Turbolader-Motoren erklärt: Wichtige Fakten & Innovationen

Haben Sie von der Hochleistungs-Vorrichtung in Verbrennungsmotoren gehört? Das Geheimnis ist der Turbolader. Auch als Turbo bekannt, wurde er Anfang des 20. Jahrhunderts vom Schweizer Ingenieur Alfred Büchi erfunden. Er stellte einen Prototyp vor, um die Leistung von Dieselmotoren zu steigern.

Heute ist Turboladung Standard bei den meisten Otto- und Dieselmotoren. Die Forschung geht weiter, um Turbolader-Designs für bessere Leistung bei geringeren Herstellungskosten zu verbessern. Auch wenn vibrationsbedingte Spannungen und Lagerleistung Hauptausfallursachen sind, sollte eine rotodynamische Analyse ein wichtiger Teil des Turbolader-Designprozesses sein.

In einem Automobilmotor wird Leistung im Brennraum durch das Ansaug-Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Nach der Verdichtung wird das Gemisch als Abgas freigesetzt, wird zum Abfallprodukt und verursacht Umweltverschmutzung. Statt die Abgase ungenutzt zu lassen, nutzt der Turbolader sie, um den Motor schneller laufen zu lassen. Lassen Sie mich erklären.

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Heute betrachten wir Definition, Funktionen, Anwendungen, Bauteile, Geschichte, Diagramm, Typen, Funktionsprinzip sowie Vor- und Nachteile eines Turboladers. Dieser Artikel ist umfangreich, ich rate Ihnen, ihn vollständig zu lesen.

Turbolader-Definition

Ein Turbolader ist eine turbinengetriebene, zwangsaufgeladene Vorrichtung, die den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe von Verbrennungsmotoren erhöht, indem sie zusätzliche verdichtete Luft in den Brennraum presst. Diese Heißluftinduktion funktioniert, weil der Verdichter mehr Luft und proportional mehr Kraftstoff in den Brennraum drücken kann als der normale atmosphärische Druck.

Ein Turbolader ist eine an einem Fahrzeugmotor montierte Vorrichtung zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads und zur Steigerung der Motorleistung. Turbolader waren ursprünglich als Turbosupercharger bekannt, da alle Zwangsansaugvorrichtungen als Supercharger klassifiziert werden. Ein Supercharger ist ein mechanisch angetriebenes Zwangsansaugsystem.

Der Unterschied zwischen Turbolader und konventionellem Supercharger: Der Turbolader wird von einer Turbine angetrieben, die von den Abgasen des Motors getrieben wird. Ein Supercharger wird mechanisch von der Kurbelwelle angetrieben, oft über einen Riemen. Turbolader sind effizienter, aber weniger ansprechbereit. Der Begriff Twincharger bezeichnet einen Motor mit Turbolader und Supercharger.

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Geschichte

Kurze Geschichte des Turboladers: Verdienst geht an Gründer Alfred J. Büchi (1879–1932), der in einer Ingenieurwerkstatt der Gebrüder Sulzer Engine Company in Winterthur, Schweiz, beschäftigt war. Das Projekt wurde ein Jahr vor dem Ersten Weltkrieg entwickelt und 1905 in Deutschland patentiert. Er verbesserte das Projekt bis zu seinem Tod vier Jahrzehnte lang.

Auch andere Ingenieure verdienen Anerkennung. Einige Jahre früher experimentierte Sir Dugald Clark (1854–1932), schottischer Erfinder des Zweitaktmotors, mit der Trennung von Verdichtungs- und Expansionsstadien der Verbrennung mittels zwei separater Zylinder.

Sein Experiment funktionierte wie Aufladung, steigerte sowohl Luftstrom in die Zylinder als auch die verbrennbare Kraftstoffmenge. Weitere Ingenieure wie Louis Renault, Gottlieb Daimler und Lee Chadwick wirkten an Aufladesystemen mit.

Funktionen des Turboladers

Die Hauptfunktion eines Turboladers ist die Steigerung der Arbeitsleistung eines Automobilmotors. Zwecke, warum Turbos trotz weniger Einschränkungen immer existieren werden:

• Zusätzliche Leistung ohne Erhöhung des Hubraums.
• Motor läuft schneller ohne Erhöhung der Kraftstoffverbrennungsrate.
• Nutzung von Kohlenstoffdioxid (Abgas) statt Umweltverschmutzung.

Anwendungen des Turboladers

Turbolader werden häufig in Automobilmotoren wie Lkw, Pkw, Zügen, Flugzeugen und Baumaschinen eingesetzt. Moderne Otto- und Dieselmotoren verfügen über Turbolader.

Lassen Sie uns einige Anwendungen näher betrachten:

Benzin- und Diesel-Pkw: Wie erwähnt, sind turbogeladene Pkw bei Benzin- und Dieselmotoren üblich, um die Leistungsabgabe bei gegebenem Hubraum zu erhöhen. Sie verbessern auch die Kraftstoffeffizienz, ermöglichen kleinere Hubräume. Diese Motoren verlieren ca. 10 % Gewicht und sparen bis zu 30 % Kraftstoff bei gleicher Spitzenleistung.

Der erste turbogeladene Serienwagen war der Oldsmobile Jetfire. Er nutzte die Komponente für einen 215 cu in Aluminium-V8 und bei Chevrolet Produkten namens Corvairs, zunächst Monza Spyder mit luftgekühltem Sechszylinder-Boxermotor.

Diesel-Pkw setzen stark auf Turbolader für verbesserte Effizienz, Fahrbarkeit und Leistung. Erstmals 1978 im Garrett-turbogeladenen Mercedes-Pkw.

Lkw: Aus gleichen Gründen nutzen Dieselmotoren in Lkw seit 1938 Turbolader.

Flugzeuge: Über die Jahre steigerte der Turbolader auch die Effizienz von Flugzeugen.

Motorräder: Die meisten japanischen Unternehmen produzierten seit den frühen 1980ern Hochleistungsmotorräder mit Turbolader. Es gibt jedoch wenige turbogeladene Motorräder, da größere Hubräume mit natürlicher Ansaugung verfügbar sind, die Drehmoment- und Leistungsvorteile kleinerer Motoren mit Turbo bieten, aber linearere Leistungscharakteristiken liefern.

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Bauteile von Turboladern

Im Folgenden die Hauptbauteile eines Turboladers und ihre Funktionen:

• Kartuschen (vollständig montierte und gewuchtete Turbolader-Kerne)
• Vakuum- und pneumatische Aktuatoren
• Elektronische Aktuatoren (elektrische Servoantriebe)
• Verdichtergehäuse (Gehäuse der kalten Seite/des Teils des Turboladers)
• Turbolader-Reparatursets (Ersatzteilsätze für schnelle Kleinreparaturen)
• Verdichterräder (Turbolader-Verdichterräder)
• Wellen und Räder (Turbolader-Wellen mit Turbinenrad, Turbinenrotoren)
• Düsenringgehäuse (Gehäuse für VNT-Geometriewellen-Steuerelemente)
• Lagergehäuse (Kartuschengehäuse, Turbo-Kerngehäuse)
• Rückplatten (Turbolader-Kernplatten von der Verdichterseite)
• VNT-Düsenringe (Ringe mit Düsen für VNT-Turbolader, VNT-Geometriewellen-Steuerknoten)
• Hitzeschilde (Turbolader-Kern-Hitzeschilde)
• Dichtungssätze (Turbolader-Dichtungssätze)
• Aktuatorsensoren (Drucksensoren, Positionssensoren)
• VNT-Dichtungen (interne Dichtungen für VNT-Turbolader)
• Turbinengehäuse (Gehäuse der heißen Seite/des Teils des Turboladers)
• Elektronische Aktuatorteile (Elektromotoren, Wellen, Getriebe von Turbolader-Servoantrieben).

Arten von Turboladern

Im Folgenden die verschiedenen Arten von Turboladern:

Single Turbo:

Der Single Turbo ist der einfachste, häufigste und günstigste Typ. Er bietet grenzenlose Variabilität und als kleinerer Turbo besseren Low-End-Druck, da er schneller hochdreht. Er verfügt über Kugel- und Gleitlager, die weniger Reibung für Verdichter und Turbine bieten.

Vorteile: Kleinere Motoren können einen Turbo erhalten, Kosteneffizienz, Einfachheit, leichter Einbau. Erhöht auch die Motoreffizienz.

Einschränkungen: Begrenztes effektives Drehzahlband. Single Turbos machen die Dimensionierung zum Problem, da man zwischen besserer Spitzenleistung oder gutem Low-End-Drehmoment wählen muss. Schließlich kann das Ansprechverhalten im Vergleich zu anderen Turbo-Typen langsamer sein.

Twin Turbos:

Twin-Turbo ermöglicht einen einzelnen Turbolader pro Zylinderbank (V8, V12 etc.). Alternativ ein kleiner Turbo für niedrige Drehzahlen und Umleitung zu einem größeren für hohe Drehzahlen. Zwei ähnlich große Turbos, wobei einer bei niedrigen, beide bei hohen Drehzahlen arbeitet (14, 16). BMW X5 M und X6 M nutzen Twin-Scroll-Turbos, je einen pro V8-Seite.

Vorteile bei sequenzieller oder gestufter Nutzung: Breiteres, flacheres Drehmomentkurvenprofil, besseres Low-End-Drehmoment, aber Leistung fällt bei hohen Drehzahlen nicht ab wie bei Single Turbo. Einschränkungen: Kosten und Komplexität, da Komponente fast verdoppelt wird. Es gibt leichtere Alternativen für ähnliche Ergebnisse.

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Twin-Scroll Turbo:

In fast jeder Hinsicht sind Twin-Scroll-Turbolader besser als Single-Scroll-Turbos, da durch zwei Scrolls die Abgasimpulse getrennt werden. Beispiel: Vierzylindermotor mit Zündfolge 1-3-4-2, Zylinder 1 und 4 speisen einen Scroll, Zylinder 2 und 3 den anderen. Der Zweck: Überlappung im Zylinder. Angenommen, Zylinder 1 beendet seinen Arbeitstakt, Kolben erreicht unteren Totpunkt, Auslassventil öffnet. Gleichzeitig beendet Zylinder 2 seinen Auslasstakt, schließt Ventil und öffnet Einlassventil.

Ein traditioneller Single-Scroll-Turbokrümmer unterscheidet sich: Der Abgasdruck von Zylinder 1 stört Zylinder 2 beim Ansaugen von Frischluft, da beide Auslassventile kurzzeitig offen sind. Dies verringert den Druck am Turbo und beeinträchtigt die Luftmenge, die Zylinder 2 ansaugt.

Vorteile: Mehr Energie erreicht die Abgasturbine und breiteres effektives Drehzahlband für Ladedruck. Durch unterschiedliche Scroll-Designs mehr Ventilüberlappung ohne Beeinträchtigung der Abgasnachbehandlung, mehr Abstimmungsflexibilität.

Einschränkungen: Höhere Kosten und Komplexität im Vergleich zu Single Turbos, erfordert spezifisches Motorlayout und Abgasanlagendesign.

Variable-Geometrie-Turbolader (VGT):

Variable-Geometrie-Typen sind bei Dieselmotoren üblich und in der Produktion begrenzt. Grund: Kosten und exotische Materialanforderungen. Interne Schaufeln im Turbolader verändern das Flächen-Radius-Verhältnis (A/R) passend zur Drehzahl. Bei niedriger Drehzahl niedriges A/R-Verhältnis zur Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit und schnellem Hochdrehen des Turbos. Steigen die Drehzahlen, erhöht sich das A/R-Verhältnis zur Erhöhung des Luftstroms, was niedriges Turboloch, niedrige Boost-Schwelle und breites, sanftes Drehmomentband ergibt.

Vorteile: Breites, flaches Drehmomentkurvenprofil, effektiv bei sehr breitem Drehzahlband. Erfordert nur einen Turbo, vereinfacht sequentielles Turbo-Setup zu kompakterer Lösung. Einschränkungen: Nur in Dieselanwendungen, wo Abgase kühler sind, damit Schaufeln nicht durch Hitze zerstört werden. Bei Ottomotoren wären teure exotische Metalle für Zuverlässigkeit nötig.

Variable Twin-Scroll Turbolader:

Der variable Twin-Scroll-Turbo ist deutlich günstiger als VGTs, was ihn für Benzin-Turboladung bevorzugt macht. Er kombiniert VGT mit Twin-Scroll-Setup: Bei niedriger Drehzahl ist ein Scroll vollständig geschlossen, zwingt gesamte Luft in den anderen. Mit steigender Drehzahl öffnet ein Ventil für den anderen Scroll und gutes High-End-Verhalten.

Vorteile: Breites, flaches Drehmomentkurvenprofil, robusteres Design als VGT. Kosten und Komplexität sind Einschränkungen, Technologie war zuvor unerwünscht.

Elektrische Turbolader:

Mit Elektromotor im Turbolader werden Funktionen verbessert und sofortiger Boost geliefert. Low-End-Drehmoment leicht erzeugt, Turboloch eliminiert. Dieser Turbolader ist vielleicht der beste, bis eine neue Version ihn übertrifft.

Vorteile: Breiteres effektives Drehzahlband mit gleichmäßigem Drehmoment. Verlorene Energie wird zurückgewonnen, da Elektromotor direkt mit Abgasturbine verbunden. Turboloch und unzureichende Abgase können virtuell eliminiert werden, indem der Verdichter bei Bedarf elektrisch angetrieben wird.

Komplexität und Kosten sind Nachteile durch den Elektromotor. Verpackung und Gewicht sind problematisch, besonders mit zusätzlicher Bordbatterie für ausreichende Turbo-Leistung. Ähnliche Vorteile lassen sich mit VGTs oder Twin-Scrolls erzielen.

Funktionsprinzip

Mit Grundkenntnissen eines Strahltriebwerks ist das Verständnis von Turbolader-Autos einfacher. Ein Strahltriebwerk saugt Frischluft vorne an, mischt und verbrennt sie mit Kraftstoff in der Brennkammer. Dann bläst es heiße Luft hinten raus. Der heiße Strom passiert eine Turbine aus kompaktem Metallwindrad, die den Verdichter (Luftpumpe) vorne am Triebwerk antreibt. Dieser drückt Luft in den Motor für ordnungsgemäße Verbrennung.

Ein ähnlicher Prozess gilt für den Turbolader am Kolbenmotor. Abgase treiben die Turbine an, die einen Luftverdichter dreht, der zusätzliche Luft in die Zylinder presst. Mehr Kraftstoff wird pro Sekunde verbrannt, weshalb ein turbogeladenes Auto mehr Leistung erzeugen kann. Mehr Energie pro Sekunde.

Turbolader bestehen aus zwei Hälften, die durch eine Welle verbunden sind. Eine Hälfte enthält eine Turbine, die von heißen Abgasen gedreht wird, die andere einen Verdichter, der Luft ansaugt und in den Motor verdichtet. Diese Verdichtung bietet zusätzliche Leistung und Effizienz. Je mehr Luft in den Brennraum gelangt, desto mehr Kraftstoff wird zugegeben, was zusätzliche Leistung erzeugt.

Beachten Sie: Die verdichtete Luft ist heiß, weniger dicht und steigt über Kühler. Diese heiße Luft ist weniger effektiv für die Kraftstoffverbrennung. Daher muss die Luft vom Verdichter vor dem Eintritt in die Zylinder gekühlt werden. Deshalb strömt die heiße Luft vom Verdichter über einen Wärmetauscher, der überschüssige Wärme entfernt, bevor sie in den Brennraum gelangt.

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Woher die zusätzliche Leistung kommt und wie viel man bekommt

Die meisten denken, die Turbine liefert zusätzliche Leistung aus den empfangenen Abgasen, aber das stimmt nicht. Das Abgas treibt den Verdichter an, der Luft in den Brennraum überträgt, sodass der Motor jede Sekunde mehr Kraftstoff verbrennt. Die zusätzliche Leistung stammt vom zusätzlichen Kraftstoff, der schneller verbrannt wird.

Die zusätzliche Leistung hängt von der Komponentengröße ab. Turbolader können verbessert werden, um den Motor leistungsstärker zu machen, je nach gewünschter Leistung. Es gibt jedoch eine Verbesserungsgrenze. Zylinder können nur begrenzte Luft- und Kraftstoffmengen aufnehmen.

Vor- und Nachteile von Turboladern

Vorteile:

Im Folgenden die Vorteile von Turboladern:

• Zusätzliche Leistung für den Motor.
• Kostenlose Leistung durch Abgase, benötigt keine Motorleistung zum Antreiben.
• Einsetzbar in Diesel- und Ottomotoren.
• Verbessert Kraftstoffeffizienz von Motoren.

Nachteile:

Trotz der Vorteile bleiben zwei Haupteinschränkungen. Nachteile des Turboladers:

Ein großes Problem ist das Turboloch. Tritt auf, wenn das Gaspedal gedrückt wird und der Motor Zeit braucht, um hochzudrehen. Turbolader brauchen Zeit, um die Motordrehzahl widerzuspiegeln.

Bei niedriger Motordrehzahl gibt es nicht genug Abgase, um den Verdichter für die benötigte Leistung anzutreiben. Das erforderliche Abgas entsteht erst nach Betätigung des Gaspedals. Dieser Effekt wird durch Herunterschalten in einen niedrigeren Gang reduziert, aber erfahrene Fahrer bemerken die winzige Verzögerung.

Die zweite Einschränkung tritt nicht im Alltagsbetrieb auf. Nur wenn der Motor an seine Grenzen gebracht wird. Die Hitze der Abgase wird sehr stark und lässt den Turbolader rotglühen.

Deshalb sind die meisten turbogeladenen Sportwagen mit Lüftungsschlitzen an der Motorunterseite ausgestattet. Diese sorgen für konstante Luftzirkulation und Kühlung der Teile.

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Zusammenfassend haben wir Ihnen die verschiedenen Funktionen von Turboladern vorgestellt. Eine davon ist die Steigerung der Arbeits- und Kraftstoffeffizienz. Wir sahen auch die verschiedenen Turbo-Typen und ihr Funktionsprinzip. Vor- und Nachteile wurden ebenfalls aufgezeigt.

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