Motoren aus technischer Sicht/ Turbolader

Einleitung

Querschnitt eines Abgasturboladers

Leitwerk einer Francis-Turbine für minimale Leistung eingestellt

Leitwerk einer Francis-Turbine für maximale Leistung eingestellt

Das Ansaugen des Benzin-Luft-Gemisches (beim Ottomotor) bzw. der Frischluft (beim Dieselmotor) ist bei der hohen Motordrehzahl ein Problem. Zwischen zwei Takten steht nur sehr wenig Zeit zur Verfügung. Daher strömt weniger Gas ein, als theoretisch möglich wäre. Diesen Unterschied zwischen der theoretisch möglichen und der tatsächlich eingeströmten Menge des Verbrennungsgases nennt man den Liefergrad.

Ein Turbolader ist ein Zusatzaggregat des Verbrennungsmotors, welches als externe Aufladung den Liefergrad des Verbrennungsmotors erhöht. Der Turbolader kann zu einer Leistungssteigerung führen, ohne dass dabei der Hubraum oder die Motorendrehzahl des Verbrennungsmotors verändert werden muss. Es gibt dabei zwei Typen von Turboladern, nämlich den Abgasturbolader ohne verstellbare Turbinen und den VTG Abgasturbolader mit verstellbaren Turbinen.

Funktionsprinzip des Turboladers

Der Turbolader besteht aus einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die über eine Welle miteinander verbunden sind. Sowohl der Verdichter als auch das Turbinenrad laufen in abgeschlossenen Gehäusen. Beim Auspufftakt des Viertaktmotors strömen die Abgase durch das Turbinengehäuse und beschleunigen die Turbine auf ungefähr 100.000 min^-1. Da die Turbine vom Abgasstrom des Auspufftaktes angetrieben wird, kann der Verdichter ohne zusätzlichen Energiebedarf angetrieben werden. Die dadurch entstandene Drehbewegung überträgt das Turbinenrad anschließend über die Welle auf das Verdichterrad, welches die Ansaugluft im Verdichtergehäuse verdichtet und mit geringem Überdruck zum Einlassventil des Brennraumes fördert. Da die Frischluft verdichtet wurde, erwärmt sie sich im Verdichtergehäuse. Um nun eine höhere Luftdichte und damit verbunden auch einen höheren Liefergrad zu erzielen, kühlt der Ladeluftkühler die im Turbolader erwärmte Ansaugluft. Zudem hat eine gekühlte Ansaugluft noch den Vorteil, dass der Verbrennungsraum eine bessere Kühlung erfährt. Manchmal wird auch ein zusätzlicher Luftkühler verwendet, der die Luft aus der Abgasrückführung ebenfalls kühlt.

Beim Turbolader ohne verstellbare Turbinengeometrie ergeben sich gewisse Problembereiche. Einerseits wird im oberen Drehzahlbereich eine hohe Turbinendrehzahl erreicht, wodurch die Luft stärker verdichtet wird als nötig. Anderseits erreicht die Turbine im unteren Drehzahlbereich eine zu geringe Drehzahl, wodurch die Luft nicht ausreichend komprimiert wird. Dadurch erreicht der Motor nicht die gewünschte Leistung, was umgangssprachlich oft als Turboloch bezeichnet wird.

Um diesen Problemen entgegenzuwirken, wurde der Turbolader mit verstellbaren Turbinen entwickelt (variable Turbinengeometrie, VTG). Im Unterschied zum Turbolader ohne verstellbare Turbinen erreicht der VTG-Turbolader die notwendige Verdichtung über den gesamten Drehzahlbereich des Motors. Diese konstante Verdichtung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht der VTG-Turbolader durch verstellbare Leitschaufeln, welche den Abgasstrom über das Turbinenrad führen. Bei niedrigen Drehzahlen wird der Querschnitt des Abgasstromes vor dem Turbinenrad mit Hilfe der Leitschaufeln verengt. Da das Abgas durch die Verengung des Querschnitts schneller strömt, dreht sich das Turbinenrad schneller. Durch diesen Effekt wird auch bei niedrigen Drehzahlen der notwendige Ladedruck erzeugt, wodurch das Turboloch des normalen Turboladers umgangen werden kann. Umgekehrt bei hohen Drehzahlen: Die Leitschaufeln geben einen größeren Abgasquerschnitt frei, damit der benötigte Ladedruck nicht überschritten wird. Besonders bei Dieselmotoren ist ein Abgasturbolader sinnvoll. Er ermöglicht bei gleichem Volumen des Brennraumes eine Verbrennung des Kraftstoffes bei höherem Luftüberschuss, was den Wirkungsgrad verbessert und den Kraftstoffverbrauch senkt.