Der klassische Abgasturbolader
Der klassische Abgasturbolader (ATL), oder kurz Turbo genannt, dient der Leistungssteigerung von Otto-, sowie Dieselmotoren durch Erhöhung der Luft- und Kraftstoffmenge. 1905 meldete der schweizer Erfinder Dr. Alfred Büchi ein Patent über die so genannte Gleichdruck- oder auch Stauaufladung an. Dabei erfolgt der Turboladerantrieb durch die bei der Verbrennung entstehenden Abgase.
Eins der wunderbarsten Mittel zur Leistungssteigerungen war gebohren :-)
Ganz besonder bei den Opel Motoren die mit Turbo aufgeladen wurden. Auf diese wollen wir hier ganz besonders eingehen. Eine Liste findet ihr hier in der Opel Turbofamile. Hier gehts jetzt aber erstmal mit der Erklärung weiter, wie ein Abgasturbolader überhaupt funktioniert.
Inhaltsverzeichnis
Der Aufbau
Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die über eine Welle starr mit einander verbundne sind. Beide Teile, Turbine und Verdichter sehen ähnlich aus und sind entscheidend für die Charakteristik eines Turboladers.
Die Turbine wird durch den heißen, ausströmenden Abgasstrom angetrieben und treibt über die starre Wellenverbindung den Verdichter an, der seinerseits Luft ansaugt und verdichtet. Diese verdichtete Luft wird über Verrohrungen und über die Drosselklappe in den Motor gepresst. Da zusammengepresste Luft sich stark erwärmt wird die verdichtete Luft, bevor sie in den Motor gelangt, noch über ein Ladeluftkühler wieder abgekühlt. Kühlere Luft bedeutet mehr Leistung, da sich an kühlere Luftmolekühle mehr Benzinmolekühle anlagern können und somit eine höhrer Verbrennungsenergie erzeugen.
heißer Abgastrom
Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 1/min (bei Dieselmotoren deutlich weniger) erreichen. Diese enorm hohen Drehzahlen können nur erreicht werden durch eine gute Wellenlagerung. Früher bestand diese aus hydrodynamischen Gleitlager, d.h. durch Ölanschlüsse und entsprechendem Öldruckfängt die Welle an zu schwimmen und wird geschmiert. Sobald kein Öldruck vorhanden ist, frisst die Welle und läuft blau an. der Ladertot ist nicht mehr weit. Neuere Fertigungstechniken ermöglichen es inzwischenzeit kugelgelagerte Welle, welche deutlich robuster und haltbarer sind. 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. Zu Kühlzwecke hat heutzutage jeder Turbo Wasseranschlüsse.
^Stauaufladung
Bei 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 Otto-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.
^Stoßaufladung
Um bei kleinen Motordrehzahlen ein großes Motordrehmoment zu bekommen bedient man sich der Stoßaufladung. Hierbei werden die Abgase der Zylinder in einzelnen Rohrleitungen zur Turbine geleitet. Durch kleine Rohrdurchmesser wird die kinetische Energie der Abgaspulsation ausgenutzt. Der Druck in den Leitungen ist nicht konstant. Es dürfen nur Zylinder zusammengefasst werden, die sich beim Ladungswechsel nicht beeinflussen. Die Abgasleitungen werden auch innerhalb der Turbine getrennt bis zum Laufrad geführt. Dies wird mit mehrflutigen Gehäusen erreicht. Je nach Aufwand werden auch die Abgase jedes einzelnen Zylinders zur Turbine geführt. Die Pulsation in den einzelnen Abgasrohren regt die Turbinenschaufeln zu Schwingungen an. Die stoßweise und wechselnde Teilbeaufschlagung verschlechtert den Wirkungsgrad der Turbine.
^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.
Es kommen auch Aufladekonzepte zum Einsatz, bei denen es sich technisch gesehen um Kombinationen aus Registeraufladung und mehrstufiger Aufladung handelt, so bei den Motoren des BMW 535d (Baureihe E60/61) und bei den 129PS und 150PS-Dieselmotoren des neuen Mercedes-Benz Sprinters. Hierbei arbeiten die Verdichter des kleineren und des größeren Laders in Reihe auf der Ansaugseite. Wird wenig Leistung benötigt, wird die Luft nur durch den Verdichter des kleineren Laders komprimiert. Bei höherer Last wird dann durch Steuerung des Abgasstroms und geregelte Überbrückung des ersten Verdichters der größere Lader wirksam. Durch eine Kennfeldregelung der Gassteuerung auf der Abgas- wie auf der Frischgasseite im Zusammenspiel mit der Kraftstoffeinspritzung können Drehmomentschwankungen im Übergangsbereich weitgehend unterdrückt werden.
^Biturbo
Als Biturbo und Twin Turbo 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. In geringem Umfang wurden auch Motoren mit mehr als zwei Turboladern entwickelt, um eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens zu erreichen. So kam beim Bugatti EB110 ein Vierfachturbo zum Einsatz.
Sequentieller Biturbo
Bei einem sequenziellen Biturbo werden nicht beide Turbinen ständig durch das Abgas angetrieben, sondern die zweite Turbine wird erst bei entsprechendem Leistungsbedarf zugeschaltet und treibt dann den zweiten Verdichter an. Ist das geschehen, arbeiten die Lader nach dem Prinzip des Biturbo parallel. Vorteil dieser Technik ist, dass in den niedrigen Lastbereichen das gesamte Abgas auf nur eine Turbine wirkt, was den Wirkungsgrad des Laders verbessert. Der 2.2 l Dieselmotor von Ford/PSA (DW12BTED4) ist mit diesem System ausgerüstet.
Ladedruckregelung
Abhängig von der geförderten Menge Luft muss auch Bezin beigemischt werden. Da der Verdichter aber starr mit der Abgasturbine verbunden ist, besteht hier eine direkte Abhängigkeit.
^Technische Daten
Turbinenraddurchmesser:
K0-Reihe
- K02 —> 40mm
- K03 —> 45mm
- K04 —> 50mm
- K06 —> 55mm
K1-Reihe
- K14 —> 50mm
- K16 —> 55mm
K2-Reihe
- K24 —> 59mm
- K26 —> 64,4mm
- K27.2 —> 70mm
- K27 —> 76,2mm
- K28 —> 81,3mm
- K29 —> 82mm