Turbolader
Turbolader an einem Schiffsdiesel für ein BinnenschiffEin Turbolader oder auch Abgasturbolader (ATL), umgangssprachlich Turbo genannt, dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt. Als Erfinder gilt der Schweizer Dr. Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent über die so genannte Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. Dabei erfolgt der Turboladerantrieb durch den Abgasdruck. Turbolader können auch die Abgasgeschwindigkeit als Energiequelle nutzen. Dies nennt man Stoßaufladung.
Inhaltsverzeichnis
1 Funktionsprinzip
2 Aufbau
3 Vorteile der Turboaufladung
4 Nachteile der Turboaufladung
5 Ladedruck-Regelung
6 VTG (Variable Turbinengeometrie)
7 Umluftventil
7.1 Wirkungsweise ohne Umluftventil
7.2 Wirkungsweise mit Umluftventil
7.3 Offene/Geschlossene Systeme
7.4 Ventilarten
7.5 Gängige Bezeichnungen
8 Weitere Bauarten
8.1 Biturbo/Twin Turbo
8.2 Registeraufladung
8.3 Mehrstufige Registeraufladung
8.4 Turbocompound
9 Turboaufladung bei Kraftfahrzeugen
9.1 Anwendung bei Ottomotoren
9.2 Anwendung bei Dieselmotoren
9.3 Verwendung bei PKW und Motorrädern
10 Turboaufladung in der Luftfahrt
Funktionsprinzip
Abgasturbolader im
SchnittBei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) wird beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt. Der Unterdruck steigt mit wachsender Drehzahl an und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine der Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.
Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe erhöht. Wegen der größeren Gasmenge ist bei Turbomotoren eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses gegenüber vergleichbaren Saugmotoren nötig, da es sonst durch zu hohe Drücke und daraus resultierende hohe Temperatur zur unkontrollierten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann (Klopfen). Um diesem Klopfen vorzubeugen, wird bei zahlreichen aufgeladenen Motoren im Bereich hoher Last und hoher Drehzahl zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt, um dessen Kühlwirkung beim Verdunsten auszunutzen. Einige im Rennsport verwendete aufgeladene Motoren besitzen deshalb zusätzlich eine Wassereinspritzung.
Die Energie für die Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch den Auspuff verloren ginge, wird somit zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch die Aufladung steigt grundsätzlich der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage. Die effektive Wirkungsgradsteigerung durch den Einbau eines Turboladers ist bestimmt durch passende Auslegung des Laders (Größe des Verdichters, Größe der Turbine) und evtl. nötige Anpassungen des Motors wie z. B. Reduzierung der geometrischen Verdichtung. Im Extremfall wird durch die komprimierte Ladeluft bereits während des Ansaugtaktes Leistung von der Maschine (4-Takt) abgegeben.
Durch Turbolader können Motoren mit gleicher Baugröße gegenüber unaufgeladenen Motoren größere Leistungen erzielen, ohne dass grundsätzlich andere Maschinenparameter geändert werden müssen. Meist erfordern der gegenüber der nicht aufgeladenen Version deutlich höhere Spitzendruck im Verbrennungsraum sowie das entsprechend höhere Motor-Drehmoment jedoch stärkere Dimensionierungen z. B. von Lagern (Kurbelwelle) und/oder Wandstärken (Kolbenboden).
Die Zuführung einer größeren Menge von Verbrennungsluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafür ist die geringere Dichte der heißen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als ca. 50 Grad sein, um eine wirksame Leistungssteigerung zu erzielen. Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch zusätzliches Einspritzen von Wasser oder eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden. Bei hoch aufgeladenen Motoren ermöglicht diese Maßnahme eine weitere Steigerung der Leistung.
Aufbau
Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind. Aus dem Wort Turbine wurde der Name Turbo abgeleitet. Die Turbine wird durch den Abgasstrom angetrieben und treibt den Verdichter an, der seinerseits die angesaugte Luft verdichtet und in den Motor leitet. Im Inneren der beiden Gehäuse dreht sich jeweils ein Flügelrad bzw. Schaufelrad, das die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt bzw. beim Lader umgekehrt die Drehbewegung in Strömungsarbeit. Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 1/min erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Diese enorm hohen Drehzahlen können nur erreicht werden, weil die Turboladerwelle in
einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf für Kühlzwecke. Durch die Entwicklung von keramischen Kugellagern werden die Turbolader robuster und haltbarer. Dabei gibt es ein oder zwei Keramiklager zusätzlich zur Gleitlagerung. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. Dadurch erfolgt ein schnellerer Drehzahlanstieg des Laders und ein früher einsetzender Ladedruck.
Vorteile der Turboaufladung
Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) bzw. des Mitteldrucks, ohne vom Motor mechanische Antriebsleistung abzufordern, wie dies bei mechanischer Aufladung z. B. durch einen Kompressor geschieht. Diese Steigerung erlaubt entweder den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen wie beim Ursprungsaggregat, oder ermöglicht ein sogenanntes Downsizing des Motors, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung aus einer kleineren und ggf. leichteren Maschine.
Nachteile der Turboaufladung
Durch den Einsatz eines Turboladers erhöht sich das Drehmoment und die thermische Belastung des Motors, weswegen Motorkomponenten (z. B. Motorblock, Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Lager, Zylinder, Pleuel, Ventile, Kolben, Kolbenringe) und Antriebsstrang für diese zusätzliche Beanspruchung ausgelegt sein müssen. Die höhere Leistung erfordert auch ein entsprechend größer dimensioniertes Kühlsystem.
Vor allem bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rot glühend heiß (bis zu 1400 °C) werden können, empfehlen manche Hersteller, den Motor nach Fahrten unter hoher Last nicht sofort abzustellen, sondern den Motor einige zehn Sekunden mit Standgas laufen zu lassen, um den Lader abkühlen zu lassen. Geschieht das nicht, kann es zu Ölverkokungen an der empfindlichen Lagerung der Welle kommen, welche diese auf Dauer irreparabel beschädigen.
Ein sehr einfaches System um diesen Mangel vorzubeugen ist der sogenannte Turbo Timer. Diesen kann man auf eine bestimmte Zeit oder Temperatur einstellen, bis zu welcher den Motor, nach Abschalten der Zündung, nachläuft. Hierbei ist zu beachten dass manche Versicherungsgesellschaften das Fahrzeug dann nicht mehr versichern, da der Schlüssel abgezogen werden kann, und der Motor weiterläuft. Versicherungstechnisch unbedenklich wäre eine elektrisch betriebene Ölpumpe.
Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine erhebliche Regelungstechnik rund um den Turbolader notwendig, die allerdings auch die Störanfälligkeit steigert. Die Schadensdiagnose kann sich durch den Einsatz von Turboladern erheblich komplizieren. Moderne vollelektronische Diagnosesysteme wirken hier jedoch unterstützend. Insgesamt sind Ausfälle durch defekte Turbolader inzwischen sehr selten.
Im Teil „Aufbau des Turboladers“ wird beschrieben, dass die Lagerung in den Motorölkreislauf einbezogen ist. Die Gleitlager der Turbolader werden von einer motorgetriebenen Ölpumpe versorgt. Während des Beschleunigungsvorgangs (transientes Betriebsverhalten) erzeugt der Turbolader nicht ausreichend Ladedruck, sodass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht, welcher Öl aus dem Turbolader-Lager ansaugen kann und den Verbrennungsräumen zuleitet. Je nach Fahrintervall liegen Schätzungen vor, dass 30 bis 40 % des Motorölverbrauchs aus der Lagerung des Turboladers kommen. Dieses Motoröl erzeugt Rußpartikel, die ohne Filterung teilweise – falls nicht verbrannt – ausgeleitet werden.
Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen fehlte vor allem älteren Turbomotoren für Kfz zunächst die richtige Abgasmenge, um den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Erst, wenn bei steigender Drehzahl ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung stand, setzte die Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man als Turboloch. Auch generell setzt die Aufladung bei plötzlichem Gasgeben verzögert ein, da sich erst ein ausreichender Abgasstrom einstellen muss. Diese Eigenheiten konnte man durch Regelsysteme und den Einsatz kleinerer Lader oder speziell geformter Kanäle im Zylinderkopf zu einem großen Teil kompensieren. Konstruktionsbedingt ist es hier so, dass bei verschieden großen Ladern ein kleiner Lader über ein schnelleres Ansprechverhalten aufgrund geringerer Masse verfügt, bei einem größeren Lader kann hingegen eine größere Leistung aus demselben Hubraum erzielt werden.
Ladedruck-Regelung
Prinzipbedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller, und je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann der Verdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors werden überschritten. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinen Sprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Regelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil realisiert. Solche Überdruckventile dienen bei heutigen Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventile im Fall des Versagens anderer Bauteile, denn das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile:
es wird Energie (Druck) ungenutzt entlassen
Der Turbolader erreicht noch höhere Drehzahlen, weil der Druck auf der Verdichterseite absinkt
Eine bessere Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegate genannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet. Das Bypassventil und seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom thermisch hoch belastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer von der Turbo-Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten.
Siehe auch: Mechanische Motoraufladung
Bei modernen Turboladern erfolgt die Ladedruck-Regelung durch eine variable Turbinengeometrie:
VTG (Variable Turbinengeometrie)
Leitwerk einer Francis-Turbine für minimale Leistung eingestellt
Leitwerk einer Francis-Turbine für maximale Leistung eingestelltDie VTG lehnt sich an die Wirkungsweise der Francis-Turbine an. Sie dient dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen (z.B. Lastwechsel) besser anpassen zu können. Um das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz, aber hohem Leistungsbedarf das Abgas auf die gesamte Fläche der Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz und geringem Leistungsbedarf die Strömungsrichtung so verändert werden, dass nur eine kleine Fläche der Turbinenschaufeln mit Abgas beaufschlagt wird, was die Leistung des Laders vermindert.
Turbolader mit VTG werden seit 1996 auch in Dieselmotoren für PKW eingesetzt. Der erste PKW-Serienmotor mit dieser Einrichtung war ein direkt einspritzender Dieselmotor (Marketingbezeichnung: TDI) von VW/Audi mit einer maximalen Leistung von 81 kW (110 PS). Dieser Motor erreicht (auch dank VTG) als erster PKW-Antrieb einen Motor-Wirkungsgrad von über 40 %.
Derzeit (2005) gilt bei Dieselmotoren die Leitschaufelkranz-Verstellung VTG als Standard.
Siehe auch: Turbodiesel
Porsche setzt im neuen 911 Turbo (997) (Verkaufsstart in Deutschland war im Juni 2006) den ersten Benzinmotor mit einer VTG ein. Um den mit bis zu 1000 °C gegenüber Dieselmotoren erheblich höheren Abgastemperaturen standzuhalten, müssen hochwarmfeste Legierungen eingesetzt werden. Entwickelt wurde der moderne VTG-Turbolader für Benzinmotoren in enger Zusammenarbeit mit BorgWarner Turbo Systems. Ob eine solche variable Technik allerdings auch in Motoren mit deutlich längerem Volllastbetrieb eingesetzt werden kann, bleibt trotz der verwendeten Legierungen fraglich.
Umluftventil
Wirkungsweise ohne Umluftventil
Wenn die Drosselklappe bei Benzinmotoren geschlossen wird, stößt die in Bewegung befindliche Luftsäule auf die Klappe. Die Luftsäule (Drucksäule) kehrt um, läuft vor das sich drehende Verdichterrad des Turboladers und bremst dieses stark ab, was bei hohem Ladedruck auf Dauer zur Zerstörung des Turboladers führen kann (ohne oder bei einem defekten Umluftventil). Außerdem sind starke Strömungsgeräusche hörbar, hierbei wird der Verdichter ins Pumpen gedrückt.
Wirkungsweise mit Umluftventil
Um dieses uneffektive Abbremsen zu verhindern, wird die Luftsäule mittels des Umluftventils abgelassen. So kann sich der Lader frei weiterdrehen, ein erneuter Druckaufbau wird verkürzt und ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers, zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens nach dem Schaltvorgang, erzielt.
Universelle (meist als offene Systeme vorgesehen) aus dem Zubehörmarkt lassen sich fast immer in einem festgelegten Bereich in Ansprechung bei einer bestimmten Druckschwelle einstellen, werksseitige verfügen seltener über diese Möglichkeit, um unsachgemäße Veränderungen der Werkseinstellung zu verhindern.
Umluftventile sind heutzutage in fast allen Turboladermotoren eingebaut und werden auch bei amerikanischen Indy-500 Rennfahrzeugen eingesetzt. Speziell die Fahrzeuge des Roso arbeiten am Limit.
Offene/Geschlossene Systeme
Beim offenen Umluftventil wird die überschüssige Luft nicht zurück in den Ansaugkanal (geschlossenes Umluftventil/System), sondern abrupt nach außen abgeleitet. Der Anbau an einen Motor mit Luftmengen- oder Luftmassenmesser kann problematisch sein, da die Luft, die ins Freie statt in den Ansaugtrakt gelangt, bereits vom Motorsteuergerät erfasst wurde und die Kraftstoffmenge zur richtigen Gemischbildung darauf angepasst wird. Als Folge der fehlenden Luft kommt es zu einer Überfettung des Gemisches, die Motorleistung sinkt, der Motor kann stottern, die Lambdasonde und der Katalysator können durch in den Auspuff gelangendes Benzin, welches sich entzündet, zerstört werden. Daher ist von einem Umbau auf ein offenes System (ohne Neuprogrammierung des Motorsteuergerätes) dringend abzuraten. Außerdem erlischt die „Allgemeine Betriebserlaubnis“ (ABE) des Fahrzeuges, da ungefilterte, ölhaltige Abgase (durch die Ölschmierung des Turboladers und der evtl. Kurbelgehäuseentlüftung, die in das Ansaugsystem führt) in die Umwelt abgelassen werden.
Ventilarten
Beim Umluftventil sind zwei Ventilarten gängig, Membran oder Kolben. Der Kolben spricht feinfühliger an und schließt schneller, jedoch besteht die Gefahr eines Kolbenklemmers und damit einer Fehlfunktion (bleibt offen oder öffnet nicht).
Eine Sonderform stellen die elektronisch gesteuerten (sonst rein druckgesteuerten) Ventile dar. Über ein Steuergerät oder eine einfache elektrische Schaltung wird das elektrische Ventil geöffnet oder geschlossen und kann damit auch unabhängig vom Druck beliebig gesteuert werden. Dabei ist auch die Nutzung in einem Dieselmotor, da ohne Drosselklappe, möglich, dort hat es jedoch keinen technischen Sinn und dient lediglich dem Showeffekt durch das je nach Ladedruck laute Abblasgeräusch bei einem offenen System.
Das charakteristische Geräusch bei Membranventilen ist ein hell pfeifendes Zischen, wogegen Kolbenventile bei hohem Ladedruck nur laut Zischen, und bei niedrigem Ladedruck die Eigenschaft haben zu "flattern". Jedoch variieren die Ablassgeräusche auch stark je nach Bauart und Hersteller dieser Ventile.
Der Einsatz von elektronisch gesteuerten Ventilen in Otto-Turbo Motoren ist nicht möglich da die Öffnungs- bzw. Schließzeiten des Ventiles nicht abhängig von der Stellung des Gaspedals sind, sondern von dem entsprechenden Druck/Unterdruck hinter der Drosselklappe. Technisch nicht ganz korrekt ist, dass die elektronisch gesteuerten Ventile (Diesel Fakeventile) ebenfalls als BOV bzw POV bezeichnet werden wobei die Blow-Off Ventile im eigentlichen Sinne jedoch stets druckgesteuert sind.
Gängige Bezeichnungen
Abblasventil, Ablassventil, (Schub-)Umluftventil. Englischsprachige Bezeichnungen, die auch häufig verwendet werden: Blow-Off-Valve (BOV), Pop-Off (wobei diese Bezeichnung falsch ist, da es sich dabei um ein Überdruckventil handelt welches den Motor vor zu hohen Ladedrücken schützen soll, es also nichts mit dem Abbremsen der Turbine zu tun).
Weitere Bauarten
Biturbo/Twin Turbo
Als Biturbo (BE) und Twin Turbo (AE) bezeichnet man die parallele Verwendung von zwei Ladern. Bi ist die lateinische Vorsilbe für zwei, Twin bedeutet "Zwilling" (englisch). Bei dieser Konstruktionsform werden anstelle eines einzelnen größeren zwei kleinere Lader verwendet. So würde bei einem Vierzylinder-Biturbo-Motor jeder Turbolader von zwei Zylindern mit Abgas versorgt werden. Durch die Verwendung von zwei kleineren Ladern mit entsprechend geringeren Trägheitsmomenten kann das Ansprechverhalten beim Gasgeben verbessert werden.
Registeraufladung
Als Registeraufladung bezeichnet man die parallele, abwechselnde Verwendung von Turboladern. Dabei wird ein kleinerer Lader, der aufgrund der geringen Massenträgheit schnell hochdreht, für niedrige Drehzahlen verwendet. Ab einer bestimmten Drehzahl wird auf einen großen Turbolader umgeschaltet, der dann genügend Luftmasse und Druck für das hohe Luftvolumen höherer Drehzahlen bereitstellt. Die verschiedenen Turbolader können optimal auf ihren Wirkungsbereich abgestimmt werden, und der kleine Lader minimiert das so genannte Turboloch: Bei niedrigen Drehzahlen war der zumeist große Lader nicht in der Lage, eine gewisse Drehzahl zu erreichen, um damit einen Überdruck im Ansaugbereich aufzubauen. Unterhalb dieser kritischen Marke arbeitet ein normaler Turbomotor wie ein Saugmotor. Die Register-Aufladung ist im Automobilbau allerdings bis heute nur selten anzutreffen. Erstes Serienfahrzeug mit Register-Turbo war der Porsche 959. Derzeit wird der BMW 535d (Baureihe E60/61) damit angeboten, auch bei den 129 und 150 PS Dieselmotoren des neuen Mercedes-Benz Sprinters wird diese Technik eingesetzt.
// Bei dem BMW 535d handelt es sich nicht um eine Registeraufladung, sondern um eine zweistufige geregelte Aufladung. Das Aufladesystem stellt eine Kombination aus zweistufiger Aufladung und Registeraufladung dar.
Mehrstufige Registeraufladung
Bei der mehrstufigen Registeraufladung werden mehrere Turbolader so geschaltet, dass sie bedarfsmäßig zu- oder abgeschaltet werden können. Im unteren Drehzahlbereich, wenn der Abgasmassenstrom nicht ausreicht, zwei oder mehr Turbinen zu versorgen, wird nur ein Lader angetrieben. Dadurch läuft er besser an, und das vermeintliche „Turboloch“ wird minimiert. Ist der Abgasmassenstrom ausreichend, um zwei Turbolader anzutreiben, so wird der zweite dazugeschaltet. Der neue 2.2 l Dieselmotor von Ford/PSA (DW12BTED4) ist mit diesem System ausgerüstet.
Turbocompound
Die Turbocompound-Technologie kombiniert einen herkömmlich arbeitenden ATL mit einer zweiten, nachgeschalteten Abgasturbine, die ihrerseits mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Diese zweite Turbine nutzt die Energie des nach dem Austritt aus dem ersten Lader immer noch heißen Abgases. Resultat ist ein nochmals höheres Drehmoment bei insgesamt nochmals gesteigerter Energieausnutzung, also eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads.
Turboaufladung bei Kraftfahrzeugen
Anwendung bei Ottomotoren
Abgas-Turbolader PkwBei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung ist der Ladedruck durch die entstehende Verdichtungswärme des Treibstoff-Luftgemisches im 2. Takt begrenzt. Eine Überschreitung bedeutet ungesteuerte Selbstentzündung und damit Motorklopfen oder Motorklingeln. Der Klopfbeginn kann mittels hochoktanigem Treibstoff, durch einen effektiven Ladeluftkühler oder durch Wasser-Methanol-Einspritzung nach oben versetzt werden. In den meisten Fällen werden jedoch die Steuerzeiten verändert und die Verdichtung herabgesetzt, um diesem Effekt vorzubeugen.
Bei Dieselmotoren für PKW wie auch für LKW ist der Abgas-Turbolader mittlerweile „Stand der Technik“, da sich beim Diesel nur durch Turboaufladung dem (Benzin-) Ottomotor angenäherte Literleistungen erreichen lassen. Ohne Turboaufladung müsste ein vergleichbar leistungsfähiger Motor nahezu den doppelten Hubraum und somit wesentlich höheres Gewicht aufweisen. Zudem verlagert die spezifische Drehmoment-Charakteristik eines Turbo-Diesels im Vergleich zum Saug-Diesel den Bereich maximaler Kraftentfaltung in niedrigere Drehzahlbereiche. Dadurch bieten solche Motoren eine hohe "Elastizität", so dass zum Beschleunigen seltener in niedrigere Gänge geschaltet werden muss.
Anwendung bei Dieselmotoren
Prinzipbedingt benötigen Dieselmotoren keine Drosselklappe. Daher liegt auch bei Schubbetrieb ein Gasstrom am Turbolader an. Damit sinkt die Drehzahl der Turbine nicht soweit ab wie bei einem Ottomotor, was das Ansprechverhalten bei Lastwechseln verbessert. Dieseltechnik ist somit sehr gut geeignet für den wirkungsvollen Einsatz eines Turboladers. Daneben weisen Dieselmotoren einen höheren Wirkungsgrad, niedrigere Drehzahlen und eine geringere Abgastemperatur auf, daher ist das Material des Diesel-Turboladers weniger hohen Belastungen ausgesetzt.
Großdieselmotoren wurden schon frühzeitig mit Turboladern bzw. externen Kompressoren ausgestattet (z. B. Schiffsdieselmotoren erstmals 1925). Auch bei den ersten Diesellokomotiven Ende der 1930er wurden Abgasturbolader eingesetzt. Für LKW bringt 1951 MAN einen Motor mit einem selbstenwickelten Turbolader heraus, wobei der 8,72-Liter Motor in der Leistung von 130 auf 175 PS gesteigert wurde. Der LKW Produzent Volvo baute ab 1954 einen Turbolader in seine Motoren ein, der wegen seiner Zuverlässigkeit den Durchbruch im LKW-Motorenbau brachte. Bei großen Nutzfahrzeugen werden sie seit den 1960er Jahren bei einem sehr hohen Anteil der ausgelieferten Fahrzeuge eingesetzt. Dieselmotoren in Personenkraftwagen werden seit 1979 mit Turboladern ausgestattet. Im europäischen Raum haben seit 1988 Personenkraftwagen mit Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkühler und Direkteinspritzung eine sehr große Bedeutung erlangt.
Verwendung bei PKW und Motorrädern
KFZ mit aufgeladenen Ottomotoren kamen erstmals Anfang der 60er Jahre in Form des Oldsmobile Turbo Jetfire (V8, 215 cui, 218 PS für diverse Modelle) und Chevrolets Corvair Spyder (B6 Turbo, 145 cui, 150 PS) auf den Markt. Pioniere dieser Bauart in Deutschland waren die Aggregate des "BMW 2002 turbo" (1973) und des "Porsche 911 turbo" (1975). Ottomotoren werden nur zu geringen Anteilen mit Aufladung versehen, auch wenn in jüngster Zeit eine deutliche Zunahme zu verzeichnen ist, bevorzugt bei leistungsstarken Modellen. Der Trend geht jedoch zu sogenannten Downsizing-Konzepten, bei denen kleinere Aggregate mit Aufladung an die Stelle größerer nicht aufgeladener Motoren treten. Ziele beim Downsizing sind vermindertes Gewicht, verminderte Reibung und verminderter Raumbedarf des Motors, wodurch zusätzlich das Gewicht von Karosserie und peripherer Mechanik verringerbar ist.
Aufgeladene Motoren – sowohl Benziner als auch Diesel – sind in der Herstellung meist teurer als vergleichbare Sauger, zudem regelungstechnisch komplex (Steuerung des druckmindernden Wastegates oder des Umluftventils). Das bei Ottomotoren meist stärker als bei Dieselmotoren auftretende so genannte „Turbo-Loch“, das sich hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich beim auf Schubphasen folgenden Gasgeben als Drehmoment-Schwäche zeigt, konnte durch Fortschritte bei der Konstruktion (VTG, kleinere und somit schneller ansprechende Lader, leichtere Schaufelräder mit geringerer Massenträgheit) und in der Regelungstechnik stark reduziert werden.
Der im Zusammenhang mit Turboladern nicht selten vorgebrachte Kritikpunkt des höheren Verbrauchs relativiert sich heute meist zu einem höheren absoluten Verbrauch des stärkeren Turbomotors. Moderne Turbo-Benzinmotoren verbrauchen bei optimaler Auslegung spezifisch weniger Kraftstoff als Saugmotoren gleicher Leistung (gemessen in Gramm/Kilowattstunde, früher in Gramm/PS-Stunde). Auch in der Formel 1 war der (heute dort laut Reglement untersagte) Turbomotor dem Saugmotor im spezifischen Verbrauch überlegen. Eine absolut höhere Leistung verursacht jedoch naturgemäß auch einen höheren absoluten Kraftstoffverbrauch.
Hersteller von Ottomotoren mit Turboaufladung sind zum Beispiel Audi, Bentley, BMW, Fiat, Ford, Mercedes-Benz, Opel, Porsche, Renault, Saab, Seat, smart, Subaru, Toyota, Volkswagen oder Volvo.
Volkswagen führte Mitte 2005 die TSI-Technik ein (Golf GT, 1,4 Liter-Motor mit 170 PS). Dabei werden ein Turbolader und einem Roots-Kompressor zusammen an einen Ottomotor mit Direkteinspritzung verbaut. Der Kompressor arbeitet im unteren Drehzahlbereich, während im oberen ab ca. 3000/min der Turbolader die Aufladung übernimmt. Die (spezifische) Literleistung des damit ausgerüsteten Motors liegt bei etwa 90 kW/122 PS. Allerdings ist dieses Konzept (abgesehen von der Kombination mit einer geschichteten Benzindirekteinspritzung) nur in der Großserie völlig neu. Lancia hat schon 1985 im Motorsport (für die "Gruppe B") ein mittels ATL und Kompressor aufgeladenes Aggregat entwickelt und diesen Motor in den laut Homologations-Regeln vorgeschriebenen 200 Serienmodellen des Lancia Delta S4 eingesetzt. Nissan verbaute 1988 in einer Motorsport-Kleinserie des Modells Micra ebenfalls einen solchen Motor, der allerdings aus 0,9 Litern Hubraum nur 110 PS und ein spezifisches Drehmoment von 144 Nm/Liter bei 4800/min erzielte. Der aktuelle VW-Motor mit 1,4 Litern Hubraum und Doppel-Aufladung erreicht ein spezifisches Drehmoment von über 170 Nm/Liter bei 1750/min.
Anfang der 1980er Jahre wurden auch Serienmotorräder ohne großen Markterfolg mit Turboladern versehen, wobei eher preisliche Gründe den Durchbruch am Markt verhinderten.
Turboaufladung in der Luftfahrt
Bereits im Ersten Weltkrieg fanden Versuche statt, Abgasturbinen mit Ladern mechanisch zu koppeln und so einen Abgasturbolader zu schaffen. Vor und während des Zweiten Weltkriegs wurde die Entwicklung dann weiter vorangetrieben (z. B. BMW 801 J), jedoch wurde die Motorentechnik bis zum Kriegsende von mechanischer Aufladung dominiert, da die Militärs der Einführung der Strahltriebwerke den Vorrang gaben.
Heute werden Motoren mit Abgasturbolader vor allem bei Privat- und Geschäftsreiseflugzeugen der mittleren Kategorien eingesetzt, wobei hauptsächlich Ottomotoren Verwendung finden. Die Aufladung hat bei Flugmotoren primär den Zweck, die mit steigender Flughöhe durch die Verringerung von Luftdruck und -dichte sinkende Leistung von Kolbenmotoren auszugleichen. Die Leistung des aufgeladenen Motors lässt sich durch Regeln des Ladedrucks bis zu einer bestimmten Höhe konstant halten (=Volldruckhöhe). Das ermöglicht das Fliegen in größeren Höhen, was wegen des dort geringeren Luftwiderstandes wirtschaftliche Vorteile bringt. Durch den mit zunehmender Höhe geringer werdenden Außendruck der Luft verbessert sich ferner die Effizienz der Abgasturbine, was insgesamt den Aufwand einer Aufladung für Leistungsklassen zwischen Saugmotor und Turboprop rechtfertigt. Beispiele für moderne Flugmotoren mit Turbolader sind z.B. der Bombardier V300T oder der Lycoming TIO-540-J2BD.
In den letzten Jahren wurden auch Turbomotoren für kleinere Flugzeuge entwickelt, z. B. der Thielert- Diesel, dessen Vorteile im geringen Verbrauch und der unkomplizierten Bedienung liegen.
Quelle:Wikipedia.org
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