| Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt von der Luft- und der entsprechenden Kraftstoffmenge ab, die für die Verbrennung im Motor zur Verfügung stehen. Um 1 kg Kraftstoff vollständig zu verbrennen, benötigt der Motor 14,7 kg Luft (Lambda = 1). Soll die Leistung des Motors erhöht werden, muss mehr Luft und Kraftstoff zugeführt werden. Mehr Kraftstoff macht aber nur Sinn, wenn eine ausreichende Menge Sauerstoff für die Verbrennung vorhanden ist, ansonsten würde nur unnötig Kraftstoff verbraucht. Wird zusätzlicher Kraftstoff zugeführt, ohne dass der notwendige Sauerstoff verfügbar ist, kommt es zu einem stark (schwarz) rauchenden Motor.
Bei einem Saugmotor lässt sich die Leistung im wesentlichen dadurch steigern, dass man die den Hubraum oder die Drehzahl erhöht. Mit einem grösseren Zylindervolumen erhält man aber grössere, schwerere und somit auch teurere Motoren. Die Erhöhung der Drehzahl zieht eine Reihe von Problemen, z.B. höheren Verschleiß, nach sich. Steigert man sie dennoch, besteht die Gefahr der Überbeanspruchung einzelner Motorbauteile.
Die eleganteste Lösung zur Steigerung der Motorleistung besteht deshalb in der Vorverdichtung der Ansaugluft, d.h. dem Motor wird die Saugarbeit abgenommen. Wenn die Arbeit der Vorverdichtung aus der Nutzung der Restenergie in den Abgasen bewirkt wird, spricht man von Aufladung im modernen Sinn, wie sie z. B. durch Abgas-Turbolader oder Druckwellen-Lader verwirklicht werden.
Mechanisch angetriebene Kompressoren zur Aufladung entziehen dem Motor Nutzleistung, d.h. der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad ist schlechter als bei einer Abgasturboaufladung.
Funktionsweise eines Turboladers
Beim Verlassen des Zylinders haben die heissen Abgase (Temperatur bis ca. 1100° C) eine hohe Restenergie und damit die Möglichkeit, Arbeit zu leisten. Über den Einlassbereich des Turbinengehäuses strömen die Abgase auf das Turbinenrad. Der sich verengende Querschnitt des Turbinengehäuses sorgt dafür, dass die thermische Energie der Abgase in kinetische Energie umgewandelt wird. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Abgase versetzt dann das Turbinenrad in Drehung, d.h. die kinetische Abgasenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Entsprechend sinkt der Druck und die Temperatur im Abgas. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichterrad durch eine Welle fest verbunden. Vom Verdichter wird Frischluft aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet und mit dem entsprechenden Druck dem Motor zugeführt. Dem Motor wird also die Saugarbeit abgenommen. Mit der erhöhten Kraftstoffmenge für die vorverdichtete Luft kann der Motor eine höhere Leistung abgeben. Der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad des Motors wird verbessert, d. h. er arbeitet, bezogen auf die Leistung, insgesamt kostengünstiger.
Der Ölzufluss
Die Schmierung und Kühlung des Turboladers erfolgt über den Schmierölkreislauf des Motors. Das Lager- oder Mittelgehäuse bildet die Verbindung zwischen Turbine und Verdichter. Die Turbinenwelle dreht sich im Mittelgehäuse.
Schwimmendes Lagersystem
Die Turbinenwelle rotiert in einem schwimmenden Lagerungssystem, das aus einem oder zwei Radiallagern besteht. Von der Ölpumpe des Motors wird das Motoröl über verschiedene Kanäle zwischen das Lagergehäuse und die Lager, aber auch zwischen die Lager und Welle gepresst. Bei den meisten Turboladern drehen sich die Radiallager halb so schnell wie die Welle. Aber es gibt auch andere Versionen, bei denen das Radiallager fest montiert ist.
Die Turbinenwelle schwimmt gewissermaßen in einem Ölbad. Das Öl dient nicht nur zur Schmierung der Welle, sondern erfüllt auch eine wichtige Funktion als Kühlmittel für die Lager, die Welle und das Lagergehäuse. Durch die Revolution der keramischen Kugellager wurde eine weitere Möglichkeit eröffnet, die Turbolader robuster und haltbarer zu machen. Dabei gibt es entweder ein oder zweit keramische Kugellager zusätzlich zur oben genannten Gleitlagerung. Kugelgelagerte Turbolader haben meist eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. D.h. schnellerer Drehzahlanstieg des Turbos und früher einsetzender Ladedruck.
Um ein Übertreten des Motoröls in das Verdichter- bzw. Turbinengehäuse zu verhindern muss das Lagergehäuse nach beiden Seiten abgedichtet werden. Hierzu werden bei der dynamischen Abdichtung Kolbenringe verwendet. Diese Kolbenringe tragen zwar dazu bei, Ölleckagen zu verhindern, garantieren aber keine absolute Abdichtung. Eigentlich müsste man sie als eine Art Labyrinthdichtung bezeichnen, durch die der Gas- und Luftstrom von der Turbine bzw. vom Verdichter zum Lagergehäuse und umgekehrt erschwert wird. Wenn ein Turbolader normal arbeitet, sind die Drücke in der Turbine und im Verdichter höher als im Lagergehäuse und dies führt im Betrieb zu einer weiteren Ölabdichtung des Lagergehäuses. Die Gase aus der Turbine und die verdichtete Luft aus dem Verdichter werden teilweise auch in das Lagergehäuse geblasen und entweichen zusammen mit dem Öl über das Ölablaufrohr in das Kurbelgehäuse. Dies ist das Grundprinzip für die Abdichtung eines Turboladers.
Das Turbinengehäuse
Das Turbinengehäuse bildet zusammen mit dem Turbinenrad die Turbine.
Die Abgase werden vom Motor, über den Auspuffkrümmer zum Turbinengehäuse geleitet, dessen Strömungskanal zunehmend enger wird. Bei gleichbleibendem Abgasvolumen erhöht sich hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase. Über das spiralartige, schneckenhausförmige Turbinengehäuse werden die Gase auf das Turbinenrad geführt, welches sich dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehäuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine, vergleichbar mit einem Gartenschlauch; je enger man dessen Ende zusammendrückt, desto weiter spritzt das Wasser. Die Dimensionierung des Turbinengehäuses hinsichtlich Größe und engstem Querschnitt ist vom Gasvolumen, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwünschten Motorleistung abhängig.
Sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor werden in den letzten Jahren verstärkt die sogenannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Die momentan verwendete variable Steuerung in Turbinengehäusen, so z.B. im VW Golf TDI, verringert die sonst übliche Turbolader-Verzögerung ("Turboloch") auf ein Minimum. Ferner sorgt der Mechanismus, durch Verstellen des Anströmwinkels des Abgases auf den Turbinenläufer, für ein nahezu optimales Drehmoment in allen Last- und Drehzahlbereichen des Motors.
Turbinengehäuse werden aus einer qualitativ hohen, warmfesten Stahl-Legierung gegossen.
Das Turbinenrad
Das Turbinenrad selbst besteht aus einer hochwertigen Eisen-Nickel-Legierung. Der Bereich der Turbinenschaufeln, an dem die Abgase einströmen, wird Gaseintrittskante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittskante genannt.
Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweißt und bildet somit eine starre Verbindung zum Kompressor- bzw. Verdichterrad. Sie ist aus einer geringwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Für das Verschweißen wird ein spezielles Verfahren (Reibungsschweißen) angewendet, bei dem Welle und Turbinenrad in eine gegenläufige schnelle Umdrehung versetzt und aneinandergepresst werden. Infolge der Reibungswärme verschmelzen beide Materialien an der Berührungsfläche und bilden danach eine Einheit. (Mittlerweile wird auch das Lichtbogenschweißverfahren verwendet.)
Das Kompressor- bzw. Verdichterrad
Das Kompressor- bzw. Verdichterrad wird auf das dünnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Läufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Als letzter Arbeitsgang wird der Läufer präzise ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehäuse eingebaut wird.
Die Turbine (Turbinengehäuse und Turbinenrad mit Welle)
Das Turbinengehäuse bildet zusammen mit dem Turbinenrad die Turbine.
Über den Auspuffkrümmer werden die Abgase zum Turbinengehäuse geleitet. Der Strömungskanal im Turbinengehäuse wird zunehmend enger, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase erhöht. Der Grund für die Beschleunigung des Gasstromes ist, dass dasselbe Gasvolumen durch einen immer kleiner werdenden Querschnitt strömen muss. Über das spiralartige schneckenhausförmige Turbinengehäuse werden die Gase auf das Turbinenrad geführt, welches sich dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehäuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine. Man kann sich das wie bei einem Gartenschlauch vorstellen: je mehr man ihn zusammendrückt, desto weiter spritzt das Wasser. Die Auswahl von Größe und engstem Querschnitt des Turbinengehäuses ist vom Gasstrom, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwünschten Motorleistung abhängig.
Je nach Anwendungsgebiet weisen Turbinengehäuse große Unterschiede auf. Bei Lkw-Turboladern finden wir oft ein zweiflutiges Turbinengehäuse, in dem beide Gasströme erst kurz vor der Beaufschlagung des Turbinenrades vereinigt werden.
Mit einem solchen Gehäuse wird eine Stoßdruckaufladung (Impulsaufladung) möglich. Dabei wird außer der Temperatur auch die kinetische Energie der Abgase genutzt. Dies erfordert getrennte Abgasleitungen. Beim zweiflutigen Turbinengehäuse wird jeder Strom über den gesamten Umfang des Turbinenrades geführt. Eine andere Bauweise, die die Stoßdruckaufladung nutzt, stellt das Doppelstrom-Gehäuse dar. Hierbei wird von jedem Strom der halbe Umfang des Turbinenrades beaufschlagt. Im Gegensatz dazu wird bei der Staudruckaufladung (mitunter auch Gleichdrucksystem genannt) nur die Form von Temperatur der Abgase vorliegende Energie genutzt. Hierzu kann man einflutige Turbinengehäuse verwenden. Diese Bauweise hat sich vor allem bei wassergekühlten Turbinengehäusen für Schiffsmaschinen einen Platz erworben. In Turboladern für große Motoren ist vor dem Turbinenrad mitunter ein Düsenring (Turbinenleitkranz) angeordnet. Mit dem Düsenring wird eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung des Turbinenrads und eine Feinregelung des Volumenstroms durch die Turbine ermöglicht.
Bei den neuen Fahrzeugen werden sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor die sogenannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Veränderbare Strömungsquerschnitte im Turbinengehäuse zu schaffen, wäre ein Idealzustand, der schon 1958 von Chrysler bei Gasturbinen in PKW angestrebt wurde. Die derzeitige variable Steuerung in Turbinengehäusen so z.B. im VW Golf TDI verringert die sonst übliche Turbolader-Verzögerung auf ein Mindestmaß, da mit steigendem Abgas auch der Volumen im Gehäuse vergrößert wird und die Turbine bei höheren Drehzahlen oder Vollast dennoch optimal arbeitet.
Das Turbinengehäuse wird aus einer hoch warmfesten Stahllegierung gegossen. Das Turbinenrad selbst besteht aus einer hochwertigen Eisen-Nickel-Legierung. Der Bereich der Turbinenschaufeln, an dem die Abgase einströmen, wird Gaseintrittkante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittkante genannt.
Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweißt und bildet somit eine starre Verbindung zum Kompressor- bzw. Verdichterrad. Sie ist aus einer geringwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Für das Verschweißen wird ein spezielles Verfahren (Reibungsschweißen) angewendet, bei dem Welle und Turbinenrad in eine gegenläufige schnelle Umdrehung versetzt und aneinandergepresst werden. Infolge der Reibungswärme verschmelzen beide Materialien an der Berührungsfläche und bilden danach eine Einheit.
In Höhe der Verschweißung befindet sich in der Welle ein Zwischenraum, der als Wärmeübertragung vom Turbinenrad zur Welle hemmen soll. An der Turbinenseite der Welle befindet sich eine Nut, in die ein Kolbenring zur Abdichtung eingesetzt wird. Die Lauffläche der Radiallager wird gehärtet und feingeschliffen. Der Druckring für das Axiallager muss absolut senkrecht zur Wellenachse stehen und präzise bearbeitet sein. Das Kompressor- bzw. Verdichterrad wird auf das dünnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Läufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Als letzter Arbeitsgang wird der Läufer sehr genau ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehäuse eingebaut wird.
Die Drehzahl des Turboladers
Der Turbolader ist strömungstechnisch ausschließlich durch die Ladeluft und den Mengenstrom der Abgase mit dem Motor verbunden. Seine Drehzahl ist nicht von der Motordrehzahl abhängig, sondern von der Leistung, die der Motor abgibt. Wenn man dem Motor mehr Kraftstoff zuführt, wird die Energie in den Abgasen erhöht, wodurch sich die Läuferwelle des Turboladers schneller dreht und der Ladedruck steigt. Dadurch wird mehr Luft in die einzelnen Zylinder des Motors gepumpt, so dass wiederum mehr Kraftstoff zugefügt werden kann.
Durch eine weitere Verkleinerung der Turbolader können heute auch Motore mit einem Hubraum unter 1,0 Liter für Pkws oder sogar Motorräder aufgeladen werden.
So z. B. im Smart, dessen Turbolader mit Drehzahlen bis zu 290.000 U/min läuft.
Ladedruckregelung und Ansprechverhalten
Das Leistungsgleichgewicht zwischen Verdichter (Luftseite) und Turbine (Abgasseite) eines Turboladers ohne Ladedruckregelung führt zu einem Ladedruck, der sich proportional zur Abgasenergie des Motors verhält. In Motoren, die über einen sehr großen Drehzahlbereich arbeiten, wie z.B. Personenkraftwagen, ist ein möglichst hoher Ladedruck bereits bei niedrigen Drehzahlen wünschenswert. Abgasturbolader mit Ladedruckregelung bieten hier eine Lösung. Indem man ein Turbinengehäuse mit engem Querschnitt wählt, kommt die Turbine bzw. das Turbinenrad schon bei einer geringen Abgasmenge auf Drehzahl und der gewünschte Ladedruck wird schnell erreicht.
Betätigungs-Membran für Überdruckventil
Das Überdruckventil begrenzt den weiteren Druckanstieg, obwohl die Motorleistung weiter erhöht wird. Bei Turboladern mit einem großen Turbinengehäuse baut sich in der Regel der Ladedruck erst sehr spät auf und der höchste Ladedruck wird erst bei hoher Motordrehzahl erreicht.
Mittlerweile werden Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie (VNT / VTG) eingesetzt die fast über der gesamten Motordrehzahl den besten Ladedruck erzielen; auf ein Überdruckventil zur Ladedruckregelung kann also verzichtet werden.
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