Corsa A Turbo / Der C20LET Turbomotor (www.corsafan.de)

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----- Technische Daten -----

Hubraum: 1998 cm3 Nennleitung: 150 kW bei 5600/min

Bohrung/Hub: 86,0 mm x 86,0 mm Drehmoment: 280 Nm bei 2400/min

Zylinderabstand: 93,0 mm Verbrauch Stadt: 11,2 l/100 km *)

Pleuellänge: 143,0 mm Verbrauch 90 km/h: 6,8 l/100 km *)

Einlassventil: 2x 33 mm Verbrauch 120 km/h: 7,9 l/100 km *)

Auslassventil: 2x 29 mm Verbrauch Euromix: 8,6 l/100 km *)

Verdichtung: 9,0:1 Kraftstoff: ROZ 95 unverbleit

*) = Werte entstammen dem Calibra Turbo mit Allradantrieb

Querschnitt Motor

Entwicklung

Der 2.0 Liter-16V-Turbomotor (Motorbezeichnung C20LET) ist der erste von der Adam Opel AG entwickelte Ottomotor mit Aufladung. Bevor man sich für einen bestimmten Motor oder ein bestimmtes Aufladekonzept entschied, wurden zahlreiche Recherchen angestellt. Hochleistungsmotoren mit Abgasturboaufladung sowie kombinierte Aufladung wurden ebenso analysiert, wie die in Frage kommenden mechanischen Aufladegeräte. Die Frage nach einem geeigneten Basismotor wurde dagegen relativ schnell beantwortet, da mit dem Opel 2.0 Liter-DOHC-Motor mit Vierventiltechnik (Motorbezeichnung C20XE) ein sehr gut geeignetes Triebwerk zur Verfügung stand.

Wie man am nachfolgenden Diagramm erkennen kann, sind im Vergleich zum hubraumgleichen Vierventil-Saugmotor die Leistungs- und Drehmomentverläufe des Vierventil-Turbomotors im gesamten Drehzahlbereich deutlich höher. Zusätzlich stellt sich das maximale Drehmoment und die maximale Leistung bei niedrigeren Drehzahlen ein, als beim Saugmotor. Schon bei 1000/min ist der Mitteldruck des Turbomotors mit 10 bar deutlich über dem des Saugmotors. Das früher für Turbomotoren typische Einknicken des Drehmomentverlaufs im Bereich bei 2000/min ist nicht zu erkennen.

Drehmoment C20LET zu C20XE

Der 3,0 Liter-Sechszylinder-Vierventil-Saugmotor von Opel erlaubt einen interessanten Quervergleich, weil er mit 150 kW exakt die gleiche Endleistung besitzt wie der 2,0 Liter-Vierzylinder-Turbomotor. Nachfolgendes Diagramm zeigt Drehmomentvorteile bis 1800/min für den hubraumstärkeren Saugmotor, darüber bis hin zur Endleistung liegt das Drehmoment des Turbomotors zum Teil deutlich über dem des Saugmotors.

Drehmoment C20LET zu 3.0-24V

Noch interessanter ist der Vergleich der Verbrauchswerte. Der relative Verbrauch macht dabei die Unterschiede deutlich. Nur im Bereich hoher Leistung und hoher Drehzahlen ist der Saugmotor dem Turbomotor überlegen. Im restlichen Kennfeld (und somit auch im Hauptfahrbereich) ist der Turbomotor dem Saugmotor zum Teil sogar deutlich überlegen.

Verbrauchswerte

Im Vergleich zum Saugmotor konnte das maximale Drehmoment und die maximale Leistung um 42 Prozent bzw. 36 Prozent angehoben werden, ohne dass sich der spezifische Verbrauch nennenswert verschlechtert hat. Im Vergleich zu leistungsgleichen Saugmotoren zeigt der neuentwickelte Turbomotor sogar ein deutliches Potential zur Verbrauchseinsparung und Abgasemissionsminderung.

Wirkungsgrad C20LET zu C20XE

Die Ergebnisse zeigen, dass es für aufgeladene Motoren immer sinnvoll ist, auf Vier- oder Mehrventilmotoren aufzubauen, weil sich so die mit Abstand besten Ergebnisse erzielen lassen. Freisaugende Mehrventilmotoren sind - wie schon oft diskutiert - keine Alternative zu aufgeladenen Motoren, sondern eine sehr gute Basis, um die Aufladung sehr gut zur Geltung zu bringen. Unter Beachtung aller wichtigen Faktoren wurde das Prinzip der Abgasturboaufladung als das Günstigste ausgewählt. Durch weitere Verfeinerungen dieser Technik gelang es, besonders gute Ergebnisse bei Leistung, Ansprechverhalten, Verbrauch und Abgastechnik zu erzielen. Mit mechanischen Aufladesystemen konnten weder die Package- noch die Leistungsanforderungen erfüllt werden. Ganz abgesehen davon, dass es für diese Leistungsklasse keine geeigneten und erprobten mechanischen Aufladegeräte gibt.

Aufbau des Motors

Über die allgemein guten Eigenschaften der Opel 2,0 Liter-DOHC-Vierventil-Saugmotoren (Motortyp C20XE mit 110 kW) wurde bereits mehrfach berichtet. Der Vierventil-Zylinderkopf trägt mit dazu bei, dass der Saugmotor im Bestpunkt des Verbrauches einen Wert von 232 g/kWh und damit einen Wirkungsgrad von 37 Prozent hat. Die Zylinderkopfkonstruktion samt Brennraumform ist nicht nur bei Saugmotoren von besonderer Bedeutung, sondern ganz besonders auch bei aufgeladenen Motoren. Denn je gelungener die Auslegung, um so besser können aufgeladene Motoren im Hinblick auf hohe Verdichtung, günstiges Ansprechverhalten, niedrigen Verbrauch und Abgasemission entwickelt werden. Diese Erkenntnis hat sich bei der Weiterentwicklung des Saugmotors zum Turbomotor bestätigt. Mit 236 g/kWh erreicht der aufgeladene Motor zwar nicht mehr ganz den Bestwert des Saugmotors, liegt aber im Konkurrenzvergleich absolut an der Spitze. Abgesehen von geänderten Nockenwellenzeiten und geänderten Stehbolzen für die Auspuffkrümmerbefestigung ist der Zylinderkopf von Saug- und Turbomotor identisch.

Vorteilhaft für die Entwicklung waren die sehr guten Voraussetzungen für die Füllung, was sich in der Form der Einlass- und Auslasskanäle wiederspiegelt, ebenso wie die zur Toleranzeinengung vorgenommene Brennraumbearbeitung durch Kopierfräsen. Hierdurch wird die besonders bei aufgeladenen Motoren wichtige Exemplarstreuung bezüglich der Verdichtung minimiert und für grösstmögliche Gleichmässigkeit der Arbeitsspiele unter den Zylindern gesorgt. Die bereits beim Saugmotor natriumgekühlten Auslassventile bieten auch noch beim Turbomotor genügend Reserven zur Wärmeableitung. Wegen der höheren Beanspruchung der Zylinderkopfdichtung wurde für den Turbomotor eine Dichtung mit Edelstahleinfassung und Stegblech gewählt. Alle Wasser- und Öldurchtrittsöffnungen blieben unverändert.

Erwartungsgemäss zeigte sich auch der vom freisaugenden Vierventilmotor übernommene Zylinderblock den erhöhten Anforderungen bezüglich Gestaltfestigkeit, Steifigkeit und Eigenschwingverhalten voll gewachsen. Einzige Modifikation war die Anordnung einer zusätzlichen Bohrung an der linken Seite des Motorblocks, die zur Rückführung des Turboladeröles in den Motor dient. In Verbindung mit dem Leichtmetall-Zylinderkopf und der Leichtmetall-Ölwanne wiegt der komplette Turbomotor nach DIN 70020-A etwa 140 kg. Daraus ergibt sich für den Motor das sehr günstige Leistungsgewicht von 0,93 kg/kW.

Die Sphärogusskurbelwelle ist fünffach gelagert, das dritte Lager ist das Führungslager. Die erste Kurbelwange des ersten Zylinders trägt die Impulsgeberscheibe für die Zünd- und Einspritzsteuerung der Motronic. Diese Teile konnten ebenso übernommen werden, wie das Schwungrad aus Sphäroguss und der Drehschwingungsdämpfer.

Unverändert ist auch die Pleuelstange aus Temperguss mit einer Länge von 143 mm. Die auch in den Saugmotoren bewährte Ölspritzbohrungen zur zusätzlichen Kühlung der Kolbenunterseite sowie zur Benetzung der druckseitigen Zylinderlaufbahn mit Öl, wurde beibehalten.

Eine besondere Aufgabenstellung war die Entwicklung der Kolben. Bei unveränderter Kompressionshöhe von 30,43 mm und ebenso unverändertem Kolbenbolzendurchmesser von 21 mm galt es, die hohe Verdichtung des Saugmotors von 10,5 auf 9,0 abzusenken, ohne den Zylinderkopf zu ändern. Die für einen Turbomotor hohe Verdichtung von 9,0 erforderte somit zusätzliche 10 cm3 im Kolbenboden. Deshalb wurde der Kolbenboden muldenförmig gestaltet, damit eine möglichst kompakte Brennraumform entsteht.

Querschnitt Kolben

Mit der dritten konstruktiven Ausführung konnten alle erforderlichen Dauerläufe mit den gewünscht niedrigen Blow-by Mengen erfüllt werden. Das Kolbengewicht nahm dabei gegenüber dem Saugmotor um 2,5 g auf 324 g ab. Der erste Kolbenring ist ein molybdänbeschichteter 1,5 mm starker scharfkantiger Rechteckring. Vom Saugmotor konnen der 1,5 mm starke Nasenminutenring und der dreiteilige Ölabstreifring mit 3 mm Dicke übernommen werden. Besonders bei der Kolbenentwicklung haben sich in der letzten Zeit neue Aspekte ergeben. Vor wenigen Jahren hätte man es nicht für möglich gehalten, den hier beschriebenen sehr kleinen und leichten Kolben für Mitteldrücke bis etwa 18 bar und Drehzahlen knapp über 7000/min unter Wahrung aller Anforderungen zu entwickeln.

Die sehr solide Auslegung des Ölkreislaufes der Opel 2,0 Liter-Saugmotoren erlaubte die unveränderte Übernahme der Systeme auch für den Turbomotor. Das Öl für die Schmierung des Abgasturboladers wird auf der rechten Motorblockseite hinter dem Ölfilter abgenommen und durch eine Rohrleitung mit flexiblem Anschluss dem Turbolader zugeführt. Durch einen kurzen Schlauch zwischen dem Lager des Turboladers und dem Kurbelgehäuse läuft das Öl in die Ölwanne zurück. Die Position des Turboladers und die Querschnitte der Leitungen wurden so gewählt, dass unter allen Umständen ein einwandfreier Rücklauf des Öles gewährleistet ist.

Für ausreichende Ölkühlung sorgt wie beim freisaugenden Motor ein separater Ölkühler. Im System der Kurbelgehäuseentlüftung wurde im Zylinderkopfdeckel eine kleine Modifikation vorgenommen, um das Mitreissen von Öl unter allen Fahrzuständen auszuschliessen. Es kann Öl aus Blow-by-Gasdurchsätzen bis zu 100 l/min separiert werden.

Abgasturbolader-System:

Schon beim Saugmotor wurde grosser Wert auf die Gestaltung des Einlasskrümmers gelegt, der besonders strömungsgünstig sein sollte und gleichzeitig gute Voraussetzungen für hohes Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich bieten musste. So konnte diese Ausführung ebenso wie der zweiflutige Drosselklappenstutzen - nur mit zusätzlicher Abdichtung der Drosselklappenwellen - auch für den Turbomotor übernommen werden. Der Motorquerschnitt zeigt die günstigen Verhältnisse, die bei diesem Motor auf der Einlasseite herrschen.

Gegenüber der ersten Pkw-Anwendung der Abgasturboaufladung an Ottomotoren bei Saab im Jahre 1977 sind deutliche Verbesserungen vor allem auch in der Dauerhaltbarkeit erzielt worden. Die Hauptverbesserungen konzentrieren sich dabei auf die Vermeidung von Ölverkokung im Lagergehäuse durch Wasserkühlung, das Down-Sizing insbesondere auf der Turbinenseite, um das Ansprechverhalten der Motoren zu verbessern, die Einengung der Toleranzen und Optimierung der Schaufelradgeometrien zur Verbesserung des Wirkungsgrades, sowie die Integration des Ladedruckregelventiles in das Turbinengehäuse, um Kosten und Gewicht zu reduzieren. Heute gelten Abgasturboauflader als erprobte Aufladegeräte und bei richtiger, gleichzeitiger Entwicklung von Motor plus Aufladegerät ist auch vom früher oft zitierten "Turboloch" nichts mehr zu spüren.

Bei der Auslegung des Aufladesystems wurde darauf geachtet, dass der Verbrauch möglichst nahe am Saugmotor liegt und die sichere Erfüllung der US 87-Abgasnormen erreicht werden. Auch ein gutes Ansprechverhalten war eine hauptsächliche Zielvorgabe bei 150 kW unter 6000/min und einem Drehmoment von 280 Nm unter 2500/min. Entsprechend dem Leistungsziel bzw. dem Liefergrad wurde die Verdichtergrösse dann so festgelegt, dass auch noch Spielraum für eine weitere Leistungssteigerung besteht. Keramik als Abgasturbinenmaterial wurde nach eingehenden Versuchen nicht eingesetzt, weil es nicht gelang, erkennbare Vorteile herauszuarbeiten. Dem Vorteil der Keramik - geringere Werkstoffdichte und damit schnellerem Hochlauf der Turbine - stehen gravierende Nachteile gegenüber. Bei materialgerechter Konstruktion wird die Aerodynamik der Schaufelgeometrie schlechter und es gibt allgemein Qualitätsprobleme in der Gro�serienfertigung.

Abgaskrümmer

Die in der Abgasturbine umgesetzte Leistung hängt von mehreren Faktoren ab. Die Hauptgrössen sind das Druck- und Temperaturgefälle vor und nach der Turbine. Aber auch die Strömungsverhältnisse bei geöffnetem Ladedruckventil spielen eine grosse Rolle. Es sind sowohl stationäre als auch instationäre Betriebszustände zu betrachten. Im Sinne weiterer Optimierungsschritte kommt beim Turbomotor ein völlig neues, integrales Turboladesystem zum Einsatz, in dem der Auspuffkrümmer und das Turbinengehäuse zu einem Bauteil zusammengefasst wurden. Die Vorteile sind die Konstruktionsfreiheit, der harmonische Verlauf der Wandstärken, die Zugänglichkeit zu den Krümmerschrauben, nur minimale thermische Verluste, der weitreichende Entfall von bis zu zwölf weiteren Bauteilen, die freie Anordnung der Abblaseöffnung, der Entfall der zusätzlichen Dichtebene, das minimale Gewicht sowie die schnelle Aufheizung.

Das Turboladermodul ist so konstruiert, dass die Wege der heissen Auspuffgase von den Ventilen bis zum Turbinenrad möglichst kurz sind und der Aufbau einer soliden Gussform gewährleistet ist. Auf optimale Strömungsbedingungen wurde ebenso geachtet, wie auf eine möglichst geringe Verzugsneigung. Frühere Entwicklungen zeigen, dass die Anordnung des Ladedruckregelventiles bzw. des Abzweiges für die Abgasumgehung erheblichen Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad haben. Wird der Waste-Gate-Kanal zu nahe, unsymmetrisch oder gar im Spiralgehäuse angeordnet, kommt es zu deutlichen Einbussen im Wirkungsgrad.

Turbinengehäuse

Ein wesentlicher Vorteil der Opel-Lösung ist die grössere Freiheit in der Konstruktion, weil auf den Abgasturboladerflansch nicht mehr Rücksicht zu nehmen ist. Und da dieser fehlt, konnte der Abzweig für die Abgasumgehung weiter vor das Spiralgehäuse gelegt werden. Die geringere Masse bewirkt insbesondere im transienten Bereich eine kürzere Aufheizzeit, welches das Ansprechverhalten verbessert.

Verdichter

Das zur Vermeidung von "Pumpen" nötige Umluftventil auf der Verdichterseite wurde ebenfalls integriert und mit einem gegossenen, gekrümmten Einlasskanal kombiniert. Der Einlasskanal umfasst auch den Anschluss für die Entlüftung des Kurbelgehäuses und sein Querschnittsverlauf ist entsprechend der hier sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit nach einem speziellen Verfahren optimiert worden. Das Turboladermodul umfasst mehrere Teile bzw. Funktionen wie den Auspuffkrümmer, das Turbinengehäuse, das Ladedruckregelventil, den Umlenkkrümmer zur Auspuffleitung, die Lambdasonde, das Lagergehäuse mit Öl- und Wasserkreislauf, das Verdichtergehäuse mit gekrümmtem Ansaugtrichter und Umluftventil, die Kurbelgehäuseentlüftung sowie das Kugelgelenk zur Auspuffentkoppelung.

Gesamtes Turboladermodul

Die Abgasströme werden hinter der Turbine bzw. der Ladedruckregelklappe in einer kurzen Umlenkung, in der auch die Lambdasonde sitzt, zusammengefasst. Der Übergang zur eigentlichen Auspuffanlage erfolgt mit einem kugelförmigen Dichtring, der eine schwingungstechnische Entkopplung bewirkt. Durch ein Rohr mit 60 mm Durchmesser wird der Abgasstrom unter dem Motor dem Katalysator zugeführt. Dem Katalysator bzw. dessem Gehäuse wurden im Hinblick auf Strömungsoptimierung und gleichmässige Beaufschlagung besonderes Augenmerk gewidmet. Zum Einsatz kommt ein Metallträger-Katalysator mit 300 Zellen/inch2 und einer Beschichtung von 26 g/m2. Der Druckverlust im Katalysator beträgt maximal 98 mbar.

Von einer Flanschebene hinter dem Katalysator wird das Abgas bei unverändertem Rohrquerschnitt dem Schalldämpfer zugeführt, der in Absorptionsbauweise ausgeführt ist. Dabei beträgt der Druckverlust der gesamten Auspuffanlage komplett maximale 336 mbar.

Ladeluftkühlung:

Ladeluftkühlung gehört bei aufgeladenen Ottomotoren zum Stand der Technik. Bei der Auslegung ist nicht nur auf gute Rückkühlung, sondern auch auf geringen Druckverlust im Kühlsystem zu achten. Die engen Platzverhältnisse vor dem quer eingebauten Motor/Getriebe liessen kaum Änderungen im Frontbereich des Fahrzeuges zu. Der Ladeluftkühler steht somit in Fahrtrichtung links neben dem Wasserkühler und fügt sich harmonisch in die Luftführung der Ansaugluft ein. Es wurde die komplett zur Verfügung stehende Breite des bisherigen Kühlers genutzt.

Der Ladeluftführung des Kühler-Ventilators ist teilweise über den Ladeluftkühler gezogen, um auch bei langsamer Fahrt und laufendem Ventilator eine Abkühlung der Ladeluft zu erhalten. Bei zahlreichen Versuchsfahrten wurde die Position des Ventilators bzw. der Luftführung für den Wasserkühler ermittelt. Dabei wurden mit einer möglichst eng um den Ventilator liegenden Luftführung die besten Ergebnisse erzielt.

Wasser- und Ladeluftkühler

Elektronische Regelung

Die Motronic M2.7 übernimmt die Motorsteuerung. Diese entspricht im wesentlichen der beim Saugmotor eingesetzen Motronic M2.5, jedoch mit der Zusatzfunktion der Ladedruckregelung. Die Ladedruckmessung erfolgt im Steuergerät mit einem hochauflösenden Absolutdruckgeber. Daher hat das Steuergerät neben den elektrischen Anschlüssen auch einen pneumatischen Anschluss. Dieser ist durch eine im Kabelbaum verlaufende Kunststoffdruckleitung mit dem Drosselklappenteil verbunden.

Der Luftmassenmesser ist dem grösseren Luftdurchsatz entsprechend gewählt. Er ist direkt an den Luftfilter angeflanscht.

Der Ladedruck wird über ein getaktetes Drei-Wege-Ventil geregelt, das in die Waste-Gate-Leitung eingesetzt ist. Die Waste-Gate-Feder wurde sehr weich ausgelegt, um einen grossen Modulationsbereich zu erhalten. Bei Klopferkennung, überhöhter Ladelufttemperatur oder anderen unerwünschten Betriebszuständen kann das Drehmoment auf 230 Nm begrenzt werden.

Für den heissen Start wurde ein zusätzliches Ventil eingefügt, dass den Kraftstoffregler an Atmosphäre legt. Dadurch wird der Kraftstoffdruck beim Start erhöht, Dampfblasenbildung vermieden und die Startsicherheit entschieden verbessert.

Bei Ausfall von Systemkomponenten oder möglichen Undichtigkeiten in der Steuerung des Ladedruckes wird die Motorleistung durch die Motronic über die eingespritzte Kraftstoffmenge begrenzt.

Fazit!

Bei der Auslegung eines Turbomotors ist es wichtig, dass die Entwicklung von Aufladegerät mit Ladeluftkühlung und Auspuffanlage Hand in Hand erfolgt. Erreicht werden konnte bei diesem Turbomotor eine hohe Verdichtung, ein hohes Grunddrehmoment, eine günstige Brennraumform mit zentraler Zündkerzenlage, geringe Druckverluste vor / im / nach dem Motor, eine geringe Masse im Bereich Abgaskrümmer und Turbolader, kurze Gaswege von den Auslassventilen zur Turbine, eine gute Katalysatorentwicklung bei relativ geringen Abgastemperaturen, eine hochwertige sequentielle Einspritzanlage und Zündanlage, eine hochwertige elektronische Ladedruckregelung sowie eine ebenfalls hochwertige Klopfregelung mit Eingriff auf Ladedruck und Zündung. Es folgten sehr gute Ergebnisse des aufgeladenen Ottomotors in Hinblick auf Ansprechverhalten, Verbrauch und Abgasemissionen.

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