Motoraufladung

Die Motoraufladung ist ein Verfahren, bei dem die Leistung oder die Effizienz von Verbrennungsmotoren durch Zuführen von Luft mit erhöhtem Druck gesteigert wird. Durch den höheren Druck wird der Füllungsgrad verbessert, so dass mehr Luft für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht, was die pro Arbeitstakt geleistete Arbeit erhöht. Durch den höheren Druck kann die Ansaugarbeit in Nutzarbeit verwandelt werden.

Der Druck der vom Motor angesaugten Luft kann durch Strömungsschwingungen, Gebläse, Turbos und Kompressoren erhöht werden. Den höheren thermischen und mechanischen Belastungen des Motors sind durch diese Verfahren materialtechnische und konstruktive Grenzen gesetzt. Moderne aufgeladene Motoren haben in der Regel einen geringeren spezifischen Verbrauch als Saugmotoren gleicher Leistung.

Leistungssteigerung durch Aufladung

Die Aufladung ist eine Möglichkeit, die Motorleistung zu steigern. Wie aus der Formel ersichtlich, vergrößert die Anhebung des indizierten Mitteldruckes $p_i\,$ die indizierte Leistung $P_i\,$.

Formel für die indizierte Motorleistung.

$P_i = p_i\cdot V_h\cdot z\cdot n\cdot i$

P_i = innere Motorleistung
p_i = indizierter Mitteldruck
V_h = Hubraum pro Zylinder
z = Zylinderanzahl
n = Drehzahl
i = Arbeitszyklen pro Umdrehung (also Zweitaktmotor 1 und Viertaktmotor 0,5)

Die anderen Variablen V_h, z, n und i tragen ebenfalls zur Leistungssteigerung bei und werden entsprechend dem Anwendungsfall und der speziellen Grenzen verwirklicht. Eine Leistungssteigerung durch Anheben der Drehzahl n ist praktisch nur bis zu einer gewissen Grenze durchführbar.

Der absolute Ladedruck beträgt ca. 2 bar (PKW, einstufig, Ottomotor) bis 4 bar (Großdieselmotor).

Systematik

Nach Einsatzgebieten

Typische Anwendungen von Ladern sind

• Schiffsdieselmotoren
• PKW-Dieselmotoren
• PKW-Ottomotoren
• Motorsport
• LKW-Dieselmotoren
• Gegenkolbenmotoren
• Motoren in stationären Anlagen und Spezialfahrzeugen, bei denen eine hohe Leistungsreserve erforderlich ist.
• Flugkolbenmotoren

Nach dem Verfahren der Verdichtung

Unterschiedliche Verfahren zur Verdichtung der Brennluft eines Motors sind bekannt:

• dynamische Gasverdichter: Die Luft wird angesaugt und ohne innere Verdichtung auf die Seite mit höherem Druck transportiert. Zu diesem Vertreter gehört z. B. der Turbolader, der G-Lader (von Volkswagen, der bei anderer Geometrie auch eine innere Verdichtung aufweisen könnte) und das Roots-Gebläse.

• Verdrängermaschinen: Innerhalb des Verdichters führt eine Volumenabnahme zur Verdichtung des Gases z. B. Flügelzellen-Lader und der Ro-Lader von Wankel. Vorteile dieser Maschinen sind ein geringeres Geräusch und ein höherer Wirkungsgrad (isentroper Wirkungsgrad).

Laderarten

BMW M20-Motor mit Ansaugrohrbrücke für Resonanz- bzw Schwingrohraufladung

Lader werden nach ihren Wirkprinzipien unterschieden. Die am häufigsten verwendeten sind Abgasturbolader, mechanische Lader und Druckwellenlader. Mechanische Lader werden meist direkt durch den aufgeladenen Motor durch Getriebe oder Riemen angetrieben, in manchen Fällen verfügen die Lader über eigene Antriebe wie zum Beispiel Elektromotoren (Fremdaufladung).
Im weiteren Sinne gehört dazu auch die sogenannte Dynamische Aufladung (Resonanzaufladung), bei der durch besonders gestaltete Ansaug- und Abgasrohre die Gasschwingungen bei bestimmten Drehzahlen durch Resonanz verstärkt werden, wodurch der Gaswechsel im Zylinder verbessert wird. Das Resonanzprinzip kann mit anderen Laderarten kombiniert werden.

Abgasturbolader

siehe Turbolader

Die am häufigsten anzutreffende Laderart ist der Turbolader, bei dem eine Turbine einen Verdichter direkt antreibt. Turbinen- und Verdichterrad sind über eine Welle fest miteinander verbunden und bilden zusammen das Laufzeug. Das Turbinengehäuse liegt direkt im Abgasstrom und möglichst nahe am Abgasauslass des Motors. Im davon getrennten Verdichtergehäuse komprimiert das Verdichterrad die Ladeluft im Ansaugtrakt. Ein Turbolader hat den Vorteil, dass er einen Teil der sonst ungenutzten Restenergie der Abgase zum Verringern der Ansaugverluste nutzt und damit den Gesamtwirkungsgrad verbessert.

Turbolader gibt es schon seit dem frühen 20. Jahrhundert, wobei sie bevorzugt bei Dieselmotoren zum Einsatz kommen, da deren Abgastemperaturen geringer sind als die von Ottomotoren und sie meist keine Drosselklappe besitzen, was das Ansprechverhalten verbessert. Die Turbine in modernen Ottomotoren ist im Betrieb einem bis etwa 1000 °C heißen Abgasstrom ausgesetzt und läuft mit Drehzahlen bis über 100.000 Umdrehungen je Minute. Dabei soll möglichst wenig Wärme auf den Verdichter übertragen werden. Um bei diesen Drehzahlen die Trägheits- und Fliehkräfte gering zu halten, müssen die Materialien des Laufzeugs sehr leicht, gleichzeitig über einen schnell wechselnden Temperaturbereich von ca 1000 °C formbeständig und hochfest sowie die Lagerung fast spielfrei, aber auch leichtgängig sein. Das konnte erst mit der Entwicklung moderner Werkstoffe und Techniken im späten 20. Jahrhundert erfüllt werden.

Seit den 1990ern wurden Turbolader auch bei immer mehr PKW-Ottomotoren eingesetzt. Ein bekannter Nachteil, das sogenannte Turboloch, trat vor allem bei frühen Modellen mit Turboaufladung auf. Das zusätzliche Drehmoment stand erst ab einer bestimmten Drehzahl zur Verfügung, da der Abgasstrom erst ab einem bestimmten Drehzahlniveau groß genug ist, um den Lader anzutreiben, der dann erst durch den ansteigenden Ladedruck dem Motor ermöglichte, wiederum mehr Abgas für die Turbine zu erzeugen. Der Drehmomentanstieg in diesem Drehzahlbereich war dadurch zum Teil relativ steil. Dieser Effekt wird bei modernen Maschinen durch elektronische Ladedruckregelungen weitgehend kompensiert.

Mechanische Lader (Kompressoren)

Mechanische Lader, meist „Kompressor“ genannt, werden direkt vom Motor über Ketten-, Riemen- oder Zahnradgetriebe angetrieben, gegebenenfalls mit zwischengeschalteter Kupplung. Mechanische Lader können aber auch von einem gesonderten Elektromotor angetrieben werden.

Drehkolbenlader

Diese nach dem Erfinder des Konstruktionsprinzips als Roots-Gebläse benannten Lader haben zwei gegenläufige Rotoren, deren zwei oder drei keulenförmige „Flügel“ wechselweise ineinandergreifen. Dabei wird die Luft ähnlich wie bei einer Zahnradpumpe auf der einen Seite angesaugt, von den „Flügeln“ an der inneren Wandung des ovalen Gehäuses entlanggeschoben und auf der Gegenseite herausgedrückt. Die Wellen der beiden Drehkolben sind außerhalb des Gehäuses über Zahnräder verbunden. Die Kolben laufen zueinander und zum Gehäuse berührungsfrei.

Rootslader arbeiten ohne innere Verdichtung. Auf Grund ihrer Wirkungsweise arbeiten sie erst ab einer größeren Luftmenge effektiv und sind daher relativ groß und schwer. Meist werden sie bei mittleren und großen Dieselmotoren eingesetzt. Ihr großer Vorteil gegenüber dem Turbolader ist, dass sie sofort wirken und kein Turboloch entsteht. Außerdem sind sie wegen der niedrigeren Drehzahl, der geringeren thermischen und Druckbelastung und wegen des berührungsfreien Laufs wesentlich langlebiger und wirtschaftlicher in der Herstellung.

Rootslader wurden früher häufig bei schweren Lkw (MAN) und bei Mercedes-Rennwagen eingebaut. Anfang der 1920er Jahre galt der Kompressor von Mercedes als Garant für den Sieg bei Autorennen. In der 1924 erschienenen ersten Ausgabe der Autofachzeitschrift Der Herrenfahrer - Das Blatt vom Auto und anderen Annehmlichkeiten des Lebens schreibt ein „Dr. Ritter“ eine Hymne auf diese Antriebstechnik:

„Der überbeschäftigte Industriekapitän oder Bankmagnat unserer Tage würde es wohl zu gewissen Zeiten als einen Idealzustand ansehen, wenn er weder zu essen, noch zu trinken, noch zu schlafen brauchte. Nahrungsmittel in hochkonzentrierter Form, von allen Schlacken befreit, ihm womöglich während der Arbeit ohne jede manuelle Handlung seinerseits zugeführt, für alle Fälle besonderer geistiger oder körperlicher Hochleistung noch eine Büchse Kraftreserve in der Westentasche, ein Nervenregenerator, der das Empfingen schlaferquickter Jugend in eine sprühende Dusche beliebig oft über ihn ergießt, würden zusammenwirken, um einen Erfolggiganten aus diesem Manne zu machen, wie die Welt ihn noch nicht gesehen hat. Allerdings wäre auch der Rhythmus seines Lebens zerstört. Eben daß die Lebenswelle sich hebt und senkt, daß der Wellenberg von Energie und Leistung mit dem Wellental der Ruhe und des Genusses abwechselt, macht Inhalt und Reiz unseres Lebens aus. [...] Dasjenige aber, was es für den Menschen nicht gibt und auch nicht geben soll, das besteht seit einigen Jahren tatsächlich für den Motor. Es ist der Kompressor.“

– Der Herrenfahrer: Ein Kapitel vom Kompressor. Von Dr. Ritter. 1924

Die bei den Zweitaktmotoren von Krupp und Commer verwendeten Roots-Spülgebläse sind keine echten Lader. Lancia war der erste Hersteller nach dem 2. Weltkrieg, welcher Roots-Lader in Serienfahrzeuge einbaute, 1983 bis 1985 in den Volumex-Modellen. Erst Mitte der 1990er-Jahre baute Mercedes-Benz wieder Kompressormodelle. Eine Weiterentwicklung stellt der Rotationskolbenlader mit einem Flügel- und drei Innenläufern dar.

Flügelzellenlader

Sie arbeiten nach dem Prinzip der gleichnamigen Flüssigkeitspumpen bzw. umgekehrt wie die sogenannten Luftmotoren in vielen Druckluftwerkzeugen. In einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt läuft ein exzentrisch dazu gelagerter Rotor, in dem radial mehrere Flügel aus Kunststoff oder Hartgewebe angeordnet sind. Die Flügel werden in Nuten des Rotors geführt und sind in radialer Richtung verschiebbar. Im Betriebszustand werden sie durch die Fliehkraft, seltener durch Federkraft, mit ihren Außenkanten an die innere Gehäusewandung gedrückt und gleiten auf deren Oberfläche. Dadurch bilden sich zwischen benachbarten Flügeln abgeschlossene Räume, auch Zellen genannt, in denen die Luft befördert wird. Das Gehäuse besitzt je eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung. Durch die exzentrische Lagerung werden die Zellen während der Rotation auf der Saugseite zunächst vergrößert, wodurch ein leichter Unterdruck entsteht. In Richtung der Druckseite verkleinern sie sich kontinuierlich wieder bis zur Austrittsöffnung. Dadurch wird die Luft vorkomprimiert in den Ansaugtrakt des Motors geleitet. Durch einfach realisierbare Verstelleinrichtungen kann die Exzentrizität verändert und die Aufladung problemlos angepasst werden. Flügelzellenlader erreichen eine geringere Verdichtungsleistung als Turbo- und Rootslader. Die mögliche Drehzahl ist höher als beim Rootslader, aber durch die Fliehkräfte und Reibung begrenzt. Sie sind klein, leicht und verhältnismäßig günstig zu fertigen. Da sie aber durch die Reibung der Zellenflügel einem erhöhten Verschleiß unterliegen, ist ihre Lebensdauer recht begrenzt. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich vor allem für kleine Ottomotoren in Sportwagen.

Dieser Lader (Wellenantrieb) wurde von BMW bei der Rekordmaschine WR 750 bereits ab 1928 eingesetzt.

In den 1950er bis Anfang der 1960er Jahre wurde er auch zur Leistungssteigerung im VW-Käfer eingebaut (Judson-Kompressor).

Siehe auch: Drehschieberpumpe

Spirallader

Das Prinzip dieser Gruppe der Verdrängungslader wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Léon Creux erfunden und in Frankreich und den USA patentiert. Die praktische Anwendung scheiterte jedoch an der komplizierten Fertigung und den Materialanforderungen. Erst in den 1970er Jahren wurde die Idee von Volkswagen wieder aufgegriffen und nach Tests mit einigen hundert Exemplaren und vielen Detailänderungen Mitte der 1980er Jahre in größeren Stückzahlen verwendet. Die Firma VW nannte ihr in zwei verschiedenen Größen produziertes Modell G-Lader, der im VW Polo G40 sowie im Golf G60, Passat G60 und Corrado verwendet wurde. Der Name bezieht sich auf die Konstruktion. Das im Querschnitt runde Gehäuse besteht aus zwei Hälften, in die jeweils zwei spiralförmige Stege eingegossen sind, die, wie der ebenfalls spiralförmige Verdränger, an den Großbuchstaben G erinnern. Die Zahlen 40 bzw. 60 geben die Höhe/Breite des Gehäuses in Millimetern wieder. Der Verdränger wird von der Kurbelwelle über Riementrieb mit einer Hauptwelle angetrieben und von einer mit Zahnriemen gekoppelten Nebenwelle geführt. Auf beiden Wellen sitzen Exzenter, so dass der Verdränger nicht rotiert, sondern auf einer Kreisbahn umläuft. Die Bewegung des Läufers lässt immer wieder sich ständig verkleinernde Volumina zwischen den Stegen entstehen, in denen die Luft verdichtet wird. Die Luft tritt tangential ins Gehäuse ein, wird dort zwischen den Spiralstegen von Gehäuse und Verdränger eingeschlossen und in Richtung Gehäusemitte befördert, von wo sie axial in den Ansaugtrakt strömt.

G-Lader haben wegen der erheblichen Reibung der aufwändigen Dichtelemente und Federn, die zwischen den Stirnseiten von Verdränger und Gehäuse angeordnet sind, eine geringe Lebensdauer, wenn die betreffenden Verschleißteile nicht turnusmäßig kontrolliert und ausgetauscht werden. Wegen der schwierigen Herstellung und den hohen Reparatur- und Austauschkosten konnten sie sich nicht durchsetzen. VW stellte die Fertigung Anfang der 1990er ein.

Schleuderlader/Radialverdichter

Ein Schleuderlader (auch Radialverdichter genannt) verdichtet die Luft mittels schnell rotierender Scheiben mit Luftleitblechen, die die Luft in Rotation versetzen und durch die Fliehkraft radial nach außen schleudern, was zur gewünschten Verdichtung führt. Bei anderen Bauformen kamen auch sternförmig angeordnete Rohre zum Einsatz^[1]. Der Schleuderlader wird über Keil- oder Zahnriemen oder Wellen direkt vom Motor angetrieben. Schleuderlader wurden bei Flugmotoren und Schiffsdieseln eingesetzt. Teilweise findet sich dieses Prinzip heute noch in Nachrüstteilen zum Tuning von Pkws. Durch den direkten Antrieb ist kein Kontakt mit heißem Abgas nötig. Die Verrohrung und der Anbau eines Schleuderladers vereinfacht sich entsprechend. Beim Einsatz in Motoren, deren Drehzahl stark variiert, kommt einer der Nachteile dieser Form der Aufladung zum Tragen, da mit der Drehzahl des Laders, welche ja proportional zur Motordrehzahl steigt, die geförderte Luftmenge nicht in proportionalem Maße ansteigt. Idealerweise sollte also der Radialverdichter über ein stufenloses Getriebe angetrieben werden, um für jeden Betriebspunkt des Motors die ideale Luftmenge zur Verfügung stellen zu können.

Druckwellenlader (DWL)/Comprexlader

Die auch als Comprexlader (von Compression/Expansion) oder DWL (Druckwellenlader) bekannte Konstruktion nutzt die kinetische Energie der heißen Abgase (Expansion) im Unterschied zum Turbolader direkt zur Verdichtung (Kompression) der Ansaugluft. Der Rotor ist als Zellenrad ausgebildet (ähnlich der Trommel eines Trommelrevolvers) und wird vom Luft- und Gasgehäuse mit einem gemeinsamen Mantel umschlossen. An den gegenüberliegenden Stirnseiten sind je zwei Luft- bzw. Abgasöffnungen in Form von Kreissegmenten. Wenn die gerade mit Luft gefüllten Zellen vor die Abgaseinlassöffnung (vom Motor kommend) gedreht werden, wird die Luft vom heißen, unter Druck stehenden Gas in Richtung der gegenüberliegenden Seite gedrückt. Beim Weiterdrehen des Rotors erreichen die Zellen die Öffnung der Ladeluftleitung, die verdichtete Luft strömt in den Motor. Bevor auch das Abgas die Öffnung erreicht, haben die Zellen die Ladeluftleitung bereits passiert und sind verschlossen. Das unter Druck stehende Abgas entweicht nach weiterer Drehung in die kurz danach freigegebene Auspuffleitung. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der Frischluft aus der inzwischen erreichten Ansaugleitung nachsaugt. Obwohl Luft und Abgas in direkten Kontakt miteinander kommen, vermischen sie sich nur in einer schmalen Zone der Zellen. Da im Unterschied zum Turbolader ein Gaswechsel in den Zellen stattfindet, ist die Synchronisation des Zellrads mit der Motordrehzahl erforderlich. Diese erfolgt entweder direkt von der Kurbelwelle über Zahn- oder Keilriemen oder von einem drehzahlgeregeltem Elektromotor. Die von der Gasdynamik bewirkten kurzen Druckspitzen können von kugelförmigen Erweiterungen der Lufteinlass- und Gasauslassleitungen, den sogenannten Aufnehmern, ausgeglichen werden.

Da im Unterschied zum Turbolader ein Zellenrohr anstelle einer Turbine verwendet wird, steht der Ladedruck fast verzögerungsfrei bereit und ist auch bei niedrigen Drehzahlen mit kleineren Abgasgeschwindigkeiten verfügbar. Die Abkühlung und Vorentspannung der Abgase durch die frische Ansaugluft beeinflusst den Schadstoffgehalt günstig. Das Material des Läufers wird thermisch und mechanisch stark belastet (Temperatur- und Druckwechsel mit hoher Frequenz). Dichtung und Lagerung sind aufwendig. Bei schlechter Synchronisation mit der Motordrehzahl fällt die Leistung stark ab.

Vorteile der Druckwellenaufladung:

• Hoher Ladedruck bei niedrigen Drehzahlen (auch im unteren Drehzahlbereich verfügbar; kein „Turboloch“ und somit eine hohe Elastizität)
• Sehr schnelles Ansprechverhalten (keine Turbinenbeschleunigung erforderlich)
• Ermöglicht bei reduziertem Hubraum einen hohen Anteil an Saugvolllast und damit guten Wirkungsgraden.
• Auch bei sehr kleinen Ottomotoren (weniger als 1 Liter Hubraum) einsetzbar.

Nachteile der Druckwellenaufladung:

• Die aktuellen Abgasvorschriften sind nur mit großem Aufwand zu erfüllen (Vermischung von Abgas mit Frischgas sowie leichte Resonanzprobleme des Abgas, daher Rußen).
• Hohe Kosten, großer Bauraumbedarf
• Differenzdruckempfindlich zwischen Ansaug- und Abgasseite (Luftfilter, Dieselkatalysator, Rußpartikelfilter).
• Leichte Differenzdruckempfindlichkeit zwischen Umgebungs- und Abgastemperatur.
• Ladedruck fällt bei hohen Drehzahlen ab.
• Erst im Verlauf der Warmlaufphase verfügbar (Gefahr, dass Abgas in das Ansaugsystem gelangt).

Der Twingo Smile von Greenpeace 1996 hatte einen Druckwellenlader, sowie der Mazda 626 Diesel. Vom Opel Senator A2 wurden bei Irmscher Automobilbau 1.709 Exemplare mit einem 2,3 Liter Comprex-Diesel Motor gebaut.

Resonanzaufladung

Bei diesem Verfahren wird die Aufladung nicht durch ein eigenständiges Laderaggregat erreicht, sondern durch Nutzung der kinetischen Energie der im Ansaugtrakt strömenden Luft und der Schwingungen der Gas-Säule, die durch die diskontinuierliche Strömung angeregt werden. Die maximal erreichbare Steigerung des Drehmoments ist wesentlich geringer als bei einer Aufladung durch Verdichter, und es ist eine spezielle Konstruktion des Saugrohres notwendig. Verglichen mit Gebläseaufladung kann aber mit relativ wenig konstruktivem Zusatzaufwand eine Leistungssteigerung erzielt werden.

Einfache Konstruktionen saugen die Luft durch ein Rohr an, dessen Länge so bemessen ist, dass sich die im Rohr nachströmende Luft in dem Moment am Einlassventil zu stauen beginnt, in dem das Ventil öffnet. Die kinetische Energie der Luft wird so für eine Verbesserung des Füllungsgrades genutzt. Der Ladeeffekt wirkt jedoch nur in einem relativ schmalen Drehzahlband, und die Höchstleistung ist durch den Drosseleffekt des längeren Ansaugrohres begrenzt.

Durch Ändern der Länge des Ansaugrohres kann die Aufladung in einem breiteren Drehzahlbereich erreicht werden, wobei auch die Drosselung des Motors bei hohen Drehzahlen verringert wird. Die Länge wird dabei entweder kontinuierlich oder durch Klappen verändert (Schaltsaugrohr). Im unteren Drehzahlbereich strömt die Luft durch den langen Ansaugweg. Die kurzen Saugwege sind durch die Klappen oder durch Drehschieber verschlossen. Bei hohen Drehzahlen werden die Klappen elektropneumatisch oder elektrisch geöffnet. Die Länge des Ansaugtraktes wird somit an die höhere Gaswechselfrequenz angepasst, und die kürzeren Ansaugwege ermöglichen auch einen höheren Gasdurchsatz.

Wenn die Einlasssteuerzeit mit der Frequenz der Gasschwingung übereinstimmt, kommt es zur Resonanz. Diese bewirkt, angeregt durch den Rhythmus der Ansaugtakte der Zylindergruppe, eine zusätzliche Drucksteigerung. Bei mittleren Drehzahlen bewirken lange Saugrohre in Verbindung mit einem Resonanzbehälter lange schwingende Gassäulen mit großem Druck vor dem Einlassventil. In diesem Drehzahlbereich bewirkt die Resonanzschwingung eine Aufladung und damit eine bessere Füllung. Die Bildung von Zylindergruppen vermeidet eine Überschneidung der Strömungsvorgänge durch den in der Zündfolge nächsten Zylinder. Jeder Resonanzbehälter ist deshalb an einem Resonanzsaugrohr angeschlossen.

Verwendet wurden solche Systeme unter anderem von Lancia, Ford,Audi und BMW. BMW verwendete dieses Prinzip bereits in den 1950er Jahren bei Motorradmotoren. Bei der R25/3 war das Ansaugrohr aufgrund der notwendigen Länge durch den Tank geführt. Es ergab sich eine Leistungssteigerung um 1 PS gegenüber dem Vorgängermodell R25/2, das dieses Schwingrohr nicht aufwies. Besonders effizient war dieses Prinzip beim Wankelmotor: Aufgrund der fehlenden Einlassventile konnte beim NSU Spider mit passender Ausführung des Ansaugtraktes bereits anfangs der 1960er Jahre Liefergrade (das ist das Verhältnis der angesaugten Frischgemischmenge zur aufgrund des Hubraums möglichen Menge) von über Eins erreicht werden.

Sonstige

Es gibt noch eine Vielzahl weiterer Konstruktionen, die allerdings eher als technische Konzepte - fast ausschließlich als mechanische Lader - existieren und in der Praxis kaum Bedeutung erlangt haben. Nennenswert ist hiervon nur noch der Schraubenlader, an dessen Weiterentwicklung derzeit gearbeitet wird. Ansonsten kommen zur weiteren Leistungssteigerung technische Detailverbesserungen und verschiedene Kombinationen der genannten Lader zum Einsatz, wie z. B. die variable Einlassteuerung, Anordnungen mehrerer Lader parallel oder seriell (Register-, Kaskadenaufladung) und andere. Bei Rennfahrzeugen und einigen Serienmotorrädern wird zum Teil eine Leistungssteigerung durch Ram-Air-Systeme mit speziellen Ansaugöffnungen erreicht, die bei hohen Geschwindigkeiten den Staudruck der Luft zur Steigerung der Luftzufuhr ausnutzen.

Ladeluftkühlung

Die Leistung eines Motors ist proportional dem Luftdurchsatz, die der Motor ansaugt. Dieser wiederum ist proportional der Luftdichte. Durch die o. g. Methoden der Aufladung wird deshalb der Durchsatz gesteigert. Da durch die Verdichtung der Luft deren Temperatur ansteigt und die Dichte sinkt, wäre der Effekt der Aufladung gemindert. Durch Ladeluftkühler (engl. „Intercooler“) wird dem entgegengewirkt. Die mit sinkender Temperatur verbundene Dichtesteigerung wird in höhere Leistung umgesetzt, der Wirkungsgrad wird gesteigert und die niedrigere Prozesstemperatur senkt die thermische Belastung des Motors. Auch der NO_x-Gehalt wird durch die niedrigere Gastemperatur gesenkt und die zulässige Verdichtung des Motors bei gleichem Abstand zur Klopfgrenze erhöht.

Wirtschaftliche Betrachtungen

Otto- und Dieselmotor unterscheiden sich grundsätzlich im Arbeitsverfahren. Ottomotoren mit geregeltem Katalysator benötigen ein genau definiertes Verhältnis von Kraftstoff- und Luftmenge, das möglichst wenig vom theoretischen stöchiometrischen Verhältnis abweichen darf (siehe Lambdaregelung). Bei höherer Luftmenge steigt die benötigte Kraftstoffmenge proportional dazu. Die Verdichtung des Ottomotors ist wegen der unerwünschten Selbstentzündung begrenzt. Aus diesem Grund muss bei aufgeladenen Ottomotoren das Verdichtungsverhältnis herabgesetzt werden.

Der Dieselmotor arbeitet immer mit Luftüberschuss. Eine Erhöhung der Luftmenge ohne gleichzeitige Erhöhung der Kraftstoffmenge hat, anders als bei einem Ottomotor mit geregeltem Katalysator, keine negativen Auswirkungen auf die Abgaswerte. Die neueren Abgasnormen lassen sich ferner nur durch hohen Luftüberschuss erfüllen, dieser wiederum lässt sich ohne starken Drehmomentverlust nur durch Einsatz eines Laders erzielen. Die Verdichtung von Dieselmotoren ist höher, sie können mit der für den Wirkungsgrad günstigsten Verdichtung betrieben werden, die bei aufgeladenen Motoren mit Direkteinspritzung etwa bei 16:1 liegt. In der EU haben fast alle neu zugelassenen Diesel-Pkw aufgeladene Motoren, da die Besteuerung nach Hubraum aufgeladene Aggregate begünstigt. Auch werden fast alle neueren Modelle mittelschwerer und schwerer Diesel-LKW und Schiffsdiesel seit langem mit Ladern ausgeliefert.

Erst seit den 1990er Jahren, mit der Entwicklung leistungsfähiger digitaler Motorsteuerungen und kleiner, leichter und in Wirkungsgrad und Lebensdauer verbesserter Lader, wird die Motoraufladung (zusammen mit anderen Maßnahmen) in größerem Umfang bei Serien-PKW angewendet.

Literatur

1. ↑ Gersdorf/Grasmann/Schubert, Flugmotoren und Strahltriebwerke, Bernhard & Graefe Verlag Bonn 1995, ISBN 3-7637-6107-1

• Gert Hack, Iris Langkabel: Turbo- und Kompressormotoren. 1. Auflage, Motorbuch Verlag, Stuttgart, 1999, ISBN 3-613-01950-7
• John D. Humphries: Automobiltechnisches Handbuch für Turbolader und Kompressormotoren. 1. Auflage, Schrader Verlag GmbH, Suderburg-Hösseringen, 1993, ISBN 3-921796-05-9