R2S™: 2-stufige, geregelte Aufladung
Die grundsätzlichen Entwicklungsziele zukünftiger Verbrennungsmotoren
für Pkw- und Nfz-Anwendungen machen weiterentwickelte Aufladesysteme notwendig.
Die Auslegung eines solchen Aufladesystems im Hinblick auf die Nennleistung des
Motors einerseits und das Instationärverhalten und den Bereich des maximalen
Drehmoments andererseits führt zu einem Zielkonflikt. Für den Nennleistungspunkt
benötigt man einen relativ großen Abgasturbolader. Der Wunsch nach einem
sehr hohen Ladedruck schon bei geringen Motordrehzahlen bedeutet dagegen, daß
die Turbine und der Verdichter deutlich kleiner angepaßt werden müssen.
Idealerweise bräuchte man also eine Kombination aus beidem.
Zur Lösung dieses Zielkonflikts hat BorgWarner Turbo Systems die 2-stufige
geregelte Aufladung (R2S™) entwickelt. Sie entspricht einem solchen Idealaufbau
und ermöglicht für jeden Motorbetriebspunkt eine stufenlos variable Anpassung
der Turbinen- und Verdichterseite.
Mit diesem neu entwickelten Aufladeverfahren bietet BorgWarner Turbo Systems dem
Motorenhersteller ein weiteres äußerst leistungsfähiges Aufladesystem
für zukünftige Motorgenerationen, die höchste Anforderungen bezüglich
Leistungsentfaltung, Verbrauch und Umweltverträglichkeit erfüllen.
Die 2-stufige geregelte Aufladung (R2S™) ist eine Reihenschaltung zweier -
unterschiedlich großer - Turbolader mit einer Bypassregelung. Der von den
Zylindern kommende Abgasmassenstrom strömt zunächst in die Abgassammel-rohrleitung.
Von hier aus besteht die Möglichkeit, entweder den gesamten Abgasmassen-strom
über die Hochdruckturbine (HD) zu expandieren, oder einen Teilmassenstrom über
die Bypassleitung zur Niederdruckturbine (ND) umzuleiten. Der gesamte Abgasmassenstrom
wird dann nochmal von der nachgeschalteten Niederdruckturbine (ND) genutzt.
Der gesamte Frischluftmassenstrom wird zunächst durch die Niederdruckstufe
vorverdichtet. In der Hochdruckstufe erfolgt anschließend eine weitere Verdichtung
und Ladeluftkühlung. Aufgrund der Vorverdichtung arbeitet der relativ kleine
HD-Verdichter auf einem höheren Druckniveau, so daß er den erforderlichen
Luftmassenstrom durchsetzen kann.
Bei kleinen Motordrehzahlen, d.h. kleinen Abgasmassenströmen, bleibt der Bypass
voll-ständig geschlossen und der gesamte Abgasmassenstrom expandiert über
die HD-Turbine. Dadurch ergibt sich ein sehr schneller und hoher Ladedruckaufbau.Mit
zunehmender Motor-drehzahl wird die Expansionsarbeit kontinuierlich zur ND-Turbine
verlagert, indem der Bypassquerschnitt entsprechend vergrößert wird.
Die 2-stufig geregelte Aufladung ermöglicht damit eine stufenlose Anpassung
auf der Turbinen- und Verdichterseite an die Erfordernisse des Motorbetriebs.
Die Regelung des Systems kann durch pneumatische Aktuatoren erfolgen, die auf Bypassklappen
wirken, wie sie in Turboladern mit Ladedruckregelklappen in Großserie eingesetzt
werden. Damit ist es möglich bei detaillierter Kenntnis des komplexen Systemverhaltens
ein kompaktes Aufladesystem darzustellen, das unter Verwendung bewährter Komponenten
höchste Anforderungen an Drehmoment, Ansprechverhalten und Leistung erfüllt.
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