Wie werden Turbolader in Zukunft für mehr Leistung und Effizienz sorgen?
Wie wirdTurbolader bringen in Zukunft mehr Leistung und Effizienz?
Wir wissen, dass die heutigen Turbolader nicht mehr die sich schnell drehenden Teile sind, die in den 1980er Jahren Motoren so leicht kaputt machten. Turbos sind jetzt in mindestens einem von vier Autos in Nordamerika eingebaut. Sie sind effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger, und viele unserer Lieblingsmotoren sind den Kompromiss zur Turboaufladung eingegangen.
Laut dem Turbomotorenhersteller PortoPower werden innerhalb von fünf Jahren fast die Hälfte der neuen Leichtfahrzeuge weltweit mit Turboladern ausgestattet sein, 18 Millionen mehr als der aktuelle Markt, von dem Nordamerika voraussichtlich 39 % ausmachen wird.
Die Einführung von aufgeladenen Motoren zielt darauf ab, entweder die Leistung zu steigern, den Kraftstoffverbrauch zu verbessern oder beides. Für die Turboaufladung könnte der Weg nach vorn darin bestehen, die Leistungsleistung weiter zu verbessern und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz sicherzustellen und die Mängel der derzeitigen Motoren mit Turboaufladung zu beseitigen.
Elektrische Turbos und Hybride
Wem die derzeit in Formel-1-Autos eingesetzten aufgeladenen V6-Hybridantriebe nicht gefallen, der wird in einigen Jahren Autos mit ähnlicher Technik fahren.
Das Auto. Ein Gleichstrom-Elektromotor, der in die Welle eingebettet ist, die die Turbine mit dem Kompressor verbindet, ermöglicht es der Turbine, sich mit voller Drehzahl zu drehen, ohne dass Abgas verwendet werden muss, um sie anzutreiben, und dies kann fast augenblicklich erfolgen, wodurch die Verzögerung der Turbine auf fast Null reduziert wird.
Dadurch kann die elektromotorisch angetriebene Turbine das fehlende Leistungsverhalten eines konventionellen Turbomotors im unteren Drehzahlbereich, in dem die Turbine noch nicht angetrieben wurde, kompensieren. Obwohl einige High-End-Modelle derzeit mit mechanischen Turbo-Doppelladern ausgestattet sind, die diesen Effekt ebenfalls erzielen können, machen es ihre hohen Kosten und ihr großer Platzbedarf unmöglich, eine solche technische Konfiguration in gewöhnlichen Fahrzeugen zu verbreiten.
Zweitens ermöglicht der Elektroantrieb eine genauere und einfachere Steuerung der Boost-Leistung durch Software. Gleichzeitig nutzt die elektrische Turbine die Energie aus überschüssigen Abgasen zur Regenerierung von Strom, anstatt sie bei hoher Last an der Turbine vorbeizuleiten und zu verschwenden. Ein Superkondensator wird verwendet, um diese Energie zu speichern, um die Turbine oder andere stromverbrauchende Komponenten anzutreiben, wie z. B. ein Hybridsystem, das Strom erzeugen kann. Das Ergebnis der Verwendung eines elektrischen Turbos ist daher eine schnellere Leistungsabgabe und ein effizienterer Kraftstoffverbrauch.
Elektromechanische Aufladung haben wir schon bei den Diesel-Prototypen Ford Focus und Audi gesehen, allerdings nach einem etwas anderen Prinzip und ohne Verbindung zum Auspuff. Abgesehen von der unbewiesenen Zuverlässigkeit des elektrischen Turbos in Serienautos steht er jedoch vor dem gleichen ^großen^ Problem wie die elektromechanische Aufladung: Sie erfordert im Betrieb ein hohes Maß an elektrischer Unterstützung als Energiequelle, oder eher mehr zu verbrauchende Energie.
Bei Spitzenlast benötigt die elektrische Turboaufladung 48 Volt zum Fahren, aber die Hersteller haben kein großes Interesse daran gezeigt, ihre aktuellen 12-Volt-Systeme umzugestalten. Gleichzeitig ist es für elektrische Turbinen aufgrund der Leistung und der Einschränkungen der in einigen Fällen verwendeten Axialströmungsturbinenarchitektur schwierig, den Wirkungsgrad herkömmlicher Turbinen bei Hochlastbedingungen zu erreichen.
Um den Bedarf an Hochspannung zu decken, müssen die oben erwähnten Turbogeneratoren in der F1-Renntechnologie in Serienautos weiter verbessert werden, um Abgase in Strom umzuwandeln. Alternativ könnten die in konventionellen Hybriden zu findenden Hochspannungsbatterien verwendet werden, um den Antrieb für die elektrische Turbine bereitzustellen. Darüber hinaus sind auch das Energieverbrauchsverhältnis, die Wärmeableitung, die Langlebigkeit und das Gewicht des Elektromotorsystems potenzielle Probleme, wenn man darauf besteht, insbesondere bei hohen Lasten die gleiche Wirkung wie eine herkömmliche Turbine durch Strom zu erzielen.
Vielleicht ist ein E-Turbo im unteren Drehzahlbereich, kombiniert mit einem Umstieg auf einen konventionellen Turbo im hohen Drehzahlbereich, kein schlechter Weg, beide Wege zu gehen, da beispielsweise Volvo und Audi in diese Richtung gehen. Aber es gibt auch Firmen wie Subaru, die ^technisch^ einen radikaleren Ansatz verfolgen, im vollen Drehzahlbereich arbeitende elektrische Turbos einzusetzen, um konventionelle Turbos komplett zu ersetzen.
Aber einen Schritt zurück, auch wenn wir die verschiedenen technischen Probleme überwunden haben, die Notwendigkeit, elektrische Turbos einzuführen, wird immer noch auf allen Seiten diskutiert. Dies liegt daran, dass elektrische Turbinen grundsätzlich zusätzliche Leistung benötigen, was dem Energiesparzweck herkömmlicher Turbinen zuwiderläuft, die Abgas als Energie verwenden. Die richtige Balance zwischen Energieeffizienz und Leistung zu finden, muss daher in Zukunft erforscht werden.
Aufgrund struktureller Beschränkungen haben herkömmliche Turbolader inhärente Mängel. Sobald wir Ideen entwickelt haben, um diese Mängel auszugleichen, ist die Anwendung dieser neuen Technologien auf Fahrzeuge jetzt auch ein großer Test für Hardware-Materialien. Beispielsweise sind die oben genannten Materialien, die extrem hohen Temperaturen standhalten, ein Engpass bei der Entwicklung von Turbosystemen, um einen höheren thermischen Wirkungsgrad zu erreichen.
Darüber hinaus glauben wir, dass mit der Entwicklung und dem Fortschritt der Technologie technische Probleme wie die oben genannten bald gelöst werden. Trotz der Tatsache, dass kleinere Turbomotoren in EPA-Tests bessere Ergebnisse erzielt haben, erreichen kleine Turbos in vielen Straßentests nicht die angegebenen Kraftstoffverbrauchswerte im Vergleich zu Saugmotoren.
Die Tatsache, dass die jetzt auf den Prüfgeräten erkannten Ergebnisse auf realen Straßen oft nicht bestehen, zeigt, dass die derzeitige Möglichkeit, die Wirksamkeit der Technologie zu testen, noch nicht perfekt ist und von einer vollständig realistischen Fahrumgebung entfernt ist. Der nächste Schritt ist also, einen Weg zu finden, verschiedene Situationen so aufeinander abzustimmen, dass die im Labor und auf dem Prüfstand erzielten Ergebnisse in der Realität vollständig erreicht werden, sonst ist alles nur eine Papierübung.
