Begrenzung des maximalen Ladedrucks bei aufgeladenen Motoren

Beitrag vom 31.03.2016

Die mechanische und thermische Belastung eines aufgeladenen Verbrennungs-Motors hängt wesentlich vom maximalen Druck der verdichteten Ansaug-Luft und von deren Temperatur ab.

Um eine Überlastung  kritische Motor-Komponenten, wie Kolben, Lager und Ventile zu vermeiden, muss also der maximale Ladedruck begrenzt werden.

Zu dessen Begrenzung bieten sich unterschiedliche technische Lösungen an, die wir bei „Komo-Tec“ auf Wirksamkeit, Funktion, Betriebssicherheit und „Value for Money“ untersucht haben.

Als Resultat haben wir uns bei der Auslegung unserer „ROTREX“ Lader-Systeme für einen „Restriktor“ in der Ansaugluft entschieden.

„Restriktoren“  zur Begrenzung des maximal möglichen Durchsatzes der Ansaugluft haben sich in zahlreichen Kategorien des internationalen  Motorsports durchgesetzt und werden in der Formel 3, der NASCAR-Serie, der DTM und der Rallye-Weltmeisterschaft eingesetzt.

So leistet der VW Polo in der Rallye-Weltmeisterschaf mit 1,6 Liter Direkteinspritzer-Turbo – Motor und dem vorgeschriebenen  33 mm Restriktor etwa 315 PS.

Das nahezu baugleiche Triebwerk für den Rallye-Cross Einsatz legt mit einem Restriktor von 45 mm Durchmesser um über 200 PS zu und kommt auf eine Leistung von 540 PS.

Wie aber, funktioniert ein „Restriktor“ und wo liegen seine Vor-und Nachteile ?

Der „Restriktor“ ist eine Düse im Saugtrakt des Motors, durch den der gesamte,angesaugte Luftmassenstrom fließen muss.

Mit zunehmendem Unterdruck im Ansaugsystem nimmt der Luftmassenstrom durch diese Düse kontinuierlich zu.

Mit einer optimal ausgelegten Form (Laval-Düse), wie man sie von Formel 3 Rennwagen kennt, werden dabei auch die Strömungsverluste gering gehalten.

Das funktioniert allerdings nur, bis im engsten Querschnitt der Düse die Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Auch mit weiter steigendem Unterdruck über das  kritische Druckverhältnis hinaus, ist eine Zunahme des Luftmassenstroms dann nicht mehr möglich.

Und da die Leistung eines Verbrennungsmotors direkt von der angesaugten Luftmasse abhängt, wird deren maximaler Wert damit wirksam begrenzt.

„Restriktoren“ zur Ladedruckbegrenzung lassen sich thermodynamisch sicher berechnen, können veränderten Ansprüchen an Ladedruck und Leistung einfach angepasst werden, erfordern keine elektronische Ansteuerung und sind in ihrer Funktion absolut „Narrensicher“

Als Beispiel kann das nachstehende Leistungsdiagramm einer Lotus Elise Mk1 mit Rover

Motor dienen.

leistung

Der Kunde legte Wert auf einen Motor mit einer „fülligen“ Drehmomentkurve und einem nur moderaten Zuwachs der maximalen Leistung auf  etwa 200 PS, die aber bereits bei einer Drehzahl von etwa 6.000 U/min anliegen musste.

Ein relativ niedriger Ladedruck von 0,4 bar sollte die Triebwerksbelastung in Grenzen halten und einen langen, störungsfreien Betrieb gewährleisten.

Nach Ermittlung des bestgeeigneten „ROTREX“ Laders und der zugehörigen Antriebsübersetzung, wurde der engste Querschnitt des Restriktors berechnet.

Der so gefundene Durchmesser von 28,2 mm wurde im Laufe der Prüfstandabstimmung dann auf 28,6 mm korrigiert.

Das Diagramm zeigt den Anstieg des Ladedrucks mit einem konstanten Gradienten bis auf  400 mbar bei 5.500 U/min. (braune Linie)

Der Luftdurchsatz durch den Restriktor fällt dann in dieSchallgeschwindigkeit und lässt keinen weiteren Anstieg des Massenstroms mehr zu.

Da das „Schluckvermögen“ des Motors aber weiter zunimmt, nimmtderLadedruck, relativ steil ab und mit ihm Drehmoment und Leistung.

Das höchste Drehmoment (blaue Linie) wird im Bereich des maximalen Ladedrucks erreicht und stellt mit 240 Nm einen ausgezeichneten Wert für eine 1,8 Liter Motor dar.

Und, die 200,3 PS (rote Linie) können sich auch sehen lassen.


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