Der Turbolader

    Bericht von: Thorsten Wimmer


Die generelle Funktionsweise

Beim Turbolader sitzen auf einer Welle zwei Turbinenräder , die in zwei voneinander getrennten Gehäusen untergebracht sind. Für den Antrieb der Turbinenräder sorgen die ohnehin vorhandenen Abgase. Sie bringen die Laderwelle auf bis zu 120000 Umdrehungen und mehr in der Minute. Und da Abgas- und Frischluftrotor auf gleicher Welle sitzen, wird mit gleicher Drehzahl Frischluft in die Zylinder gedrückt.

Aufgrund des guten Füllungsgrades lassen sich bei vorhandenen Motoren Leistungszuwachsraten von bis zu 100 Prozent verwirklichen. Abhängig ist der Leistungszuwachs unter anderem vom Ladedruck, der zwischen 0,4 bis 0,65 bar liegt. Überschreitet der Ladedruck 0,65 bar , öffnet das Wastegateventil (Ladedruckregelventil) und leitet einen Teil der Abgase über einen separaten Kanal am Turbinen-Antriebsrad vorbei. Sobald sich die Belastung vermindert, schließt das Regelventil wieder.

Um die Füllung der Zylinder mit Kraftstoff-Luftgemisch weiter zu verbessern und damit die Leistung zu erhöhen, befindet sich im Ansaugtrakt ein Ladeluftkühler, der die Temperatur der verdichteten Frischluft reduziert.

Neben der Motorleistung steigt bei der Verwendung eines Abgasturboladers auch das Drehmoment an, was vor allem im Hinblick auf einen elastischen Motorlauf wünschenswert ist. Vorraussetzung ist allerdings, das die Laderwelle mit ausreichender Drehzahl rotiert und somit einen ordentlichen Füllungsgrad garantiert. In der Regel muss der Motor schon mit rund 2000 U/min drehen, damit ein spürbarer Ladedruck einsetzt.

 

Das schadet Turbomotoren

 

Ladeluftkühler 

Wozu benötigt man einen Ladeluftkühler ? 

Ein Ladeluftkühler hat wie der Name schon sagt die Aufgabe die Luft, die durch den Turbo / Kompressor oder G-Lader verdichtet wird und sich dadurch stark erwärmt, wieder auf eine brauchbare Temperatur herunterzukühlen. Man kann natürlich auch ohne Ladeluftkühler fahren, aber da wir immer die bestmöglichste Leistungsausbeute voraussetzen  spielt die Temperatur der Ladeluft eine sehr große Rolle! Je höher die Temperatur umso mehr dehnt sich die Luft aus, je kühler sie ist  umso mehr zieht sie sich zusammen, das hat zur Folge das man mit kühlerer Luft ( höhere Dichte ) mehr Gasdurchsatz im Verbrennungsraum hat , da die kühle Luft weniger Platz einnimmt als die Warme.

Eine Verminderung der Ladelufttemperatur um etwa 10°C erhöhen die Leistung um etwa 3 %. Es wird mit dieser Rechnung wohl jedem die Bedeutung des Ladeluftkühlers einleuchten, die verdichtete Luft ist je nach Ladedruck um die 100°C heiß, durch einen Ladeluftkühler wird diese um etwa 40-60°C herabgekühlt. Was dann bei 100 PS und 3% je 10°C an die 12-18 PS ausmachen (bei 40-60°C Abkühlung). 

Man darf sich dies nun nicht als Mehrleistung vorstellen, sondern muss von der Serienleistung ausgehen, die hier z. B. bei einem 100 PS Auto ohne Ladeluftkühler nur noch 82-88 PS betragen würde. Um die Leistung zu steigern, müssen die Bedingungen zur Ladeluftkühlung verbessert werden, die erfolgt durch einen größeren Ladeluftkühler. Erst dadurch wird eine Mehrleistung erzielt !

 

Der Turbolader und seinen Entwicklungsgeschichte 

Die Geschichte der aufgeladenen Motoren ist fast so alt wie die der Verbrennungsmotoren selbst. Bereits 1905 gab es ein Patent auf einen Verbundmotor, bei dem der Lader und die Turbine mechanisch an den Motor gekoppelt waren. Kurz darauf (1915) eine neue Erfindung für die erste freilaufende Abgasturboladergruppe. Diese Erfindung liegen Erfahrungen von 1905 zugrunde. 

Der erste aufgeladene Motor entstand 1910. Es war ein Zweitakt-Umlauf-Motor und wurde von Murray-Willat gebaut. Durch die Aufladung ergab sich die Möglichkeit, bei Flugzeugmotoren die Leistungseinbußen infolge der abnehmenden Luftdichte in größeren Höhen zu kompensieren. 

Im Jahre 1921 baute Daimler den ersten serienmäßigen Kompressorwagen. Die Aufladung erfolgte mitels eines mechanisch angetriebenen Roots-Gebläse. Wegen der Klopfgefahr erfolgte der Antrieb über eine Kupplung, die das Roots-Gebläse erst bei höheren Motordrehzahlen zuschaltete. Die ersten Einsätze von Kompressorwagen erfolgten bei Automobilrennen. Durch ihre vielen Rennerfolge, insbesondere in den 20er und 30er Jahren wurden die aufgeladenen Motoren weltweit berühmt. 

IM Jahre 1938 wurde der erste Nutzfahrzeug-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung von der Schweizer Maschinenfabrik „Saurer“ gebaut. Erst 1962 wurde von „General Motors“ im „Chevrolet Corvair Monza“ und „Oldsmobile Jeftfire“ die ersten Serien-PKW’s mit Abgasturboaufladung ausgestattet. Der erste turboaufgeladene PKW-Dieselmotor wurde 1978 von „Daimler-Benz“ im „300 SD“ eingebaut. 

Durch die Abgasturboaufladung werden die Schwächen der Dieselmotoren wie träger Drehzahlaufbau und geringe Leistung bei kleinem Hubraum beseitigt. Der Dieselmotor wird durch die Turboaufladung für den PKW-Bau immer interessanter. Gründe hierfür sind Leistungssteigerung und ein geringer spezifischer Kraftstoffverbraucht. IN den letzten Jahren kamen auch verstärkt Benzinmotoren mit Abgasturbo in Serie auf den Markt. 

Auch hier überwiegen die Vorteile:

Hinzu kommen die ökologisch günstigeren Abgas-Emissionswerte. 

In Zukunft werden vermehrt Turbolader entwickelt, die eine variable Turbinen-Geometrie besitzen, wodurch der Drehmomentverlauf und das Ansprechverhalten noch weiter verbessert werden. Des weiteren werden die Geleitlager, die in heutigen Turboladern Verwendung finden, durch neuentwickelte Kugellager ersetzt, durch die ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden wird.  

 

Die Funktion des Turboladers 

Mit einem Turbolader sollen hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Dies gelingt, indem die angesaugte Luft verdichtet wird. Durch die erhöhte Dichte kann somit bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangen. Mit dem höheren Sauerstoffgehalt ist eine bessere Verbrennung möglich – die Leistung steigt. Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen, wodurch sie sich erwärmt. Im Ladeluftkühler wird sie wieder abgekühlt. 

 

Problembereiche des Turboladers: 

Im oberen Drehzahlbereich ergibt sich eine hohe Turbinendrehzahl, wodurch die Luft stärker komprimiert wird als nötig. 

Im unteren Drehzahlbereich erreicht die Turbine nicht die notwendige Drehzahl. Die Luft wird nicht ausreichend komprimiert. Der Motor erreicht nicht die gewünschte Leistung (Turboloch).