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Turbolader für Diesel und verstärkt auch für Benziner

Der Turbolader ist ein fast nicht mehr wegzudenkender Bestandteil moderner Verbrennungsmotoren geworden. Fast alle direkt einspritzenden Dieselmotoren vom Pkw- bis zum Schiffsdiesel sind so aufgeladen. Durch frühzeitiges Einsetzen und Begrenzung im Ladedruck erfüllt sich ein alter Traum des Autofahrens, gerade aus relativ niedrigen Drehzahlen heraus kraftvoll beschleunigen zu können. Inzwischen beginnt der Turbolader, eine größere Zahl als die bisherigen 10% der Benzinmotoren (Stand 2006) zu erobern. Dabei könnte er den Kompressor als Konkurrenz verdrängen oder mit diesem eine Verbindung eingehen. Auch die variable Verdichtung scheint er nicht mehr unbedingt zu brauchen, weil inzwischen der Ladedruck elektronisch geregelt wird.


Turbine (Abgas) und Verdichter (Ansaugen) auf einer Welle

Der Turbolader besteht aus Turbine (rechts) und Verdichter (links) auf einer gemeinsamen Welle. Die Wellenlagerung müssen mehr als 260.000/min verkraften. Natürlich ist sie an den Ölkreislauf des Motors angeschlossen, was im Anfang bei den dort herrschenden Temperaturen zu Problemen führte. Bisweilen existiert deshalb auch eine Kühlmittelverbindung. Die Turbine wird vom Abgas des Motors angetrieben. Der Verdichter sorgt für eine Vorverdichtung der Frischluft. Er soll möglichst auch schon bei geringen Drehzahlen einen hohen Ladedruck erzeugen. Dieser kann durch eine variable Turbinengeometrie oder ein Bypassventil (Wastegate) gesteuert werden. Dieses gibt ab einem bestimmten Ladedruck den direkten Weg zur Abgasanlage unter Umgehung des Turbinenrades frei. Es Ventil kann pneumatisch vom Druck im Saugrohr oder elektrisch angesteuert werden.

Die Belastungen sind so groß, dass man z.T. von einem zweiten Motor sprechen kann. So entnimmt z.B. bei einem Porsche Turbo der zweiten Generation (1977) die Turbine dem System bei maximalem Ladedruck etwa 30 kW (41 PS). Das sind 13 Prozent der Motorleistung, obwohl dieser Turbolader sind nur bis zu 90.000/min schnell und die Austrittstemperatur für Ladeluft 130°C beträgt.

Verstellbare und doppelte Lader verbessern Ansprechverhalten

Wegen der geringeren Abgastemperatur sind (eher bei Dieselmotoren) die Schaufeln des Verdichterrades verstellbar, kann hier z.T. auf ein solches Ventil verzichtet werden. Um z.B. bei Schließung der Drosselklappe und/oder eine zu starke Abbremsung des Verdichterrades zu vermeiden, kann auch auf der Verdichterseite ein Bypassventil (Blow-/Pop-Off) eingebaut sein.
Die Anzahl der Motoren mit mehr als einem Turbolader nimmt zu. Diese sind meist parallel, können aber auch in Reihe geschaltet sein. Dieselmotoren (besonders in Nutzfahrzeugen) fahren mit höheren Drücken von maximal 1,5 bis 2,5 bar, Serien-Benziner eher unter 1 bar. Hintereinander geschaltet sind Drücke bis ca. 5 bar realisiert worden, allerdings nur bei Rennfahrzeugen mit Qualifikationsmotor. Hohe Temperaturen beim Verdichten werden durch einen Luft-Luft-Wärmetauscher (Ladeluftkühler) reduziert. Im zweiten Bild ist deutlich zu sehen, wie der Abgasdruck auf die Schaufeln des Turbinenrades gelenkt wird. Umgekehrt werden die Frischgase von der Mitte her beschleunigt und durch einen engen Spalt nach außen gedrückt.

Kein Fahren mit zu wenig Verdichtung mehr

Der Maximaldruck wird beim Dieselmotor hauptsächlich durch Belastung im Motor, beim Ottomotor hingegen durch die Klopffestigkeit des Kraftstoffes bestimmt. Da es (bis 2006) noch keinen Serienmotor gibt, dessen Verdichtungsverhältnis mechanisch den Betriebsbedingungen angepasst werden kann, läuft ein Ottomotor bei fest eingestelltem Wastegate im Bereich zu geringen Ladedrucks mit geringerem Wirkungsgrad. Dies kann durch Zündkennfelder nur unzureichend und mit einer elektronischen Ladedruck-Regelung viel besser aufgefangen werden. Diese ermöglicht gegenüber früher wesentlich höhere Verdichtungsverhältnisse. An diesem Kennwert jedenfalls ist ein moderner Benzin-Turbomotor von einem Saugmotor kaum noch unterscheidbar, was sich beim Verbrauch positiv bemerkbar macht. Zusammen mit dem Schichtladebetrieb einer Benzin-Direkteinspritzung und dem variablen Ventilhub ist hier sogar noch mehr drin.

Schlechteres Ansprechverhalten gegenüber Saugmotor

Ein wesentlicher Nachteil begleitet den Turbomotor von Anfang an. Er unterscheidet sich z.B. vom Kompressor durch ein verzögertes Ansprechverhalten. Obwohl ein Dieselmotor mit Turbolader im tiefen Drehzahlkeller eine Menge Dampf hat, muss man beim Anfahren etwas aufpassen, sonst würgt man ihn ab. Das ist eigentlich für den Dieselmotor nicht typisch. Bei seinen früheren, nicht aufgeladenen Artgenossen war das fast überhaupt nicht möglich, was sie zusätzlich als Fahrschulwagen qualifizierte. Es dauert halt einen Moment, bis sich die Drehzahl des Laders entsprechend der Gaspedalstellung erhöht hat. Ein kleiner Rest vom alten Turboloch ist geblieben. Abhilfe könnte vielleicht ein zusätzlich elektrisch angetriebener Turbolader bringen, der die Schaufelräder im Leerlauf bei geöffnetem Ladedruckventil vorsorglich erhöht.

Dauerhaft höchstens 970°C, kurzzeitig höchstens 1050°C

Es gibt auch ästetische Gründe gegen den Turbolader, wie sie zurzeit z.B. noch vom Mercedes-Veredler AMG genannt werden. Dort favorisiert man z.T. den Saugmotor wegen seines wunderschönen Klangbildes, das angeblich durch die Turbine im Abgasstrom nachhaltig beschädigt wird ...06/12




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