Aufladungskonzept 1: extremes Downsizing

Ein Vierzylinder-Turbomotor. Heute wohl der am meisten gebaute Aggregattyp überhaupt. Er ist gut für Hubräume von einem Liter bis zu etwa 2,5 Liter und durch die Turboaufladung, die auch und vor allem durch Softwareanpassungen in der Leistung relativ weit gespreizt werden kann, ist er im Laufe der Zeit zu einem wahren Tausendsassa geworden. Vor allem im VW-Konzern reicht seine Leistungsausbeute von 140 PS bis hin zu knapp 420 PS im kommenden Golf R 420.
Doch Moment..aus einem Zweiliter 420 PS? Kann das gut gehen? Was muss beachtet werden und was sind die Folgen?

Nehmen wir uns hierzu das momentane Prachtexemplar von extremen Downsizing vor, den Mercedes-Benz A45 AMG. Seit dem Facelift 2015 ist er auf 381 PS erstarkt, was für den Motor eine geradezu beängstigende Literleistung von 191 PS pro Liter bedeutet. Schauen wir uns dieses arme Exemplar von Motor einmal genauer an: Zweiliter Hubraum, geschmiedete Kurbelwelle, Schmiedekolben und härter beschichtete Laufbahnen zur Optimierung der Reibung und der Rotationsmasse. Mehr oder weniger tut AMG alles, um es dem Motor so einfach wie möglich zu machen die Leistung auch zu produzieren und sich nicht unnötig mit starker Reibung oder unglaublichen Kräften aufgrund zu schwerer Bauteile aufzuhalten.
Dennoch hat man als Außenstehender doch das Gefühl, dass dieser Motor Angst hat, wenn der Startknopf gedrückt wird. Und das liegt wohl am mächtigen Turbolader, der ihm direkt vor die Brust geschnallt wurde.

Mit heftigen 1,8 Bar Ladedruck (normal bei Benzinern 0,8-max. 1,5 bar) haut er dem Motor die Luft in die Brennkammern. Hier ergeben sich schon die ersten Probleme:

Zum einen wird der Motor unter Volllast sehr heiß. Wenn soviel Luft in den Brennkammern verbrannt wird, entsteht eine enorme Hitze. Die obere Grenze, bei der Turbolader- und Zylinderinnenkühlung noch funktioniert, liegt bei 1050°C Abgastemperatur. Da die Kühler aber schon weit früher an ihre Grenzen kommen, insbesondere aufgrund der kompakten Bauweise, muss ein anderer Weg gefunden werden. Der ist so simpel wie..nun ja..da es ja um Downsizing geht, ist es nicht genial. Es wird einfach mit Sprit gekühlt. Dieser Vorgang, „Anfettung“ genannt, besteht darin, dass zwischen 10 und 30 Prozent mehr Kraftstoff eingespritzt wird, um zu ermöglichen, dass das System funktioniert. Im Endeffekt ist Downsizing, zumindest bei „hochgezüchteten“ Motoren kontraproduktiv, wenn die Leistung auch abgerufen wird. Es soll zur Steigerung der Effizienz dienen, benötigt aber Sprit, um sich selber am Leben zu erhalten.

Ein weiteres Problem betrifft den Turbolader selbst. Um entsprechenden Ladedruck zu produzieren, ist ein entsprechend großes Exemplar vonnöten. Dieses bringt den Nachteil mit sich, dass es erstmal eine gehörige Portion „Massendurchsatz“, also Endprodukte der Verbrennung, braucht um in Fahrt zu kommen. Das führt zu einem ausgeprägtem Turboloch, also einem verzögerten Ansprechen auf die Befehle, die der Fahrer mit dem Druck auf das Gaspedal erteilt, sowie einem einigermaßen ernüchternden Punch in den niedrigeren Drehzahlen. Das maximale Drehmoment von 475 Nm, sozusagen die Kraft untenrum, erreicht der Benz nämlich erst bei 2250 U/min, was, wie uns viele andere Autos im Zuge dieser Reihe lehren werden, deutlich besser geht. Im Umkehrschluss bleibt zu erwähnen, dass es umso heftiger voran geht, wenn der Ladedruck schließlich anliegt.

Allerdings wird diesem Treiben natürlich nicht untätig zugeschaut und so gibt es zwei Maßnahmen, um diese unschönen Nebeneffekte zu reduzieren.
Zum einen die Bauart des Laders: Es wird ein sogenannter Twin-Scroll-Lader verwendet, der von zwei getrennten Abgaskanälen von jeweils zwei Zylindern angetrieben wird, was unter anderem, für einen besseren Ladungswechsel sorgt.

Zum anderen das sogenannte „Scavenging„. Dieses hat Alfa Romeo schon beim 1750tbi im Alfa 159 angewandt. Es besteht darin, dass die Einlassventile möglichst früh öffnen und die Auslassventile möglichst spät schließen, womit viel Massendurchsatz (s.o.) direkt auf die Abgasturbine des Turboladers gerät.
Das wiederum bringt aber die Stickoxid-Konvertierung durcheinander und wird somit vom Gesetzgeber bald nicht mehr geduldet werden.
Hier müsste dann ein elektrischer Verdichter zum Einsatz kommen. Doch dieser ist Bestandteil eines anderen Beitrags.

Fazit:

Extremes Downsizing ist nicht immer die Lösung aller Probleme. Der A45 AMG ist dafür das beste Beispiel. Er benötigt schon allein wegen des Selbsterhaltungstriebes sehr viel Sprit und seine inhomogene Kraftentfaltung ist im Alltag oft fehl am Platz. Desweiteren ist eine solche Literleistung extrem Materialmordend. Ein Mercedes-Mechaniker erzählte mir, dass jedes fünfte Exemplar mit Motor- oder Turboladerschaden zurück kam. Inwieweit das natürlich von der Fahrweise des Fahrers abhängt, vermag ich nicht zu sagen.

Anmerkung: Die hier gezeigten Bilder sind nicht von mir.
Quelle: http://www.netcarshow.com/mercedes-benz/2016-a45_amg_4matic/