Turbolader

Als Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich auch Turbo, wird ein Bauteil zur Verdichtung der einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft bezeichnet (Motoraufladung).

Die Motorleistung oder die Effizienz wird gegenüber einem Motor, der die Luft lediglich ansaugt (Saugmotor), gesteigert.

Der Turbolader ist ein Nebenaggregat des Verbrennungsmotors. Seine Arbeitsweise besteht darin, einen Teil der Energie des Motorabgases mittels einer Turbine zu nutzen, um einen Verdichter, meist einen Radialverdichter, anzutreiben. Durch den Verdichter wird der Luftdruck im Ansaugsystem erhöht, wodurch der Motor mehr Verbrennungsluft bzw. mehr für die Verbrennung notwendigen Sauerstoff erhält als ein nicht aufgeladener Saugmotor. Ein Saugmotor erhält die Verbrennungsluft nur durch den Unterdruck, den seine Kolben bei der Abwärtsbewegung im Zylinder erzeugen (Ansaugung).

Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine, die die Energie der ausgestoßenen Abgase nutzt und einen Verdichter antreibt, der die Zuluft des Motors verdichtet. Die Luftzuführung wird somit erhöht und die Ansaugarbeit der Kolben vermindert. Turbolader sind meist auf das Nutzen des Drucks der Abgase ausgelegt (Stauaufladung), manche können zusätzlich deren Bewegungsenergie nutzen (Stoßaufladung). Meist wird dem Verdichter ein Ladeluftkühler nachgeschaltet, der eine bessere Füllung bei geringerer Temperatur im Zylinder erreichen kann.

Erfinder des Turboladers ist der Schweizer Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent über die Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. In den 1930er-Jahren wurden von der Adolph Saurer AG aus Arbon Diesel-Lastwagen als erste Straßenfahrzeuge mit Turbolader produziert.

Ein großer Teil der Verluste entsteht bei thermodynamischen Kreisprozessen wie dem Diesel- oder dem Otto-Kreisprozess durch nicht genutzte Abgaswärme und den Abgas-Restdruck (typisch 0,5–1 bar Überdruck beim Saugmotor, beim Turbo 1–3 bar Überdruck), weil das Gas wegen des begrenzten Verdichtungsverhältnisses nicht mehr weiter expandiert werden kann. Beim Saugmotor wird es ungenutzt in den Auspuff entlassen. Effektiver ist es, einen Teil dieser Restenergie durch weitere Expansion in einer Abgasturbine zurückzugewinnen. Zum Anlaufen wird die Druckdifferenz genutzt, danach vor allem die Wärmeenergie der Abgase. Nur beim Hochlaufen ist der Turbinenteil eine Strömungsmaschine, danach zum größten Teil eine Wärmekraftmaschine. Daher kommt die Wirkungsgradsteigerung.

Die Wellenleistung dieser hochtourigen Abgasturbine kann auf verschiedene Weisen genutzt werden:

• Sie kann untersetzt auf die Kurbelwelle des Motors gekoppelt werden (Turbo-Compound-Motor).
• Sie kann einen elektrischen Generator antreiben, der eine sonst von der Kurbelwelle anzutreibende Lichtmaschine entlastet oder sogar überflüssig macht.
• Die von der Abgasturbine gewonnene Leistung kann über einen Verdichter die Ladeluft komprimieren. Das hat mehrere Effekte:
  • Im Ansaugtakt wird der Kolben mit Überdruck angetrieben, statt wie beim Saugmotor gegen Unterdruck arbeiten zu müssen.
  • Der Liefergrad erhöht sich, es gelangt mehr Luft in den Brennraum, wodurch sich auch die Leistung und der Wirkungsgrad des Motors erhöht.

In jüngerer Zeit werden kaum noch von der Kurbelwelle angetriebene Verdichter (umgangssprachlich auch als Kompressor bezeichnet) wie Drehkolbenverdichter oder Roots-Gebläse verwendet, da die günstig verfügbare Leistung einer Abgasturbine genutzt werden kann.

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung des maximalen Mitteldrucks und damit des Drehmoments und der maximalen Leistung bei gegebenem Hubvolumen. Diese Steigerung ergibt entweder einen stärkeren Motor mit annähernd gleichen Abmessungen und Gewicht als der ursprüngliche, nicht aufgeladene Motor, oder ermöglicht das Erzielen der gleichen Leistung aus einer kleineren Maschine (Downsizing). Das Leistungspotential der Turboaufladung wurde in den 1980er-Jahren in Formel-1-Motoren deutlich, als die stärksten Turbomotoren mit auf 1,5 l begrenztem Hubraum im Training Leistungen von mehr als 750 kW erreichten.

Der Überdruck der aufgeladenen Zuluft drückt den Kolben abwärts und sorgt dafür, dass keine Energie zum Ansaugen aufgewendet werden muss.

Ein großer Vorteil des Abgasturboladers gegenüber dem Kompressor ist, dass der Abgasturbolader zumindest teilweise ansonsten ungenutzten Überdruck (ca. 3 bar bei Höchstleistung) der Abgase verwendet, also wenig zusätzliche Leistung zu seinem Betrieb erfordert. Beim Turbolader strömt das heiße Abgas mit hoher Geschwindigkeit aus dem Zylinder und versetzt die Turbine in Rotation (der Kolben schiebt in der Folge den Rest des Abgases aus, wobei der Abgasgegendruck allerdings höher als bei einem nicht aufgeladenen oder einem Motor mit Kompressor ist – siehe dazu auch unter „Nachteile“ weiter unten). Dagegen ist ein Kompressor direkt mechanisch an den Motor gekoppelt (Zahnriemen, Zahnräder, Kette, Keilriemen) und zieht somit unmittelbar Nutzleistung vom Motor ab. Ein Vorteil des Kompressors ist, dass er schon bei geringerer Drehzahl als ein Turbolader Überdruck erzeugt. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems „Turbo“ liegt insgesamt aber höher als beim System „Kompressor“.

Aufladung führt zu höheren mechanischen und thermischen Belastungen sowie zu höheren Mitteldrücken. Daher müssen einige Bauteile verstärkt ausgelegt werden, zum Beispiel Motorblock, Zylinder, Zylinderkopf, Ventile, Zylinderkopfdichtung, Kolben, Kolbenringe, eventuell Pleuel, Kurbelwelle und einige Lager. Dies erhöht im Allgemeinen das Fahrzeuggewicht.

Wird der Turbolader im Rahmen eines Downsizings vorgesehen, so bleiben Drehmoment und Leistung in etwa bestehen, und der bisherige Antriebsstrang kann weitgehend beibehalten werden.

Manche Komponenten des Turboladers müssen eventuell (beispielsweise mit einem Ölkühler) gekühlt werden (insbesondere seine Lager).

Da der Lader seine Energie aus dem Druckgefälle zwischen den Abgasen und der Umgebungsluft bezieht, muss der Querschnitt der Auspuffanlage ausreichend groß sein, damit kein zu großer Gegendruck im Auspuff entsteht. Der Gegendruck sollte nicht über etwa 5 kPa liegen (wobei der Standardatmosphärendruck ca. 100 kPa beträgt).

Bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rotglühend heiß werden können, empfehlen manche Hersteller, den Motor nach Fahrten unter hoher Last nicht sofort abzustellen, sondern einige zehn Sekunden mit Standgas laufen zu lassen, um den Lader beim Abkühlen weiter drehen zu lassen. Geschieht das nicht, kann die ölgeschmierte Gleitlagerung der Welle durch Überhitzen irreparabel beschädigt werden.

Eine Möglichkeit, das zu verhindern, sind sogenannte Nachlaufregler (englisch Turbo Timer). Diese lassen den Motor nach dem Abschalten der Zündung eine einstellbare Zeit weiterlaufen. Allerdings nehmen manche Versicherungsgesellschaften das Fahrzeug dann nicht mehr an, da der Motor bei abgezogenem Zündschlüssel weiterläuft. Solche Nachlaufregler haben im Geltungsbereich der deutschen StVZO meistens auch keine Allgemeine Betriebserlaubnis. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer elektrischen Pumpe. Diese kann auch bei abgeschaltetem Motor arbeiten und den Lader kühlen.

Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine Regelung rund um den Turbolader notwendig, die die Störanfälligkeit senken soll, aber auch selbst Störungen erleiden kann. Die Diagnose bestimmter Schäden kann bei Motoren mit Turbolader komplizierter sein als bei ähnlichen Motoren ohne. Moderne vollelektronische Fahrzeugdiagnosesysteme („OBD“) erleichtern die Diagnose.

Im Teil Aufbau & Funktion wird beschrieben, dass die Lagerung in den Motorölkreislauf einbezogen ist. Die Gleitlager der Turbolader werden von einer motorgetriebenen Ölpumpe versorgt. Während des Beschleunigungsvorgangs (transientes Betriebsverhalten) erzeugt der Turbolader nicht ausreichend Ladedruck, so dass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht, der Öl aus dem Turbolader-Lager ansaugen kann und den Verbrennungsräumen zuleitet. Je nach Fahrintervall liegen Schätzungen vor, dass 30 bis 40 % des Motorölverbrauchs aus der Lagerung des Turboladers kommen. Dieses Motoröl erzeugt Rußpartikel, die ohne Filterung teilweise – falls nicht verbrannt – ausgeleitet werden.

Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen fehlte vor allem älteren Turbomotoren für Kfz zunächst die richtige Abgasmenge, um den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Erst wenn bei steigender Drehzahl ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung stand, setzte die Aufladung ein. Generell setzt die Leistungsabgabe bei plötzlichem Gasgeben verzögert ein, da der Abgasstrom zunächst die Turbine hinreichend beschleunigen muss, damit sich der Ladedruck einstellt. Diese Verzögerung bei plötzlichen Lastsprüngen bezeichnet man als Turboloch. Diese Eigenheiten konnten durch Regelsysteme und den Einsatz kleinerer Lader oder speziell geformter Kanäle im Zylinderkopf zu einem großen Teil kompensiert werden. Konstruktionsbedingt gilt: Ein kleiner Lader spricht aufgrund der geringeren bewegten Masse schneller an als ein großer; ein großer Lader jedoch kann aus gleichem Hubraum eine höhere maximale Leistung erzielen.

In Rallyefahrzeugen gibt es Anti-Lag-Systeme, die dem Absinken der Turbolader-Drehzahl entgegenwirken, und dadurch ein Turboloch verhindern oder abmildern.

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