Ladungswechsel als Energiequelle – Untersuchungen mit einem Turbogenerator im Ansaugtrakt

Zusammenfassung

Eine Turbine wird in Verbindung mit einem Generator in Form einer bürstenlosen E-Maschine als neues Element Turbogenerator in die Ansaugseite des Verbrennungsmotors eingebracht. Diese Turbine ist mit variabler Leitschaufelgeometrie (VTG) ausgeführt, was es zum einen erlaubt, Luftmasse und Druckniveau im Saugrohr dem jeweiligen Lastpunkt des Motors entsprechend einzustellen und zum anderen über den angekoppelten Generator elektrische Leistung zu erzeugen.

In einem ersten Schritt wurde mittels 1D-Motorprozeßrechnung das Potential dieses Konzepts für verschiedene Betriebspunkte eines 2 L-Ottomotors untersucht und daraus Anforderungen für die Auslegung der Kaltluft-Turbine abgeleitet.

Basierend darauf wurde ein erstes Versuchsmuster durch Adaption einer VTG-Turbine aus einem Pkw-Turbolader realisiert und auf einem Komponentenprüfstand der sa-charging solutions AG hinsichtlich Funktion erprobt und das thermodynamische Verhalten beleuchtet.

In weitergehenden Versuchen an einem Vollmotoren-Prüfstand des Instituts für Kolbenmaschinen am KIT wurde das System im Realbetrieb an einem 2 L-Ottomotor untersucht. Der Fokus wurde dabei auf den Motor-Betriebsbereich von 1000–3000 min⁻¹ und effektiven Mitteldrücken von 2–10 bar gelegt.

Zusätzlich zur Gewinnung von elektrischer Energie kann über die Entspannung der Ansaugluft in der Turbine das Temperaturniveau je nach Betriebspunkt um bis zu 25 K abgesenkt werden. Die damit verbundene Kühlleistung kann auf unterschiedliche Weise am Fahrzeug genutzt werden.

Als weiterer interessanter Aspekt ist das Zusammenspiel des Turbogenerators mit dem zur Aufladung des Motors verwendeten Turboladers zu nennen. Mit den an heutigen Ottomotoren gängigen hohen Abblaseraten sind niedrige Turbinenwirkungsgrade verbunden. In einem weiten Motorbetriebsbereich ist es möglich, das Wastegate weiter zu schließen und den damit verbundene Überschuss an Ladedruck gegenüber dem eigentlich für den jeweiligen Motorlastpunkt erforderlichen Niveau über den Turbogenerator auf der Ansaugseite in elektrische Energie umzusetzen.