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2. Abgasturboaufladung

Bei der Abgasturboaufladung  wird ein Teil der ansonsten verlorenen Abgasenergie zum Antrieb einer Turbine genutzt. Der Verdichter saugt die Verbrennungsluft an und fьhrt sie dem Motor verdichtet zu. Die dafьr notwendige Leistung wird von der Turbine erzeugt. Anders als bei der mechanischen Aufladung besteht bei der Abgasturboaufladung keine mechanische Kopplung mit dem Verbrennungsmotor.

Ein groЯer Vorteil der Abgasturboaufladung ist der geringe Verbrauch des Turbomotors gegenьber dem gleichen Saugmotor, da ein Teil der sonst ungenutzten Abgasenergie zur Motorleistung beitrдgt. AuЯerdem sind die Reibungs- und Leistungsgewichte (in Kilogramm Motorgewicht je Kilowatt Leistung) beim Turbomotor gegenьber dem Saugmotor deutlicher geringer.

Das Hцhenverhalten des abgasturboaufgeladenen Motors ist deutlich besser. Allerdings verschlechtert sich das Anfahrverhalten, d.h. das „Turboloch“ vergrцЯert sich. Ein Saugmotor verliert in groЯen Hцhen infolge des verringerten Luftdrucks betrдchtlich an Leistung. Bei dem Turbomotor steigt die Turbinenleistung aufgrund des grцЯeren Druckgefдlles zwischen nahezu konstantem Druck vor Turbineneintritt und niedrigerem Umgebungsdruck nach Turbine deutlich an. Die geringe Luftdichte vor Verdichter wird so zum grцЯten Teil wieder ausgeglichen. Theoretisch verliert der Motor kaum an Leistung. Die gleiche Nennleistung wie auf Meereshцhe kann allerdings nicht erreicht werden, da die Maximale Turboladerdrehzahl bauteilbedingt begrenzt ist.    

2.1. StoЯaufladung

Um bei kleinen Motordrehzahlen ein groЯes Motordrehmoment zu bekommen bedient man sich der StoЯaufladung. Hierbei werden die Abgase der Zylinder in einzelnen Rohrleitungen zur Turbine geleitet. Durch kleine Rohrdurchmesser wird die kinetische Energie der Abgaspulsation ausgenutzt. Der Druck in den Leitungen ist nicht konstant. Es dьrfen nur Zylinder zusammengefasst werden, die sich beim Ladungswechsel nicht beeinflussen. Die Abgasleitungen werden auch innerhalb der Turbine getrennt bis zum Laufrad gefьhrt. Dies wird mit mehrflutigen Gehдusen erreicht. Je nach Aufwand werden auch die Abgase jedes einzelnen Zylinders zur Turbine gefьhrt. Die Pulsation in den einzelnen Abgasrohren regt die Turbinenschaufeln zu Schwingungen an. Die stoЯweise und wechselnde Teilbeaufschlagung verschlechtert den Wirkungsgrad der Turbine.

2.2. Stauaufladung

Bei Stauaufladung werden die durch das Ausschieben bedingten Druckpulsationen der einzelnen Zylinder in einem einzigen Abgassammelbehдlter geglдttet. Die Turbine kann dadurch im Bereich hoher Motordrehzahlen bei geringem Druck mehr Abgas durchsetzen. Da der Motor gegen einen geringeren Abgasgegendruck ausschieben kann, verbessert sich der Kraftstoffverbrauch des Motors in diesem Betriebsbereich. Nachteilig wirkt sich das geringere Motordrehmoment bei kleinen Drehzahlen aus. Das Verfahren wird bei Motoren eingesetzt, die keinen groЯen Drehmomentьberschuss zur Fahrzeugbeschleunigung benцtigen (z.B. Schiffs- und Generatormotoren). Die Turbine des Laders wird gleichmдЯig beaufschlagt.
 

3. Funktionsweise eines Turboladers

Beim Verlassen des Zylinders haben die heiЯen Abgase (Temperatur ca. 1100° C) eine hohe Restenergie und damit die Mцglichkeit, Arbeit zu leisten. Ьber den Einlassbereich des Turbinengehдuses strцmen die Abgase auf das Turbinenrad. Der sich verengende Querschnitt des Turbinengehдuses sorgt dafьr, dass die thermische Energie der Abgase in kinetische Energie umgewandelt wird. Die hohe Strцmungsgeschwindigkeit der Abgase versetzt dann das Turbinenrad in Drehung, d.h. die kinetische Abgasenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Entsprechend sinken der Druck und die Temperatur im Abgas. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichterrad durch eine Welle fest verbunden. Vom Verdichter wird Frischluft aus der Atmosphдre angesaugt, verdichtet und mit dem entsprechenden Druck dem Motor zugefьhrt. Dem Motor wird also die Saugarbeit abgenommen. Mit der erhцhten Kraftstoffmenge fьr die Vorverdichtete Luft kann der Motor eine hцhere Leistung abgeben. Der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad des Motors wird verbessert, d. h. er arbeitet, bezogen auf die Leistung, insgesamt kostengьnstiger.

3.1. цlversorgung

Die Schmierung und Kьhlung des Turboladers erfolgt ьber den Schmierцlkreislauf des Motors. Das Lager- oder Mittelgehдuse bildet die Verbindung zwischen Turbine und Verdichter. Die Turbinenwelle dreht sich im Mittelgehдuse.

Das Schmierцl strцmt mit ca. 4 bar in den Turbolader. Der цlablauf erfolgt nahezu drucklos. Die Leitung muss daher wesentlich grцЯer im Durchmesser sein als der цlzulauf. Das Lager soll mцglichst senkrecht von oben nach unten durchstrцmt und der цlablauf oberhalb des Motorцlspiegels in das Kurbelgehдuse zurьckgefьhrt werden. Wird der цlablauf behindert, kommt es zu einem цlrьckstau in der Lagerung. Das цl strцmt dann durch die Dichtringe in den Verdichter und in die Turbine.

3.2. Kьhlung

Fьr Ottomotoren, bei denen die Abgastemperatur um 200 bis 300 °C hцher liegt als bei Dieselmotoren, werden meist wassergekьhlte Lagergehдuse eingesetzt. Wдhrend des Motorbetriebes ist das Lagergehдuse in den Kьhlkreislauf des Motors integriert. Nach dem Abstellen wird die Stauwдrme mittels eines kleinen Kьhlkreislaufes abgefьhrt, der von einer thermostatisch geregelten elektrischen Wasserpumpe angetrieben wird. 

3.3. Schwimmendes Lagersystem

Die Turbinenwelle rotiert in einem schwimmenden Lagerungssystem, das aus einem oder zwei Radiallagern besteht. Von der цlpumpe des Motors wird das Motorцl ьber verschiedene Kanдle zwischen das Lagergehдuse 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 neuere Versionen, bei denen das Radiallager fest montiert ist.
Die Turbinenwelle schwimmt gewissermaЯen in einem цlbad. Das цl dient nicht nur zur Schmierung der Welle, sondern erfьllt auch eine wichtige Funktion als Kьhlmittel fьr die Lager, die Welle und das Lagergehдuse.

Um ein Ьbertreten des Motorцls in das Verdichter- bzw. Turbinengehдuse zu verhindern muss das Lagergehдuse nach beiden Seiten abgedichtet werden. Hierzu werden bei der dynamischen Abdichtung Kolbenringe verwendet. Diese Kolbenringe tragen zwar dazu bei, цlleckagen zu verhindern, garantieren aber keine absolute Abdichtung. Eigentlich mьsste man sie als eine Art Labyrinthdichtung bezeichnen, durch die der Gas- und Luftstrom von der Turbine bzw. vom Verdichter zum Lagergehдuse und umgekehrt erschwert wird. Wenn ein Turbolader normal arbeitet, sind die Drьcke in der Turbine und im Verdichter hцher als im Lagergehдuse und dies fьhrt im Betrieb zu einer weiteren цlabdichtung des Lagergehдuses. Die Gase aus der Turbine und die verdichtete Luft aus dem Verdichter werden teilweise auch in das Lagergehдuse geblasen und entweichen zusammen mit dem цl ьber das цlablaufrohr in das Kurbelgehдuse. Dies ist das Grundprinzip fьr die Abdichtung eines Turboladers.

3.4. Das Turbinengehдuse

Die Abgase werden vom Motor, ьber den Auspuffkrьmmer zum Turbinengehдuse geleitet, dessen Strцmungskanal zunehmend enger wird. Bei gleich bleibenden Abgasvolumen erhцht sich hierdurch die Strцmungsgeschwindigkeit der Abgase. Ьber das spiralartige, schneckenhausfцrmige Turbinengehдuse werden die Gase auf das Turbinenrad gefьhrt, welches dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehдuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine, vergleichbar mit einem Gartenschlauch; je enger man dessen Ende zusammendrьckt, desto weiter spritzt das Wasser. Die Dimensionierung des Turbinengehдuses hinsichtlich GrцЯe und engstem Querschnitt ist vom Gasvolumen, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwьnschten Motorleistung abhдngig.
Sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor werden in den letzten Jahren verstдrkt die so genannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Die momentan verwendete variable Steuerung in Turbinengehдusen, so z.B. im VW Golf TDI, verringert die sonst ьbliche Turbolader-Verzцgerung ("Turboloch") auf ein Minimum. Ferner sorgt der Mechanismus, durch Verstellen des Anstrцmwinkels des Abgases auf den Turbinenlдufer, fьr ein nahezu optimales Drehmoment in allen Last- und Drehzahlbereichen des Motors.
Turbinengehдuse werden aus einer qualitativ hohen, warmfesten Stahl-Legierung gegossen.

3.5. Das Turbinenrad

Das Turbinenrad selbst besteht aus einer hochwertigen Eisen-Nickel-Legierung, die im Vakuum erschmolzen und vergossen wird. Die dazu benцtigten keramischen Schalenformen werden nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Der Bereich der Turbinenschaufeln, an dem die Abgase einstrцmen, wird Gaseintrittskante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittskante genannt. Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweiЯt und bildet somit eine starre Verbindung zum Verdichterrad. Sie ist aus einer geringerwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Fьr das VerschweiЯen wird ein spezielles Verfahren (ReibungsschweiЯen) angewendet, bei dem die Welle und ein Schwungrad auf eine Drehzahl von mehr als 1000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt werden. Dann wird der Schwungradantrieb ausgekuppelt und die Welle definiert gegen das Turbinenrad gepresst. Durch die Reibung erhitzen sich beide Teile an der SchweiЯstelle so stark, dass sie sich verbinden. Nach dem ReibschweiЯen erfolgen das Spannungsfreiglьhen und die Bearbeitung der Welle. Nach dem Hдrten der Lagerstellen wird der Turbinenrotor nochmals einer Wдrmebehandlung unterzogen. Die Bearbeitung der Welle auf die endgьltigen Abmessungen erfolgt durch Schleifen. In diesem Fertigungsprozess werden besonders hohe Anforderungen an die MaЯhaltigkeit und den Rundlauf der Welle gestellt. Das Toleranzband betrдgt nur wenige Tausendstelmillimeter. Weiterhin wird die Turbinenradkontur geschliffen, der Einstich fьr den Kolbenring eingebracht und das Gewinde gerollt. Der fertig bearbeitete Rotor wird auf speziellen Maschinen ausgewuchtet. (Mittlerweile wird auch das LichtbogenschweiЯverfahren verwendet.)

3.6. Das Verdichterrad

Das Verdichterrad wird auf das dьnnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Lдufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Die Verdichterrдder werden im Aluminiumdruckguss hergestellt. Durch Druck wird geschmolzenes Aluminium in einer zuvor hergestellte Gipsform gefцrdert. Nach dem Erkalten des Metalls wird der Gips mechanisch entfernt und das Verdichterrad gehдrtet. Als letzter Arbeitsgang wird der Lдufer prдzise ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehдuse eingebaut wird.

3.7. Die Turbine (Turbinengehдuse und Turbinenrad mit Welle)

Das Turbinengehдuse bildet zusammen mit dem Turbinenrad die Turbine.
Ьber den Auspuffkrьmmer werden die Abgase zum Turbinengehдuse geleitet. Der Strцmungskanal im Turbinengehдuse wird zunehmend enger, wodurch sich die Strцmungsgeschwindigkeit der Abgase erhцht. Der Grund fьr die Beschleunigung des Gasstromes ist, dass dasselbe Gasvolumen durch einen immer kleiner werdenden Querschnitt strцmen muss. Ьber das spiralartige schneckenhausfцrmige Turbinengehдuse werden die Gase auf das Turbinenrad gefьhrt, welches sich dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehдuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine. Die Auswahl von GrцЯe und engstem Querschnitt des Turbinengehдuses ist vom Gasstrom, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwьnschten Motorleistung abhдngig.

Je nach Anwendungsgebiet weisen Turbinengehдuse groЯe Unterschiede auf. Bei Lkw-Turboladern finden wir oft ein zweiflutiges Turbinengehдuse, in dem beide Gasstrцme erst kurz vor der Beaufschlagung des Turbinenrades vereinigt werden.
Mit einem solchen Gehдuse wird eine StoЯdruckaufladung (Impulsaufladung) mцglich. Dabei wird auЯer der Temperatur auch die kinetische Energie der Abgase genutzt. Dies erfordert getrennte Abgasleitungen. Beim zweiflutigen Turbinengehдuse wird jeder Strom ьber den gesamten Umfang des Turbinenrades gefьhrt. Eine andere Bauweise, die die StoЯdruckaufladung nutzt, stellt das Doppelstrom-Gehдuse 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 Turbinengehдuse verwenden. Diese Bauweise hat sich vor allem bei wassergekьhlten Turbinengehдusen fьr Schiffsmaschinen einen Platz erworben. In Turboladern fьr groЯe Motoren ist vor dem Turbinenrad mitunter ein Dьsenring (Turbinenleitkranz) angeordnet. Mit dem Dьsenring wird eine sehr gleichmдЯige Beaufschlagung des Turbinenrads und eine Feinregelung des Volumenstroms durch die Turbine ermцglicht.

Bei den neuen Fahrzeugen werden sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor die so genannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Verдnderbare Strцmungsquerschnitte im Turbinengehдuse zu schaffen, wдre ein Idealzustand, der schon 1958 von Chrysler bei Gasturbinen in PKW angestrebt wurde. Die derzeitige variable Steuerung in Turbinengehдusen so z.B. im VW Golf TDI verringert die sonst ьbliche Turbolader-Verzцgerung auf ein MindestmaЯ, da mit steigendem Abgas auch der Volumen im Gehдuse vergrцЯert wird und die Turbine bei hцheren Drehzahlen oder Volllast dennoch optimal arbeitet.

Das Turbinengehдuse 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 einstrцmen, wird Gaseintrittkante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittkante genannt.
Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweiЯt und bildet somit eine starre Verbindung zum Verdichterrad. Sie ist aus einer geringwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Fьr das VerschweiЯen wird ein spezielles Verfahren (ReibungsschweiЯen) angewendet, bei dem Welle und Turbinenrad in eine gegenlдufige schnelle Umdrehung versetzt und aneinandergepresst werden. Infolge der Reibungswдrme verschmelzen beide Materialien an der Berьhrungsflдche und bilden danach eine Einheit.
In Hцhe der VerschweiЯung befindet sich in der Welle ein Zwischenraum, der als Wдrmeьbertragung vom Turbinenrad zur Welle hemmen soll. An der Turbinenseite der Welle befindet sich eine Nut, in die ein Kolbenring zur Abdichtung eingesetzt wird. Die Laufflдche der Radiallager wird gehдrtet und feingeschliffen. Der Druckring fьr das Axiallager muss absolut senkrecht zur Wellenachse stehen und prдzise bearbeitet sein. Das Verdichterrad wird auf das dьnnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Lдufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Als letzter Arbeitsgang wird der Lдufer sehr genau ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehдuse eingebaut wird.

3.8. Die Drehzahl des Turboladers

Der Turbolader ist strцmungstechnisch ausschlieЯlich durch die Ladeluft und den Mengenstrom der Abgase mit dem Motor verbunden. Seine Drehzahl ist nicht von der Motordrehzahl abhдngig, sondern von der Leistung, die der Motor abgibt. Wenn man dem Motor mehr Kraftstoff zufьhrt, wird die Energie in den Abgasen erhцht, wodurch sich die Lдuferwelle des Turboladers schneller dreht und der Ladedruck steigt. Dadurch wird mehr Luft in die einzelnen Zylinder des Motors gepumpt, so dass wiederum mehr Kraftstoff zugefьgt werden kann.

Durch eine weitere Verkleinerung der Turbolader kцnnen heute auch Motore mit einem Hubraum unter 1,0 Liter fьr PKWs oder sogar Motorrдder aufgeladen werden. 
So z. B. im Smart, dessen Turbolader mit Drehzahlen bis zu 290.000 U/min lдuft.

3.11. Umluftventil

4. Ladedruckregelung und Ansprechverhalten

Das Leistungsgleichgewicht zwischen Verdichter (Luftseite) und Turbine (Abgasseite) eines Turboladers ohne Ladedruckregelung fьhrt zu einem Ladedruck, der sich proportional zur Abgasenergie des Motors verhдlt. In Motoren, die ьber einen sehr groЯen Drehzahlbereich arbeiten, wie z.B. Personenkraftwagen, ist ein mцglichst hoher Ladedruck bereits bei niedrigen Drehzahlen wьnschenswert. Abgasturbolader mit Ladedruckregelung bieten hier eine Lцsung. Indem man ein Turbinengehдuse mit engem Querschnitt wдhlt, kommt die Turbine bzw. das Turbinenrad schon bei einer geringen Abgasmenge auf Drehzahl und der gewьnschte Ladedruck wird schnell erreicht.

4.1. Betдtigungs-Membran fьr Ьberdruckventil

Das Ьberdruckventil begrenzt den weiteren Druckanstieg, obwohl die Motorleistung weiter erhцht wird. Bei Turboladern mit einem groЯen Turbinengehдuse baut sich in der Regel der Ladedruck erst sehr spдt auf und der hцchste Ladedruck wird erst bei hoher Motordrehzahl erreicht.

Mittlerweile werden Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie (VNT / VTG) eingesetzt die fast ьber der gesamten Motordrehzahl den besten Ladedruck erzielen; auf ein Ьberdruckventil zur Ladedruckregelung kann also verzichtet werden.

4.2. Elektronische Ladedruckregelung

Die elektronische Ladedruckregelung ermцglicht es, den Ladedruck ьber den gesamten Drehzahlbereich auf einen gewьnschten, im Kennfeld gespeicherten Wert zu regeln. Besonders im unteren Drehzahlbereich ist es wichtig, einen schnellen Ladedruckanstieg zu erzielen. Das drьckt sich direkt im Drehmoment und damit in den Durchzugsvermцgen des Motors aus. Das kennfeldgesteuerte Absenken des Ladedrucks in Verbindung mit einer Zьndverstellung ist eine wirkungsvolle MaЯnahme fьr die Klopfregelung.

Gegenьber der rein pneumatischen Regelung, die nur als eine Begrenzung des Volllastdruckes wirken kann, wird durch eine flexible Ladedruckreglung auch die Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillast ermцglicht. Der Ladedruck kann dabei in Abhдngigkeit einer Vielzahl von Parametern wie z. B. der Ladelufttemperatur, des Zьndwinkels bzw. der Einspritzparameter und der Kraftstoffqualitдt optimal eingestellt werden. Auch eine zeitweilige Ьberhцhung des Ladedruckes beim Beschleunigen (Overboost) ist mцglich.

Die Betдtigung der Klappe erfolgt wie bei der vorher beschriebenen selbstregelnden Ladedruckreglung. Anstelle des Ladedruckes wird die Membrane der Steuerdose mit einem modulierten Steuerdruck beaufschlagt. Dieser Steuerdruck ist niedriger als der Ladedruck und wird mit einem Taktventil erzeugt. Das Taktventil beaufschlдgt die Membrane mit dem Ladedruck und dem Druck am Verdichtereintritt zu unterschiedlichen Zeitanteilen. Das Taktventil wird von der Motorelektronik angesteuert und arbeitet mit einer Taktfrequenz von 10 bis 15 Hz. Die Federvorspannung ist gegenьber der herkцmmlichen Steuerung wesentlich geringer, um auch bei Teillastbetrieb des Motors, also bei weitaus geringerem Ladedrьcken, regeln zu kцnnen. Fьr Dieselmotoren wird die elektronische Ladedruckreglung auch mit Unterdruck durchgefьhrt.

5. VTG-Lader (Verstellbare Turbinengeometrie)

Die bisher dargestellten Ladedruckregelverfahren regeln die Turbinenleistung, indem ein Teil der Abgasmenge um die Turbine herum geleitet wird. Die verstellbare Turbinengeometrie ermцglicht es, den Strцmungsquerschnitt der Turbine in Abhдngigkeit des Motorbetriebspunktes zu verstellen. Dadurch wird die gesamte Abgasenergie genutzt, und der Strцmungsquerschnitt der Turbine kann fьr jeden Betriebspunkt optimal eingestellt werden, sodass gegenьber der Bypassreglung der Wirkungsgrad des Turboladers und damit der des Motors verbessert werden.

Die verstellbare Turbinengeometrie (VTG) mit drehbaren Leitschaufeln ist heute bei modernen PKW-Dieselmotoren Stand der Technik. Die stдndige Anpassung des Turbinenquerschnittes auf den Fahrzustand des Motors bewirkt eine Verminderung des Verbrauches und der Emissionen. Das bereits bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmoment des Motors und eine sorgfдltig abgestimmte Regelstrategie bewirken eine spьrbare Verbesserung des dynamischen Fahrverhaltens.

Die drehbar gelagerten Leitschaufeln zwischen dem Spiralgehдuse und dem Turbinenrad verдndern das Aufstauverhalten und damit die Leistung der Turbine. Dabei kann der Durchsatzbereich der Turbine im Verhдltnis von 1:3 bei gutem Wirkungsgrad variiert werden. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strцmungsquerschnitt der Turbine durch schlieЯen der Leitschaufeln verkleinert. Der Ladedruck und folglich das Drehmoment des Motors steigen in Folge des hцheren Druckgefдlle zwischen Turbineneintritt und Turbinenaustritt an. Bei hohen Motordrehzahlen цffnen die Schaufeln. Der gewьnschte Ladedruck wird bei einem niedrigen Turbinendruckverhдltnis erreicht, der Verbrauch des Motors wird verringert. Wдhrend der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Drehzahlen werden die Leitschaufeln geschlossen, um die maximale Energie aus dem Abgas zu gewinnen. Mit zunehmender Drehzahl цffnen die Schaufeln und passen sich an den jeweiligen Betriebspunkt an.

Die Ansteuerung der Leitschaufeln erfolgt heute noch meist elektronisch mit Unterdrucksteuerdosen und Taktventilen. Zukьnftig werden vermehrt elektrischen Aktuatoren mit Positionsrьckmeldung verwendet werden, die eine exakte und дuЯerst flexible Regelung des Ladedrucks ermцglichen.

Die Abgastemperatur moderner Hochleistungs-Dieselmotoren betrдgt heute bis zu 830 °C. das exakte und zuverlдssige Bewegen der Leitschaufeln im heiЯen Abgasstrom stellt hohe Anforderungen an die Werkstoffe und erfordert eine sehr sorgfдltige Abstimmung der Toleranzen innerhalb der Turbine. Die Leitschaufeln benцtigen unabhдngig von der GrцЯe des Laders ein MindestmaЯ an Spiel, um wдhrend der gesamten Lebensdauer des Fahrzeuges zuverlдssig zu arbeiten. Mit kleiner werdenden Turboladern steigen folglich die Strцmungsverluste in der Turbine an und der Wirkungsgrad sinkt. Entwicklungsziel ist es daher, diese Einsatzgrenzen der VTG so weit wie mцglich zu kleinen Turbolader zu verschieben.

6. VST-Lader (Verstellung des Strцmungsquerschnitts mittels Schiebehьlse)

Der einfache Aufbau der VST und die Integration einer Reihe von Funktionen in wenige Bauteile ist besonders vorteilhaft fьr kleine Turbinen oder falls hohe Abgastemperaturen gefordert sind. Die VST eignet sich besonders fьr kleine Dieselmotoren unter 1,4 Liter Hubraum, und zwar im Hinblick auf den Wirkungsgrad, die Kosten und den Bauraum. Fьr Ottomotoren mit den bekannten hohen Abgastemperaturen erцffnet sich durch die VST eine zuverlдssige Mцglichkeit der Ladedruckreglung mittels einer variablen Turbine. Der robuste VST-Mechanismus hдlt den hohen Abgastemperaturen deutlich besser stand als die sehr feingliedrige VTG. Der fьr Ottomotoren wegen dem groЯen Durchsatz auch bei variabler Turbine erforderlicher Bypass wird in die Verstellung integriert.

Das Turbinengehдuse дhnelt dem einer Zwillingsstromturbine. Die Tennwand reicht jedoch nicht bis zum Eintrittsflansch, sondern beginnt erst in der Spirale. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist nur ein Kanal geцffnet. Eine auf der Konturhьlse gleitende Schiebehьlse verschlieЯt den zweiten Kanal. Mit zunehmender Drehzahl wird der zweite Kanal kontinuierlich geцffnet. AnschlieЯend gibt sie Schiebehьlse einen Bypasskanal fei, der entlang der AuЯenkontur der Schiebehьlse vom Turbinenaustritt fьhrt. Hierdurch wird der Durchsatzbereich der Turbine zusдtzlich vergrцЯert.

Fьr die Verstellung des Strцmungsquerschnittes und die Freigabe des Bypasskanals wird nur ein Aktuator benцtigt. Die Verstellung kann pneumatisch mittels einer Steuerdose oder eines elektrischen Aktuators erfolgen.