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Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Turbolader

Auto Lexikon

Ein 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 Buechi, der im Jahre 1905 ein Patent über die sogenannte Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. Dabei erfolgt der Turboladerantrieb durch den Abgasdruck. Turbolader können auch die Abgasgeschwindigkeit als Energiequelle nutzen. Dies nennt man Stossaufladung.

Funktionsprinzip

Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) tritt beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein deutlicher Unterdruck im Ansaugtrakt auf. 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 wärend des Ansaugtaktes eine groessere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend groesseren Kraftstoffmenge zur Verfuegung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe erhöht.
Die Energie für die Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell stroemenden, heissen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch den Auspuff verloren ginge, wird somit zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Dadurch steigt der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage durch den Einbau eines korrekt ausgelegten Turboladers. Im Extremfall wird durch die komprimierte Ladeluft bereits wärend des Ansaugtaktes Leistung von der Maschine (4-Takt) abgegeben.

Durch Turbolader können Motoren mit gleicher Baugroesse gegenüber unaufgeladenen Motoren groessere Leistungen erzielen, ohne dass andere Maschinenparameter geaendert werden müssen.

Den Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft wärend des Ansaugens durch den Unterdruck abkuehlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwaermung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusaetzlichen Temperaturbelastung des Motors verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Fuellungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafuer ist die geringere Dichte der heissen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugefuehrt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkuehler gekuehlt. Da der Ladeluftkuehler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkuehlung groesser 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 gekuehlt werden. Bei hoch aufgeladenen Motoren ermöglicht diese Massnahme eine deutliche Steigerung der Leistung.

Aufbau

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr aehnlich 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 Gehaeuse dreht sich jeweils ein Fluegelrad bzw. Schaufelrad, das die Stroemungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt bzw. beim Lader umgekehrt die Drehbewegung in Stroemungsarbeit. Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 U/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 oelversorgungsanschluessen zur Kuehlung auch Anschluesse an den Wasserkreislauf.

Nachteile des Turboladers

Durch den Einsatz eines Turboladers erhöht sich das Drehmoment und die thermische Belastung des Motors, weswegen die Motorkomponenten (Motorblock, Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Lager, Zylinder, Pleuel, Ventile, Kolben) und der Antriebsstrang für diese zusaetzliche Beanspruchung ausgelegt sein müssen. Die höhere Leistung erfordert auch ein entsprechend groesser dimensioniertes Kuehlsystem. Vor allem bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rotgluehend heiss 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 abzukuehlen. Geschieht dies nicht, kann das durch die Hitze zu einer Beschaedigung des Turboladers führen, dabei ist vor allem die sehr empfindliche Lagerung gefaehrdet.
Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine erhebliche Regelungstechnik rund um den Turbolader notwendig, die allerdings auch die Stoeranfaelligkeit steigert. Die Schadensdiagnose kann sich durch den Einsatz von Turboladern erheblich verkomplizieren. Moderne vollelektronische Diagnosesysteme wirken hier jedoch unterstuetzend. Insgesamt sind Ausfaelle durch defekte Turbolader inzwischen sehr selten.
Im Teil "Aufbau des Turboladers" wird beschrieben, dass die Lagerung in den Motoroelkreislauf einbezogen ist. Die Gleitlager der Turbolader werden von der oelpumpe versorgt. Im An-/Beschleunigungsvorgang (transientes Betriebsverhalten) erzeugt der Turbolader nicht ausreiched Ladedruck, sodass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht, welcher Öl aus dem Turbolader-Lager ansaugt und den Verbrennungsraeumen zuleitet. Man kann abschaetzen, je nach Fahrintervall, dass 30 bis 40% des Motoroelverbrauchs aus der Lagerung des Turboladers kommt. Dieses Motoröl erzeugt Russpartikel, die ohne Filterung teilweise - falls nicht verbrannt - ausgeleitet werden.
Bei manchen Turbomotoren kann es passieren, dass sich nach langer Standzeit kein Öl mehr in der Lagerung des Laders befindet. Wird der Motor ohne Vorbereitung gestartet, läuft das Lager trocken, bevor die oelpumpe Öl zur Lagerung foerdert, was das Lager in der Regel irreparabel beschädigt.

Anwendung bei Ottomotor

Bei Ottomotoren mit aeusserer Gemischbildung ist der Ladedruck durch die entstehende Verdichtungswaerme des Treibstoff-Luftgemisches im 2. Takt begrenzt. Eine ueberschreitung bedeutet ungesteuerte Selbstentzuendung und damit Motorklopfen oder Motorklingeln. Der Klopfbeginn kann mittels hochoktanigem Treibstoff, durch einen effektiven Ladeluftkuehler oder durch Wasser-Methanol-Einspritzung nach oben versetzt werden.

Anwendung bei Dieselmotor

Prinzipbedingt benoetigen 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 (z.B. Schiffsdieselmotoren erstmals 1925) wurden schon fruehzeitig mit Turboladern bzw. externen Kompressoren ausgestattet. Auch bei den ersten Diesellokomotiven Ende der 1930er wurden Abgasturbolader eingesetzt. 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 europaeischen Raum haben seit 1988 Personenkraftwagen mit Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkuehler und Direkteinspritzung eine sehr grosse Bedeutung erlangt.

VTG (Variable Turbinen-Geometrie)

Die 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, nichtrotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehaeuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz, aber hohem Leistungsbedarf das Abgas auf die gesamte Flaeche 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 Stroemungsrichtung so veraendert werden, dass nur eine kleine Flaeche 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 direkteinspritzender 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 thermischen Wirkungsgrad von über 40 %
Derzeit (2005) gilt bei Dieselmotoren die Leitschaufelkranz-Verstellung VTG als Standard. Siehe auch: Turbodiesel
Porsche will im neuen 911 Turbo, der im Sommer 2006 herauskommen soll, den ersten Benzinmotor mit einer VTG einsetzen. Um den höheren Temperaturen des Abgases im Vergleich zum Diesel standzuhalten, sollen Spezialmaterialien aus der Raumfahrt eingesetzt werden.

Ladedruckregelung

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 foerdert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt- bis entweder der Verdichter seine Foerdergrenze erreicht oder die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors ueberschritten werden. Um die Leistung 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 ueberschuessiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein ueberdruckventil (Pop Off Ventil) realisiert. Dieses Verfahren wird heute bei Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventil bei Versagen anderer Bauteile eingesetzt. Das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile:

• es geht Energie verloren
• Der Turbolader erreicht noch höhere Drehzahlen, weil der Druck auf der Verdichterseite absinkt

Eine bessere Variante ist das Bypassventil (auch waste gate genannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geoeffnet 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 stoeranfaellig und waren einer der Gruende, warum einzelne Motorenbauer von der Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten (Comprex-Druckzellen- Lader von Opel, Kompressor-Modelle von Mercedes) - siehe Mechanische Motoraufladung.

Umluftventil

Um das Ansprechverhalten des Motors für erneuten Leistungseinsatz nach dem Gaswegnehmen zu verbessern, wird der ueberschuessige Ladedruck schon vor dem Verdichterrad umgeleitet und direkt in den Ansaugkanal geleitet. Dies regelt das Umluftventil.
Ohne Umluft-Ventil: Wenn die Drosselklappe bei Benzinmotoren geschlossen wird, stoesst die in Bewegung befindliche Luftsaeule auf die Klappe. Die Luftsaeule kehrt um, läuft vor das sich drehende Verdichterrad des Turboladers und bremst dieses stark ab, was dann auf Dauer zwangsläufig zur Zerstoerung des Turboladers führt (bei defekten Umluftventil), ausserdem sind starke Stroemungsgeraeusche hoerbar.
Um dies Abbremsen zu verhindern, wird die Luftsaeule (Drucksaeule) mittels des Umluft-Ventils abgelassen. So kann sich der Lader frei weiterdrehen, und ein erneuter Druckaufbau wird verkuerzt. So wird ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers erzielt zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens nach dem Schaltvorgang.

Das weitlaeufig bekannte Blow-Off-Ventil ist nichts anderes als ein Umluft-Ventil. Der Unterschied besteht einzig darin, dass bei Verwendung eines Blow- Off-Ventils die ueberschuessige Luft nicht zurück in den Ansaugkanal, sondern abrupt in die Atmosphaere abgeleitet wird. Der nachtraegliche Anbau eines Laders mit Blow-Off-Ventil an einen Motor mit Luftmengenmesser kann problematisch sein, da die Luft, die ins Freie statt in den Ansaugtrakt gelangt, bereits vom Motorsteuergeraet erfasst wurde. Als Folge kommt es zu einer ueberfettung des Gemisches, die Motorleistung sinkt, die Lambdasonde und der Kat können zerstoert werden. Daher ist von einem Umbau ohne Neuprogrammierung des Motorsteuergeraetes dringend abzuraten. Oftmals spricht man in diesem Zusammenhang auch von einem Pop-Off-Ventil, dabei handelt es sich um ein Spitzendruckventil das 0,2Bar über den maximal gwuenschten Ladedruck eingestellt ist. Dies hat die Funktion das bei einem defekten Wastegateventil ein direkter Motortod nicht die Folge ist. Diese Ventile wurden oft bei den Indy-500 Rennen benutzt.

Biturbo

Als Biturbo bezeichnet man die parallele Verwendung von zwei Ladern. Bei einem 4-Zylinder-Biturbo- Motor muss jeder Turbolader nur zwei Zylinder befuellen. Bei dieser Form der Aufladung können statt einem groesseren zwei kleinere Lader benutzt werden, die entsprechend kleinere Traegheitsmomente zu ueberwinden haben und somit das Ansprechverhalten beim Gasgeben verbessern.

Twinturbo

Als Twinturbo bezeichnet man die serielle Verwendung von Turboladern. Dabei wird ein kleinerer Lader, der aufgrund der geringen Massentraegheit schnell hochdreht, für niedrige Drehzahlen verwendet. Ab einer bestimmten Drehzahl wird auf einen grossen Turbolader umgeschaltet, der dann genuegend 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 sogenannte Turboloch: Bei niedrigen Drehzahlen war der zumeist grosse Lader nicht in der Lage, eine gewisse Drehzahl zu erreichen, um damit einen ueberdruck im Ansaugbereich aufzubauen. Unterhalb dieser kritischen Marke arbeitet ein Turbomotor wie ein Saugmotor.

Registeraufladung

Bei der Registeraufladung werden mehrere Turbolader so geschaltet, dass sie bedarfsmaessig 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.

Turboaufladung bei Kraftfahrzeugen

Bei Dieselmotoren für PKW wie auch für LKW ist der Abgas-Turbolader mittlerweile "Stand der Technik", da sich beim Diesel nur durch Turboaufladung markttaugliche Literleistungen erreichen lassen.

Bei Kfz mit Ottomotoren gibt es im Vergleich zu Dieselmotoren weniger Modelle mit Turbolader, aber seit den 1970er Jahren wurden Serienfahrzeuge mit Turboladern ausgerüstet und in den letzten Jahren kamen vermehrt PKW mit Turbomotoren auf den Markt, bevorzugt sportliche oder luxurioese Modelle.
Ein Benziner-Turbo ist - ebenso wie ein Turbo-Diesel - teurer als ein Saugermotor und regelungstechnisch hochkomplex, wobei das oft angefuehrte "Turbo-Loch" durch Fortschritte bei der Konstruktion und in der Regeltechnik bei Grossserienfahrzeugen kaum noch zu spueren ist. Der im Zusammenhang mit Turboladern nicht selten vorgebrachte Kritikpunkt des höheren Verbrauchs relativiert sich zu einem höheren absoluten Verbrauch. Moderne Turbo-Benzinmotoren verbrauchen in der Regel weniger Kraftstoff als ein Saugermotor gleicher Leistung. Auch in der Formel 1 war der Turbomotor dem Saugmotor im spezifischen Verbrauch überlegen. Eine höhere Leistung verursacht aber naturgemaess auch einen höheren Kraftstoffverbrauch.
Hersteller von Ottomotoren mit Turboaufladung sind zum Beispiel Porsche, Audi, Volkswagen, Saab, Volvo, Mercedes, Toyota, Smart, Renault oder Subaru. Turbomotoren bieten in Deutschland ausserdem steuerliche Vorteile: Ein aufgeladener Motor kostet bei gleicher Leistung weniger Kfz-Steuern als ein hubraumstaerkerer Motor ohne Aufladung.
Volkswagen fuehrte Mitte 2005 die TSI-Technik ein. Dabei wird ein Turbolader und ein Kompressor zusammen an einen Ottomotor verbaut. Der Kompressor kommt in den unteren Drehzahlen zum Einsatz, wärend in den oberen (ab ca. 3500 U/min) der Turbolader einsetzt. Die Literleistung des damit ausgeruesteten Motors liegt bei etwa 90 kW (120 PS).

Anfang der 1980er Jahre wurden auch SerienMotorraeder ohne grossen Markterfolg mit Turboladern versehen.

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 wärend des Zweiten Weltkriegs wurde die Entwicklung dann weiter vorangetrieben, jedoch wurde die Motorentechnik bis zum Kriegsende von mechanischer Aufladung dominiert, da die Militaers der Einführung der Strahltriebwerke den Vorrang gaben.

Heute werden Motoren mit Abgasturbolader vor allem bei Privat- und Geschaeftsreiseflugzeugen der mittleren Kategorien eingesetzt, wobei hauptsaechlich Ottomotoren Verwendung finden. Die Aufladung hat bei Flugmotoren primaer den Zweck, die mit steigender Flughoehe sinkende Leistung von Kolbenmotoren auszugleichen. Die Leistung des aufgeladenden Motors lässt sich durch Regeln des Ladedrucks bis zu einer bestimmten Hoehe konstant halten. Das ermöglicht das Fliegen in groesseren Hoehen, was wegen des dort geringeren Luftwiderstandes wirtschaftliche Vorteile bringt. Durch den mit zunehmender Hoehe 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.

Hersteller von Turboladern

• ABB Turbo Systems (Asea Brown Boveri)
• Aravio
• Kuehnle, Kopp & Kausch (KKK) (heute: BorgWarner Turbo Systems)
• BorgWarner Turbo Systems (ehemals KKK bzw. 3K Warner)
• dbilas dynamic
• Eberspaecher
• Garrett AiResearch
• Holset
• IHI
• MAN B&W Diesel
• MHI (Mitsubishi)
• Turbonetics

 

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