Turbolader

Turbolader an einem Schiffsdiesel für ein Binnenschiff.

Turbolader am ausgebauten LKW-Motorblock

Ein Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich Turbo, dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt, was durch einen Verdichter im Ansaugtrakt erreicht wird. Der Verdichter wird durch eine Abgasturbine angetrieben, die die Energie der Abgase nutzt. Turbolader können entweder den Druck (Stauaufladung) oder die Bewegungsenergie der Abgase (Stoßaufladung) als Energiequelle nutzen.

Der Erfinder des Turboladers ist der Schweizer Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent^[1] über die Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. In den 1930er Jahren wurden von der Adolph Saurer AG aus Arbon am Bodensee (Schweiz) Diesel-Lkw als erste Straßenfahrzeuge mit Turbolader produziert.^[2]

Prinzip und Aufbau

Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) erzeugen die Kolben einen Unterdruck im Ansaugtrakt, um Luft anzusaugen. Dieser Unterdruck verstärkt sich mit wachsender Drehzahl und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sein können und auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der Abgasstrom versetzt die Turbine in Rotation, diese treibt über die Welle den Verdichter an, der Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird in den Motor geleitet. Infolge des höheren Druckes gelangt damit (bei gleichbleibendem Öffnungsintervall des Ventils) eine größere Menge Luft in die Zylinder als bei einem Saugmotor, womit auch mehr Sauerstoff für die Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung steht. Dies führt zu einer Steigerung des Motor-Mitteldrucks und des Drehmoments und erhöht die Leistungsabgabe. Bei Otto-Turbomotoren muss oftmals gegenüber einem Saugmotor das Verdichtungsverhältnis verringert werden, da es ansonsten infolge zu hohen Gesamtdrucks und daraus resultierender hoher Temperatur zur unkontrollierten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann (Klopfen).

Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die angesaugte Luft infolge des Unterdrucks adiabatisch abkühlt, führt die Kompression bei aufgeladenen Motoren sogar zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft auf bis zu 150 °C^[3]. Abgesehen von der thermischen Belastung des Motors verringert sich dadurch der Füllungsgrad des Motors und damit wiederum die erreichbare Leistung: die wärmere Luft enthält infolge ihrer geringeren Dichte weniger Sauerstoff. Deshalb wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren nach der Kompression durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler einen Strömungswiderstand darstellt und so den vom Verdichter erzeugten Druck wieder etwas vermindert, sollte er eine Abkühlung um mehr als 50 K^[3] bewirken, um eine Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen. Um die thermische Belastung bei Volllast zu verringern, kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch zusätzlichen Kraftstoff angereichert werden. Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch eine zusätzliche Wassereinspritzung oder Einspritzung eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden, was eine weitere Steigerung der Leistung ermöglicht.

Turbine und Verdichter arbeiten mit Flügel- bzw. Schaufelrädern, um Strömungsenergie in eine Drehbewegung umzusetzen und umgekehrt. Moderne Turbolader können Drehzahlen bis zu 290.000 Umdrehungen pro Minute erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Für so hohe Drehzahlen muss die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert werden. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf zur Kühlung.

Mittlerweile werden zusätzlich zur Gleitlagerung ein oder zwei keramische Kugellager eingesetzt. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. Das beschleunigt den Drehzahlanstieg des Laders und lässt den Ladedruck früher einsetzen.

Stauaufladung und Stoßaufladung

Abgasturbolader im Schnitt

Bei der Stauaufladung werden die Abgase zusammengeführt, gesammelt und erst dann auf die Abgasturbine geleitet. Die Anströmung der Turbine erfolgt vor allem durch den Druckaufbau im gesamten Krümmerabschnitt vor der Turbine.

Bei der Stoßaufladung wird die Bewegungsenergie der ausgestoßenen Abgase für die Aufladung genutzt. Auch die Entwicklung des Turboladers mit Stoßaufladung geht auf Alfred Büchi zurück. Bei Mehrzylindermaschinen mit Stoßaufladung werden die Abgase durch mehrere Rohrleitungen geführt und treten durch eine Düsengruppe in die Turbine ein. Die Abgasleitungen müssen dabei so zusammengeführt werden, dass die Ausstoßtakte der an der jeweiligen Leitung angeschlossenen Zylinder nicht gleichzeitig erfolgen. Bei der Stoßaufladung sinkt der Druck am Auslassventil nach anfänglichem starken Anstieg durch die Massenträgheit der ausgestoßenen Gasmasse unter den Spüldruck ab, was den Gaswechsel begünstigt. Die beschleunigte Gasmasse trifft auf die Turbine und treibt sie an. Im Vergleich zur Stauaufladung wirken die Abgase mit wesentlich stärker schwankendem Druck auf die Turbine.

Vorteile der Turboaufladung

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) resp. des Mitteldrucks. Diese Steigerung erlaubt entweder den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen wie beim Ursprungsaggregat oder ermöglicht ein so genanntes Downsizing des Motors, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung aus einer kleineren und leichteren Maschine. Auf die Spitze getrieben wurde das Turbo-Prinzip in den 1980er Jahren in der Formel 1. Damals galt ein Hubraumlimit von 1,5 l für Turbomotoren, aus denen die stärksten Wagen im Training bis weit über 1.000 PS holten.

Aus dem p,V-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) ist ersichtlich, daß ein aufgeladener Motor bereits beim ersten Takt Energie zugeführt bekommt (durch den Überdruck der komprimierten Frischluft) und nicht mehr zum Ansaugen aufwenden muss.

Als entscheidender Vorteil des Abgasturboladers gegenüber dem Kompressor erweist sich, dass dieser keine Antriebsleistung des Motors benötigt; der Abgasturbolader verwertet nur ansonsten ungenutzte (Wärme-)Energie der Abgase^[4]. Dabei arbeiten Turbolader und Kompressor prinzipiell gleich: Ein Verdichter wird vom Fahrzeugmotor angetrieben. Während der Kompressor jedoch direkt mechanisch gekoppelt ist (Zahnriemen, Zahnräder, Kette, Keilriemen) und somit unmittelbar Nutzleistung vom Motor abzieht, strömt beim Turbo das heiße Abgas mit hoher Geschwindigkeit aus dem Zylinder und versetzt die Turbine in Rotation (der Kolben schiebt in der Folge den Rest Abgas aus, wobei der Abgasgegendruck allerdings höher als bei einem nicht aufgeladenen oder einem Motor mit Kompressor ist - siehe dazu auch unter „Nachteile“ weiter unten). Die so aus dem Abgas gewonnene zusätzliche Energie wird unmittelbar durch einen Verdichter auf das Frischgas übertragen, während sie bei einem Motor mit Kompressor ungenutzt verlorengeht. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems "Turbo" liegt deshalb höher als beim System "Kompressor".

Nachteile der Turboaufladung

Durch den Einsatz eines Turboladers erhöhen 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. Da der Lader seine Energie aus dem Druckgefälle zwischen den Abgasen und der Umgebungsluft bezieht, muss der Querschnitt der Auspuffanlage ausreichend groß sein, damit kein zu großer Gegendruck im Auspuff entsteht. Der Gegendruck sollte nicht über etwa 5 kPa liegen^[3] (wobei der Standardatmosphärendruck ca. 100 kPa beträgt).

Vor allem bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rot glühend 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 abkühlen zu lassen. Geschieht das nicht, kann die empfindliche Öl-Lagerung der Welle durch Überhitzung irreparabel beschädigt werden.

Eine Möglichkeit, das zu verhindern, sind so genannte Nachlaufregler (englisch turbo timer). Diese lassen den Motor eine einstellbare Zeit nach Abschalten der Zündung weiterlaufen. Hierbei ist zu beachten, dass manche Versicherungsgesellschaften das Fahrzeug dann nicht mehr versichern, da der Motor bei abgezogenem Zündschlüssel weiterläuft. Solche Nachlaufregler besitzen im Geltungsbereich der deutschen Straßenverkehrszulassungsordnung in der Regel auch keine Allgemeine Betriebserlaubnis.

Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine erhebliche Regelungstechnik rund um den Turbolader notwendig, die die Störanfälligkeit senken soll, aber selber auch Störungen erleiden kann. Die Diagnose bestimmter Schäden kann bei Motoren mit Turbolader komplizierter sein als bei ähnlichen Motoren ohne. Moderne vollelektronische Fahrzeugdiagnosesysteme („OBD“) erleichtern die Diagnose sehr. Insgesamt sind 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 hinreichender 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 gilt: ein kleiner Lader hat ein schnelleres Ansprechverhalten (aufgrund geringerer bewegter Masse) als ein großer; ein großer Lader kann eine größere Leistung aus demselben Hubraum erzielen als ein kleiner.

Ladedruck-Regelung

Prinzipbedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller. 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, Pop-Off-Ventil, 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 Gegendruck 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.

Aufgabe Es ist nicht so sehr die Frage, ob Ladeluft im Saugrohr zur Vorverdichtung hilft, sondern wann und wie stark sie das tut. Wichtig ist sie bei geringerer Motordrehzahl, um das Drehmoment in diesem meistgenutzten Drehzahlbereich zu erhöhen. Leider bedeutet dies aber auch einen zu hohen Ladedruck bei höheren Drehzahlen. Dies würde unzulässige Drücke auf den Kurbeltrieb übertragen und diesen auch von der Temperatur her überlasten. Die Kunst der Regelung ist also ein möglichst gleichmäßig hoher Ladedruck.

Siehe auch: Mechanische Motoraufladung

VTG (Variable Turbinengeometrie)

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, 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 durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz und geringerem Leistungsbedarf durch große Querschnitte die Strömungsgeschwindigkeit verringert werden, was die Leistung des Laders vermindert.

Honda nutzte 1989 seine in der Formel 1 gemachten Erfahrungen mit Turbomotoren und brachte eine Wing turbo genannte Variante des Honda Legend mit einem VTG-Turbo auf den Markt. Die Regelung erfolgte durch einen Digitalrechner. Der 2-Liter-Motor leistete 142 kW (193 PS) bei 6000/min.^[5]

Turbolader mit VTG werden seit 1996 auch in Dieselmotoren für PKW eingesetzt. Der direkt einspritzende Dieselmotor (Marketingbezeichnung: TDI) von VW/Audi mit einer maximalen Leistung von 81 kW (110 PS) erreichte durch Einsatz variabler Turbinengeometrie als erster PKW-Antrieb einen Motor-Wirkungsgrad von über 40 %. Die VTG-Technik hat sich inzwischen bei Dieselmotoren als Standard durchgesetzt.

Siehe auch: Turbodiesel

Porsche setzt im 911 Turbo (997) (Verkaufsstart in Deutschland war im Juni 2006) seinen ersten Benzinmotor mit VTG ein. Um den mit bis zu 1000 °C gegenüber Dieselmotoren erheblich höheren Abgastemperaturen standzuhalten, müssen hochwarmfeste Legierungen (Wolfram-Stähle) eingesetzt werden. Entwickelt wurde der moderne VTG-Turbolader für Benzinmotoren in enger Zusammenarbeit mit BorgWarner Turbo Systems.

Ein weiterer bekannter Begriff für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie ist auch VNT (Variable Nozzle Turbine). Diese Bezeichnung wird von Honeywell für deren Turbosysteme mit variabler Turbinengeometrie unter dem Markennamen GARRETT verwendet. Siehe auch: Variabler Turbinen-Geometrie-Lader

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 auf das Ansprechen 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.

Offene/Geschlossene Systeme

Beim offenen System wird die überschüssige Luft nicht zurück in den Ansaugkanal (geschlossenes Umluftventil/System), sondern nach außen abgeleitet. Systeme mit einem Ventil sind üblich. Teilweise werden auch Systeme mit zwei integrierten Ventilen verwendet, die einen feinfühligeren Überdruckablass ermöglichen. Der Anbau an einen Motor mit 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 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 möglich, dort hat es jedoch keinen technischen Sinn, da ohne Drosselklappe, 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.

Technisch nicht ganz korrekt ist, dass die elektronisch gesteuerten Ventile (technisch gesehen überflüssige Ventile bei Dieselmotoren) ebenfalls als Blow-Off- bzw. Pop-Off-Ventile bezeichnet werden, da die Blow-Off-Ventile im eigentlichen Sinne stets druckgesteuert sind..

Gängige Bezeichnungen

Englischsprachige Bezeichnungen für Abblasventil, Ablassventil oder (Schub-)Umluftventil, die auch häufig verwendet werden sind unter anderem: Blow-Off-Valve (BOV), Pop-Off-Valve (POV) (eingedeutscht: "Pop-Off-Ventil"

Weitere Bauarten

Biturbo/Twin Turbo

Schematische Darstellung des Biturbo-Prinzips

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, wie auch beim Bugatti Veyron 16.4, ein Vierfachturbo zum Einsatz.

Sequenzieller Biturbo

Bei einem sequenziellen Biturbo werden nicht beide Turbinen ständig durch die Abgase 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. Ziel dieser Technik ist eine bessere Nutzbarkeit des Drehzahlbandes. Im oberen Drehzahlbereich hat man den Vorteil der größeren Fördermenge zweier Turbolader, während in den niedrigen Drehzahlbereichen die geringe Masseträgheit nur einer Turbine ein schnelles und frühes Aufbauen des Ladedrucks und damit ein gutes Ansprechverhalten bewirkt. Beispiel Benzinmotor: Der 3,0-l-Reihensechszylinder-Biturbo, der ab 1993 im Toyota Supra (JZA80) verbaut wurde (der Supra wird als Twin Turbo bezeichnet, nicht als Biturbo). Beispiel in der Dieseltechnik: Der 2,2-l-Vierzylinder-Biturbo-Dieselmotor von Ford/PSA (DW12BTED4).

Registeraufladung

Schematische Darstellung der 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 Registeraufladung ist im Automobilbau allerdings bis heute nur selten anzutreffen. Erstes Serienfahrzeug mit Registerturbo 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 in den BMW-Modellen 535d (Baureihe E60/61), 335d, 123d und bei den 129-PS- und 150-PS-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.

Mehrstufige Aufladung

Bei einer mehrstufigen Aufladung wird die Luft durch mehrere hintereinander geschaltete Verdichter komprimiert. Die so erreichbaren Verdichtungsverhältnisse sind nur unter Bedingungen stark verringerten Außendrucks sinnvoll einsetzbar, so dass diese Technik nur bei der Entwicklung von Flugmotoren eine Rolle spielte.

Bei mehrstufiger Aufladung werden meist mechanische Lader und Turbolader kombiniert. So enthielt der Versuchsmotor Daimler Benz DB624 (Prüfstandserprobung ab 1944) eine Kombination aus zwei mechanischen Getriebeladern und einem Abgasturbolader. Die konzipierte Volldruckhöhe lag bei 15.000 bis 17.000 Metern. Beim Antrieb des ab 1989 entwickelten Höhenforschungsflugzeugs Grob Strato 2C war ein mehrstufiger Lader vorgesehen, wobei das Abgas des Motors sowohl einen Abgasturbolader als auch den Niederdruck- und Mitteldruckverdichter eines Turboproptriebwerks antreiben sollte, dessen Komponenten in der Triebwerksgondel untergebracht waren. Der Hersteller nannte diese Motor-Verdichterkombination „Compound“-Antrieb. Nach dem Passieren des Turboladers wurde das Abgas in die Turbinensektion des Turboprop-Verdichters geleitet. Die von den Verdichterstufen komprimierte Luft wurde dem Verdichter des Turboladers und dann dem Motor zugeführt. Das Verdichtungsverhältnis betrug maximal 1:45, was großvolumige Ladeluftkühler notwendig machte. Die konzipierte maximale Flughöhe lag bei 24.000 Metern^[6]. Das Projekt wurde jedoch aus finanziellen und politischen Gründen nicht verwirklicht.

Twin-Scroll-Lader

Schema Twin-Scroll-Lader

Twin-Scroll-Lader unterscheiden sich von anderen Ladern nur durch die abweichende Gestaltung des Auspuffkrümmers und der zweigeteilten Abgaseinströmöffnung des Turbinengehäuses. Nach dem Krümmer oder spätestens vor dem Einlass in das Turbinengehäuse werden die Abgaskanäle von jeweils zwei Zylindern (bei Vierzylinder-Motoren) bzw. drei Zylindern (bei Sechszylinder-Motoren) zusammengefasst. Dabei erfolgt die Auswahl der Zylinder so, dass sich die Druckschwankungen der Abgasströme gegenseitig positiv beeinflussen; dadurch wird der Abgasgegendruck reduziert und der Gaswechsel des Motors verbessert, wodurch sich wiederum Verbrauch, Leistung und Ansprechverhalten verbessern.

Bisherige Turbinengehäuse waren bei PKW-Turboladern überwiegend mit einer einzigen Einströmöffnung ausgeführt, der Eintrittsquerschnitt in die Turbine hatte keine Trennwand für die Abgasströme. Über diese gemeinsame Einströmöffnung in die Turbine konnte daher ebenfalls eine Störung der Abgasströmung in den Abgaskanälen stattfinden und der Antrieb der Turbinenschaufel reduziert werden. Durch die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit der Abgas- und Turbinenkanäle ist der Strömungsverlust aufgrund der zusätzlich notwendigen Trennwand allerdings kompensiert worden. Besonders im unteren Drehzahlbereich sinkt auf diese Weise der Abgasgegendruck, was zu einem verbesserten Ansprechverhalten des Motors führt.

Turbo-Compound

Die Turbo-Compound-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.

Anstelle einer mechanischen Ankopplung an die Kurbelwelle kann aber auch ein zusätzlicher Generator angetrieben werden, um das elektrische Bordnetz zu unterstützen. Dies ist sowohl in Verbindung mit der Turbine des Abgasturboladers möglich, als auch mit einer separaten, nachgeschalteten Turbine.

Turboaufladung bei Kraftfahrzeugen

Anwendung bei Ottomotoren

Abgas-Turbolader eines Pkw

Bei 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.

Anwendung bei Dieselmotoren

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.

Welle eines Schiffsdiesel-Turboladers (ABB-VTR), Turbinenseite

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-Jahre wurden Abgasturbolader eingesetzt. Für LKW stattete MAN 1951 einen Motor mit einem selbst entwickelten Turbolader aus, 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 einem sehr hohen Anteil der ausgelieferten großen Nutzfahrzeuge werden seit den 1960er-Jahren Turbolader eingesetzt. Als erster Pkw mit Turbodieselmotor kam im Mai 1978 der Mercedes 300 SD auf den Markt. Im europäischen Raum haben seit 1988 Personenkraftwagen mit Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkühler und Direkteinspritzung eine sehr große Bedeutung erlangt.

Verwendung bei PKW und Motorrädern

Bereits ab 1910 kamen erstmals aufgeladenene Motoren in den Alfa Romeo 24 HP - Modellen zum Einsatz, welche aus den von der gleichen Firma entwickelten Flugzeugen übernommen wurden (s.u.). Serien-PKW mit aufgeladenen Ottomotoren kamen in größerer Zahl aber erstmals Anfang der 1960er Jahre in Form des Oldsmobile Turbo Jetfire (V8, Hubraum: 215 cui ≈ 3,5 Liter, 160 kW, 218 SAE-PS; für diverse Modelle) und Chevrolet Corvair Spyder (Sechszylinder Boxer Turbo, Hubraum: 145 cui; ≈ 2,4 Liter, 110 kW, 150 SAE-PS) auf den Markt.

In Europa rüstete der Schweizer Ingenieur und Unternehmer Michael May ab 1966 zunächst Ford 20M und später auch andere Pkw-Modelle mit Turboladern aus^[7]. In Deutschland gingen 1973 mit dem BMW 2002 turbo und 1975 mit dem Porsche 911 turbo turbogeladene Pkw in Serienproduktion.

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 so genannten Downsizing-Konzepten, bei denen kleinere Aggregate mit Aufladung an die Stelle größerer nicht aufgeladener Motoren treten. Ziel beim Downsizing (dt. Verkleinerung) ist eine Verbrauchsreduzierung durch eine Entdrosselung des Motors. Weitere Vorteile ergeben sich aus vermindertem Gewicht und einer verminderten Reibung.

Aufgeladene Motoren – sowohl Benziner als auch Diesel – sind in der Herstellung meist teurer als vergleichbare Sauger, zudem regelungstechnisch komplex (Steuerung der druckmindernden Ventile wie das Wastegate oder das Umluftventil). 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 (Variable Turbinengeometrie, 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 auch einen höheren absoluten Kraftstoffverbrauch.

Nahezu alle Großserienhersteller bieten inzwischen Benziner-Modelle mit Turboaufladung an; Dieselmotoren ohne Aufladung spielen auf dem Markt praktische keine Rolle mehr.

Volkswagen führte Mitte 2005 die TSI-Technik ein (Golf GT, 1,4-Liter-Motor mit 125 kW/170 PS). Dabei werden ein Turbolader und ein Roots-Kompressor zusammen an einen Ottomotor mit Direkteinspritzung eingebaut. 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 nur 0,9 Litern Hubraum 81 kW (110 PS) und ein spezifisches Drehmoment von 144 Nm/l bei 4800/min erzielte. Der aktuelle VW-Motor mit 1,4 Litern Hubraum und Doppel-Aufladung erreicht ein spezifisches Drehmoment von 200 Nm/l bereits bei 1500/min ^[8].

Anfang der 1980er Jahre wurden auch Serienmotorräder (Honda CX 500 Turbo, Yamaha XJ 650 Turbo, Kawasaki Z750 Turbo) ohne großen Markterfolg mit Turboladern versehen, wobei eher preisliche Gründe den Durchbruch am Markt verhinderten.

Turboaufladung in der Luftfahrt

Bereits 1910 wurde von Alfa Romeo einer der ersten Turbolader in ein ebenfalls von Alfa Avio konstruiertes Flugzeug montiert. Dabei handelte es sich um einen ursprünglich zur Aufladung von Automobilmotoren konstruierten Zentrifugal-Lader, der am 1. Juni 1909 von Antonio Santoni, dem damaligen Entwicklungsleiter bei Alfa Romeo, unter der Nummer 102976 zum Patent angemeldet worden war. Santoni entwickelte zusammen mit Versuchsleiter Nino Franchini schließlich ein Flugzeug (das erste vollständig in Italien hergestellte überhaupt), das von einem von Giuseppe Merosi entwickelten Motor plus Santoni-Lader angetrieben wurde und nach seinem erfolgreichen Jungfernflug vor einem hochrangigen Publikum Alfa Romeos jahrzehntelange Stellung als bedeutender Motorenlieferant für die italienische Luftwaffe begründete. Diese Motoren mit Santoni-Lader fanden später auch in Alfa-Serienautos der Reihe 24 HP Verwendung. 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, jedoch wurde die Motorentechnik bis zum Kriegsende von der mechanischen Aufladung („supercharged") dominiert. In größeren Stückzahlen wurde der BMW 801 mit Turbolader hergestellt. In der Lockheed P-38 kam der Allison V-1710 mit General Electric-Turbolader zum Einbau. Nach dem Krieg kamen bis zur Einführung der Turboprop- und Strahltriebwerke bei Linienmaschinen einige Jahre zum Teil sehr hochentwickelte Motoren mit Abgasturbinen (nicht -turbolader) wie zum Beispiel der Wright R-3350 zum Einsatz.

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 (Volldruckhöhe) konstant halten. 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. vor allem Continental TIO 540, Lycoming TIO-540-J2BD, Rotax 914 , während bzgl. des Bombardier V300T die Zertifizierung/Produktionsvorbereitungen seit 2006 eingestellt sind.^[9]

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
• BorgWarner Turbo Systems (Schwitzer & 3KWarner, ehemals Turbolader-Sparte von KKK)
• Bosch Mahle Turbo Systems (Joint Venture von Bosch und Mahle)
• Caterpillar
• Continental AG
• Cummins Turbo Technologies (Holset)
• Hitachi Warner Turbo Systems (Joint Venture von Hitachi und BorgWarner)
• Honeywell Turbo Technologies (Garrett)
• ((HKS Turbos))
• IHI Charging Systems International
• Komatsu
• Kompressorenbau Bannewitz (KBB)
• MAN Diesel & Turbo
• Mitsubishi Heavy Industries
• NAPIER Turbochargers
• Pierburg
• Voith Turbo
• Garrett AiResearch

Siehe auch

• Motoraufladung
• Schiffsdieselmotor
• Turbine
• Dynamische Aufladung

Literatur

• Michael Mayer: Abgasturbolader: Sinnvolle Nutzung der Abgasenergie. 5. Auflage. Moderne Industrie, 2003, ISBN 978-3478932639.
• Gert Hack, Iris Langkabel: Turbo- und Kompressormotoren: Entwicklung, Technik, Typen. 3. Auflage. Motorbuch Verlag, 2001, ISBN 978-3613019508.
• Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. 11. Auflage. Vogel Buchverlag, 1995, ISBN 3-8023-1559-6.

Einzelnachweise

1. ↑ Patent DE204630: Verbrennungskraftmaschinenanlage. Veröffentlicht am 28. November 1908, Erfinder: Alfred Büchi.
2. ↑ www.saureroldtimer.ch
3. ↑ ^{a b c} Gert Hack, Autos schneller machen- Automobil-Tuning in Theorie und Praxis, Motorbuch-Verlag, 16. Auflage 1987, ISBN 3-87943-374-7, S. 83 und 84
4. ↑ Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren, 11. Auflage, Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6
5. ↑ http://dwolsten.tripod.com/articles/jan89a.html/ englisch
6. ↑ Kyrill von Gersdorff, Kurt Grasmann, Helmut Schubert: Flugmotoren und Strahltriebwerke. 3. Auflage. Bernard & Graefe, 1995, ISBN 3-7637-6107-1.
7. ↑ http://media.automobilrevue.ch/files/85813_turbo-may.pdf
8. ↑ Innovation + Technik beim 90-kW-TSI-VW-Motor
9. ↑ BRP-Rotax shelves its V6 aircraft engines project

Weblinks

 Commons: Turbolader – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Drehzahlstationäre Turboaufladung

Dieser Artikel wurde am 10. Juni 2008 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.