Das Beste aus beiden Welten: Twin

Feb 10, 2024

Das Thema der Zwangsansaugung ist im Motorenbau ein häufiges Thema, da es eine fantastische Möglichkeit für eine große Leistungssteigerung mit relativ minimalem Aufwand und Kosten bietet. Wenn es um die Zwangsaufladung geht, gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten – Turboaufladung oder Kompressoraufladung – und jede hat ihre Vor- und Nachteile. Aber was wäre, wenn Sie beides kombinieren würden?

Die Turboaufladung bietet zahlreiche Vorteile. Erstens sind Turbolader für ihre Fähigkeit bekannt, erhebliche Leistungssteigerungen zu erzielen. Indem sie Abgase nutzen, um eine Turbine anzutreiben, komprimieren sie die einströmende Luft und leiten sie dem Motor zu. Dies führt zu einer verbesserten Leistung und Beschleunigung. Turbolader zeichnen sich im Vergleich zu Kompressoren auch durch ihre Kraftstoffeffizienz aus, da sie ansonsten verschwendete Energie aus Abgasen nutzen. Darüber hinaus bietet die Turboaufladung ein breiteres Leistungsband, was bedeutet, dass mit Turbos ausgestattete Motoren einen breiteren Leistungsbereich über verschiedene Motordrehzahlen hinweg bieten.

Allerdings hat die Turboaufladung auch Nachteile. Eine der größten Herausforderungen ist das Turboloch, das sich auf die Verzögerung der Leistungsabgabe bezieht, die auftritt, wenn die Motordrehzahl niedrig ist und der Turbolader Zeit zum Hochfahren benötigt. Dies kann zu einer verzögerten Gasannahme führen, was für bestimmte Fahrer unerwünscht sein kann. Turboladersysteme sind tendenziell auch komplexer und erfordern zusätzliche Komponenten wie Ladeluftkühler und Wastegates. Die erhöhte Komplexität kann zu erhöhten Wartungs- und Installationskosten führen.

Andererseits bietet die Aufladung eine Reihe eigener Vorteile. Kompressoren werden mechanisch von der Kurbelwelle des Motors angetrieben und sorgen für eine sofortige Leistungsabgabe ohne die Verzögerung, die bei Turbos auftritt. Diese sofortige Reaktion verbessert die Gasannahme und macht Kompressoren zu einer beliebten Wahl für Hochleistungsanwendungen. Kompressormotoren zeichnen sich zudem tendenziell durch eine linearere Leistungsabgabe aus und sorgen so für eine gleichmäßige Beschleunigung über den gesamten Drehzahlbereich.

Allerdings haben Kompressoren auch einige Nachteile. Sie verbrauchen Energie vom Motor, um den Kompressor anzutreiben, was im Vergleich zu Turboladern zu einer geringeren Kraftstoffeffizienz führen kann. Darüber hinaus erzeugen Kompressoren aufgrund ihres mechanischen Antriebssystems mehr Wärme, was sich auf die Motorkühlung auswirken kann und zusätzliche Kühlmechanismen erforderlich macht. Aufladesysteme sind im Allgemeinen sperriger und schwerer als Turbolader, was sich möglicherweise auf die Gesamtgewichtsverteilung und das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirkt.

Compound-Turbo- und Twin-Turbo-Konfigurationen werden häufig eingesetzt, um die Vorteile von Turbomotoren zu nutzen, typischerweise für Dieselanwendungen bzw. Gasanwendungen. Abhängig von der Konfiguration und den am Motor vorgenommenen Änderungen verringert sich dadurch in der Regel das Turboloch. Rennfahrer entscheiden sich in der Regel für ein großes Einzel- oder Verbund-Setup oder für verschiedene Arten von Kompressoren.

Allerdings gibt es noch eine weitere Option mit erzwungener Induktion, die die Branche noch nicht weit verbreitet hat – die Doppelladung. Nicht zu verwechseln mit der Doppelturboaufladung, die Doppelaufladung ist die innovative Kombination aus Kompressor und Turbolader. Das ist nichts Neues – Lancia, Nissan und Volkswagen gehörten bereits in den 80er-Jahren zu den ersten, die diese Kombination nutzten, aber heute ist sie kaum noch üblich. Volvo ist der einzige große Hersteller, der auch heute noch bei vielen seiner Modelle auf die Doppelaufladung setzt.

Die Doppelaufladung wird aus verschiedenen Gründen eingesetzt, hauptsächlich dient sie jedoch als Ersatz für Motoren mit großem Hubraum durch Volvo, was wir in dem Beispiel, das wir für diesen Artikel verwendet haben, aus erster Hand sehen werden. Wie Sie sehen werden, funktioniert Twin-Charging nicht nur bei Pkw, sondern hat auch im Leistungs- und Rennsport seine Vorzüge.

Um tiefer in das Thema einzutauchen, hatten wir das Privileg, mit Andrew Stauffer, Miteigentümer von S&S Diesel Motorsport, über einen beeindruckenden doppelt aufgeladenen Motor zu sprechen, an dessen Bau sie kürzlich für den bekannten Rennfahrer Scott Birdsall von Chuckles Garage beteiligt waren.

„Dieses spezielle Twin-Charging-Setup ist etwas, worüber ich mich schon lange gefreut habe“, sagt Stauffer. „Es ist ein Konzept, an das ich wirklich glaube und dessen beeindruckende Leistung ich aus erster Hand miterlebt habe.“

Der von Birdsall für das Pikes Peak International Hill Climb 2023 verwendete Motor ist ein 3,0-Liter-EcoDiesel. Nicht das, was Sie erwartet haben, oder? Der 3,0-Liter-EcoDiesel-Motor leistet je nach Modell und Konfiguration nur 260 PS. Eine der bemerkenswerten Stärken des EcoDiesel ist jedoch sein hohes Drehmoment.

Es erzeugt 480 lb.-ft. Drehmoment und bietet robuste Leistung im unteren Drehzahlbereich und Zugfähigkeit. Es verfügt außerdem über eine fortschrittliche Kraftstoffeinspritztechnologie, um die Kraftstoffverbrennung und -effizienz zu optimieren und so zu einer besseren Kraftstoffeffizienz beizutragen. Abgesehen von diesen Stärken würde man nicht annehmen, dass der 3,0-Liter-EcoDiesel die erste Wahl für den Einsatz in einer Hochleistungsanwendung wäre, geschweige denn für den Einbau in Birdsalls LMP-1-Pikes-Peak-Rennwagen. Aber der unscheinbare Motor wird durch das Twin-Charge-Setup und einige Aftermarket-Ergänzungen und den einfallsreichen Motorenbau vom Team von Freedom Racing Engines wettgemacht.

„Mit einer reinen Kompressor-Konfiguration bei einem Diesel ist es uns noch nie gelungen, eine gute Leistung zu erzielen“, gibt Stauffer zu. „Aber wenn man einen Kompressor mit einem Turbolader kombiniert, geschieht Magie.“

Beim Konzept der Doppelaufladung wird ein Kompressor eingesetzt, um dem Turbolader vorzutäuschen, dass der Motor einen größeren Hubraum hat. Beim 3,0-Liter-EcoDiesel erzeugt der Kompressor etwa 15 Pfund. Der Boost täuscht den Turbo vor, dass er etwas hat, das einem 6,0-Liter-Motor näher kommt. Dieser einzigartige Ansatz gewährleistet ein schnelleres Hochdrehen des Turboladers, was zu außergewöhnlicher Leistung und Drehmoment im unteren Drehzahlbereich führt. Mit zunehmender Drehzahl nimmt der Beitrag des Kompressors im Laufe der Zeit allmählich ab, was einen sanften Übergang und eine optimale Leistung beider Komponenten ermöglicht.

„Mit diesem Setup erhalten Sie das Beste aus beiden Welten“, stellt er fest. „Der Kompressor liefert sofort Leistung im unteren Drehzahlbereich, während der Turbolader Leistung im oberen Drehzahlbereich liefert. Die Kombination bietet ein außergewöhnliches Fahrverhalten ohne Einbußen bei der Spitzenleistung.“

Die Vielseitigkeit und Leistung der Doppelaufladung machen es für verschiedene Rennszenarien geeignet, darunter Drag Racing, Offroad-Rennen und sogar die Anforderungen des Pike's Peak Hill Climb. Offensichtlich muss ein Setup für die verschiedenen Anwendungen sehr unterschiedlich abgestimmt werden.

Die Wahl der passenden Kompressor- und Turboladergrößen ist entscheidend für die optimale Leistung bei Doppelaufladung. Die Wahl der richtigen Größe ist entscheidend – Faktoren wie Hubraum, Ladedruck und Verwendungszweck spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der idealen Komponenten für die gewünschte Leistung.

Einer der bemerkenswerten Aspekte der Doppelaufladung besteht darin, dass sie normalerweise keine umfangreichen Änderungen am Kraftstoffsystem erfordert. Laut Stauffer passt im Allgemeinen alles zusammen, solange man den Kraftstoff auf die gewünschte Leistung überprüft und das Luftsystem auf die gewünschte Leistung überprüft. Diese Einfachheit und Flexibilität machen die Doppelaufladung möglicherweise zu einer attraktiven Option für Motorenbauer und Enthusiasten, die ihre dieselbetriebenen Fahrzeuge verbessern möchten.

Für den Motor von Birdsall verwendeten Stauffer und sein Team eine S&S CP4-Kraftstoffpumpe. Er sagte, am Ende kommt es auf das Tuning an.

„Das Größte, worüber Sie sich Sorgen machen müssen, ist die Steuerung des Bypassventils für die Ladedruckregelung. Sie müssen also sicherstellen, dass Sie nicht zu viel oder zu wenig laden“, sagt er. „Grundsätzlich lässt man das Bypassventil bei niedrigen Drehzahlen vollständig schließen und bei geringer Last bei hohen Drehzahlen. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie schalten um – Sie verlieren Ihre Wärmeenergie an Ihren Turbo. Wenn Sie bei 4.500 U/min schalten und der Kraftstoffverbrauch auf null sinkt, schließen Sie das Bypassventil, um den Turbo während des Schaltens hochgedreht und in Betrieb zu halten, und öffnen es dann wieder, vorausgesetzt, dass Ihr Ladedruck danach Ihren Zielwert erreicht hat .“

Obwohl das Doppelladen zahlreiche Vorteile bietet, sind einige Überlegungen zu beachten. Der kontinuierliche parasitäre Verlust des Kompressors kann sich auf den Kraftstoffverbrauch auswirken, und die Steuerung der Ansaugtemperaturen ist von entscheidender Bedeutung, um eine Überhitzung zu verhindern. Obwohl sich die Doppelaufladung bei Motoren mit kleinerem Hubraum wie dem 3,0-Liter-EcoDiesel als äußerst erfolgreich erwiesen hat, betonte Stauffer, dass das Konzept auf Motoren jeder Größe anwendbar sei.

„Die Doppelaufladung ist theoretisch bei jedem Motor umsetzbar“, betont Stauffer. „Der Schlüssel liegt darin, die Dynamik des Luftsystems zu verstehen und einen geeigneten Aufbau zu entwerfen. Wir werden wahrscheinlich bald erleben, dass es häufiger vorkommt.“

Mit Blick auf die Zukunft äußerte Stauffer seine Hoffnung auf eine breitere Verbreitung von Doppelladesystemen. Er glaubt, dass, sobald das Konzept bekannt wird und durch reale Daten untermauert wird, mehr Enthusiasten und Motorenbauer begierig darauf sein werden, das Potenzial von doppelt aufgeladenen Motoren in der Leistungswelt zu erkunden.EB