetigen Wachstum des ATL-Absatzes in den nächsten sechs Jahren mit durchschnittlich neun Prozent rechnet Brielmann mit einer weltweiten Produktion im Jahr 2022 von 67 Millionen ATL.

Mehr Turbos im Ottomotor

In der Zeit soll der Absatz von ATL in Ottomotoren jährlich um 14 Prozent steigen und ab 2017 bei Pkw das größte Turbolader-Segment sein. In Ottomotoren stecken 2022 dann etwa 34 Millionen ATL und in Dieselmotoren weniger als 20 Millionen Turbos – das heißt, dass der Anteil der Ottomotor-ATL in sechs Jahren von circa 20 Prozent auf rund 50 Prozent steigen werde. Dabei werde die Region Asien-Pazifik der größte Markt für Turbolader in Benzinmotoren, angetrieben durch den Zuwachs von kleineren Ottomotoren, so Brielmann. Europa zeige dagegen trotz einer hohen Ausstattungsrate bei ATL in Ottomotoren von insgesamt etwa 80 Prozent ein geringes, aber weiterhin stabiles Wachstum. Der nordamerikanische Markt (NAFTA) werde zwar bis 2022 zweistellig wachsen, absolut jedoch der kleinste Markt für ATL sein. Die Verbrauchs- und Emissionslimits treiben den Einsatz der ATL in Motoren. Die Entwicklung ist ein Grund für den Erfolg der Bosch Mahle Turbo Systems, das erst 2008 als 50:50-Gemeinschaftsunternehmen von Bosch und Mahle gegründet wurde. Mit dem Start der Serienfertigung von ATL in 2012 stieg die Produktion rasant. 2015 lieferte BMTS nach eigenen Angaben 1,7 Millionen Turbos aus. In dem dynamisch wachsenden Markt rechnet die Stuttgarter Firma bis 2020 mit der verdreifachten Auslieferung auf mehr als fünf Millionen ATL. Bisher fertigt das Werk St Michael, nahe Klagenfurt/Österreich, Turbolader im Dreischichtbetrieb. Dort sowie an den Standorten Stuttgart, Blaichach und Shanghai/China arbeiten derzeit 1.200 Beschäftigte.

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