Turbomotor: Leistung durch Aufladung

Turbomotor: Leistung durch Aufladung

 

Zur Leistungssteigerung und Verbesserung des Drehmomentverlaufs werden in Verbrennungsmotoren verschiedene Varianten der Aufladung genutzt. Das Prinzip: Durch Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffes notwendigen Luft wird der Luftdurchsatz im Zylinder gesteigert, was bei gleicher Motordrehzahl und gleichem Hubraum zu einer höheren Leistungsabgabe durch eine bessere Kraftstoffverbrennung führt. Zu unterscheiden sind verschiedene Arten der »Lader«: mechanische Lader, Abgasturbolader und Druckwellenlader.

 

 Mechanische Lader

 

Der klassische Lader für Benzinmotoren ist der Kompressor, dessen Antrieb direkt durch den Motor erfolgt, d. h., er verbraucht einen Teil seiner selbst erzeugten Leistung. Der Kompressor besteht in der Ausführung als Roots-Lader aus zwei annähernd luftdicht gegeneinander abgedichteten Drehkolben, die wie Zahnräder ineinander greifen (ohne sich zu berühren) und die Frischluft an den Gehäusewänden entlang zur Druckseite hin verdichten. Die Synchronisation der beiden Drehkolben geschieht durch Zahnräder außerhalb des Laders, die wiederum von der Kurbelwelle des Motors angetrieben werden. Durch diesen Kurbelwellenantrieb steht bereits bei kleinen Drehzahlen Ladedruck für die Zylinder zur Verfügung. Das von Abgasturboladern bekannte »Turboloch« im unteren Drehzahlbereich entfällt.

 

 Abgasturbolader

 

Motoren mit Kompressoraufladung finden nur noch vereinzelt Anwendung. Die Verdichtung der Frischluft übernehmen heute vielmehr Abgasturbolader, deren Bezeichnung von der zweifach eingesetzten Turbine (Aufladegebläse und Abgasturbine) stammt. Das Aufladegebläse (Verdichterturbine) verdichtet die Frischluft. Die Abgasturbine, auf die die aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstandenen Abgase treffen und die dadurch in Rotation versetzt wird, treibt über die gemeinsame Welle die Verdichterturbine an. Turbolader nutzen damit die ansonsten verlorene Abgasenergie zur Luftverdichtung. Die Abgasturbine erreicht bis über 100000 Umdrehungen pro Minute bei sehr hohen Temperaturen, was hohe Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe sowie die Schmierung stellt.

 

Für Turbolader in Pkws ist wegen des großen Motordrehzahlbereichs meist eine Regelung notwendig, da ansonsten nur bei maximalem Abgasmassestrom und maximaler Abgastemperatur der volle Ladedruck für die »Füllung« der Zylinder bereit stehen würde. Um einen möglichst konstanten Ladedruck zu erzeugen, wird über ein Regelventil ein Teil der Motorabgase ungenutzt an der Abgasturbine vorbei zum Auspuff geführt.

 

 »Turboloch«

 

Der Abgasturbolader ist nicht wie der Kompressor über die Kurbelwelle mit dem Motor gekoppelt (dort gleiche Lader- und Motordrehzahl). Eine Verbindung besteht lediglich durch den Luft- und Abgasmassestrom. Damit hängt die Laderdrehzahl nicht direkt von der Motordrehzahl ab, sondern vom Leistungsgleichgewicht zwischen Verdichter- und Abgasturbine. Im Unterschied zur mechanischen Aufladung (Kompressor) kommt dem Ansprechverhalten beim Turbolader wesentliche Bedeutung zu. Bei niedriger Motordrehzahl und wenig »Gas« durch den Fahrer steht unter Umständen nicht ausreichend Abgas zur Verfügung, sodass die Turbinen nur mit geringer Drehzahl laufen. Betätigt der Fahrer das Gaspedal, reagiert der Motor mit Verzögerung, da erst Abgas erzeugt werden muss, damit der Turbolader Druck für die Luftverdichtung liefern kann. Um dieses »Turboloch« zu vermeiden, werden Turbinen heute mit möglichst geringem Strömungsquerschnitt und kleinem Turbinenraddurchmesser gebaut. Dadurch entstehen kleinere Trägheitsmomente und der Lader kann schneller »hochlaufen«.

 

 Druckwellenlader

 

Eine Verknüpfung mechanischer Lader mit dem Prinzip der Abgasturboaufladung erfolgt bei Druckwellenladern. Bei diesen strömt das Abgas über die Abgasleitung in den Rotor und gibt Energie an die angesaugte Frischluft ab. Der Energieaustausch geschieht mit Schallgeschwindigkeit, wobei der Rotorantrieb direkt von der Kurbelwelle des Motors über einen Riemen erfolgt und dadurch eine Synchronisation von Lader- und Motordrehzahl besteht. Im Rotor wird die Luft komprimiert sowie beschleunigt und gelangt über die Ladeluftleitung in die Zylinder. Die Abgase werden über den Auspuff ausgestoßen.

 

Das Prinzip besitzt Vorteile gegenüber den anderen beiden Laderarten, da sich preiswerte Materialien einsetzen lassen, wenig Antriebsenergie notwendig ist und nicht die hohen Temperaturen wie beim Abgasturbolader entstehen. Als problematisch erweist sich die optimale Abstimmung der Öffnungen in Rotor-, Luft- und Gasgehäuse.