Steigerung der Motorleistung mit der zweistufigen Turboaufladung von Cummins

Nutzfahrzeuge benötigen fortschrittliche Technologie, um effizient zu sein und strenge Emissionsstandards zu erfüllen. Daher bietet Cummins Inc. verschiedene Turbotechnologien wie feste, variable und zweistufige Turbos an, die alle darauf ausgelegt sind, die Effizienz zu verbessern und die Kosten zu senken.

Während wir weiter an den neuesten Fortschritten für die nächste Generation der Motorentechnologie arbeiten, wollen wir einen genaueren Blick auf die zweistufige Turboladertechnologie werfen, die zwei Turbolader in Reihe verwendet, um Leistung und Effizienz zu verbessern.

Was ist ein zweistufiges Turboladersystem?
Turbolader verleihen Motoren mehr Leistung , indem sie zusätzliche Luft in die Zylinder drücken, wodurch der Kraftstoff effizienter verbrennt. Dazu nutzen sie die Energie des Motorabgases, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine ist über eine Welle mit einem Kompressor verbunden, und wenn sich die Turbine dreht, dreht sie auch den Kompressor, wodurch mehr Frischluft in den Motor gepresst wird.

Ein einstufiger Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter. Wenn der Turbolader groß ist, bietet er ein höheres Drehmoment bei hohen Motordrehzahlen, was zu einer guten Spitzenleistung führt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten liefert es jedoch möglicherweise nicht so viel Leistung. Auf der anderen Seite ist ein kleinerer Turbolader besser in der Lage, Leistung bei niedrigen Drehzahlen bereitzustellen, kann aber Schwierigkeiten haben, genügend Schub für die Spitzenleistung bei hohen Drehzahlen zu liefern.

Ein zweistufiger Turbolader verwendet sowohl einen kleinen als auch einen großen Turbo. Der kleinere Turbo dreht schnell hoch, um einen sofortigen Schub zu liefern, was das Drehmoment und die Reaktionsfähigkeit bei niedrigen Drehzahlen oder in großer Höhe verbessert. Der größere Turbo setzt dann ein und sorgt für eine gleichmäßige, konstante Leistung bei höheren Drehzahlen. Dieses Setup ermöglicht eine bessere Leistung unter einer Reihe von Bedingungen, nicht nur bei niedrigen oder hohen Geschwindigkeiten.

In einem zweistufigen System werden die Abgase durch Bypass-Systeme, sogenannte "Wastegates", gesteuert. Diese Wastegates passen sich an die Motordrehzahl an, um die Leistung des Turboladers zu optimieren. Angesichts steigender Kraftstoffpreise und strengerer Abgasnormen müssen Motoren effizienter werden. Zweistufige Turbolader bieten eine starke Lösung, indem sie Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Spitzenleistung aufeinander abstimmen, eine bessere Leistung in größeren Höhen bieten und die Gesamtkraftstoffeffizienz verbessern.

Wie funktioniert ein zweistufiges Turboladersystem?
Ein zweistufiges Turboladersystem verwendet zwei Turbolader, die entlang des Abgaspfads angeordnet sind. Der Turbo, der näher am Motor ist, ist der Hochdruck-Turbo ("HP") und der weiter entfernte ist der Niederdruck-Turbo ("LP"). Jeder Turbolader besteht aus einem Verdichter und einer Turbine.

Die Effizienz und Leistung des Systems ergibt sich aus dem Gleichgewicht von heißen Abgasen und Frischluft, die sowohl durch den HP- als auch durch den LP-Turbolader strömen.

Heiße Abgase aus dem Motor treten zuerst in die HP-Turbine ein, wo dem Hochtemperaturgas Energie entzogen wird, wodurch sich die Turbinenschaufeln drehen. Das Drehen der Turbinenschaufeln treibt den HP-Kompressor an, der die Luft, die bereits vom LP-Kompressor unter Druck gesetzt wurde, weiter komprimiert. Diese Druckluft ermöglicht höhere Druckverhältnisse und mehr Luft im Brennraum des Motors. Die verbleibende Energie in den Abgasen treibt dann die LP-Turbine an, die wiederum den LP-Kompressor antreibt, um mehr Luft für die HP-Stufe unter Druck zu setzen.

Bypass-Ventile regeln die Abgase. Bei niedrigen Drehzahlen bleiben die Ventile geschlossen, um mehr Energie auf den HP-Turbo zu leiten. Mit zunehmender Drehzahl umgeht ein Teil der Abgase die HP-Turbine und leitet mehr Energie auf den LP-Turbo um.

Zweistufige Turbolader bieten eine bessere "Turboanpassung", die das Einschwingverhalten, das Spitzendrehmoment und die Spitzenleistung verbessert und sie über die gesamte Drehmomentkurve des Motors hocheffizient macht. Damit sind sie ideal für Hochleistungsmotoren, Motoren mit hohem Luftbedarf (z. B. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren) und Anwendungen, die in großen Höhen betrieben werden.

Arten von zweistufigen Turboladersystemen
Bei Cummins hat sich die Turbotechnologie zusammen mit Innovationen in der Motorleistung weiterentwickelt. Turbolader mit fester Geometrie leiten beispielsweise das gesamte Abgas durch eine Kammer im Turbinengehäuse zum Turbinenrad und verbessern so die Leistung je nach Kammerdesign und Turbinengröße. Im Laufe der Zeit haben wir Wastegate- und Variable Geometry-Turbolader eingeführt.

Wastegate-Turbolader verfügen über ein Ventil (Wastegate), durch das ein Teil des Abgases das Turbinenrad umgehen kann, wodurch Drehzahl und Druck im Abgaskrümmer reduziert und die Luftstromsteuerung verbessert werden. Turbolader mit variabler Geometrie passen den Abgaskanal vor dem Turbinenrad an, um Druck und Gasgeschwindigkeit für eine bessere Leistung zu optimieren.

Zweistufige Turbolader können in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden, einschließlich sequentieller, zusammengesetzter, paralleler und variabler Turboaufladung.

Vorteile von zweistufigen Turboladersystemen:
Ein zweistufiges Turboladersystem ist oft die beste Wahl, um Kosten und Leistung zu optimieren. Wenn beispielsweise ein einstufiges System ein hohes Verdichtungsverhältnis nicht effizient erreichen kann, kann ein zweistufiger Turbolader für den nötigen Leistungsschub sorgen.

Zweistufige Turbolader sind auch ideal für leichte Motoren mit einem großen Drehzahlbereich oder wenn ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen benötigt wird. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei niedrigen Anlaufzyklen schnell auf Drehmoment reagieren.

Zweistufige Konfigurationen können entweder mit einem Wastegate- oder VGT-Turbo kombiniert werden. Ein zweistufiger Aufbau mit einem VGT bietet einen breiteren Durchflussbereich, einen höheren Wirkungsgrad bei niedrigen Durchflüssen und eine geringe Trägheit, was für das Einschwingverhalten von Vorteil ist. Alternativ kann ein elektrisches Wastegate (eWG) eine gute Option sein, bei dem das Wastegate elektronisch gesteuert wird, ähnlich wie bei einem VGT.

Herausforderungen von zweistufigen Turboladersystemen:
Zweistufige Turbolader stellen in der modernen Motorenkonstruktion mehrere technische Herausforderungen dar. Ein häufiges Problem sind Verpackungsbeschränkungen, die die Integration dieser Systeme in verschiedene Motorkonfigurationen erschweren und ihren Einsatz auf verschiedenen Fahrzeugplattformen einschränken können. Eine weitere zentrale Herausforderung ist die thermomechanische Ermüdung (TMF). Der Aufbau mit zwei Turboladern erfordert starke Stützstrukturen und Verbindungen, um erheblichen Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen standzuhalten. Um dieses Problem zu lösen, verwendet Cummins eine umfassende TMF-Validierung, sowohl analytisch als auch empirisch, und stützt sich dabei auf jahrelange Erfahrung, um diese Bedenken auszuräumen.

Die Integration der Wastegate-Bypass-Funktion erhöht die Komplexität zweistufiger Turboladersysteme zusätzlich. Die Hochdruckturbine (HP) benötigt größere Wastegate-Anschlüsse, um den erhöhten Abgasstrom zu bewältigen, wodurch das Wastegate-Ventil im Vergleich zu einstufigen Systemen häufiger in geöffneter Position arbeitet. Darüber hinaus erfordern sequenzielle Turboladersysteme einen zusätzlichen Verdichter-Bypass-Mechanismus, was die Komplexität des Systems und die Herausforderungen an die Steuerung erhöht. Cummins geht diese Probleme an, indem es spezifische Kundenbetriebszyklen validiert und Materialien basierend auf dem Kraftstofftyp sorgfältig auswählt – ob Diesel, Erdgas oder H2ICE.

Cummins Inc. ist seit langem führend bei fortschrittlichen Turboladertechnologien und nutzt unser technisches Know-how, um die Herausforderungen zweistufiger Systeme zu meistern. Unser Team verschiebt konsequent die Grenzen des Designs, indem es sich mit Verpackungsbeschränkungen befasst, die thermomechanische Ermüdung reduziert und die Wastegate-Funktionalität optimiert.

Durch strenge Tests und Verfeinerungen hat Cummins erfolgreich eine zweistufige Turboaufladung auf verschiedenen Motorplattformen implementiert, um Leistung, Kraftstoffeffizienz und Emissionsvorschriften zu verbessern. Unsere fortschrittlichen Materialien, unsere Präzisionsfertigung und unsere ausgeklügelten Steuerungen stellen sicher, dass wir die Vorteile dieser Technologie maximieren.

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